虛擬現(xiàn)實的計算機技術(shù)(PPT 123頁)

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1、虛擬現(xiàn)實技術(shù)主講：楊文暉主講：楊文暉第三章 虛擬現(xiàn)實的計算機技術(shù)課前索引課前索引第一節(jié)虛擬現(xiàn)實的計算機體系結(jié)構(gòu)第一節(jié)虛擬現(xiàn)實的計算機體系結(jié)構(gòu)第二節(jié)虛擬現(xiàn)實的軟件系統(tǒng)第二節(jié)虛擬現(xiàn)實的軟件系統(tǒng)第三節(jié)虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)和通訊第三節(jié)虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)和通訊章節(jié)小結(jié)章節(jié)小結(jié)課后習(xí)題課后習(xí)題 課前思考課前思考1哪些計算機用于哪些計算機用于VR?2常用工具軟件有什么特點？常用工具軟件有什么特點？3分布式仿真中的網(wǎng)絡(luò)和通訊有什么特點？分布式仿真中的網(wǎng)絡(luò)和通訊有什么特點？學(xué)習(xí)目標學(xué)習(xí)目標1了解不同類型了解不同類型VR用計算機的組成和特點。用計算機的組成和特點。2了解工具軟件的要求和功能，了解分布式仿真。了解工具軟件的要

2、求和功能，了解分布式仿真。3了解網(wǎng)絡(luò)和通訊的硬件、軟件。了解網(wǎng)絡(luò)和通訊的硬件、軟件。學(xué)習(xí)指南學(xué)習(xí)指南1注意注意VR用計算機提高速度的措施。用計算機提高速度的措施。2注意工具軟件的功能及對比。注意工具軟件的功能及對比。3注意分布式仿真中的網(wǎng)絡(luò)和通訊的主要問題。注意分布式仿真中的網(wǎng)絡(luò)和通訊的主要問題。難重點難重點1注意幀頻和延遲的要求。注意幀頻和延遲的要求。2注意不同類型注意不同類型VR用計算機的組成結(jié)構(gòu)。用計算機的組成結(jié)構(gòu)。3注意注意VR用計算機的并行處理技術(shù)構(gòu)。用計算機的并行處理技術(shù)構(gòu)。4注意工具軟件的要求。注意工具軟件的要求。5注意工具軟件的功能。注意工具軟件的功能。6注意常用工具軟件的對比

3、。注意常用工具軟件的對比。7注意各類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的對比。注意各類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的對比。8注意軟件質(zhì)量的要求和保證措施。注意軟件質(zhì)量的要求和保證措施。9注意分布式仿真的特點。注意分布式仿真的特點。1 虛擬現(xiàn)實的計算機體系結(jié)構(gòu)虛擬現(xiàn)實的計算機體系結(jié)構(gòu)特點，可以從以下幾虛擬現(xiàn)實的計算機體系結(jié)構(gòu)特點，可以從以下幾方面討論：方面討論：1.虛擬現(xiàn)實對計算機系統(tǒng)的要求計算機系統(tǒng)的要求2.基于PC的虛擬現(xiàn)實機器的組成結(jié)構(gòu)3.基于工作站工作站的虛擬現(xiàn)實機器組成結(jié)構(gòu)4.高度并行并行的虛擬現(xiàn)實機器組成結(jié)構(gòu)虛擬現(xiàn)實對計算機系統(tǒng)的要求問題？問題？1.前面我們講解了哪些虛擬現(xiàn)實技術(shù)指標？前面我們講解了哪些虛擬現(xiàn)實技術(shù)指標？位姿、視

4、覺、聽覺、力覺觸覺顯示等2.為什么當前的虛擬現(xiàn)實計算機，主要完成視覺顯為什么當前的虛擬現(xiàn)實計算機，主要完成視覺顯示的計算任務(wù)。？示的計算任務(wù)。？原因是：I.位姿傳感器的數(shù)據(jù)處理，一般不在主計算機進行，而是由專用的電子設(shè)備完成。II.聽覺顯示，力覺觸覺顯示，研究工作和實際應(yīng)用還較少，對其計算要求的認識還較少。聽覺顯示和力覺觸覺顯示的計算，往往由專用計算機完成。問題二：問題二：視覺顯示對計算機系統(tǒng)的要求有哪些？1幀頻和延遲時間的要求 2計算能力和場景復(fù)雜性視覺顯示對計算機系統(tǒng)的要求-幀頻和延遲時間VR對計算機系統(tǒng)有怎樣的幀頻和延遲處理要求？為對計算機系統(tǒng)有怎樣的幀頻和延遲處理要求？為什么？什么？V

5、R要求高幀頻和快速響應(yīng)這是由于其內(nèi)在的交互性質(zhì)決定的。兩個概念：兩個概念：幀頻來自動態(tài)圖像技術(shù)。在動圖像顯示中，每一幀實際上是靜止照片。如果新照片快速接替舊照片，連續(xù)播放就產(chǎn)生連續(xù)運動的幻覺。修改率是在屏幕上的顯示改變的速率。為符合基本的動圖像技術(shù)，理想的修改率是每秒20幀（新圖像）。針對計算機硬件，幀頻有幾個含義：針對計算機硬件，幀頻有幾個含義：a.圖形圖形的幀頻b.計算計算的幀頻c.數(shù)據(jù)存取數(shù)據(jù)存取的幀頻哪種幀頻是最重要的？為什么？哪種幀頻是最重要的？為什么？為了維持在VR中的臨場和沉浸感，圖形幀頻圖形幀頻是關(guān)鍵。1.這些幀頻可能是獨立獨立的，圖像場景可能變化，而沒有來自用戶視點運動的計算

6、和數(shù)據(jù)存取。這時，圖圖形的幀頻大于計算的幀頻和數(shù)據(jù)存取的幀頻形的幀頻大于計算的幀頻和數(shù)據(jù)存取的幀頻。經(jīng)驗表明，圖形幀頻率應(yīng)盡可能高圖形幀頻率應(yīng)盡可能高，低于每秒10幀的幀頻嚴重降低臨場的幻覺。2.如果圖形顯示依靠計算和數(shù)據(jù)存取，則計算和數(shù)據(jù)存取幀頻必須為8到10幀/秒，維持用戶看到時間演化的幻覺。什么情況下，希望什么情況下，希望VR尤其應(yīng)該具備快速響應(yīng)？尤其應(yīng)該具備快速響應(yīng)？如果應(yīng)用允許交互控制，就要求快速響應(yīng)。長響應(yīng)時間（滯后時間，延遲時間）最直接的影響長響應(yīng)時間（滯后時間，延遲時間）最直接的影響是什么？是什么？嚴重降低用戶性能。響應(yīng)時間的通常恒量值是多少？響應(yīng)時間的通常恒量值是多少？多于幾

7、毫秒幾毫秒的延遲會影響用戶性能，而多于0.1秒秒的延遲有嚴重影響。請例舉一個響應(yīng)時間影響用戶性能的例子請例舉一個響應(yīng)時間影響用戶性能的例子延遲時間是如何計算的？延遲時間是如何計算的？從用戶的動作開始（如用戶轉(zhuǎn)動頭部），經(jīng)過位姿傳感器感知用戶位姿，把位姿信號傳送給計算機給計算機，計算機計算新的顯示場景 把新的場景傳送給視覺顯示設(shè)備，直到視覺顯示設(shè)備顯示出新的場景為止。影響延遲的因素影響延遲的因素p 這些延遲在計算機系統(tǒng)中來自很多因素造成：1.如數(shù)據(jù)存取時間2.計算時間3.繪制時間4.輸入/輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)處理時間p 類似幀頻的情況，將延遲的來源進行劃分：1.數(shù)據(jù)存取2.計算3.圖形顯示問題：如果系

8、統(tǒng)有高幀頻，其延遲就相對會小，正問題：如果系統(tǒng)有高幀頻，其延遲就相對會小，正確與否？確與否？錯誤雖然延遲與幀頻有關(guān)，但它們不同。系統(tǒng)可能有高幀頻，但同時可能會有較大的延遲時間，顯示的圖像和提供的計算結(jié)果是幾幀以前的。VR系統(tǒng)中，幀頻和延遲的最低要求由什么決定？系統(tǒng)中，幀頻和延遲的最低要求由什么決定？要求的幀頻和延遲一般取決于環(huán)境特性環(huán)境特性。只有慢速運動慢速運動物體，較靜靜的環(huán)境，可以用幀頻每秒8至10，和0.1秒延遲。如果環(huán)境中有高速運動高速運動的物體，則要求高幀頻和短延遲。所有情況下，若幀頻低于每秒8幀，則失去三維環(huán)境的生動感，若延遲大于0.1秒，則很難操作環(huán)境。因此，幀頻必須大于8到10

9、幀/秒,總延遲必須小于0.1秒。視覺顯示對計算機系統(tǒng)的要求-計算能力和場景復(fù)雜性為什么說虛擬現(xiàn)實仿真的計算問題，是一種為什么說虛擬現(xiàn)實仿真的計算問題，是一種時間受時間受限限的計算的計算這是因為顯示的幀頻必須大于8到10幀/秒。于是，在0.1秒內(nèi)，必須完成一次場景的計算。用什么表示場景的復(fù)雜性？用什么能夠表示計算能用什么表示場景的復(fù)雜性？用什么能夠表示計算能力？力？如果一個顯示的場景中有10,000個三角形（或多邊形），這個數(shù)量就反映了場景復(fù)雜性。這樣，在每秒進行的10次計算中，就應(yīng)該計算100,000個三角形（或多邊形）。這表示了計算能力。計算能力和場景復(fù)雜性的折衷問題？計算能力和場景復(fù)雜性的

10、折衷問題？若要求更加逼真的仿真效果，就要增加場景復(fù)雜性。顯示的場景中有更多的三角形（或多邊形），顯示的效果就更逼真。這就要求更強的計算能力，每秒計算更多的三角形（或多邊形）。反之，如果只能使用能力有限的指定的計算機，則限定了計算能力，也就限定了場景復(fù)雜性。每個場景，只能用較少的三角形（或多邊形），產(chǎn)生較粗糙的顯示。圖中表示，波音747-400飛機的兩種復(fù)雜性不同的三維模型。（a）中的模型有520個頂點，406個多邊形。（b）中的模型有7694個頂點，7556個多邊形。效果圖說明了明顯的逼逼真度真度差別。圖中表示，人體骨骼的兩種復(fù)雜性不同的三維模型。（a）中的模型有8979個多邊形（b）中的模型

11、有131275個多邊形。效果圖說明了明顯的逼真度差別。問題？問題？1.對于VR計算機，主要的技術(shù)指標就是其計算能力，用什么恒量計算能力？每秒計算的三角形（或多邊形）的數(shù)目。2.討論計算能力時應(yīng)該注意的問題？是否加紋理紋理，是否反走樣反走樣，采用哪一種明暗模型明暗模型，都會影響到計算能力。加入這些復(fù)雜的功能，就會增加計算復(fù)雜性，從而減少每秒計算的三角形（或多邊形）的數(shù)目。什么是計算機生成圖像時的什么是計算機生成圖像時的“走樣走樣”現(xiàn)象？現(xiàn)象？用離散量（像素）表示連續(xù)的量（圖形）而引起的失真，稱為走樣，或稱為混淆即：由于采樣不充分重建后造成的信息失真產(chǎn)生走樣的原因？產(chǎn)生走樣的原因？這是因為直線、多

12、邊形、色彩邊界等是連續(xù)的，而光柵則是由離散的點組成，在光柵顯示設(shè)備上表現(xiàn)直線、多邊形等，必須在離散位置采樣光柵圖形的走樣現(xiàn)象有哪幾種？光柵圖形的走樣現(xiàn)象有哪幾種？1.鋸齒形邊2.圖形細節(jié)或紋理繪制失真3.狹小圖形遺失：動畫序列中時隱時現(xiàn)，產(chǎn)生閃爍VR里，通常存在前兩種反走樣？反走樣？用于減少或消除這種效果的技術(shù)，就稱為反走樣(antialiasing)反走樣的方法：反走樣的方法：基本上反走樣方法可分為兩類。u1、提高分辨率提高分辨率 即增加采樣點增加采樣點(提高采樣頻率)。什么叫超采樣或后置濾波？超采樣或后置濾波？CRT光柵掃描設(shè)備顯示非常精細光柵的能力是有限人們通常是在較高分辨率上對光柵進行

13、計算，然后采用某種平均算法(濾除高頻分量)得到較低分辨率的象素的屬性，并顯示在分辨率較低的顯示器上。這種方法稱為。u2、把像素作為一個有限區(qū)域，對區(qū)域采樣來調(diào)整像素的亮度，以光順邊界來減小鋸齒現(xiàn)象。這種方法等價于圖像的前置濾波前置濾波。關(guān)于明暗模型關(guān)于明暗模型p 光照模型可用于任何表面上任一可見點。p 通過計算該點處的表面法線方向及應(yīng)用光照模型即可確定此點的光照明暗程度光照明暗程度。p 處理多邊形集合或多面體時，如果整個表面都這樣依次計算每點的光照明暗度，所需的耗費就太大了。因此，需要采取一些有效的方法對整個表面的明暗度整個表面的明暗度進行處理。對多邊形和多邊形網(wǎng)格的基本明暗處理方法有三種：1

14、.常數(shù)明暗處理法2.Gourand明暗處理算法：3.Phong明暗處理算法 1.常數(shù)明暗處理法2.Gourand明暗處理算法：3.Phong明暗處理算法三種算法的具體內(nèi)容？三種算法的具體內(nèi)容？常數(shù)明暗處理模型p當我們處理多邊形集合或多面體時，常數(shù)明暗處理模型對每個多邊形只計算一個光照強只計算一個光照強度值度值，p然后用此值作為整個多邊形平面的明暗值賦給多邊形的每個象素，使多邊形的每個點都多邊形的每個點都具有相同的明暗度具有相同的明暗度，這種方法稱為常數(shù)明暗法或平面明暗法(Flat)。p如果使用多邊形來作為曲面的近似時，常數(shù)明暗處理就很難得出滿意的光滑圖形很難得出滿意的光滑圖形。當把曲面離散成許

15、多小的平面多邊形時，若離散度較粗，在光照的表面上使用常數(shù)明暗處理后，兩個相鄰的多邊形會顯出凸起或凹陷的折痕，在連接處就顯得比周圍處亮或暗，這就是所謂的馬赫帶效應(yīng)馬赫帶效應(yīng)。Gourand明暗處理算法pGourand在1971年提出了光強度插值明暗算法光強度插值明暗算法p該算法較好地消除了用常數(shù)明暗法處理光強度的不連續(xù)較好地消除了用常數(shù)明暗法處理光強度的不連續(xù)性性，但是在明暗強度函數(shù)的斜率急劇變化處仍可看到馬赫帶效應(yīng)。即Gourand明暗算法不能完全消除光強度的不連不能完全消除光強度的不連續(xù)性續(xù)性。pGourand明暗算法的基本思想是在各多邊形的公共頂點處，用前面得到的光照較準確地計算各頂點的反

16、射光的明暗計算各頂點的反射光的明暗度度。而對于各多邊形內(nèi)部各點的明暗度，則使用線性插值多邊形內(nèi)部各點的明暗度，則使用線性插值法計算法計算各點的明暗度。p Gourand明暗處理算法簡單，一般可以得到較滿意的光滑表面。它的缺點是除了馬赫帶效應(yīng)外它的缺點是除了馬赫帶效應(yīng)外，在用周圍多邊形法線來計算共有頂點的法線時，如果得到相鄰頂點的法線平行如圖9-9，采用線性插值法計算出平面上各點的明暗值時會得到：各平面上的明暗值相同，圖形會出現(xiàn)一塊光亮各平面上的明暗值相同，圖形會出現(xiàn)一塊光亮的平坦區(qū)域。的平坦區(qū)域。Phong明暗算法p又稱為法線矢量明暗算法。p該方法是將多邊形頂點處的法線矢量進行線性插值計算以得

17、到多邊形內(nèi)各點的法線多邊形內(nèi)各點的法線，然后用此插值計算各點的光照明暗用此插值計算各點的光照明暗度度，因而Phong明暗算法的計算量要大于Gourand明暗算法的計算工作量。p Phong算法較好地模擬了局部范圍內(nèi)的表面彎曲度，得到了很較好地模擬了局部范圍內(nèi)的表面彎曲度，得到了很好的曲面效果好的曲面效果，尤其在鏡面反射的高光區(qū)顯得很真實。p即使不是鏡面反射情況，Phong明暗算法的效果也明顯地優(yōu)于Gourand算法。這是因為它在每點進行了光照模型的計算，因而大大地減輕了馬赫帶效應(yīng)大大地減輕了馬赫帶效應(yīng)。p但是由于每次插值計算后的法線矢量在代入光照模型前都需要單位化，因而也大大地增加了計算工作量

18、增加了計算工作量。VR對計算機系統(tǒng)的要求圖形學(xué)和計算機硬件圖形學(xué)和計算機硬件的進展對全真實的VR是關(guān)鍵因素。硬件開發(fā)方面需要在幾個檔次上進行，為什么？1.由于廣泛的興趣2.不同性能要求的大量應(yīng)用 由高檔多模式工作站 低檔的只有適當三維視覺能力的個人工作站。將來的高檔VE系統(tǒng)有哪些硬件要求？p 具有高計算要求的計算機結(jié)構(gòu)高計算要求的計算機結(jié)構(gòu)。這些機器必須有1.很大的物理存儲2.多個高性能向量處理機3.高帶寬(500Mbytes/s)4.低延遲(0.03s)5.巨型存儲設(shè)備6.和對各種輸入輸出設(shè)備的高速接口。p 物理建模和可視化計算物理建模和可視化計算將是計算需求的推動力?；赑C的虛擬現(xiàn)實機器

19、的組成結(jié)構(gòu)讓一般公眾接受虛擬現(xiàn)實的最佳途徑？Grimsdale1992指出，讓一般公眾接受虛擬現(xiàn)實將通過“發(fā)展發(fā)展”，而不是“革命革命”。發(fā)展意味著升級現(xiàn)有的計算基礎(chǔ)，產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實要求的新功能。利用PC平臺的優(yōu)點是價格低最初的PC平臺的虛擬現(xiàn)實機器：在在1992年推出了低級的基于年推出了低級的基于486的虛擬現(xiàn)實機器的虛擬現(xiàn)實機器它有頭部跟蹤器、頭部跟蹤器、HMD、3-D聲音、圖形加速器聲音、圖形加速器和手柄和手柄，價格少于20000美元。1994年，低級的基于PC的系統(tǒng)價格約3300美元（跟蹤球200美元，Cyberscope200美元，軟件工具盒900美元，486-PC 2000美元）。圖

20、形硬件圖形硬件u 圖形硬件指的是什么？是那些使圖形繪制加速的硬件設(shè)備。u 圖形硬件涉及到哪些？1.圖形流水線2.圖形卡的AGP和PCI3.圖形加速器4.Add-ons 圖形流水線圖形流水線的作用圖形流水線的作用：包括把三維物體由其自身坐標系變換到用于顯示的二維屏幕空間所需要的計算器。這個過程涉及到的步驟這個過程涉及到的步驟1.第一步是把物體由其自身坐標系變換到描述整個場景的世界坐標系。2.第二步是剔除在場景中不必顯示的物體，減少計算量，這是計算過程優(yōu)化。3.第三步是在模型中引入顏色和明暗等性質(zhì)。4.第四步，場景再作另一個變換到屏幕空間。最后光柵化為象素，并且顯示。在這個過程中，計算是在多個區(qū)域

21、內(nèi)進行。很多計算在CPU進行，但是多數(shù)矩陣運算是在圖形加速器中進行。圖形卡的AGP和PCI圖形卡的AGP和PCI總線。數(shù)據(jù)總線會影響到圖形卡的性能。uPCI是標準的計算機內(nèi)部總線?？偩€把計算機的插入卡（網(wǎng)絡(luò)卡，圖形卡等）連接到CPU。uPCI總線的傳輸速度是有限制的。插入的卡越多，每個卡得到的傳輸速度越小，圖形卡與CPU只能以較小的帶寬通訊。uAGP是專用總線，它只能連接一個卡（圖形卡）。它的通過量全部用于圖形卡。他還允許直接把紋理傳送到圖形卡，不必通過系統(tǒng)存儲器?？梢韵胂?，這將大大增加系統(tǒng)性能。圖形加速器什么是圖形加速器圖形加速器是圖形計算的另一個重要部分。它是圖形卡上的處理器，它完成所有繁

22、重的計算。圖形加速卡的計算主要包括：加紋理反走樣計算密集的函數(shù)例如：NVidia推出芯片，完成光照及其變換。它取代CPU的工作，大大加速顯示過程，允許實時的照明和明暗變化。3Dfx 制造了圖形卡的Voodoo和Banshee 芯片。它也利用自己的T-緩沖技術(shù)，把實時明暗加在其Voodoo芯片上。Add-onsAdd-ons 適用于只有2D加速器，但沒有3D加速器的計算機。它提供用于顯示3D物體的計算，極大地改進性能。3Dfx 是add-ons的主要制造商。它的Voodoo就是一種初等的add-ons。它還為其圖形卡開發(fā)了API（稱為Glide）。Glide 提供了軟件微層次，使開發(fā)者免于直接處

23、理硬件寄存器和存儲器。這減少了調(diào)試時間，加快了開發(fā)過程。它基本上是OpenGL API 的縮減版本，類似于OpenGL。Glide Utility Library 提供Glide的更高層次的實現(xiàn)。3dfx公司的基本概況1994年，硅谷圖形（Silicon Graphics）、數(shù)字設(shè)備公司（Digital Equipment Corporation）、MIPS計算機系統(tǒng)（MIPS Computer Systems）和Pellucid等公司聯(lián)合成立了3dfx，并將其目標定位為以合理的價格提供世界上性能最高的3D游戲顯卡。3dfx每一代屢獲殊榮的產(chǎn)品都一次次突破了3D游戲的高度，突破了3D游戲的兩項

24、最重要的因素：畫面質(zhì)量和游戲的真實性、互動性，使游戲越來越真實有趣。3dfx宣稱：我們的任務(wù)是突破技術(shù)瓶頸，使3D圖形更加真實，更加具有吸引力。我們的目標是推出新一代的圖形技術(shù)，以創(chuàng)造更加可信、真實的虛擬現(xiàn)實。3dfx公司曾是3D顯卡和GPU制造領(lǐng)域的最初壟斷者，在2000年后半期公司經(jīng)歷了PC史上最高調(diào)的轉(zhuǎn)讓。公司的辦事處一直在加州的圣何塞（San Jose），直到它離開圖形商業(yè)領(lǐng)域并將公司的知識財產(chǎn)和許多雇員賣給了曾經(jīng)的對手NVIDIA。關(guān)于3D顯示卡3dfx Voodoo3-3500 它使用8片HY 5.5ns，提供128bit帶寬，顯存和芯片內(nèi)核速率在183MHz，多邊形處理能力是80

25、0萬/秒，像素填充率是366萬/秒。他擁有3dfx獨有的3D API:GLIDE，擁有簡潔的代碼和較高的效率，針對GLIDE優(yōu)化的游戲效果比一般針對D3D優(yōu)化的游戲效果更出色，所以他是最好的3D游戲卡。價格1500元。耕宇耕宇TNT2 Ultra+它使用232的SEC-GC顯存。其核心頻率和顯存頻率分別為175MHz和200MHz。多邊形處理能力是800萬/秒，像素填充率是350萬/秒?？焓撬淖畲筇攸c。價格1650元。帝盟帝盟Stealth III S540 它使用MT的8ns顯存。其核心頻率和顯存頻率分別為125MHz和143MHz。它使用416的32MB顯存，所以其顯示帶寬只有64bit

26、。它的S3TC紋理壓縮技術(shù)效果出眾。它是最慢但最經(jīng)濟的3D顯示卡。價格900元。ATI Rage Fury 他是最大的OEM顯示卡生產(chǎn)商。但是其產(chǎn)品的速度無法與其他顯示卡相比。它使用SEC的5ns SGRAM。其核心頻率和顯存頻率只有100MHz和110MHz。ATI Rage128芯片的性能很均衡。畫面質(zhì)量和D3D/OPENGL性能都不錯。特別出色的是其DVD解壓能力。他是很均衡的顯示卡。價格1300元。Matrox G400MAX 它使用232的SEC-GC顯存。其核心頻率和顯存頻率分別為166MHz和200MHz。多邊形處理能力是800萬/秒，像素填充率是333萬/秒。他擁有雙128bi

27、t總線，雙頻頭顯示技術(shù)(同時聯(lián)結(jié)兩個顯示器)，環(huán)境映射凹凸貼圖等先進技術(shù)。它的功能最多，性能很優(yōu)秀。價格2500元。3 基于工作站的虛擬現(xiàn)實機器 就數(shù)量來講，僅次于PC的最大的計算基礎(chǔ)是工作站工作站工作站比PC具有哪些優(yōu)點？是有更強的計算能力更大的磁盤空間更快的通訊方式?；诠ぷ髡镜奶摂M現(xiàn)實機器的兩種發(fā)展途徑1.Sun和SGI采用的一種途徑是用虛擬現(xiàn)實工具改進現(xiàn)有的工作站，象基于PC的系統(tǒng)那樣。2.Division Ltd.采用的另一個途徑是設(shè)計虛擬現(xiàn)實專用的總承包系統(tǒng)，如Provision 100。1Sun 公司的公司的“Virtual Holographic”工作站工作站 1992年，Su

28、n推出Virtual Holographic Workstation。這個系統(tǒng)最初使用SUN Sparc station II，并配置GT圖形加速器（10萬個多邊形/秒）。1994年，它升級到Sun 10-51，配置ZX加速器（12.5萬個多邊形/秒）。在立體方式下，速度下降到約6萬個多邊形/秒，且左右眼左右眼圖像交替顯示在立體監(jiān)視器上圖像交替顯示在立體監(jiān)視器上。它采用StereoGraphics Co.的CrystalEyes VR和Logitech跟蹤器跟蹤器，給用戶部分沉浸感。頭部和3-D鼠標的跟蹤是用Logitech的超聲跟蹤器，它連到工作站串行口。3-D鼠標的使用象2-D鼠標那樣，用

29、于與虛擬對象以3-D交互。集成這些I/O工具和SUN工作站的軟件軟件（運行在Solaris 2.3操作系統(tǒng)上）是Sense8 WorldToolKit的新版本，在1994年春推出。整個系統(tǒng)價格約46000美元，再加上Sense8軟件的另外價格約6000美元。2Division 公司的公司的Provision 100工作站工作站Provision 100的并行結(jié)構(gòu)有多個處理器多個處理器：1.稱為“Director”用于碰撞檢測和時間同步碰撞檢測和時間同步的處理器2.用于立體視頻顯示的“actors”視頻處理視頻處理器 3.3-D聲音的“actors”聲音聲音處理器4.手跟蹤與手姿識別的“acto

30、rs”手手套處理器5.允許增加附加的附加的I/O處理器處理器。與主計算機的連接允許基于UNIX的Provision 100用于仿真中的高級終端。6.使用兩個圖形板兩個圖形板每個眼一個，直接輸出NTSC/PAL信號。每個圖形板有一個Intel i860處理器和兩個T425 transputersi860利用常用的多邊形加速器作幾何處理，提供35000個Gouraud明暗的Z-緩沖的多邊形/秒。7.Provision 100 VRX模型有一個附加的紋理模塊附加的紋理模塊，在象素處理器和兩個視頻存儲器之間。它可以加紋理，但不損失繪制速度可以加紋理，但不損失繪制速度。對256個texel單元（紋理元）

31、，24-bit彩色紋理圖存在高速靜態(tài)RAM中。這個RAM可以布局為256256的4個圖，128128的16個圖，或者它們的組合（如256256的1個圖加上128128的4個圖和6464的32個圖）。4 高度并行的虛擬現(xiàn)實機器問題：作為為問題：作為為VR系統(tǒng)提供計算的設(shè)備的瓶頸？系統(tǒng)提供計算的設(shè)備的瓶頸？因為計算能力成為VR系統(tǒng)計算設(shè)備的瓶頸之一，所以各個工作站廠商都在發(fā)展高度并行的虛擬現(xiàn)實機器，以便提高計算能力。1Division公司的“SuperVision”機器2SGI公司的IRIS-1400到RealityEngine 23Evans&Sutherland 公司的Freedom 3000

32、4北卡大學(xué)的PixelPlanes 4,5和 PixelFlow 5Sun公司的Elite 3D m3 和 m66更強大的機器Red Mountain和Blue Mountain7其他設(shè)備 1Division公司的“SuperVision”機器Provision一開始可以繪制3.5萬個多邊形/秒，1992年，Division宣布了“SuperVision”機器，它用高性能的并行結(jié)構(gòu)增加繪制能力到28萬個多邊形/秒。這些多邊形是紋理的，Gouraud明暗的和Z-緩沖的。SuperVision結(jié)構(gòu)有標準的Provision“前端”和多處理器組。多組結(jié)構(gòu)包括一個畫面緩沖器，它與一個立體視頻畫面獲取器

33、一起，允許圖形實時覆蓋在實況視頻圖像上。此外，SuperVision有一個多通道圖像生成組，一個處理組，一個I/O組，一個聲音組，以及可能的附加組。所有的組都連到同樣的通訊線路。這個通訊線路的通訊是通過點到點的通信路線。它可以用于任何數(shù)據(jù)類型，由實況視頻，到對象幾何修改和象素信息。所有數(shù)據(jù)包都可以由環(huán)上任意的處理器送到另一個處理器?？梢赃x擇不同的分布方式，使得對不同問題的性能最優(yōu)。2SGI公司的公司的IRIS-1400到到RealityEngine 2u SGI（Silicon Graphics Incorporated）公司制造的圖形系統(tǒng)具有某種更靈活更強的數(shù)字媒體能力，它在一個包中組合了先

34、進的三維圖形，數(shù)字三維圖形，數(shù)字多通道聲頻，以及錄象多通道聲頻，以及錄象。u SGI系統(tǒng)用作許多VR系統(tǒng)的核心，它完成仿真仿真、可視化、通訊、可視化、通訊等任務(wù)。關(guān)鍵在于1.系統(tǒng)支持強大的計算2.多通道視覺輸出3.以及連接到傳感器、控制設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的快速輸入輸出。紋理化多邊形、填充能力也3Evans&Sutherland 公司的Freedom 3000Evans&Sutherland(E&S)原來是飛行仿真器公司，它發(fā)布了Freedom序列圖形加速器序列圖形加速器，用于Sun Sparc 10工作站。它提供大范圍的性能水平：1.由Freedom 1000的每秒50萬多邊形，到Freedom 30

35、00的每秒3百萬多邊形。2.它用標準硬件軟件接口與Sun環(huán)境無縫地連接。Freedom加速器可以用Sun標準接口編程，并與當前的E&S和Sun工作站軟件兼容。3.Freedom 3000有12801024，15361280和高分辨率TV顯示格式。它支持硬件紋理映射，包括MIP映射，分辨率達20002000。4.其它特性是線、點、多邊形的反走樣，a緩沖區(qū)，累積緩沖，每個象素128位，和動態(tài)象素定位。Freedom 3000包括下列技術(shù)：用0.8CMOS的五個專有的VLSI ASIC芯片可編程高速微處理機的并行陣列(DSP)，很快的專有的圖形總線(G-bus)(速度超過每秒3百萬多邊形)高速象素發(fā)

36、送互聯(lián)用于圖像處理的高速存取幀緩沖區(qū)(達每秒1億象素)高象素填充率950萬/秒。4北卡大學(xué)的PixelPlanes 4,5和 PixelFlow 北卡大學(xué)是最早開發(fā)圖形硬件開發(fā)圖形硬件的大學(xué)之一。他的工作不同于商界的工作，因為工作中基礎(chǔ)研究多于制基礎(chǔ)研究多于制造機器產(chǎn)品造機器產(chǎn)品，所以他們的機器總是處于圖形硬件的前沿。Pixel Flow和其圖形性能是將來高性能三維VR的重要部分。它克服了傳統(tǒng)硬件繪制結(jié)構(gòu)的變換和幀緩沖存取的瓶頸。它利用圖像合成技術(shù)，分配繪制任務(wù)在同樣的繪制器陣列，其中每個繪制器計算部分基元的全屏幕圖像。高性能圖像合成網(wǎng)絡(luò)實時組合這些圖像，產(chǎn)生全屏圖像。為什么圖像合成結(jié)構(gòu)的性能

37、與繪制器數(shù)目成線性關(guān)系。一個PixelFlow繪制器掃描達每秒140萬三角形，幾個繪制器系統(tǒng)可以掃描達這個速率幾倍。予計128個繪制器的系統(tǒng)可以達到多邊形速率每秒1億三角形。PixelFlow由超級采樣實現(xiàn)反走樣。它以幾個硬件明暗器硬件明暗器支持延遲的明暗，它在包含中間象素數(shù)據(jù)的合成圖像上工作。PixelFlow明暗器計算復(fù)雜的明暗算法，以及基于圖像的紋理，明暗速率與圖像復(fù)雜性無關(guān)。PiexlFlow可以連到并行超級計算機，用作中間模式圖形服中間模式圖形服務(wù)器務(wù)器，或者可以為保持方式繪制維持顯示表。5Sun公司的Elite 3D m3 和 m6Elite 3D 是Sun公司的高性能圖形系統(tǒng)系列

38、，用于實時交互的3D可視化，繪制和動畫。實際上，它只是視頻卡，不是整個系統(tǒng)。它是與Sun Ultra 10工作站一起工作的。該系統(tǒng)比SGI的系統(tǒng)便宜，但性能也較低。m6是較高性能的選項，有6個板上的FPU運算器。它有串口連接其他接口設(shè)備，如頭部跟蹤，HMD，3D鼠標。他的用戶類似SGI系統(tǒng)，有：CAD/CAE，石油工業(yè)，醫(yī)療專業(yè)，HAZMAT，實時動畫。6Red Mountain和Blue Mountain1996年12月16日，Intel 公司與 US DOE 合作發(fā)布了世界上第一世界上第一臺每秒臺每秒1萬億次的計算機萬億次的計算機(teraflops)。全美國人不停地手算125年，才相當于

39、該機器工作1秒鐘。該機器稱為 Red Mountain（紅山）。Accelerated Strategic Computing initiative(ASCI)正在開發(fā)仿真技術(shù)，不經(jīng)過地下核試驗就確保美國核武器的安全可靠。在新墨西哥州的 Sandia National Laboratories（桑迪亞國家實驗室）正在安裝5500萬美元的Red Mountain機器，新墨西哥州的Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯國家實驗室）和加州的 the Lawrence Livermore National Laboratory 也使用該機器。該機器仿真核武器的各個方

40、面，由激勵問題（如起爆仿真），到靜態(tài)仿真（如核武器儲存的老化效果）。Red Mountain 也用于醫(yī)療和藥物研究，天氣預(yù)報，飛機和汽車設(shè)計，工業(yè)生產(chǎn)的改進，疾病演化的仿真，治理環(huán)境等。Red Mountain 的主要指標指標為：價格$55 百萬，占地1000 平方英尺，系統(tǒng) RAM:584 Gbytes，雙向交叉帶寬51.6 Gbytes/sec，Pentium Pro 處理器 9,216，峰值性能1.8 TFLOPS。Los Alamos National Laboratory 不滿足借用Red Mountain，就開始建造Blue Mountain。該機器有比較Red Mountain更

41、強的圖形能力更強的圖形能力，增加了16臺SGI Infinite Reality 機器。Blue Mountain 組織成48個128處理器的共享存儲器多處理機（SMP）。48個SMP可以彼此通訊，速度為每秒650 Gigabits。它有76萬億bytes的光纖通道的盤空間。1998年11月12日建成，5年內(nèi)將超過100 TFLOPS。7其他設(shè)備 TAN是高級的沉浸的投影顯示，HP 提供 Kayak,Visualize Workstations，nVision Datavisor HMD，E&S Tornado 和 3D Labs Oxygen GMX。小結(jié)VR對計算機的技術(shù)要求是幀頻和延遲時

42、間的要求，對計算機的技術(shù)要求是幀頻和延遲時間的要求，以及計算能力和場景復(fù)雜性。以及計算能力和場景復(fù)雜性?；诨赑C的虛擬現(xiàn)實機器包括：有的虛擬現(xiàn)實機器包括：有Action Media圖形圖形加速器的加速器的486-PC；有；有SPEA“Fire”圖形加速器的圖形加速器的486-PC；Stride圖形加速器等。圖形加速器等。基于工作站的虛擬現(xiàn)實機器包括：基于工作站的虛擬現(xiàn)實機器包括：Sun的的“Virtual Holographic Workstation”；Division 的的Provision 100工工作站。作站。高度并行的虛擬現(xiàn)實機器包括：高度并行的虛擬現(xiàn)實機器包括：Division

43、的的Super Vision；SGI的的RealityEngine 2，ONYX2；Evans&Sutherland 的的Freedom 3000；北卡大學(xué)的；北卡大學(xué)的PixelPlanes 4,5和和 PixelFlow，Sun的的Elite 3D m3 和和 m6；以及更強；以及更強大的機器大的機器Red Mountain和和Blue Mountain。2 虛擬現(xiàn)實軟件系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實對工具軟件系統(tǒng)的要求虛擬現(xiàn)實對工具軟件系統(tǒng)的要求虛擬現(xiàn)實常用的工具軟件系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實常用的工具軟件系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實工具軟件的功能虛擬現(xiàn)實工具軟件的功能1 虛擬現(xiàn)實對工具軟件系統(tǒng)的要求虛擬現(xiàn)實程序設(shè)計虛擬現(xiàn)實程序設(shè)計需

44、要有關(guān)實時系統(tǒng)、面向?qū)ο笳Z言、網(wǎng)絡(luò)、物理建模、多任務(wù)等方面的知識。好的計算機程序員精通這些技巧。但他們不可能熟悉各種虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的專業(yè)領(lǐng)域。反之，醫(yī)生、建筑師、或經(jīng)濟分析家也不可能具有必要的程序設(shè)計技巧。虛擬現(xiàn)實廠家認識到需要解決這種知識缺口，并創(chuàng)造出這種產(chǎn)品的市場。這要求穩(wěn)定的平臺和軟件，這使現(xiàn)有的軟件廠家輕松地虛擬化他們的產(chǎn)品，并促進新一代軟件開發(fā)者去創(chuàng)造先進的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品。虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的工具軟件系統(tǒng)應(yīng)該滿足下列要求：虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的工具軟件系統(tǒng)應(yīng)該滿足下列要求：u 工具軟件1.是為虛擬現(xiàn)實技術(shù)要求設(shè)計的面向?qū)ο蠛瘮?shù)的可擴充的庫2.一個仿真對象就是一個“類”的部件，并繼承它默認的屬性。這大大

45、簡化了復(fù)雜對象編程的任務(wù)。由于庫是可擴充的，開發(fā)者可能寫專用模塊，并利用同樣的仿真核心。u 虛擬現(xiàn)實工具盒具有的另一個重要特征是硬件獨立性。寫的函數(shù)用于各種平臺，實質(zhì)上是一般的。實現(xiàn)這一點是因為高層的函數(shù)“不知道”它在特定的硬件上運行。低層的“轉(zhuǎn)換器”在運行時識別特定的I/O工具。在把應(yīng)用由一個平臺移到另一平臺時，這很有幫助。u 所有的工具盒都支持某種形式的網(wǎng)絡(luò)支持某種形式的網(wǎng)絡(luò)（內(nèi)部的或任選的）。這允許并行或分布處理，以及重要的多用戶交互。這使得在一個應(yīng)用中可能進行合作，以提高效率。u 這里討論的所有的工具盒都接受CAD 3-D文件（DXF等）。這說明通過引入現(xiàn)有的引入現(xiàn)有的3-D對象數(shù)據(jù)庫

46、對象數(shù)據(jù)庫，極大地減少了開發(fā)時間。2 虛擬現(xiàn)實常用的工具軟件系統(tǒng) 1常用的工具軟件常用的工具軟件工業(yè)界制造了很多用于虛擬現(xiàn)實的先進軟件工具，虛擬現(xiàn)實工具盒（toolkits）。這包括WorldToolKit-WTK“VCToolkit-VCT“Cyberspace Developer Kit-CDK“Virtual Reality Toolkit-VRT3“Mercury“Virtual Reality Distributed Environment and Construction Kit(VR-DECK)”2VRML VRML是Virtual Reality Modeling Langua

47、ge的縮寫。VRML是描述三維造型三維造型與交互環(huán)境交互環(huán)境的簡單的文本文本語言。VRML是在Internet上建立3D多媒體和共享虛擬世界的一個開放標準標準。從以下幾個方面簡單介紹這種語言。（1）VRML的特點（2）VRML的概念與實例（3）VRML的語言結(jié)構(gòu)（4）VRML的動畫技術(shù)（5）VRML的使用與開發(fā)條件（6）VRML的站點和教程（1）VRML的特點的特點(a)是造型語言,可描述3D場景。(b)用戶可進入VRML建立的世界，去探索它(c)VRML建立的世界是交互的，受用戶控制。(d)把2D，3D物體、動畫、多媒體效果混合于一體(e)平臺無關(guān)，可在PC或SGI上瀏覽。(f)基于Web，

48、可建立三維可視化服務(wù)器。(g)著色不如OpenGL快。(h)沒有底層控制。(j)有限的界面。（2）VRML的概念與實例的概念與實例pVR世界中的坐標系：X軸指向屏幕右側(cè)，Y軸指向屏幕上方，Z軸指向觀察者。pVRML程序是解釋執(zhí)行，實時建模著色的文本程序。它的兩個要點是：節(jié)點(node):構(gòu)成虛擬世界的基本要素，路由(route)：節(jié)點間傳送信息的途徑。VRML文件都是擴展名文件都是擴展名WRL的文本文件，或擴展名的文本文件，或擴展名WRZ（壓縮（壓縮格式）的二進制文件。它一般包括如下四部分：格式）的二進制文件。它一般包括如下四部分：文件頭：位于首行，提供版本信息。如：#VRML V2.0 ut

49、f8。注釋：以#開始的一段文字。節(jié)點：場景信息的單位?？梢悦枋鲈煨?，燈光，聲音等。如：Cylinder描述一個圓柱體。域值：域用于描述及改變節(jié)點的屬性，值反映域的大小。如：Cylinder height 2.0 radius 1.5 中，height（高度）和radius（半徑）是域，2.0和1.5是值。（3）VRML的語言結(jié)構(gòu)的語言結(jié)構(gòu)VRML的基礎(chǔ)是什么？的基礎(chǔ)是什么？1.是一個利用是一個利用HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的全球網(wǎng)協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的全球網(wǎng)2.以及一個以及一個SGI設(shè)計的設(shè)計的Open Inventor文件格式。文件格式。3.由此，它的特點在于：由此，它的特點在于：VRML是標準語言是標準

50、語言與平臺無關(guān)與平臺無關(guān)易擴展易擴展基于低帶寬的網(wǎng)絡(luò)連接基于低帶寬的網(wǎng)絡(luò)連接用戶可在虛擬場景中漫游，還可用超鏈接（用戶可在虛擬場景中漫游，還可用超鏈接（hyperlink）到達新的三維世界。）到達新的三維世界。(a)節(jié)點（節(jié)點（node）u是描述三維場景的圖形對象。u一個場景由具有層次結(jié)構(gòu)的多個節(jié)點組成層次結(jié)構(gòu)的多個節(jié)點組成。u共有50多個節(jié)點，定義三維場景。u一個節(jié)點有多個域(field)，它具有域名、類型及缺省值等屬性。如圓柱體節(jié)點。Cylinder field SFBool bottom TRUEfield SFFLoat height 2field SFFLoat radius 1fi

51、eld SFBool side TRUEfield SFBool top TRUE定義的圓柱體，高度為2，半徑為1，具有下底面，有圓柱側(cè)面，有上頂面。(c)傳感器傳感器(Sensor)節(jié)點節(jié)點是一類特殊的節(jié)點。包括以下節(jié)點：1.Cylinder Sensor2.Plane Sensor3.Time Sensor4.Touch Sensor5.Visibility Sensor6.Proximity SensorProximity SensorProximity Sensorexposed Field SFVec3f center 0，0，0exposed Field SFVee3f size

52、0，0，0exposed Field SFBool enabled TRUEeventout SFBool isActiveeventou SFVec3f position-changed eventout SFRotation orientation-changedeventout SFTime enter Timeeventout SFTime exit Time這時接近傳感器接近傳感器節(jié)點。當用戶接近、退出空間，或在空間移動時，會產(chǎn)生事件。Center和Size定義長方體，分別用三個數(shù)字定義長方體的中心點三維坐標和三維尺寸。Enabled域的值為TRUE表示允許工作。進入退出長方體空間時

53、發(fā)生isActive,enter Time和exit Time事件。這些事件應(yīng)該為對于接近接近的響應(yīng)行為，進入進入時間和退出退出時間。也可以利用position-changed和orientation-changed，改變位置和方向。(d)腳本（腳本（Script）節(jié)點，內(nèi)插器）節(jié)點，內(nèi)插器(Interpolator)節(jié)點節(jié)點Script是Java描述符語言的子集，同時由Java 的內(nèi)置對象所支持的VRML數(shù)據(jù)類型。Script分析輸入，并且由輸出改變世界。Interpolator是內(nèi)置的動作機制，實現(xiàn)數(shù)值內(nèi)插，對數(shù)據(jù)內(nèi)插，產(chǎn)生動畫。(e)聲音（聲音（Sound）節(jié)點描述聲音定位和空間效果）節(jié)

54、點描述聲音定位和空間效果聲音定位在一點，以球或橢圓形發(fā)射。域Intensity調(diào)節(jié)音量。域 Priority是占用聲道的優(yōu)先權(quán)。（4）VRML的動畫技術(shù)的動畫技術(shù)(a)幀頻可變：1.電影中24幀/秒，電視（NTSC）中，30幀/秒。2.VRML中幀頻可變，可最小達5幀/秒。(b)用戶可控制動畫：改變視點可在動畫中漫游。(c)自然的觸發(fā)機制：Time Sensor傳感器感受時間Start Time域發(fā)任何的SFTime eventont事件，就啟動動畫。由script產(chǎn)生予期動作。（5）VRML的使用與開發(fā)條件的使用與開發(fā)條件VRML的瀏覽環(huán)境：的瀏覽環(huán)境：瀏覽器：瀏覽器：IE或或Netspac

55、e Navigator(NS)以上版本。以上版本。VRML插件：插件：VRML最簡單的開發(fā)環(huán)境：最簡單的開發(fā)環(huán)境：瀏覽器：瀏覽器：IE或或Netspace Navigator(NS)以上版本。以上版本。VRML插件：插件：文本編輯器（記事本或文本編輯器（記事本或UltraEdit）。）。安裝瀏覽器方法：安裝瀏覽器方法：3非商業(yè)的虛擬現(xiàn)實工具盒（非商業(yè)的虛擬現(xiàn)實工具盒（Toolkits）1.上面介紹的所有系統(tǒng)都是商業(yè)產(chǎn)品，上面介紹的所有系統(tǒng)都是商業(yè)產(chǎn)品，具有具有PowerGlove手套和手套和Sega LCD眼鏡（總價格約眼鏡（總價格約100美元美元）的非專業(yè)人士，不可能花幾千美元買虛擬現(xiàn)實工）

56、的非專業(yè)人士，不可能花幾千美元買虛擬現(xiàn)實工具盒軟件包。具盒軟件包。2.免費的虛擬現(xiàn)實編程工具。兩個已知的較好免費的虛擬現(xiàn)實編程工具。兩個已知的較好的例子是的例子是阿爾波塔大學(xué)開發(fā)的阿爾波塔大學(xué)開發(fā)的“Minimal Reality Toolkit”（MR）滑鐵盧大學(xué)開發(fā)的滑鐵盧大學(xué)開發(fā)的REND386（加拿大）。（加拿大）。3 虛擬現(xiàn)實工具軟件的功能 實時產(chǎn)生VR所要求的軟件有很多部分很多部分構(gòu)成。這包括：u交互軟件與人機接口相關(guān)的u漫游軟件交互接口得到數(shù)據(jù)，根據(jù)漫游原則，轉(zhuǎn)換視點u圖形流水線軟件的多邊形流最小化漫游軟件過程中，圖形處理軟件中，盡量減少處理的多邊形u世界建模軟件幾何、物理和屬性

57、建模u超媒體集成軟件。各種類型的數(shù)據(jù)集成在VR系統(tǒng)里每一部分都是龐大的，所有軟件合作，可以實時產(chǎn)生實時產(chǎn)生VR。各部分軟件相互關(guān)聯(lián)的目標目標是什么？產(chǎn)生詳細的交互的無縫詳細的交互的無縫的VR。如何解釋詳細的？交互的？無縫詳細的？交互的？無縫的？無縫無縫表示你可以驅(qū)動車輛穿過一個地帶，停在建筑前面，走下車輛，步行進入建筑，上樓梯，進入房間，與桌上的物體交互，整個過程中整個過程中沒有延遲和猶豫沒有延遲和猶豫。為建立無縫的系統(tǒng)，要求在軟件開發(fā)上實質(zhì)的進展。1 交互軟件交互軟件的作用是什么？交互軟件的作用是什么？交互軟件是接受用戶操作與控制接受用戶操作與控制的接口軟件。交互軟件提供構(gòu)造不同控制設(shè)備間對

58、話的機制提供構(gòu)造不同控制設(shè)備間對話的機制(如跟蹤器,觸覺接口)，并把對話用于系統(tǒng)或應(yīng)用，使多模式顯示相應(yīng)變化。軟件的構(gòu)成？軟件的構(gòu)成？這個軟件的第一部分由控制設(shè)備取得輸入，并解釋控制設(shè)備取得輸入，并解釋它們。可以使用幾個程序庫程序庫，作為商業(yè)產(chǎn)品或作為共用件(shareware)，它可以讀普通接口設(shè)備的數(shù)據(jù)，如Data Glove和各種跟蹤器。商業(yè)程序庫的例子有Sense 8的World Toolkit。程序庫程序庫包括由接口設(shè)備得到輸出的驅(qū)動器，和包括予測跟蹤和手姿識別的程序。構(gòu)造交互軟件的第二部分轉(zhuǎn)變系統(tǒng)狀態(tài)信息轉(zhuǎn)變系統(tǒng)狀態(tài)信息，由控制設(shè)備進入對話由控制設(shè)備進入對話（這對系統(tǒng)和應(yīng)用是有意義

59、的），同時濾掉對話中錯誤的不可靠的部分（這可能由輸入設(shè)備中的錯誤數(shù)據(jù)產(chǎn)生）。然后把這些對話送交虛擬世界系統(tǒng)，執(zhí)行某些有用的操作。交互是VR系統(tǒng)關(guān)鍵部分，它涉及硬件和軟件。VR中接口硬件提供身體各部分的位置和狀態(tài)。這些信息一般用于：(1)映射用戶行為到環(huán)境變化(如手移動物體)，(2)發(fā)命令給環(huán)境(如手姿或按鍵)，(3)提供信息輸入(如語音,文本或數(shù)值輸入)。用戶意圖應(yīng)由硬件輸出判定。由于硬件的不精確，推理可能會復(fù)雜化2虛擬場景漫游軟件概述概述 虛擬場景漫游軟件使用戶能在三維虛擬世界中移動。這個軟件有很多部分，包括哪些內(nèi)容？包括哪些內(nèi)容？1.控制設(shè)備手姿解釋（來自運動處理輸入子系統(tǒng)的手姿信息）2.

60、用于對圖像流水線的多邊形流最小化的層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 3.虛擬攝象機視點和觀看方向的空間控制，4.在漫游中它們一起實時工作，產(chǎn)生通過虛擬世界的連續(xù)幀序列的下一幀。漫游的作用？是控制VR中視點和觀看方向視點和觀看方向的問題。使用傳統(tǒng)的計算機圖形技術(shù)，漫游可以簡化為用于繪制物體的位置和方向變換矩陣的確定。第一層虛擬世界漫游是最特殊的，即用戶視點用戶視點。通過頭部跟蹤設(shè)備，可以控制觀看位置和方向，頭部跟蹤給計算機提供頭部位姿和方向。下一層漫游使用虛擬車輛虛擬車輛。這允許在VR中移動一段距離，大于頭部跟蹤允許的距離。虛擬車輛的位置和方向可以使用各種方式控制。在仿真應(yīng)用中，車輛控制方式與實際被仿真車輛的控制方

61、式相同。實現(xiàn)的例子實現(xiàn)的例子是用于飛行和車輛仿真的腳踏磨（跑步機），自行車和手柄。對更抽象的應(yīng)用更抽象的應(yīng)用，有幾種實驗方法控制車輛。1.最普通的方法是指示飛行技術(shù)指示飛行技術(shù)，其中由直接操作接口控制車輛。用戶給三維位置方向跟蹤器指出要求的飛行方向，命令用戶車輛在這個方向飛行。2.另一種控制車輛方法是基于在VR中不需要通過一定的空間由這里到那里。遙操作遙操作是明顯的例子，它要求用戶規(guī)定要求的目標，再把用戶放在那里。解決方法包括固定了進入和退出位置的門，由數(shù)值或標記輸入明確規(guī)定目標，以及用環(huán)境的小型三維圖指出要求的目標。3.控制車輛的另一個方法是動態(tài)改變比例尺動態(tài)改變比例尺，整個環(huán)境降低比例就使

62、用戶可以達到要求的目標，然后升高用戶指定的目標區(qū)的比例。所有方法都有缺點，包括難以控制和定向。VR中存在物體的層次物體的層次，它們在漫游中有不同的行為。某些物體固定在環(huán)境中受到用戶和車輛的作用。某些物體固定在環(huán)境中受到用戶和車輛的作用。另一些物體是用戶總希望達到的虛擬工具，它們只受到頭另一些物體是用戶總希望達到的虛擬工具，它們只受到頭部變換的作用。部變換的作用。還有些物體（如數(shù)據(jù)顯示）總希望在用戶視場中，而且不還有些物體（如數(shù)據(jù)顯示）總希望在用戶視場中，而且不受用戶和車輛作用。受用戶和車輛作用。這些物體分別稱為：世界靜止，世界靜止，車輛靜止，車輛靜止，頭靜止。頭靜止。雖然已知道漫游軟件的基礎(chǔ)是

63、數(shù)學(xué)，但還要作實驗。3操作系統(tǒng) 為了建立當前多數(shù)為了建立當前多數(shù)VR系統(tǒng)，一般使用運行某種系統(tǒng)，一般使用運行某種UNIX操作系統(tǒng)的商業(yè)工作站操作系統(tǒng)的商業(yè)工作站(這些工作站最初的設(shè)計不這些工作站最初的設(shè)計不是滿足實時性能要求的是滿足實時性能要求的)。其它途徑是利用更專用的嵌入式計算元件其它途徑是利用更專用的嵌入式計算元件(可能在可能在通用工作站中用作前端機通用工作站中用作前端機)，運行為支持實時分布，運行為支持實時分布計算設(shè)計的操作系統(tǒng)。后一種途徑大量用于有強烈計算設(shè)計的操作系統(tǒng)。后一種途徑大量用于有強烈實時要求的領(lǐng)域（如過程控制和遙機器人）。實時要求的領(lǐng)域（如過程控制和遙機器人）。虛擬環(huán)境要

64、求的操作系統(tǒng)能力包括：通過共享存儲通訊共享存儲通訊支持大量的輕型處理，支持自主和透明地分配任務(wù)自主和透明地分配任務(wù)到多計算資源，支持時間關(guān)鍵的計算和繪制，很高分辨率的時間分片時間分片以及擔(dān)保執(zhí)行時間優(yōu)先優(yōu)先的過程雖然沒有專門涉及這些問題，IEEE Posix標準委員會開始把實時能力引進開放系統(tǒng)工作站環(huán)境把實時能力引進開放系統(tǒng)工作站環(huán)境。特別，IEEE標準1003.4(UNIX的實時擴充)，標準1003.4a(UNIX的線索擴充)，和標準1003.13(對實時應(yīng)用支持的應(yīng)用環(huán)境外形)，對要求某種層次實時控制的VR開發(fā)是重要的。這些標準中規(guī)定的能力的具體子集,在某些圖形工作站上可以得到(如運行IR

65、IX 5版本操作系統(tǒng)的SGI工作站)。支持操作系統(tǒng)中這些能力，將大大促進許多VR應(yīng)用的開發(fā)。4虛擬現(xiàn)實編輯器 l今天的通用程序設(shè)計環(huán)境是基于窗口、菜單和圖標（icons）。這些用于大量不同的程序，由文本編輯到畫圖程序或spreadsheet?，F(xiàn)在可能擴充同樣的途徑，產(chǎn)生或編輯虛擬現(xiàn)實環(huán)境。l用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)自然的3-D接口產(chǎn)生虛擬環(huán)境帶來極大的優(yōu)越性。用戶可以在環(huán)境中運動，移動物體到一個位置，并按需要改變其它屬性。這提供交互更強，建模更自然的系統(tǒng)?？梢杂赏慨嫎?gòu)造虛擬環(huán)境，只要由對象庫選擇對象（有默認的屬性），把對象在虛擬空間定位，然后選擇和修改給定的屬性。由環(huán)境中產(chǎn)生和刪除對象的能力，對于我們快

66、速改造給定環(huán)境以滿足用戶要求是很基本的。虛擬現(xiàn)實編輯器對仿真開發(fā)者是很強的工具。通過在現(xiàn)有標準練習(xí)中的構(gòu)造，即使程序設(shè)計新手也能開始構(gòu)造虛擬世界。以高度交互的方式，用戶可以立刻看到被仿真對象產(chǎn)生和修改的結(jié)果。應(yīng)用開發(fā)者看到編輯結(jié)果是通過實時仿真中使用的同樣的顯示（HMD或CRT）。反之，同樣的輸入工具（3-D鼠標、手柄、跟蹤球等）也用在編輯方式。這允許由各個角度看到編輯過程，甚至在臺式工作站上。把虛擬現(xiàn)實編輯器放進虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，就得到一個杰出的虛擬現(xiàn)實開發(fā)系統(tǒng)。5內(nèi)部常駐建模器 l虛擬現(xiàn)實編輯器具有內(nèi)部動態(tài)建模設(shè)備。這對于新手是很方便的，但限制了可能建模的物理特性的選擇。在復(fù)雜的仿真中，可能必須建模物理特性（力、重力、變形等），這要寫?yīng)毩⒌墓ぞ吆谐绦?。這提供了最大的靈活性，但要求很好的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計技巧。l完整的靈活性的建模工具盒是新的“Cyberspace Developer Kit-CDK”。它的庫有很大的函數(shù)集（超過1200），組織在140個C+類中。類組織成層次，有“基本類”（沒有父輩）和子類（繼承基本類的屬性）。例如，約40%的CDK類是由CyBase類繼承，它定義事件處理