【正文】 ，用以引導(dǎo)較為細調(diào)的視覺能力的注意。（1）三維虛擬聲音的特征在三維虛擬聲音系統(tǒng)最核心的技術(shù)是三維虛擬聲音定位技術(shù)，它的主要特征如下：① 全向三維定位特性全向三維定位特性（3D Steering）指在三種虛擬空間中,使用戶能準確地判斷也聲源的精確位置,符合人們在真實境界中的聽覺方式,如同在現(xiàn)實世界中,我們一般先聽到聲響,然后再用眼睛去看這個地方。視覺和聽覺一起使用能充分顯示信息內(nèi)容，尤其是當(dāng)空間超出了視域范圍，從而提供更強烈的存在和真實性感覺。當(dāng)HMD的分辨率和圖像質(zhì)量都還較差時，聲音對視覺質(zhì)量的增強就更為重要了。在VR系統(tǒng)中，借助于三維虛擬聲音可以襯托視覺效果，使人們對虛擬體驗的真實感增強。如戰(zhàn)場模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，當(dāng)用戶聽到了對手射擊的槍聲時，他就能像在現(xiàn)實世界中一樣準確而且迅速地判斷對手的位置，如果對手在他身后，聽到的槍聲就應(yīng)是從后面發(fā)出的?，F(xiàn)在，研究人員研究了根據(jù)在不同觀察點所拍攝的圖像，交互地給出或自動得到相鄰兩個圖像之間對應(yīng)，采用插值或視圖變換的方法，求出對應(yīng)于其他點的圖像，生成新的視圖，根據(jù)這個原理可實現(xiàn)多點漫游的要求。它所形成的數(shù)據(jù)較小，對計算機配置要求 低，適用于桌面式VR系統(tǒng)，建模速度快，但一般一個場景只有一個觀察點，因此交互性較差。目前，基于圖像的繪制技術(shù)主要有以下兩種，此外，其他的還有基于分層表示及全視函數(shù)等方法。它們都達到滿意的繪制質(zhì)量。與基于幾何的傳統(tǒng)繪制技術(shù)相比，基于圖像的實時繪制技術(shù)的優(yōu)勢在于：① 圖形繪制技術(shù)與場景復(fù)雜性無關(guān)，僅與所要生成畫面的分辨率有關(guān)。⑤ 細節(jié)層次模型所謂細節(jié)層次模型(Level Of Detail,LOD),是對同一個場景或場景中的物體使用具有不同細節(jié)的描述方法得到的一組模型。使用這種方法，系統(tǒng)僅顯示用戶當(dāng)前能“看見”的場景，當(dāng)用戶僅能看到整個場景中很小部分時，由于系統(tǒng)僅顯示相應(yīng)場景，此時可大大減少所需顯示的多邊形的數(shù)目。③ 場景分塊將一個復(fù)雜的場景劃分成若干個子場景，各個子場景間幾乎不可見或完全不可見。① 預(yù)測計算根據(jù)物體的各種運動規(guī)律，如手的移動，可在下一幀畫面繪制之前用預(yù)測的方法推算出手的位置，從而減少由輸入設(shè)備所帶來的延遲。除了在硬件方面采用高性能的計算機外，還必須選擇合適的算法來降低場景的復(fù)雜度（即降低圖形系統(tǒng)處理的多邊形數(shù)目）。因此，當(dāng)生成虛擬環(huán)境的視圖時，必須采用高性能的計算機及設(shè)計好的數(shù)據(jù)組織方式，從而達到實時性的要求，至少保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，最好是高于30幀/秒。2．實時三維圖形繪制技術(shù) 實時三維圖形繪制技術(shù)指利用計算機為用戶提供一個能從任意視點及方向?qū)崟r觀察三維場的手段，它要求當(dāng)用戶的視點改變時，圖形顯示速度也必須跟上視點的改變速度，否則就會產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象。采用運動學(xué)方法與動力學(xué)仿真都可以模擬物體的運動行為，但各有其優(yōu)越性和局限性。在該方法中，運動是通過物體的質(zhì)量和慣性、力、和力矩以及其他的物理作用計算出來的。由于運動學(xué)方法產(chǎn)生的運動是基于幾何變換的，復(fù)雜場景的建模將顯得比較困難。在關(guān)鍵幀動畫中，運動是通過顯示指定幾何變換來表現(xiàn)的。① 運動學(xué)方法運動學(xué)方法是通過幾何變換，如物體的平移或旋轉(zhuǎn)等來描述運動。也就是說行為建模就是在創(chuàng)建模型的同時，不僅賦予模型外形、質(zhì)感等表現(xiàn)特征，同時也賦予模型物理屬性和“與生俱來”的行為與反應(yīng)能力，并且服從一定的客觀規(guī)律。一個VR系統(tǒng)中的物體若沒有任何行為的反應(yīng)，則這個VR系統(tǒng)是靜止的、沒有生命的，對于VR用戶是沒有任何意義的，所以說行為建模技術(shù)才真正體現(xiàn)了VR的特征。（3）行為建模技術(shù)行為建模負責(zé)物體的運動和行為的描述。粒子系統(tǒng)由大量稱為粒子的簡單體素構(gòu)成，每個粒子具有位置、速度、顏色和生命期等屬性，這些屬性可根據(jù)動力學(xué)計算和隨機過程得到。② 粒子系統(tǒng)粒子系統(tǒng)是一種典型的物理建模系統(tǒng)，粒子系統(tǒng)是用簡單的體素完成復(fù)雜的運動建模。分形技術(shù)的優(yōu)點是用簡單的操作就可以完成復(fù)雜的不規(guī)則物體建模，缺點是計算量太大，不利于實時性。取三角形三邊的中點并按順序連接起來，將三角形分割成4個三角形，在每個中點隨機地賦予一個高度值，然后，遞歸上述過程。該技術(shù)首先被用于河流和山體的地理特征建模。這種結(jié)構(gòu)上的自相似稱為統(tǒng)計意義上的自相似。當(dāng)然，由樹枝構(gòu)成的樹從適當(dāng)?shù)木嚯x看時自然也是棵樹。① 分形技術(shù)分形技術(shù)是指可以描述具有自相似特征的數(shù)據(jù)集。（2）物理建模技術(shù)建模技術(shù)進一步發(fā)展的產(chǎn)物是物理建模，也就是在建模時要考慮對象的物理屬性。④ 直接利用VR編輯器。③ 利用常用建模軟件來進行建模。如：OpenGL、Java3D、VRML等。（1）幾何建模技術(shù)幾何建模技術(shù)主要研究對象是對物體幾何信息的表示與處理，它是涉及表示幾何信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及相關(guān)的構(gòu)造與操縱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法建模方法。三維視覺建模又是可分為幾何建模、物理建模、行為建模等。VR系統(tǒng)包括三維視覺和三維聽覺建模等。② 虛擬環(huán)境中有些物體有自己的行為，而其他圖形建模系統(tǒng)中一般只有構(gòu)造靜態(tài)的物體，或是物體簡單的運動。虛擬環(huán)境建模的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。我們知道只有設(shè)備是遠遠不夠的，還必須有相應(yīng)的壓縮算法等技術(shù)相支持，由此可見，實現(xiàn)VR系統(tǒng)除了需要功能強大的硬件設(shè)備支持以外，對其相關(guān)的軟件和技術(shù)也提出了較高要求。要達到這種目標，除了需要有一些專業(yè)的硬件設(shè)備，還必須有較多的相關(guān)技術(shù)及軟件加以保證。它一方面要保障虛擬三維場景的實時計算和顯示，盡量減少延遲，另一方面還要協(xié)調(diào)各種I/O交互設(shè)備之間的工作，以確保系統(tǒng)整體運行的性能，見圖211。4．VR硬件的系統(tǒng)集成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中通常包括大量需要處理來自各種設(shè)備的感知信息、模型和數(shù)據(jù)，因此，建立一個以計算機為核心，將多種I/O交互設(shè)備協(xié)調(diào)組合在一起的硬件平臺，是VR系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)。它特別適合于建立一些不規(guī)則三維物體模型，如人體器官和骨胳模型、出土文物、三維數(shù)字模型的建立等，在醫(yī)療、動植物研究、文物保護等VR應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。力矩球的優(yōu)點是簡單而且耐用；缺點是可以操縱物體，但在選取物體時不夠直觀，在使用前一般要進行培訓(xùn)與學(xué)習(xí)。當(dāng)使用者用手對球的外層施加力或力矩時，根據(jù)彈簧形變的法則，6個光傳感器測出3個力和3個力矩的信息，并將信息傳送計算機，即可計算出虛擬空間中某物體的位置和方向等。三維空間鼠標與其他設(shè)備相比其成本低，常駐應(yīng)用于建筑設(shè)計等領(lǐng)域。數(shù)據(jù)衣主要應(yīng)用在一些復(fù)雜環(huán)境中，對物體進行的跟蹤和對人體運動的跟蹤與捕捉。它將大量的光纖安裝在一件緊身衣上，可以檢測人的四肢、腰部等部位的活動，以及各關(guān)節(jié)（如手腕、肘關(guān)節(jié)）彎曲的角度。常用于精度要求較高的場合。在每個手指上安裝有4個位置傳感器，共采用20個霍爾傳感器安裝在手的每個關(guān)節(jié)處。當(dāng)手指彎曲時一片受到擠壓，另一片受到拉伸，使兩個電阻片的電阻分別發(fā)生變化，通過電橋換算出相應(yīng)的電壓變化，再把此數(shù)據(jù)量送入到計算機中處理，從而檢測到各手指的彎曲狀態(tài)。② 賽伯手套賽伯手套（Cyber Glove）是為把美國手語翻譯成英語所設(shè)計的。目前典型的數(shù)據(jù)手套有以下幾種：① VPL數(shù)據(jù)手套,、重量輕，可方便地安裝在手套上。在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)手套還必須配有空間位置跟蹤定位設(shè)備，檢測手的實際位置和方向。（1）數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套（Data Glove）是VPL公司在1987年推出的一種傳感手套的專有名稱。VR技術(shù)的一項重大突破就是用手來代替鍵盤、鼠標，作為人與計算機交互的一種重要手段。這種顯示器目前面臨的主要問題是制作成本太高，因而尚未商品化，它屬于新發(fā)明，在未來有希望成為三維可視化的一種理想顯示工具。這項技術(shù)不同于普通顯示器中的發(fā)射與反射類型，如圖27所示，它把光源從顯示器的下面向上發(fā)射，通過顯示器內(nèi)部的發(fā)射與折射，使用戶能看到立體的圖像。投影式VR系統(tǒng)對一些公眾場合中很理想的，例如藝術(shù)館或娛樂中心，因為參與者幾乎不需要任何專用硬件，而且還允許很多人同時享受一種虛擬現(xiàn)實的經(jīng)歷。各屏幕（背投式）同時顯示從某一固定觀察點看到的所有視像，由此提供一種全景式的環(huán)境。例如美國芝加哥大學(xué)研制的CAVE系統(tǒng)。② 比頭盔顯示器的形成的圖像清晰③ 圖像亮度不如普通屏幕好④ 沉浸感較差。根據(jù)雙目視差與深度距離的正比關(guān)系，人的視覺生理系統(tǒng)就可以自動將這兩幅視差圖像融合成一個立體視像了（如圖25所示）。用戶則佩戴一副與計算機相連的液晶光閘眼鏡，眼鏡的左、右鏡片在驅(qū)動電信號的作用下，將以與圖像顯示同步的速率交替“開”（透光）、“閉”（遮光），即當(dāng)計算機顯示左眼圖像時，右眼透鏡將被遮閉，而當(dāng)計算機顯示右眼圖像時，左眼透鏡則被遮閉。圖24是一種用于設(shè)計核潛艇的BOOM顯示器。雖然它的沉浸感稍差些，但使用這種設(shè)備可以自由的進出虛擬環(huán)境，使用者只要把頭從觀測點轉(zhuǎn)開，就離開虛擬環(huán)境而進入現(xiàn)實世界，因此具有方便靈活的應(yīng)用特點。與頭盔顯示器相比，BOOM采用高分辨率的CRT顯示器，因而其分辨率高于HMD，且圖像柔和。它由兩個互相垂直的機械臂支撐，這不僅讓使用者可以在半徑約2米的球面空間內(nèi)自由移動，還能將顯示器的重量加以巧妙的平衡而使之始終保持水平，不受平臺的運動影響。HMD可以將參與者與外界完全隔離或部分的隔離，因而已成為沉浸式VR系統(tǒng)與增強式VR系統(tǒng)不可缺少的視覺輸出設(shè)備，圖23為兩種頭盔式顯示器。它通常由兩個LCD或CRT顯示器分別向左右眼提供圖像，這兩個圖像由計算機分別驅(qū)動的，兩個圖像間存在著微小的差別，類似于“雙眼視差”?，F(xiàn)階段常用的顯示設(shè)備主要有立體眼鏡、頭盔式顯示器、雙目全方位顯示器、大屏幕投影等。雖然桌面式VR系統(tǒng)中可以使用普通的計算機屏幕作為顯示設(shè)備，但它卻不能提供大視野、雙眼的立體視覺效果。與電磁波和超聲波這兩種跟蹤器相比，光學(xué)系統(tǒng)的可工作范圍小，但其數(shù)據(jù)處理速度、響應(yīng)性都非常好，因而較適用于頭部活動范圍相當(dāng)受限、但要求具有較高刷新率和精確率的實時應(yīng)用。（3）光學(xué)跟蹤器光學(xué)跟蹤也是一種較為常見的跟蹤技術(shù)。由于相位可被連續(xù)測量，因而這種方法具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率。這種方法具有較好的精確度和響應(yīng)性，但容易受到外界噪音脈沖的干擾，同時數(shù)據(jù)傳輸率還會隨著監(jiān)測范圍的擴大而降低，因而比較適用于小范圍內(nèi)的操作環(huán)境。其中，聲波飛行時間跟蹤是通過測量聲波的飛行時間延遲來確定距離的。但是，它的敏感性卻容易受接收器的方位和空氣密度的影響。圖22 交流電磁跟蹤系統(tǒng)的工作原理（2）超聲波跟蹤器超聲波跟蹤器的工作原理是發(fā)射器發(fā)出高頻超聲波脈沖（頻率20kHz以上）后，由接收器計算收到信號的時間差、相位差或聲壓差等，就可以跟蹤物體的距離和方位了。（1）電磁波跟蹤器這是一種最為常用的跟蹤器，它使用一個信號發(fā)生器（3個正交線圈組）產(chǎn)生低頻電磁場，然后由放置于接收器中的另外三組正交線圈組負責(zé)接收，通過獲得的感生電流和磁場場強的9個數(shù)據(jù)來計算被跟蹤物體的位置和方向（如圖22所示）。圖21 Polhemus的Fastrak跟蹤定位器VR的各種應(yīng)用基本上都是采用跟蹤用戶頭部或手的運動，也有監(jiān)測使用者的眼睛）即視線）或面部表情的系統(tǒng)。例如，為了感知參與者的視線，需要跟蹤觀察者頭部的位置和方向；為了在虛擬環(huán)境中移動物體或參與者的身體，就要跟蹤觀察者各肢體的位置，包括從手到全身各部位的位置等。根據(jù)傳感渠道以及在功能和目的上的不同，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的三維交互設(shè)備主要被分為三維跟蹤傳感設(shè)備、立體顯示設(shè)備、人機交互設(shè)備以及系統(tǒng)集成設(shè)備等幾大類。它涉及多個不同學(xué)科，包括計算機圖形、虛擬環(huán)境、人工智能與人工生命、仿真、機器人等。④ 廉價的VR硬件系統(tǒng)VR技術(shù)的主要研究方向是在外部空間的實用跟蹤技術(shù)、力反饋技術(shù)、嗅覺技術(shù)及面向自然的交互硬件設(shè)備。② 人機交互界面開展獨立于應(yīng)用系統(tǒng)的交互技術(shù)和方法的研究，建立軟件技術(shù)交換機構(gòu)以支持代碼共享、重用和軟件投資，并鼓勵開發(fā)通用型軟件維護工具。，自然交互性不夠，在語音識別等人工智能方面的效果還遠不能令人滿意。④ 效果的局限性，缺乏逼真的物理、行為模型。③ 應(yīng)用的局限性從應(yīng)用上來說，現(xiàn)階段VR技術(shù)的主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域較多，在各高校科研方面較多，在教育領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用還遠遠不夠，有待進一步加強。(3) 目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)的局限性 ① 硬件設(shè)備的局限性、效果不佳等情況② 軟件的局限性從軟件上來說，現(xiàn)在大多數(shù)VR軟件普遍存在語言專業(yè)較強，通用性較差，易用性差等問題。 2004年南京大學(xué)成立了南京大學(xué)虛擬現(xiàn)實與教學(xué)媒體研究中心，對VR技術(shù)及應(yīng)用進行研究，并把重點放在虛擬體育仿真、數(shù)字文化遺產(chǎn)保護和自然人機交互等方面。西安交通大學(xué)信息工程研究所對VR中的關(guān)鍵技術(shù)——立體顯示技術(shù)——進行了研究。北京科技大學(xué)成功開發(fā)出了純交互式汽車模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)。他們還針對室內(nèi)環(huán)境中水平特征豐富的特點，提出借助圖像變換，使立體視覺圖像中對應(yīng)水平特征呈現(xiàn)形狀一致性，以利于實現(xiàn)特征匹配，并獲取物體三維結(jié)構(gòu)的新穎算法。開發(fā)了直升機虛擬仿真器、坦克虛擬仿真器、虛擬戰(zhàn)場環(huán)境觀察器、計算機兵力生成器。北京航空航天大學(xué)計算機系是國內(nèi)最早進行VR研究的機構(gòu)之一，他們首先進行了一些基礎(chǔ)知識方面的研究，并著重研究了虛擬世界中物體物理特性的表示與處理，在VR中的視覺接口方面開發(fā)出了部分硬件，并提出了有關(guān)算法及實現(xiàn)方法。CG國家重點實驗室牽頭，由浙江大學(xué)、中科院軟件所、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等聯(lián)合申報的2002年度《國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃》（即973項目）中的“虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)理論、算法及其實現(xiàn)”獲批準立項。他們開發(fā)了9自由度的觸覺輸入器并開發(fā)了虛擬行走原型系統(tǒng)，步行者只要腳上穿上全方向的滑動裝置，他就能交替邁動左腳和右腳。他們的成果有一個類似CAVE的系統(tǒng)，用HMD在建筑群中漫游，制造出飛行仿真器等。東京大學(xué)的廣瀨研究室重點研究VR的可視化問題。日本主要致力于建立大規(guī)模VR知識庫的研究，另外在VR游戲方面的研究也做了很多的工作 。它主要從事虛擬世界的感知、虛擬環(huán)境的控制和顯示、機器人遠程控制、VR在空間領(lǐng)域的應(yīng)用、宇航員的訓(xùn)練、分子結(jié)構(gòu)的模擬研究等。英國在VR技術(shù)的研究與開發(fā)的某些方面，如分布式并行處理、輔助設(shè)備（觸覺反聵設(shè)備等）設(shè)計、應(yīng)用研究等方面，在歐洲是