【正文】 算好的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先計算并存儲在系統(tǒng)中，這樣可加快需要運(yùn)行時的速度。④ 可見消隱場景分塊技術(shù)與用戶處的場景位置有關(guān)，而可見消隱技術(shù)則與用戶的視點(diǎn)關(guān)系密切。然而，當(dāng)用戶“看見”的場景較復(fù)雜時，這種方法作用就不大。（2）基于圖像的繪制技術(shù)基于圖像的繪制技術(shù)（Image Based Rending,IBR）是采用一些預(yù)先生成的場景畫面,對接近于視點(diǎn)或視線議程的畫面進(jìn)行交換、插值與變形，從而快速得到當(dāng)前視點(diǎn)處的場景畫面。② 預(yù)先存儲的圖像（或環(huán)境映照）既可以是計算機(jī)生成的，也可以是用相機(jī)實際拍攝的畫面，也可以兩者混合生成。③ 對計算機(jī)的資源要求不高，可以在普通工作站和個人計算機(jī)上實現(xiàn)復(fù)雜場景的實時顯示。① 全景技術(shù)全景技術(shù)是指在一個場景中的一個觀察點(diǎn)用相機(jī)每旋轉(zhuǎn)一下角度拍攝得到一組照片，再在計算機(jī)采用各種工具軟件拼接成一個全景圖像。② 圖像的插值及視圖變換技術(shù)在上面所介紹的全景技術(shù)中，只能在指定的觀察點(diǎn)進(jìn)行漫游。3．三維虛擬聲音的顯示技術(shù)VR系統(tǒng)中的三維虛擬聲音，使聽者能感覺到聲音卻是來自圍繞聽者雙耳的一個球形空間中的任何地方，即聲音可能來自于頭的上方、后方或者前方。因而把在虛擬場景中的能使用戶準(zhǔn)確地判斷出聲源的精確位置、符合人們在真實境界中聽覺方式的聲音系統(tǒng)稱為三維虛擬聲音系統(tǒng)。即使閉上眼睛，也知道聲音來自哪里。原因是聽覺和其他感覺一起作用時，能在顯示中起增效器的作用。另外，聲音是用戶和虛擬環(huán)境的另一種交互方法，人們可以通過語音與虛擬世界進(jìn)行雙向交互。三維聲音系統(tǒng)不僅允許我們根據(jù)注視的方向，而且可根據(jù)所有可能的位置來監(jiān)視和識別各信息源。在受干擾的可視顯示中，用聽覺引導(dǎo)肉眼對目標(biāo)的搜索，要優(yōu)于無輔助手段的肉眼搜索，即使是對處于視野中心的物體也是如此，這就是聲學(xué)信號的全向特性。當(dāng)用戶頭部轉(zhuǎn)動時，這個虛擬的聲源的位置也應(yīng)隨之變化，使用戶感到真實聲源的位置并未發(fā)生變化。因為只有聲音效果與實時變化的視覺相一致，才可能產(chǎn)生視覺和聽力的疊加與同步效應(yīng)。③ 沉浸感與交互性三維虛擬聲音的沉浸感就是指加入三維虛擬聲音后，能使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺，這可以更進(jìn)一步使人沉浸在虛擬環(huán)境之中，有助于增強(qiáng)臨場效果。虛擬聲音技術(shù)存在的問題:① 聽覺定位的混淆問題無論應(yīng)用哪一種定位方法，通過耳機(jī)定位，常常導(dǎo)致定位聲音的前后顛倒和上下顛倒以至于降低了立體定位的性能和聲源的形象化。② 虛擬聲音環(huán)境的可視化問題虛擬聲音不能孤立的存在，通常與視頻技術(shù)結(jié)合創(chuàng)造一個虛擬視聽環(huán)境。然而，如果聽覺通道信息與視覺通道信息相互沖突，反而降低了虛擬視聽環(huán)境的逼真度，所以視聽保持同步、頭部運(yùn)動補(bǔ)償?shù)葐栴}虛擬聲音的可視化。③ 聽覺心理學(xué)和聽覺生理學(xué)的限制。相對而言，對外圍聽覺系統(tǒng)的研究較深入，而對于聽覺通道及中樞聽覺的研究則很不充分。盡管目前對于這種復(fù)雜功能的過程還委不了解，但可以推斷它包括自下而上、自上而下的綜合處理。至于更高層次上，要涉及到聽者的認(rèn)知系統(tǒng)以及各種知識源的相互作用。如在聽普通立體音樂時，頭部有任何運(yùn)動，聽者都會感到聲音方向在改變。因此，在設(shè)計時必須仔細(xì)考慮聽者精確確定位所需的聲學(xué)信息，認(rèn)真分析確定聲源方向的理論，為虛擬三維聲音系統(tǒng)建立人類的聽覺模型?；祉憰r間差是指聲源到達(dá)兩個耳朵的時間之差，根據(jù)到達(dá)雙耳的時間來判斷，當(dāng)左耳先聽到的聲音，就說明聲源位于聽者的左側(cè)，即偏于一側(cè)的聲源的聲音先到達(dá)較近的耳朵。在聲波的傳播過程中，如果聲源距離一側(cè)耳朵比另一側(cè)近，則到達(dá)這一側(cè)耳朵的聲波就比另一側(cè)耳朵的聲波大。其實，頭部陰影效應(yīng)所產(chǎn)生的壓力差影響更顯著，使到達(dá)較遠(yuǎn)一側(cè)耳朵的聲波要小，這就存在一個壓力差。研究表明：在聲波頻率較低時，混響強(qiáng)度差很小，聲音定位依賴混響時間差，當(dāng)聲波的頻率較高時，混響強(qiáng)度在聲音定位中起作用。② 頭相關(guān)轉(zhuǎn)移函數(shù)聲音相對于聽者的位置會在兩耳上產(chǎn)生兩種不同的頻譜分布，靠得近的耳朵通常感受到的強(qiáng)度相對高一些。這種聲音在雙耳中產(chǎn)生的頻段和頻率的差異就是第二條線索。理論上，這些轉(zhuǎn)移函數(shù)因人而異，因為每個人的頭、耳的大小和形狀各不相同。而且，由于頭的形狀也要與耳廓的本身的行為作用，因此，轉(zhuǎn)移函數(shù)是與頭相關(guān)的，故稱為相關(guān)轉(zhuǎn)移函數(shù)（HeadRelated Transfer Function,HRTF）事實上，HRTF的主要影響因素是耳廓，但除耳廓外還受頭部的衍射和反射、肩膀的反射及軀體的反射等多方面因素的影響。語音識別一般包括參數(shù)提取、參考模式建立、模式識別等過程。語音合成技術(shù)（Text To Speech,TTS），是指將文本信息轉(zhuǎn)變?yōu)檎Z音數(shù)據(jù)，以語音的方式播放出來的技術(shù)。在VR系統(tǒng)中，采用語音合成技術(shù)可提高沉浸效果，當(dāng)試驗者戴上一個低分辨率的HMD后，主要是從顯示中獲取圖像信息，而幾乎不能比顯示中獲取文字信息。在VR系統(tǒng)中，如果將語音合成與語音識別技術(shù)結(jié)合起來，就可以使試驗者與計算機(jī)所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境進(jìn)行簡單的語音交流了。因此，這種技術(shù)在VR環(huán)境中具有突出怕應(yīng)用價值，相信在不遠(yuǎn)的將來，ASR和TTS技術(shù)將出現(xiàn)在我們的身邊，真正實現(xiàn)人機(jī)自然交互。觸覺感知包括觸摸反饋和力量反饋所產(chǎn)生的感知信息。所以，觸摸反饋代表了作用在人皮膚上的力，它反映了人類觸摸的感覺，或者是皮膚上受到壓力的感覺；而力量反饋是作用在人的肌肉、關(guān)節(jié)和筋腱上的力。除此之外，還局限于以下幾個技術(shù)方面的問題：技術(shù)分析比較復(fù)雜。難以正確描述觸覺。性能要求較高。其次，反饋執(zhí)行器應(yīng)在提供足夠力的同時，保持其輕便性。輕便性同時還意味著要便于安裝，因此反饋裝置應(yīng)該是桌面式的、內(nèi)包含的，且無需其他的支持結(jié)構(gòu)、管道和電線。因此，理想的觸覺反饋系統(tǒng)與設(shè)備，應(yīng)該具有一個能同時提供力量和觸摸兩種反饋的設(shè)備，才更符合要求。5．自然交互技術(shù)（1）手勢識別手勢是一種較為簡單、方便的交互方式，也是人體語言的一個非常重要的組成部分，它是包含信息量最多的一種人體語言，它與語言及書面語等自然語言的表達(dá)能力相同，因而在人機(jī)交互方面，手勢完全可以作為一種手段，而且具有很強(qiáng)的視覺效果，因為它生動、形象、直觀。圖31 手勢語言范例手勢識別系統(tǒng)根據(jù)輸入設(shè)備的不同，主要分為基于數(shù)據(jù)手套的識別和基于視覺（圖像）的手語識別系統(tǒng)兩種。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的識別率高，缺點(diǎn)是做手勢的人要穿戴復(fù)雜的數(shù)據(jù)手套和空間位置跟蹤定位設(shè)備，相對限制了人手的自由運(yùn)動，并且數(shù)據(jù)手套、空間位置跟蹤設(shè)備等輸入設(shè)備價格比較昂貴。通常采用攝像機(jī)采集手勢信息，由攝像機(jī)連續(xù)拍攝下手部的運(yùn)動圖像后，先采用輪廓的辦法識別出手上的每一個手指，進(jìn)而再用邊界特征識別的方法區(qū)分每一個較小的、集中的手勢。手勢識別技術(shù)的研究不僅能使VR系統(tǒng)交互更自然，同時還能有助于改善和提高聾啞人的生活學(xué)習(xí)和工作條件，也可以應(yīng)用于計算機(jī)輔助啞語教學(xué)、電視節(jié)目雙語播放、虛擬人的研究、電影制作中的特技處理、動畫的制作、醫(yī)療研究、游戲娛樂等諸多方面。迄今為止，計算機(jī)的表情識別能力還與人們的期望相差較遠(yuǎn)。計算機(jī)面部表情的識別技術(shù)通常要分為3個步驟進(jìn)行，即表情的跟蹤、表情的編碼和表情的識別?，F(xiàn)階段比較典型的例子是由SimGraphics開發(fā)的虛擬演員系統(tǒng)。③ 面部表情的識別表情之間存在著相互滲透和融合，很難明確地劃分為不同的種類。圖32 表情識別的分類判別樹在到達(dá)樹的某一個葉結(jié)點(diǎn)后，我們還需要判斷它是否具備該表情的其他特征。表情識別的系統(tǒng)流程如圖33所示。在常見的視覺追蹤方法有眼電圖、虹膜鞏膜邊緣、角膜反射、瞳孔角膜反射、接觸鏡等幾種。視線跟蹤技術(shù)可以彌補(bǔ)頭部跟蹤技術(shù)的不足之處，同時又可以簡化傳統(tǒng)交互過程中的步驟，使交互更為直接，因而，目前多被用于軍事領(lǐng)域（如飛行員觀察記錄等），閱讀以及幫助殘疾人進(jìn)行交互等領(lǐng)域。為了保證虛擬世界的真實性，就需要VR系統(tǒng)能夠及時檢測出這些碰撞，產(chǎn)生相應(yīng)的碰撞反應(yīng)，并及時更新場景輸出，否則就會發(fā)生穿透現(xiàn)象。在虛擬世界中關(guān)于碰撞，首先要檢測到有碰撞的發(fā)生碰撞的位置，其次是計算出發(fā)生碰撞后的反應(yīng)，所以說碰撞檢測是VR系統(tǒng)中不可缺少的部分。（1）碰撞檢測的要求這了保證虛擬世界的真實性，碰撞檢測必須有較高的實時性和精確性。而精確性的要求則取決于VR系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的要求，比如對于小區(qū)漫游系統(tǒng)，只要近似模擬碰撞情況，此時，若兩個物體之間的距離比較近，而不管是否實際有沒有發(fā)生碰撞，都可以將其當(dāng)做是發(fā)生了碰撞，并粗略計算其發(fā)生的碰撞位置。（2）碰撞檢測的實現(xiàn)方法由于物體本身的模型可能很復(fù)雜，直接采用物體的原模型來檢測兩個物體的碰撞，計算量仍然過大。7．虛擬現(xiàn)實工具軟件VR的軟件系統(tǒng)是實現(xiàn)VR技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，在國內(nèi)與國外已開發(fā)了很多VR系統(tǒng)軟件工具，如WTK（World Tool Kit）、MR(Minimal Reality Toolkit)、World Visions、FreeWRL、VRT(Virtual Reality Toolkit)、DVES(Distributed Virtual Enviroment System)等，其中WTK是應(yīng)用較多的一種。它是一種簡潔的跨平臺軟件開發(fā)系統(tǒng)，可用于科學(xué)和商業(yè)領(lǐng)域建立高性能的、實時的、綜合三維工程。一個高水平的應(yīng)用程序界面（API）應(yīng)該能讓用戶按需要快捷的建模、開發(fā)及重新構(gòu)造應(yīng)用程序。這種高效的視覺數(shù)字顯示提高了運(yùn)行、控制和適應(yīng)能力，它的特點(diǎn)是高效傳輸數(shù)據(jù)及細(xì)節(jié)分辨。WTK實質(zhì)是一個由1000多個C語言函數(shù)組成的函數(shù)庫。一個函數(shù)調(diào)用相當(dāng)于執(zhí)行1000行代碼，這將奇跡般地縮短產(chǎn)品開發(fā)時間。附加函數(shù)用于器件實例化、顯示設(shè)置、碰撞檢測、從文件裝入幾何對象、動態(tài)幾何構(gòu)造、定義對象動作和控制繪制等。硬件部分包括主機(jī)、圖形加速卡、VR設(shè)備。VR設(shè)備的種類很多，有HMD、數(shù)據(jù)手套、三維空間鼠標(biāo)等。例如，用戶需要研究力反饋情況，才需要選用帶有力反饋功能的傳感器。WTK采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞?，形成了幾十基類，如Wttuniverse、Wtgeometry、Wtnode等。圖34 WTK 仿真循環(huán)程序流程圖（2）MR(Minimal Reality Toolkit) MR實質(zhì)上是一個支持虛擬環(huán)境開發(fā)的子程序庫。其中，客戶部分是一組服務(wù)器接口庫函數(shù)，而服務(wù)器部分是一個連續(xù)采樣設(shè)備并完成諸如篩選等底層操作的進(jìn)程?？蛻?服務(wù)器模型還便于在系統(tǒng)中增加新的設(shè)備。這一層的函數(shù)還提供了諸如在工作站之間傳輸數(shù)據(jù)和工作空間映象等的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。最高層的庫函數(shù)為程序員提供了一組打包的服務(wù)集，它們是基于一般虛擬環(huán)境系統(tǒng)要求的。8．Web3D技術(shù)與軟件 （1）Web3D技術(shù)特點(diǎn)Web3D稱為網(wǎng)絡(luò)3D，是一種網(wǎng)絡(luò)上帶有交互性能實時渲染的三維技術(shù)，它的本質(zhì)就是在網(wǎng)絡(luò)上如何表現(xiàn)3D圖形，是VR技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用。,但它這意味著VRML已經(jīng)成為VR行業(yè)的國際標(biāo)準(zhǔn).② 互聯(lián)網(wǎng)3D圖形的關(guān)鍵技術(shù)——實時渲染在Web3D瀏覽中，一般來說要下載相應(yīng)的插件，這些插件的作用就是進(jìn)行實時渲染，具體作用為解釋并翻譯場景模型文件的語法，實時渲染從服務(wù)器傳來的場景模型文件，在網(wǎng)頁訪問者的客戶端逐幀、實時地顯示三維圖形。當(dāng)然解決問題的最好辦法是微軟等公司在其瀏覽器中預(yù)裝一個或幾個實時渲染插件，讓互聯(lián)網(wǎng)三維圖形的觀看者不必花費(fèi)時間去下載并安裝相應(yīng)的插件?，F(xiàn)在每一種Web3D的解決方案都要下載各自不同的瀏覽插件，一般較大的有4M～5M，而最小的基于Java技術(shù)的只有58K。目前圖形質(zhì)量較好的渲染引擎應(yīng)該屬于Cult3D和Viewpoint，都使用各自專用的文件格式。交互性是指三維圖形的觀看者控制和操縱虛擬場景及其中三維對象的能力，如可以隨時改變在虛擬場景中漫游的方向和速度，可以操作虛擬場景中的對象等。① 全景技術(shù)利用Java技術(shù)拍攝的一組全景圖片，可以輕松地創(chuàng)建360176。② VRML建模語言 VRML是采用文本信息描述三維場景，在Internet網(wǎng)上傳輸,在本地機(jī)上由VRML的瀏覽器解釋生成三維場景,解釋生成的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范即是VRML規(guī)范。③ AtmosphereAdobe Atmosphere是專業(yè)的VR解決方案，由Adobe公司基于Viewpoint技術(shù)開發(fā)。Atmosphere支持大多數(shù)的Web圖像格式,包括jpeg、gif、png格式。Atmosphere支持兩種不同的動畫對象和wav與mp3聲音文件格式。④ Shockwave3D技術(shù)這是Macromedia公司Flash的一個插件，有著極為廣大的用戶群。在現(xiàn)在推出的Macromedia Director Shockwavd ，加入了Shockwave3D引擎。⑤ Cult3D技術(shù)Cult3D是瑞典Cycore公司的產(chǎn)品，它主要用于展示虛擬真實世界中的物體的形狀、顏色、功能、特效等屬性，是應(yīng)用于主流操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的交互三維渲染軟件。⑥ Viewpoint技術(shù)Viewpoint技術(shù)是由真正的三維模型建立的,它具有完全的互動功,把復(fù)雜的三維信息壓縮成很小的數(shù)字格式,使用jpeg的壓縮格式,保證文件的貼圖不會使三維文件加大,并且它傳遞給用戶的方式像Flash、Quicktime、Realmedia等流行媒體一樣，使用了流媒體式播放方式，這就使用戶不用下載完所有的文件即可看到。當(dāng)然，互聯(lián)網(wǎng)的需求是它發(fā)展的動力。在網(wǎng)站上開設(shè)虛擬商場，客戶可以通過網(wǎng)絡(luò)在虛擬商場中漫游，挑選商品。② 娛樂休閑與游戲在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行多用戶聯(lián)機(jī)三維游戲，如賽車或空中射擊游戲，同時娛樂休閑網(wǎng)站對Web3D技術(shù)有更多的需求，如城市校園或風(fēng)景點(diǎn)的虛擬旅游、虛擬博物館和虛擬展覽會等。在虛擬社區(qū)中，他們可以用語音、文字和視頻進(jìn)行通訊。9．虛擬現(xiàn)實技術(shù)的總結(jié)在硬件系統(tǒng)方面,交互性是實現(xiàn)人機(jī)和諧的關(guān)鍵，改進(jìn)硬件設(shè)備的性能則是其中的關(guān)鍵，而到目前為止，VR制造的大部分專用設(shè)備卻普遍存在使用不便、效果有限等問題。其次，硬件品種仍然有待擴(kuò)展和精化。同時，還應(yīng)針對不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求，研制一些能滿足特殊需要的硬件設(shè)備?，F(xiàn)階段人們對VR的應(yīng)用仍處于初級階段，且多局限于國家的軍事和各種高科技研究領(lǐng)域。在軟件系統(tǒng)方面，首先應(yīng)該為應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)提供一些更為簡單、適用的生成工具。其次，現(xiàn)階段的軟件開發(fā)費(fèi)用過高，且效果不理想。從應(yīng)用系統(tǒng)的角度來看，VR的應(yīng)用領(lǐng)域尚有待