【正文】 通過調(diào)整新模型中的頂點(diǎn)數(shù)，可以生成層次化模型。 其中距離能量反映原始頂點(diǎn)集與簡(jiǎn)化模型的距離偏差。表示能量定義為表示因子 Crep 與模型頂點(diǎn)數(shù) m 的乘積， Crep 值越大，表明模型表示的簡(jiǎn)潔性越重要， Crep 值越小，表明對(duì)原模型的逼近精度要求越高，因此通過指定不同的 Crep 值，可以控制模型的復(fù)雜度，構(gòu)造層次化模型。 Hoppe 給出了對(duì)三維掃描儀測(cè)量的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化的實(shí)例，效果十分理想，但算法的執(zhí)行效率很低。 Hinker 的合并共面多邊形法，通過找出最大法矢夾角在某一給定值之間的一組多邊形，將其看作近似共面的多邊形，把這組多邊形合并成一個(gè)多邊形，對(duì)合并后的多邊形進(jìn)行三角剖分。 此外， Renzen 提出了一種通用的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格簡(jiǎn)化方法，特別是解決了四面體網(wǎng)格的簡(jiǎn)化問題，即體簡(jiǎn)化 (Volume Decimation)方法。 Renzen 的方法實(shí)際上可分為兩步，第一步，即對(duì)刪除頂點(diǎn)后遺留的空殼體進(jìn)行四面體剖分；第二步即解決剖分后存在的拓?fù)洳幌嗳輪栴}。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)涵已經(jīng)大大擴(kuò)展，像 人工現(xiàn)實(shí)（ ArtificialReality） 、 虛擬環(huán)境 （ Virtual Environment）、賽伯空間 （ Cyberspace）等，都可以認(rèn)為是虛擬現(xiàn)實(shí)的不同術(shù)語或形式。根據(jù)用戶參與 VR的不同形式以及沉浸的程度不同， 我們可以把各種類型的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)劃分四類： 1．桌面虛擬現(xiàn)實(shí) 桌面虛擬現(xiàn)實(shí)利用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站進(jìn)行仿真，將計(jì)算機(jī)的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個(gè)窗口。它要求參與者使用輸入設(shè)備，通過計(jì)算機(jī)屏幕觀察 360 度范圍內(nèi)的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時(shí)參與者缺少完全的沉浸，因?yàn)樗匀粫?huì)受到周圍現(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾。常見桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有：基于靜態(tài)圖像 的虛擬現(xiàn)實(shí) QuickTime VR、虛擬現(xiàn)實(shí)造型語言 VRML、桌面三維虛擬現(xiàn)實(shí)、 MUD 等。它利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個(gè)新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。 3．增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的 虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來模擬現(xiàn)實(shí)世界、仿真現(xiàn)實(shí)世界，而且要利用它來增強(qiáng)參與者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，也就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中無法感知或不方便的感受。 4．分布式虛擬現(xiàn)實(shí) 如果多個(gè)用戶通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時(shí)參加一個(gè)虛擬空間，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷，那虛擬現(xiàn)實(shí)則提升到了一個(gè)更高的境界，這就是分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。目前最典型的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是 SIMNET， SIMNET 由坦克仿真器通過網(wǎng)絡(luò)連接而成，用于部隊(duì)的聯(lián)合訓(xùn)練。 桌面三維虛擬現(xiàn)實(shí) 桌面三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)就是一種在 PC 上實(shí)現(xiàn)的綜合立體圖形、自然交互等技術(shù)，以營(yíng)造與客觀世界高度類似的逼真、虛擬的環(huán)境的應(yīng)用的系統(tǒng)。通過頭盔式顯示器或立體眼鏡等專用輔助顯示設(shè)備觀察建模的三維物體，可以獲得在平面顯示器上無法得到的物 深度 （距離）信息，并通過兩只眼睛觀察不同的圖像，產(chǎn)生觀察視差，這種物體的深度和觀察視差便產(chǎn)生了真實(shí)的立體三維觀察效果，從而達(dá)到身臨其境的效果?，F(xiàn)在常見的交互設(shè)備有：數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、操縱桿、數(shù)據(jù)衣、普通鍵盤和鼠標(biāo)。 1．硬件設(shè)備 一套基本的 PC 的三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)如圖 1 所示，其中以 PC 級(jí)的圖形工作站為主機(jī)， Windows NT 為操作系統(tǒng)，立體三維圖形卡作為圖形處理引擎，人機(jī)交互設(shè)備為數(shù)據(jù)手套和普通鼠標(biāo)，立體圖形顯示設(shè)備為頭盔式顯示器和三槍 CRT 大屏幕投影儀。 對(duì)于多人同時(shí)觀察，需要配備 CRT 三槍投影儀或者是 3 維立體單槍投影儀。特別需要注意的是，普通液晶投影儀不能用于立體投影。 OpenGL 是由 SGI、第三章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的本質(zhì)特征 27 Microsoft 等公司共同制訂的三維圖形 API， OpenGL 程序代碼既可以在工作站上也可以在 PC 上編譯運(yùn)行。 半實(shí)物仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)想 半實(shí)物仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)想 虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境是由圖像、圖形識(shí) 別與生成系統(tǒng)；聲音、觸感的識(shí)別與產(chǎn)生系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)；人工智能系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)等不同功能、不同層次的系統(tǒng)所構(gòu)成的集成系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于教育是教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍。虛擬實(shí)驗(yàn)既可縮短訓(xùn)練的時(shí)間，又可獲得直觀、真實(shí)的效果，還能對(duì)那些不可視的結(jié)構(gòu)原理和不可重組的精密設(shè)備作仿真實(shí)訓(xùn)，一 方面培養(yǎng)學(xué)生操作、維護(hù)和檢修的技能，另一方面培養(yǎng)學(xué)生自我訓(xùn)練的意識(shí)和創(chuàng)新能力。虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能模擬采用掛入式結(jié)構(gòu)，可以隨學(xué)科、 專業(yè)的擴(kuò)充在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行重組，不斷增加模塊，不斷生成新的功能。這種虛擬現(xiàn)實(shí)與半實(shí)物仿真可以滿足大部分教學(xué)和訓(xùn)練的要求，大大減少經(jīng)費(fèi)的投入，并可第三章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的本質(zhì)特征 28 向網(wǎng)絡(luò)學(xué)校、虛擬教育延伸。它的基本特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一個(gè)物體或空間進(jìn)行 360 度全景觀察。 假定我們?cè)谝皇铱臻g進(jìn)行觀擦，室內(nèi)空間一般有六個(gè)表面，如果我們獲取了這六個(gè)表面的許多不同距離，不同方位的實(shí)景照片并將他們按照相互的關(guān)系有機(jī)連接起來就可以在視覺上形成這個(gè)房間整個(gè)空間的整體認(rèn)識(shí)，這就是全景概念。這就是 QTVR 工作的基 本原理。 QTVR的全景圖象實(shí)際上是空間中一個(gè)視點(diǎn)對(duì)周圍環(huán)境的 360 度的視圖。用戶可以在全景圖象中在 360 度的范圍內(nèi)任意切換視線，也可以在一個(gè)視線上改變視角，來取得接近或遠(yuǎn)離的效果。全景圖象是從空間內(nèi)的節(jié)點(diǎn)來看周圍 360 度的景物所生成的視圖，而對(duì)象則剛好 相反，它是從分布在以一件物體（即物體）為中心的立體 360 度的球面上的眾多視點(diǎn)來看一件物體，從而生成的對(duì)一個(gè)對(duì)象的全方位的圖象信息。第三章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的本質(zhì)特征 29 點(diǎn)擊電影播放窗口的中央，會(huì)顯示一個(gè)圖象，點(diǎn)擊窗口的上部或下部，從而移動(dòng)觀察視點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)顯示對(duì)應(yīng)觀察點(diǎn)圖象。在場(chǎng)景中，用戶可以在很多全景圖象或?qū)ο箅娪爸新?，可以從全景圖象到全景圖象、從全景 圖象到對(duì)象電影、從對(duì)象電影到對(duì)象電影、從對(duì)象電影到全景圖象等多種方式來漫游。其次，從目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有 VR 系統(tǒng)上來看，都采用計(jì)算機(jī)生成圖像的方式來建立三維模型，圖像的分辨率、質(zhì)量、復(fù)雜度、真實(shí)性都不是很高，復(fù)雜場(chǎng)景造型數(shù)據(jù)量巨大，而且常常由于場(chǎng)景的快速切換出現(xiàn)抖動(dòng)和延遲。 數(shù)字化（掃描）、生成場(chǎng)景播放，不需要任何編程知識(shí)，任何普通人都可以勝任。普通三角架可以用于拍攝，但難以保證軸心一致，故制作出的全景有跳躍感，真實(shí)性不強(qiáng)；而用專用的三角架，由于軸心一致，所以可以拍攝出圖象質(zhì)量好、真實(shí)感很強(qiáng)的全景，而且拍攝過程非常簡(jiǎn)單。 軟件組成： QTVR 軟件包括兩大組成部分：創(chuàng)作軟件與播放軟件。蘋果公司已經(jīng)發(fā)行了 QTVR 的創(chuàng)作軟件： QTVR Author Studio ，它只能運(yùn)行在 Apple 公司的 Macintosh 系統(tǒng)上。播放軟件可運(yùn)行于Macintosh 和 Windows 的環(huán)境。微軟公司出版的百科全書教育軟件中就大量采用 QTVR 技術(shù)來創(chuàng)建各種情景。它在 Web 網(wǎng)上創(chuàng)建可導(dǎo)航的、超鏈接的三維虛擬現(xiàn)實(shí)空間。所謂文本描述指 VRML 并不是用三維坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來描述三維物體的，因?yàn)檫@樣會(huì)有很大的數(shù)據(jù)量，在 Inter 上傳輸會(huì)遇到很多困難， VRML 用類似 HTML 標(biāo)記文本語言來描述三維場(chǎng)景，就象我們的編程語言，比如，一個(gè)立方體的描述文本是： Box(size )。目前，主流的高版本的瀏覽器都集成了 VRML 解釋器，但在一些低版本的瀏覽器中，要想瀏覽 VRML 場(chǎng)景，需要安裝一個(gè) VRML 解釋器插件。在這四個(gè)要素中，只有文件頭部分是必須的，它用來告訴瀏覽器該文件符合的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及使用的字符集等信息。造型節(jié)點(diǎn)是 VRML 中的基本建造模塊，它構(gòu)成了 VRML 文件的主體部分，正是由于造型節(jié)點(diǎn)定義而產(chǎn)生了虛擬的 VRML 空間。其本身沒有任何動(dòng)作，然而你可以通過程序腳本來賦予你腳本節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作。路由是一種文本描述的消息，一旦在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建了一個(gè)路由， 第一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以順著路由傳遞消息給第二個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣的消息被稱為事件。 設(shè)計(jì) VRML 虛擬場(chǎng)景時(shí)，最簡(jiǎn)單的方法是直接使用文本編輯器來編輯描述文本，它類似于程序設(shè)計(jì)，這種方法簡(jiǎn)單方便，但不是很直觀，對(duì)設(shè)計(jì)者的空間想象能力要求也較高，設(shè)計(jì)的效率不高。設(shè)計(jì)完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)將這些可視的虛擬場(chǎng)景生成標(biāo)準(zhǔn)的 VRML 描第三章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的本質(zhì)特征 32 述文本，這樣，這些文本傳送到用戶的瀏覽器后，便會(huì)在用戶的屏幕上重現(xiàn)這個(gè)虛擬場(chǎng)景。 VRML 在各方面都展現(xiàn)出了強(qiáng)大的應(yīng)用可能性，蘊(yùn)藏了無限生機(jī)，在教育領(lǐng)域中 WEB 站點(diǎn)中，它可廣泛用于學(xué)習(xí)情景創(chuàng)設(shè)，增加學(xué)習(xí)內(nèi)容的形象性和趣味性；可視化的導(dǎo)航，自然的人機(jī)界面 等方面。另外，使用 VRML 做模擬訓(xùn)練是一種可行性極高的實(shí)施，它不光可以減少某些情況下現(xiàn)實(shí)空間中操作的困難和危險(xiǎn)，更為重要的是它可以使訓(xùn)練造價(jià)得到大幅度降低，這樣就使得在教育方面的應(yīng)用成為可能。虛擬校園、虛擬考場(chǎng)也將不可避免地出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中，這些新興的教育形式必將因其優(yōu)越的一面而在未來教育領(lǐng)域中占有一席 之地。這個(gè)環(huán)境通常代表了一定的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，如城市、校園、建筑物，甚至還可以是一些想象的空間，如曠野、孤島等。 MUD 是一種基于文本的虛擬世界，這個(gè)虛擬世界并不是用浮華的圖形和聲音來展現(xiàn)的，而是以 ASCII 字符為主的文本和 ASCII 字符組成的簡(jiǎn)單圖形來表現(xiàn)的，屏幕上只有文本，而沒有圖形，這個(gè)虛擬世界是借第三章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的本質(zhì)特征 33 助于你的想象存在于你的腦海中，而不存在屏幕上，屏幕上只有提示你想象的文本。用文本指令引發(fā)對(duì)象的動(dòng)作，用文本指令交談，用文本指令表達(dá)情感、表示情緒，用文 本指令交流思想。 MUD 是一個(gè)以客戶 /服務(wù)器模式運(yùn)行的程序，它接受多個(gè)用戶通過Inter 提出的連接請(qǐng)求，并為每個(gè)用戶提供一個(gè)想象的實(shí)時(shí)環(huán)境。在 Windows 平臺(tái)上最優(yōu)秀的 MUD 客戶端軟件是Zuggsoft 開發(fā)的 ZMUD。 ZMUD 采用圖形化界面，使用非常簡(jiǎn)單，并且內(nèi)置了非常強(qiáng)大的機(jī)器人系統(tǒng)（由 Aliases、 Trigger 和 Variables 等部分組成），可以提供很多方便和樂趣。 在 MUD 空間，所有用戶、物體環(huán)境等等都是對(duì)象（ Object），它們有各自的對(duì)象號(hào)（ Object Number），每個(gè)對(duì)象有各自的動(dòng)作（ Verb）和屬性（ Property），這些動(dòng)作和屬性決定了它 們的外表，也決定了它如何與其它對(duì)象進(jìn)行交互。即系統(tǒng)提供必要的基礎(chǔ)設(shè)施和對(duì)象結(jié)構(gòu)，而虛擬世界的建立則完全是所有用戶合作完成的，這是 MUD/MOO 虛擬世界設(shè)計(jì)的中心原則。 MUD是一種學(xué)習(xí)者可以參觀的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，它模擬了真實(shí)的世界，第三章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的本質(zhì)特征 34 在真實(shí)世界中看得到的現(xiàn)象，或多或少在 MUD 中也會(huì) 發(fā)覺。 MUD 與游戲最大的不同在于 MUD 是自由的，是任你想像的，而不像游戲般，一切的一切，皆已有人（設(shè)計(jì)師）幫你安排好。 MUD 有許多種類，不同種類的 MUD 提供你不同的想像空間，不同的感覺。通常玩者在其內(nèi)多半在于聊天， 交朋友，講講笑話，討論事情等。 教育性 MUD：以學(xué)習(xí)和教育為主題的 MUD，參與者多在其內(nèi)參與學(xué)習(xí)或訓(xùn)練，或是共同解決問題，或模擬教育社區(qū)。 戰(zhàn)斗性 MUD：戰(zhàn)斗導(dǎo)向的 MUD。代表性 MUD 如： LPMUD、 DikuMUD 等。例如， MUD 用文本來描述世界，它對(duì)語言教 學(xué)有著天然的優(yōu)勢(shì)，因 MUD 中不僅僅是人與機(jī)器的交流，而更多是通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行人與人之間的交流， MUD 又有一定的競(jìng)爭(zhēng)性和游戲性，能夠寓教于樂，有效地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣?？傊?MUD/MOO 技術(shù)，能夠建立非常有效的基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)環(huán)境，它結(jié)合了益智游戲、情景化學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、遠(yuǎn)程教育等多種特性，是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ姆植际阶烂嫣摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)。編寫 Windows 應(yīng)用程序只熟悉 C 一的語法還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須掌握 MFC，全稱是 Microsoft Fundamental Class，即微軟基礎(chǔ)類庫(kù)。一個(gè)完整的 Windows 應(yīng)用程序首先必須有用戶界面、窗體、各種對(duì)話框、按鈕、菜單等，開發(fā)者可以通過調(diào)用 Windows的 API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)這一切，但是 API采用的是 C的標(biāo)準(zhǔn)，用它編寫程序很多 C 一的特性，比如繼承、封裝等就無法發(fā)揮。它就是 Microsoft 基礎(chǔ)類庫(kù) (MFC)，該庫(kù)的主要優(yōu)點(diǎn)是效率高。同時(shí)它還提供了所有一般 C+十編程的優(yōu)點(diǎn)，因此 MFC 具有良好的通用性和可移植性。更令人興奮的是利用 C++的封裝功能使開發(fā)者擺脫 Windows 中各種句柄的困擾，只需要面對(duì) C++中的對(duì)象，這樣使開發(fā)更接近編程語言而遠(yuǎn)離系統(tǒng)。利用它們，開發(fā)者可以完成許多標(biāo)準(zhǔn)的 Windows 編程任務(wù) 。在設(shè)計(jì)思想上， MFC 將 OOP 方法與事件驅(qū)動(dòng)結(jié)合得很好。事實(shí)上，開發(fā)者可能只需要使用其中的十多個(gè) MFC 中的類就可以建立一個(gè)非常漂亮的程序。它的前身是由 SGI 公司為其圖形工作站開發(fā)的可以獨(dú)立于窗口系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境的圖形開發(fā)環(huán)境，其目的是將用戶從具體的硬件系統(tǒng)、窗口和操作系統(tǒng)中解放出來，可以完全不理會(huì)這些系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，只要 按照 OpenGL 規(guī)定的格式書寫應(yīng)用程序就可以在支持該語言的硬件平臺(tái)上執(zhí)