可視化顯示設(shè)備為了生成一個(gè)具有沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境

1、可視化顯示設(shè)備 為了生成一個(gè)具有沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，必須集成上述 4種技術(shù)。頭盔式顯示器 HMD(Head Mounted Display)是該項(xiàng)技術(shù)的結(jié)晶，它不僅綜合了上述技術(shù)的精華，而且還結(jié)合人類對(duì)視覺(jué)感知的生理特點(diǎn)。其顯示屏幕被設(shè)置在一個(gè)特制頭盔的前部，把計(jì)算機(jī)生成的圖象分別送到頭盔顯示器的2個(gè)屏幕，以產(chǎn)生一幅立體圖象，且當(dāng)人的頭或身體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，計(jì)算機(jī)圖象生成系統(tǒng)送出相應(yīng)的圖象也跟著發(fā)生變化。1三、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)軟件一個(gè)較為成功的 VR環(huán)境是極其復(fù)雜的 ,必須是面向?qū)ο蠛蛯?shí)時(shí)的，具有內(nèi)在的靈活性和可移植性，對(duì)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境提出較高的要求。虛擬環(huán)境軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境桌面虛擬環(huán)境系統(tǒng) VRT桌面虛擬環(huán)

2、境系統(tǒng) VRT主要包括 3個(gè)功能模塊，即形狀編輯器、世界編輯器和可視化器。形狀編輯器用于生成虛擬環(huán)境中的對(duì)象，世界編輯器用于將這些對(duì)象與在虛擬環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)和行為聯(lián)系起來(lái)，可視化器用于形成一個(gè)應(yīng)用的運(yùn)行系統(tǒng)。VPL的 RB2系統(tǒng)RB2 ( reality built for two ) 是一套完備的虛擬環(huán)境原型系統(tǒng)，利用它可以快速構(gòu)建評(píng)測(cè)用的虛擬環(huán)境，它是第一個(gè)實(shí)用的 VR環(huán)境系統(tǒng)。SGI的 VR開(kāi)發(fā)平臺(tái)該平臺(tái)是 SGI公司研制的一系列適于虛擬環(huán)境的圖形平臺(tái)，它將虛擬世界產(chǎn)生系統(tǒng)與各種外圍設(shè)備集成在一起。其中 SGI的 Sky Writer和現(xiàn)實(shí)引擎 ( reality engine ) 支持

3、“ 窗口輸出 ” 、Unix 計(jì)算和高級(jí)圖形操作，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)、任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)預(yù)演和映象。2虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的編程軟件目前有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的編程軟件很多，其中具有代表性的包括 : Open GL(open graphics library)使用專用圖形處理硬件的軟件接口，它有幾百個(gè)過(guò)程與函數(shù)組成，支持用戶使用高質(zhì)量三維對(duì)象的圖形和圖象。 VRML(Virtual Reality Modeling Language) 虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言，是超文本語(yǔ)言 (HTML)的三維模擬，它使用 VRML瀏覽器能讀懂 ASCII文本格式來(lái)描述世界和鏈接。 VRML不僅可以用來(lái)建立真實(shí)世界場(chǎng)景的模型，也可以建立虛構(gòu)

4、的二維和三維世界，VRML是建立和體驗(yàn)一個(gè)虛擬新世界的通信媒介 。3四、虛擬現(xiàn)實(shí)理論及實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)是計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息科學(xué)的交叉和融合，建立一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖象處理和模式識(shí)別、智能接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、多傳感器技術(shù)、多信息融合技術(shù)、語(yǔ)音處理與音響技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等學(xué)科的理論。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)VR技術(shù)的目標(biāo)就是要在人和計(jì)算機(jī)之間建立一個(gè)適人化的多維信息空間，在該空間中，信息處理工具是虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境 (系統(tǒng) )，人與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是通過(guò)各種先進(jìn)的傳感器和作用器發(fā)生聯(lián)系，人們可以按照自己習(xí)慣的方式與虛擬環(huán)境自由交互，人們以往的經(jīng)驗(yàn)和體驗(yàn) (全部的感

5、性知識(shí)和理性知識(shí) )都是理解問(wèn)題、尋求解答和提出新概念的基礎(chǔ)。虛擬環(huán)境及對(duì)象構(gòu)造虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是要用戶具有沉浸感、交互感以及能產(chǎn)生構(gòu)想，構(gòu)造一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必須考慮人們對(duì)虛擬環(huán)境的感知，即視覺(jué)感知、聽(tīng)覺(jué)感知、記憶及認(rèn)知等。4視覺(jué)感知和視景生成人類視覺(jué)感知系統(tǒng)是由眼睛和視覺(jué)神經(jīng)構(gòu)成，眼睛結(jié)構(gòu)和照相機(jī)相似，作用像光電轉(zhuǎn)換器和信息編碼器。視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)作用像信息網(wǎng)絡(luò)，人的視覺(jué)感知由視網(wǎng)膜圖像差、運(yùn)動(dòng)視差及色彩感知等部分組成。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中視景生成有基于圖形和圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境生成技術(shù)。聽(tīng)覺(jué)感知與聽(tīng)覺(jué)生成對(duì)聽(tīng)覺(jué)感知研究表明，人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)由外耳、中耳和內(nèi)耳組成。外耳負(fù)責(zé)定向收集聲波，中耳負(fù)責(zé)保護(hù)內(nèi)

6、耳，并將外耳收集到的聲音傳送給內(nèi)耳，內(nèi)耳負(fù)責(zé)保護(hù)放大、濾波和提取聲音特征，然后傳送給大腦。為了產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的聲音，人們采用了空間聲音合成方法，即利用對(duì)應(yīng)被測(cè)試耳廓的沖擊響應(yīng)濾波器的聲音信號(hào)的直接卷積。記憶與認(rèn)知人的記憶由短期和長(zhǎng)期記憶構(gòu)成，短期記憶容量為 5 9個(gè)存儲(chǔ)單位，若不及時(shí)更新，短期記憶的信息會(huì)在 2 0 ms內(nèi)消失，必須不斷刷新。長(zhǎng)期記憶幾乎有無(wú)限容量，人的認(rèn)知過(guò)程，是一個(gè)優(yōu)化安排短期記憶存儲(chǔ)器的使用和有效檢索長(zhǎng)期記憶的過(guò)程。5虛擬環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法虛擬環(huán)境是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，只能采用當(dāng)今最為先進(jìn)的面向?qū)ο蠹夹g(shù)和面向智能體技術(shù)作為虛擬環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，才能滿足開(kāi)發(fā)虛擬環(huán)境的要

7、求。面向?qū)ο蠹夹g(shù)面向?qū)ο蟮募夹g(shù)領(lǐng)域已涉及面向?qū)ο笤O(shè)計(jì) ( OOD ) 、面向?qū)ο笳Z(yǔ)言 ( OOL ) 、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù) ( OODB ) 、面向?qū)ο笾悄艹绦蛟O(shè)計(jì) ( OOIP )和面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu) ( OOA ) 。在面向?qū)ο笙到y(tǒng)觀中，構(gòu)成系統(tǒng)的基本部分是對(duì)象。面向智能體技術(shù)在面向智能體的方法中，人們使目前的“對(duì)象”能夠進(jìn)化得更聰明些，即 “ 聰明的對(duì)象(Agent) ” = “ 知識(shí)表示結(jié)構(gòu) +處理方法 ” 。面向智能體程序設(shè)計(jì) ( AOP ) 是一種以計(jì)算的社會(huì)觀為基礎(chǔ)的新型程序設(shè)計(jì)風(fēng)范，它以 Agent的設(shè)計(jì)與構(gòu)造作為程序設(shè)計(jì)核心。6五、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)的概念從提出到現(xiàn)在僅 3

8、 0多年，但它在許多領(lǐng)域取得了舉世矚目的成果。航天領(lǐng)域應(yīng)用航天員訓(xùn)練器利用虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)航天員進(jìn)行失重心理訓(xùn)練，使其建立失重環(huán)境下空間方位感。其次，通過(guò)構(gòu)造航天器虛擬座艙模型，訓(xùn)練航天員熟悉艙內(nèi)布局、界面和位置關(guān)系，演練飛行程序和操作技能等。特別當(dāng)航天器某些關(guān)鍵設(shè)備在軌運(yùn)行期間發(fā)生故障時(shí)，可以通過(guò) VR技術(shù)，在地面或空間站對(duì)其進(jìn)行修理培訓(xùn)。 1 993年，哈勃望遠(yuǎn)鏡的修復(fù)成功就是一例。交會(huì)對(duì)接人工控制 VR技術(shù)利用 VR技術(shù)，將交會(huì)對(duì)接時(shí)航天器的動(dòng)力學(xué)模型存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，實(shí)時(shí)解出 2個(gè)航天器間的相對(duì)距離和姿態(tài)角參量，再通過(guò)計(jì)算機(jī)生成圖像，在頭盔顯示器里實(shí)時(shí)顯示 2個(gè)航天器虛擬環(huán)

9、境，從而達(dá)到訓(xùn)練目的。78軍事應(yīng)用 早在 2 0世紀(jì) 80年代初，美國(guó)的 DARPA 就開(kāi)始為坦克編隊(duì)典型作戰(zhàn)訓(xùn)練開(kāi)發(fā)一個(gè)實(shí)用的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)，其主要目的是為了降低作戰(zhàn)訓(xùn)練費(fèi)用，同時(shí)也為了確保安全和減低對(duì)環(huán)境的影響。最后形成了一個(gè)由美國(guó)及德國(guó)的 2 0 0個(gè)坦克訓(xùn)練器互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) SIMNET系統(tǒng)。SIMNET通過(guò)分布網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，在訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)緊縮、戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練質(zhì)量和數(shù)量提高以及作為新武器概念試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用等方面得到廣泛認(rèn)可。NATO(北大西洋公約組織 )計(jì)劃將逐步把各個(gè)國(guó)家的兵力匯入 SIMENT而成為一個(gè)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)，進(jìn)一步的工作是把空戰(zhàn)仿真系統(tǒng) (AWSIMS)和海戰(zhàn)仿真系統(tǒng) (NWSIMS)與

10、SIMNET相聯(lián)。9機(jī)械制造業(yè)應(yīng)用支持并行工程傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程為：設(shè)計(jì)工藝規(guī)劃工裝設(shè)計(jì)零件制造裝配，VR技術(shù)可實(shí)現(xiàn)各階段交叉進(jìn)行過(guò)程。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，可由不同終端處理不同過(guò)程，最后通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與通訊。完成動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的建立網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，一個(gè)工程項(xiàng)目的完成可依賴于多個(gè)用戶，這些用戶只是網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。利用寬帶網(wǎng)傳輸設(shè)計(jì)加工數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)異地生產(chǎn)。虛擬制造 VR技術(shù)應(yīng)用最重要的領(lǐng)域，如波音 777客機(jī)。波音公司開(kāi)發(fā)的 VR系統(tǒng)可將虛擬環(huán)境疊加于真實(shí)環(huán)境之上，如把虛擬的模板顯示在正加工的工件上，工人根據(jù)此模板控制待加工尺寸，簡(jiǎn)化了加工過(guò)程，使波音 777客機(jī)一次裝配成功。10111213機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用遙操作界面遙現(xiàn)可以定義為人的感覺(jué)器官在遠(yuǎn)端的延伸，人的感官能通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的 I/ O設(shè)備得到增強(qiáng)，同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)的三維圖形數(shù)據(jù)適于低帶寬及大延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)通訊。三維場(chǎng)景表達(dá)和自動(dòng)建模虛擬現(xiàn)實(shí)的另外一個(gè)快速發(fā)展的研究領(lǐng)域是機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域，也正是國(guó)際上 VR技術(shù)研究熱點(diǎn)。視覺(jué)處理一般分低層視覺(jué)處理、中層視覺(jué)處理及高層視覺(jué)處理 3個(gè)層次 ,VR技術(shù)可以看成是視覺(jué)的高層處理的場(chǎng)景表達(dá)。14醫(yī)學(xué)應(yīng)用虛擬人體早在 1985 年，美國(guó)國(guó)立醫(yī)學(xué)圖書館 ( NLM ) 就開(kāi)始人體解剖圖像數(shù)字化研究，并利用虛擬人體開(kāi)展虛擬解剖學(xué)、虛擬放射學(xué)及虛擬內(nèi)窺鏡學(xué)等學(xué)科的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。遙