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1、虚拟现实中 虚拟场景实现技术的研究Y ， 8 6 J 7摘要一恤 拟 现 实 技 术 是 近 年 来 迅 速 发 展 的 热 点 。 逼 真 且 具 有 交 互 性 、 实 。 寸 性 的 虚 拟 场 景 的 生 成 是 虚 拟 现 实 能 否 成 功 的 关 键 之 了木文首先介绍虚拟现实的概念、基本要素、实现方式、国内外研究现状; 接着讨论了目 前流行的两 种虚拟场景建模技术， 对其 作出比较和展望;并通过对已引起当 前广泛关注的虚拟现实建模语言V R M L的深入阐述， 解说虚拟场景建模的要求和实现方法; 最后，描述了木组研制开发的 YF 虚拟现实汽车驾驶模拟器中的虚拟场景的设计与实现。
2、虚拟现实中虚拟场景实现技术的研究一 2ABS TRACTV i rt u a l Rea l i t y t e c h n o l o g y h a s b e c o m e t h e r e s e ar c h h o t ar e a i nr e c e nty e ar s . T h e key te c ll l、 o l o gyo f i t i s th e r e a i s ti c ， i nt er act i v ea n d r e a l一 i m e V i rt u a l E n v i r o n m e n t Mo d e l i n g
3、t e c h n o l o g y .T h i sd i s s e rt a t i o nfi r s t i n t r o d u c e st h ec o n c e P t i o no f v i rtua lr e a l i ty ， i n c l u d i n git se s s e n t i a l fa c to r s ， i m P l e m e n tm e t h o d sa n dc u rr e n t r e s e a r c hS t a t eb o t hd o m e s t i ca n da b o ard. S e c
4、o n d lyitP r e s e n t s 2k i n d s o f c u rr e n t l yu s e d V i rt u a l E n v i r o n m e n t Mo d e l i n gt e c h n o l o gy， c o m P a r i n g t h e mandl o o k i n g awar d . T h e ni t a n a l y s e st h e r e q u i r e m e n t s a n dm e th o d s o f V i rt u a l E n v i r o n m e n t Mo
5、 d e l i n gd e e P e r t 11 r o u g h t h e i n tr o d u c t i o n o f V R ML . A t l a s t ， i t e x P at i at e s t h er e a l i z at i o n o f V i rt u a l E n v i ro n m e n t Mo d e l i n g o f YF V i rtUa l Rea I i t yS i m u l at o r d e v e l o P e d b y o u r l ab.虚拟现实中虚拟场景实现技术的研究一 5虚拟现实中虚
6、拟场景实现技术的研究第 1 章虚拟现实技术从图形学方向上派生出来的虚拟现实这个研究领域，目前已经成为计算机界 广泛关注的热点之一。 虚拟现实技术涉及了计算机图形学( 主要是三维立体图形) 、 图象处理、计算机辅助设计、计算机视觉和人机交互技术、传感器技术、高度并 行的实时计算以及人工智能等多个领域。随着计算机技术的迅猛发展，其应用也 越来越广泛，不仅在军事、娱乐行业，而且在商业、 CAD /C胡、生物医学、 G JS 等 领域也得到了广泛应用。本章将简单介绍虚拟现实的一些基本概念和相关技术手段，以及目 前国内 外的研究情况。1 . 1基本概念19 65年， 美国 学者Iv an s u th
7、er lan d 在他的博 士论 文中 提到了 虚拟现实 这样 一种思想， 这是最早对虚拟现实的研究。 虽然美国科学家Will i anGib s on于1 9 84 年最早 提出了“ 虚拟现实” 少i Itual R e ali ty 一 V R)一词， 但真正 赋予“ v R， 科学含 义的是另一位美国科学家J aronL而er ，他于1 9 8 9 年提出使用 “ V R ”一词来统 一表述新的人机交互技术，意指“ 计算机产生的三维交互环境， 在使用中用户 是 投入到这个环境中去的。 ”B u r d e n G . 在E l e c t r o 9 3 I n t e r n a t
8、i o n a l C o n f e r e n c e 上所发表的“ V l r t u a l R e a l i t y s y s t e m s a n d A p p l i c a t i o n s ” 一 文 中 ， 曾 提出 了 一 个“ 虚 拟 现 实 技 术 的 三角形” ，即三个 “ 1 ， ， 它们是:i mme r s i o n 一 i n t e r a c t i o n 一 i mag i n a t i o n ( 沉浸- 交互一 构想) 。V R汉译为虚拟现实，或灵境，另外还有译为实时环境、虚拟空间、人造 现实等.但在学术界，大多数人仍主张直译为虚拟
9、现实。虚拟现实实际上是一种新的人机界面，它在计算机中构造出一个形象逼真 的 模型， 从而生成一种具有三维世界效果的模拟环境( 如飞机驾驶舱、 操作现场 等) 。同时还可以通过各种传感设备， 使用户“ 投入” 到该环境中， 实现用户与虚拟现实中虚拟场景实现技术的研究一 6该环境进行直接交互操作，并产生与现实世界中相同的反馈信息，使人们得到 与在现实世界中同样的感受。它实际上就是一种先进的人机接口，为用户同时 提供诸如视、听、触等各种直观而又自 然的实时感知交互手段， 最大限度地方 便用户的操作。当人们需要构造当前不存在的坏境和人类不可能到达的环境或 构造虚拟环境以 代替耗资巨大的现实环境时， 虚
10、拟现实技术是必不可少的。1 . 1 . 1虚拟现实的特征要素及系统组成长期以来，人们都在梦寐以 求一种可以真实地再现现实生活各种场景的想 法， 并由 此产生虚拟现实这一说法。 但是许多人对虚拟现实这一概念十分模糊， 认为只要能够提供三维立体感觉的系统就叫做虚拟现实系统， 其实这是不完全 的。理论上的V R系统应具有4 个基本的特征:沉浸感即计算机使用者己感觉不到自 身所处的外部环境，而是 “ 融合”进了计算机所给出的虚拟的世界中:交互性即计算机使用者可以 通过三维交互设备直接操纵计算机所给出的虚拟世界中的对象，虚拟世界中的对象也能够实时地做出相应的反应;多感知即计算机使用者可以通过V R系统感
11、知其所具有的视、听、触、嗅、味等感觉信息;自主性即V R系统中的物体可按各自 的模型和规则，按照计算机使用者的要求自 主运动。V R系统的最大特点在于它与计算机使用者的直接交互性。 在V R系统中， 计算机使用者可以直接控制对象的各种参数。它将使人们的看法由“ 以计算机 为主体”逐渐转变到 “ 人是信息环境的主体”这一思想上来。理论上，一个基本的虚拟现实系统的组成如图1 所示。虚拟现实中虚拟场景实现技术的研究一 7效果产跟 踪实景仿真器儿它输入誓 黑 缪 : 川 仁 伴 ， !J ! : 勺 三 色 。 ) ”系 扰 官 埋 利 系 一益 澎 粼统j L 何构造系统史剪用户应用系统仿 真 管理
12、器图1 虚拟现实系统的基本组成( 1) 效果产生器是完成人与虚拟环境交互的硬件接口 装置，包括能产生沉浸感受的各类输出装置，以及能测定视线方向 和手指动作的输入装置。 (2 )实景仿真器 是虚拟现实系统的核心部分，由计算机软、硬件系统、软件开发工具及配套硬件( 如图形加速卡和声卡等) 组成，接受( 发出) 效果产生器所产生( 接受) 的信号。 (3 ) 应用系统是面向 具体问 题的软件部分， 用以 描述仿真的具体内 容，包括仿真的动态逻辑、结构，以及仿真对象之间和仿真对象与用户之间的交互关系。 应用软件的内容直接取决于虚拟现实系统的应用目的。 (4 ) 几何构造系统 几何构造系统提供了 描述仿
13、真对象的 物理特性( 如外形、颜色、位置等信息) ，应用系统在生成虚拟环境时，要使用和处理这些信息。 在这些组成部分中，下面3 个环节最重要:具有立体效果的显示器。该显示器将产生一个以使用者头部位置为视 点的虚拟世界;计算和产生虚拟世界的高性能计算机图形系统;三维输入设备。使用者通过输入设备与系统交互。虚拟现实中虚拟场景实现技术的研究一 81 . 1 . 2虚拟现实的实现总的说来，虚拟现实有两种实现方案软件实现和硬件实现。两种方案 都有各自 的优点和市场前景。( 1)虚拟现实的软件实现所谓虚拟现实的软件实现，主要是指通过一些专用的硬件设备，利用软件 编程的 方法在输出设备( 如显示器 ) 上
14、输出 逼真的 三维场景的系统。正如平面中的所有图形是由一些更为基本的图形组成的一样，三维世界中 的物体也是由一基本元素组成的，如平面、 球面等。而生活中的物体并不是那 样的规则。所以描述一个三维物体，特别是曲面较多、较复杂的物体，其工作 量是十分巨大的。三维物体用坐标生成以后，还要决定一个当前视点 因ie wPoi nt)，也就是使 用者在什么位置方向 来观察 这个三维 物体。 另外， 对整 个场景来说还必须加入光线效果， 即要设置一个发光点， 以及它所覆盖的范围， 以模拟日 常生活中的各种情景，如日 光点光源等。此外，还必须考虑的一个因 素是透视效果。简单地说也就是远小近大的效果，这需要虚拟
15、现实处理软件根 据不同物体的不同坐标点离当前视点的距离来决定其所显示的大小，并实时地 显示出来，这就更增大了它的存储容量和计算难度。将一个三维物体显示在显示器上，需要记 录和描述大量的点，那么如果要 将这个三维物体进行远近方位的改变， 就更 加不容易。 简单地说， 要实现三维 物体的实时移动，其实就是一个坐标变换的过程。 我们可以 把当 前视点的坐标 定为坐标原点，并要规定观察方向。在一般的虚拟现实系统中，采用的均为右 手坐标系，X ，Y轴的方向与平面是相同的， 所以2轴的方向便是垂直于平面 并从屏幕内指向外， 所以观察方向可始终认为是负2 轴方向， 三维场景的各坐 标点在这个坐标系内也会有新
16、的坐标。所谓实时移动，其实就是改变视点的位置和观察方向，再将所移动后的视 点任作为坐标原点， 观察的方向仍然是负2 轴方向。这样， 各三维物体在新坐 标系内的坐标都将改变，观察者看到的图象也随之改变。具体地说，视点位置 的改变就是坐标系的平移过程，而观察方向的改变则是坐标的旋转。当用软件实现虚拟现实， 其实只是用平面来虚拟立体，也就是我们仅仅只 能从一个屏幕上来观察着一切，操纵也是利用一些外部的工具，而不是任意随 你的行为变化而变化。如你在操作转头，走近走远，如不用其他工具，那看到 的景象是一样的。这其实离现实真实感还有一定的差距。我们在这个课题中所 指的虚拟现实的实现就是通过这种手段来完成的。(2 ) 虚拟现实的硬件实现虚拟现实中虚拟场景实现技术的研究一 9真正意义上的虚拟现实应该创造出一种和现实生活一样的感觉， 让使用者 完全浸入虚拟的环境中。它的一举一行，都能够反映到使用者的感觉的变化， 使他能产生和现实生活中一致的感觉。当然，要做到完全和现实一样是不大可 能的，比如吃东西、喝水等需要人体内部器官的事情，就无法用虚拟现实系统
