虛擬現(xiàn)實技術(shù)課件第三章

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主講：楊文暉虛擬現(xiàn)實技術(shù)主講：楊文暉第三章虛擬現(xiàn)實的計算機技術(shù)

課前索引

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)

第三節(jié)虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)和通訊

章節(jié)小結(jié)

課后習(xí)題第三章虛擬現(xiàn)實的計算機技術(shù)

課前索引〖課前思考〗1．哪些計算機用于VR?2．常用工具軟件的特點。3．分布式仿真中的網(wǎng)絡(luò)和通訊的特點。〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1．了解不同類型VR用計算機的組成及特點。2．了解工具軟件的要求和功能，了解分布式仿真。3．了解網(wǎng)絡(luò)和通訊的硬件，軟件和分布式仿真。〖學(xué)習(xí)指南〗1．注意VR用計算機提高速度的措施。2．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?！颊n前思考〗〖難重點〗1．注意幀頻和延遲的要求。2．注意不同類型VR用計算機的組成結(jié)構(gòu)。3．注意VR用計算機的并行處理技術(shù)構(gòu)。4．注意工具軟件的要求。5．注意工具軟件的功能。6．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。8．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。〖難重點〗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)虛擬現(xiàn)實對計算機系統(tǒng)的要求基于PC的虛擬現(xiàn)實機器的組成結(jié)構(gòu)基于工作站的虛擬現(xiàn)實機器組成結(jié)構(gòu)高度并行的虛擬現(xiàn)實機器組成結(jié)構(gòu)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)虛擬現(xiàn)實對計算機系統(tǒng)的要求問題一：前面我們講解了很多虛擬現(xiàn)實技術(shù)的指標(biāo)，例如：位姿、視覺、聽覺、力覺觸覺顯示等，是否都是在現(xiàn)有手段范圍內(nèi)，對計算機系統(tǒng)實施必要要的要求呢？只包括了視覺顯示對計算機系統(tǒng)的要求。原因是：位姿傳感器的數(shù)據(jù)處理，一般不在主計算機上進(jìn)行，而是由專用的電子設(shè)備完成。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(rèn)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。所以，當(dāng)前的虛擬現(xiàn)實計算機，主要完成視覺顯示的計算任務(wù)。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)雜性虛擬現(xiàn)實對計算機系統(tǒng)的要求視覺顯示對計算機系統(tǒng)的要求---幀頻和延遲時間VR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：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，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）。

視覺顯示對計算機系統(tǒng)的要求---幀頻和延遲時間VR要求高幀頻對計算機硬件，幀頻有幾個含義。它們大致分類為圖形的幀頻計算的幀頻數(shù)據(jù)存取的幀頻哪種幀頻是最重要的？為了維持在VR中的臨場和沉浸感，圖形幀頻是關(guān)鍵。原因：這些幀頻可能是獨立的，圖像場景可能變化，而沒有來自用戶視點運動的計算和數(shù)據(jù)存取。這時，圖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，低于每秒10幀的幀頻嚴(yán)重降低臨場的幻覺。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。對計算機硬件，幀頻有幾個含義。什么情況下，希望VR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）最直接的影響是什么？嚴(yán)重降低用戶性能。響應(yīng)時間的通常恒量值是多少？多于幾毫秒的延遲會影響用戶性能，而多于0.1秒的延遲有嚴(yán)重影響。例舉一個響應(yīng)時間影響用戶性能的例子什么情況下，希望VR具備快速響應(yīng)？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，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。影響延遲的因素這些延遲在計算機系統(tǒng)中來自很多因素：如數(shù)據(jù)存取時間計算時間繪制時間輸入設(shè)備數(shù)據(jù)處理時間。類似幀頻的情況，延遲的來源分成：數(shù)據(jù)存取計算圖形顯示。延遲時間是如何計算的？問題：系統(tǒng)有高幀頻，延遲就相對會小，正確與否？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。問題：系統(tǒng)有高幀頻，延遲就相對會小，正確與否？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。只有慢速運動物體，較靜的環(huán)境，可以用幀頻每秒8至10，和0.1秒延遲。如果環(huán)境中有高速運動的物體，則要求高幀頻（>60Hz）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幀/秒,總延遲必須小于0.1秒。幀頻和延遲的最低要求由什么決定？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，是一種時間受限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。用什么能夠表示計算能力？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(jìn)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。視覺顯示對計算機系統(tǒng)的要求---計算能力和場景復(fù)雜性為什么說下圖表示，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真度差別。

下圖表示，波音747-400飛機的兩種復(fù)雜性不同的三維模型。下圖表示，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）中的模型有131275個多邊形。效果圖說明了明顯的逼真度差別。下圖表示，人體骨骼的兩種復(fù)雜性不同的三維模型。（a）中的模型問題：對于VR計算機，主要的技術(shù)指標(biāo)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。討論計算能力時應(yīng)該注意的問題是否加紋理，是否反走樣，采用哪一種明暗模型，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。問題：計算機生成圖像時的走樣現(xiàn)象通常存在三種走樣現(xiàn)象中的兩種：鋸齒形邊圖形細(xì)節(jié)或紋理繪制失真第三種現(xiàn)象出現(xiàn)在顯示非常微小對象的場合。什么是反走樣？在光柵圖形顯示器上繪制非水平且非垂直的直線或多邊形邊界時，或多或少會呈現(xiàn)鋸齒狀或臺階狀外觀。原因？這是因為直線、多邊形、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。由于采樣不充分重建后造成的信息失真，就叫走樣(aliasing)。而用于減少或消除這種效果的技術(shù)，就稱為反走樣(antialiasing)。計算機生成圖像時的走樣現(xiàn)象反走樣的方法：基本上反走樣方法可分為兩類。第一類是提高分辨率即增加采樣點(提高采樣頻率)。然而，CRT光柵掃描設(shè)備顯示非常精細(xì)光柵的能力是有限的，因此人們通常是在較高分辨率上對光柵進(jìn)行計算，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。這種方法稱為超采樣或后置濾波。另一類反走樣是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。反走樣的方法：關(guān)于明暗模型光照模型可用于任何表面上任一可見點。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。當(dāng)我們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進(jìn)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：常數(shù)明暗處理法Gourand明暗處理算法：Phong明暗處理算法關(guān)于明暗模型常數(shù)明暗處理法Gourand明暗處理算法：Phong明暗處理算法三種算法的具體內(nèi)容？常數(shù)明暗處理法對計算機系統(tǒng)的要求圖形學(xué)和計算機硬件的進(jìn)展對全真實的VR是關(guān)鍵因素。由于廣泛的興趣和有不同性能要求的大量應(yīng)用，所以需要在幾個層次繼續(xù)進(jìn)行硬件開發(fā)，由高檔多模式工作站到低檔的只有適當(dāng)三維視覺能力的個人工作站。將來的高檔VE系統(tǒng)有幾個硬件要求。具有高計算要求的計算機結(jié)構(gòu)。這些機器必須有很大的物理存儲多個高性能向量處理機高帶寬(>500Mbytes/s)低延遲(<0.03s)巨型存儲設(shè)備和對各種輸入輸出設(shè)備的高速接口。物理建模和可視化計算將是計算需求的推動力。對計算機系統(tǒng)的要求圖形學(xué)和計算機硬件的進(jìn)展對全真實的VR是關(guān)基于PC的虛擬現(xiàn)實機器的組成結(jié)構(gòu)讓一般公眾接受虛擬現(xiàn)實的最佳途徑？Grimsdale［1992］指出，讓一般公眾接受虛擬現(xiàn)實將通過“發(fā)展”，而不是“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1992年推出了低級的基于486的虛擬現(xiàn)實機器它有頭部跟蹤器、HMD、3-D聲音、圖形加速器和手柄，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-PC2000美元）?；赑C的虛擬現(xiàn)實機器的組成結(jié)構(gòu)讓一般公眾接受虛擬現(xiàn)實的最佳圖形硬件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。圖形硬件涉及到哪些？圖形流水線圖形卡的AGP和PCI圖形加速器Add-ons

圖形硬件圖形流水線圖形流水線的作用：包括把三維物體由其自身坐標(biāo)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第一步是把物體由其自身坐標(biāo)系變換到描述整個場景的世界坐標(biāo)系。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。第三步是在模型中引入顏色和明暗等性質(zhì)。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)域內(nèi)進(jìn)行。很多計算在CPU進(jìn)行，但是多數(shù)矩陣運算是在圖形加速器中進(jìn)行。圖形流水線圖形流水線的作用：圖形卡的AGP和PCI圖形卡的AGP和PCI是總線。數(shù)據(jù)總線會影響到圖形卡的性能。PCI是標(biāo)準(zhǔn)的計算機內(nèi)部總線。總線把計算機的插入卡（網(wǎng)絡(luò)卡，圖形卡等）連接到CPU。PCI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。AGP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。可以想象，這將大大增加系統(tǒng)性能。圖形卡的AGP和PCI圖形卡的AGP和PCI是總線。圖形加速器圖形加速器是圖形計算的另一個重要部分。這是圖形卡上的處理器，它完成所有繁重的計算。這些繁重計算主要包括：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。

ActionMedia圖形加速器有SPEA“Fire”圖形加速器Stride圖形加速器圖形加速器圖形加速器是圖形計算的另一個重要部分。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(jìn)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OpenGLAPI的縮減版本，類似于OpenGL。GlideUtilityLibrary提供Glide的更高層次的實現(xiàn)。

Add-onsAdd-ons適用于只有2D加速器，但沒有3關(guān)于3D顯示卡3dfxVoodoo3-3500它使用8片HY5.5ns，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800萬/秒，像素填充率是366萬/秒。他擁有3dfx獨有的3DAPI: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TNT2Ultra+它使用2×32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StealthIIIS540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4×16的32MB顯存，所以其顯示帶寬只有64bit。它的S3TC紋理壓縮技術(shù)效果出眾。它是最慢但最經(jīng)濟(jì)的3D顯示卡。價格900元。ATIRageFury

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5nsSGRAM。其核心頻率和顯存頻率只有100MHz和110MHz。ATIRage128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。MatroxG400MAX

它使用2×32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128bit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(jìn)技術(shù)。它的功能最多，性能很優(yōu)秀。價格2500元。關(guān)于3D顯示卡3dfxVoodoo3-35003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)是工作站它們比PC的優(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Sun和SGI采用的一種途徑是用虛擬現(xiàn)實工具改進(jìn)現(xiàn)有的工作站，象基于PC的系統(tǒng)那樣。DivisionLtd.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Provision100。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1．Sun公司的“VirtualHolographic”工作站1992年，Sun推出"VirtualHolographicWorkstation"。這個系統(tǒng)最初使用SUNSparcstationII，并配置GT圖形加速器（10萬個多邊形/秒）。1994年，它升級到Sun10-51，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，且左右眼圖像交替顯示在立體監(jiān)視器上。它采用StereoGraphicsCo.的CrystalEyesVR和Logitech跟蹤器，給用戶部分沉浸感。頭部和3-D鼠標(biāo)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(biāo)的使用象2-D鼠標(biāo)那樣，用于與虛擬對象以3-D交互。集成這些I/O工具和SUN工作站的軟件（運行在Solaris2.3操作系統(tǒng)上）是Sense8WorldToolKit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。1．Sun公司的“VirtualHolographic”2．Division公司的Provision100工作站Provision100的并行結(jié)構(gòu)有多個處理器：稱為“Director”（用于碰撞檢測和時間同步的處理器）用于立體視頻顯示的“actors”（視頻處理器）3-D聲音的“actors”（聲音處理器）手跟蹤與手姿識別的“actors”（手套處理器）。允許增加附加的I/O處理器。與主計算機的連接允許基于UNIX的Provision100用于仿真中的高級終端。6.使用兩個圖形板，每個眼一個，直接輸出NTSC/PAL信號。每個圖形板有一個Inteli860處理器和兩個T425transputers。i860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.Provision100VRX模型有一個附加的紋理模塊，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。對256個texel單元（紋理元），24-bit彩色紋理圖存在高速靜態(tài)RAM中。這個RAM可以布局為256×256的4個圖，128×128的16個圖，或者它們的組合（如256×256的1個圖加上128×128的4個圖和64×64的32個圖）。2．Division公司的Provision100工作站4高度并行的虛擬現(xiàn)實機器問題：作為為VR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。1．Division公司的“SuperVision”機器2．SGI公司的IRIS-1400到RealityEngine23．Evans&Sutherland公司的Freedom30004．北卡大學(xué)的PixelPlanes4,5和PixelFlow5．Sun公司的Elite3Dm3和m66．更強大的機器RedMountain和BlueMountain7．其他設(shè)備4高度并行的虛擬現(xiàn)實機器問題：作為為VR系統(tǒng)提供計算的設(shè)備1．Division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(biāo)準(zhǔn)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)。1．Division公司的“SuperVision”機器Pr2．SGI公司的IRIS-1400到RealityEngine2SGI（SiliconGraphicsIncorporated）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進(jìn)的三維圖形，數(shù)字多通道聲頻，以及錄象。SGI系統(tǒng)用作許多VR系統(tǒng)的核心，它完成仿真、可視化、通訊等任務(wù)。關(guān)鍵在于系統(tǒng)支持強大的計算多通道視覺輸出以及連接到傳感器、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2．SGI公司的IRIS-1400到RealityEngin3．Evans&Sutherland公司的Freedom3000Evans&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，用于SunSparc10工作站。它提供大范圍的性能水平：由Freedom1000的每秒50萬多邊形，到Freedom3000的每秒3百萬多邊形。它用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)接口編程，并與當(dāng)前的E&S和Sun工作站軟件兼容。Freedom3000有1280×1024，1536×1280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(dá)2000×2000。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。3．Evans&Sutherland公司的FreedoFreedom3000包括下列技術(shù)：用0.8μCMOS的五個專有的VLSIASIC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)送互聯(lián)用于圖像處理的高速存取幀緩沖區(qū)(達(dá)每秒1億象素)高象素填充率950萬/秒。

Freedom3000包括下列技術(shù)：4．北卡大學(xué)的PixelPlanes4,5和PixelFlow北卡大學(xué)是最早開發(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)研究多于制造機器產(chǎn)品，所以他們的機器總是處于圖形硬件的前沿。PixelFlow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。4．北卡大學(xué)的PixelPlanes4,5和PixelF圖像合成結(jié)構(gòu)的性能與繪制器數(shù)目成線性關(guān)系。一個PixelFlow繪制器掃描達(dá)每秒140萬三角形，幾個繪制器系統(tǒng)可以掃描達(dá)這個速率幾倍。予計128個繪制器的系統(tǒng)可以達(dá)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務(wù)器，或者可以為保持方式繪制維持顯示表。圖像合成結(jié)構(gòu)的性能與繪制器數(shù)目成線性關(guān)系。5．Sun公司的Elite3Dm3和m6Elite3D是Sun公司的高性能圖形系統(tǒng)系列，用于實時交互的3D可視化，繪制和動畫。實際上，這只是視頻卡，不是整個系統(tǒng)。它是與SunUltra10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(biāo)。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。5．Sun公司的Elite3Dm3和m6Elite6．RedMountain和BlueMountain1996年12月16日，Intel公司與USDOE合作發(fā)布了世界上第一臺每秒1萬億次的計算機

(teraflops)。全美國人不停地手算125年，才相當(dāng)于該機器工作1秒鐘。該機器稱為RedMountain

（紅山）。AcceleratedStrategicComputinginitiative(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SandiaNationalLaboratories（桑迪亞國家實驗室）正在安裝5500萬美元的RedMountain機器，新墨西哥州的LosAlamosNationalLaboratory（洛斯阿拉莫斯國家實驗室）和加州的theLawrenceLivermoreNationalLaboratory也使用該機器。該機器仿真核武器的各個方面，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）。RedMountain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(jìn)，疾病演化的仿真，治理環(huán)境等。6．RedMountain和BlueMountain19RedMountain的主要指標(biāo)為：價格$55百萬，占地1000平方英尺，系統(tǒng)RAM:584Gbytes，雙向交叉帶寬51.6Gbytes/sec，PentiumPro處理器9,216，峰值性能1.8TFLOPS。LosAlamosNationalLaboratory不滿足借用RedMountain，就開始建造BlueMountain。該機器有比較RedMountain更強的圖形能力，增加了16臺SGIInfiniteReality機器。BlueMountain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650Gigabits。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100TFLOPS。

7．其他設(shè)備

TAN是高級的沉浸的投影顯示，HP提供Kayak,VisualizeWorkstations，nVisionDatavisorHMD，E&STornado和3DLabsOxygenGMX。

RedMountain的主要指標(biāo)為：小結(jié)VR用計算機的技術(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。

基于PC的虛擬現(xiàn)實機器包括：有ActionMedia圖形加速器的486-PC；有SPEA"Fire"圖形加速器的486-PC；Stride圖形加速器等。

基于工作站的虛擬現(xiàn)實機器包括：Sun的"VirtualHolographicWorkstation"；Division的Provision100工作站。

高度并行的虛擬現(xiàn)實機器包括：Division的"SuperVision"；SGI的RealityEngine2，ONYX2；Evans&Sutherland的Freedom3000；北卡大學(xué)的PixelPlanes4,5和PixelFlow，Sun的Elite3Dm3和m6；以及更強大的機器RedMountain和BlueMountain。小結(jié)VR用計算機的技術(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)實常用的工具軟件系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實工具軟件的功能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)計需要有關(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(jì)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(rèn)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(jìn)新一代軟件開發(fā)者去創(chuàng)造先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品。"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)實應(yīng)用的工具軟件系統(tǒng)應(yīng)該滿足下列要求：工具軟件是為虛擬現(xiàn)實技術(shù)要求設(shè)計的面向?qū)ο蠛瘮?shù)的可擴充的庫一個仿真對象就是一個“類”的部件，并繼承它默認(rèn)的屬性。這大大簡化了復(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。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。所有的工具盒都支持某種形式的網(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(jìn)行合作，以提高效率。這里討論的所有的工具盒都接受CAD3-D文件（DXF等）。這說明通過引入現(xiàn)有的3-D對象數(shù)據(jù)庫，極大地減少了開發(fā)時間。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：2虛擬現(xiàn)實常用的工具軟件系統(tǒng)1．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(jìn)軟件工具，虛擬現(xiàn)實工具盒（toolkits）。這包括

"WorldToolKit--WTK“"VCToolkit--VCT“"CyberspaceDeveloperKit--CDK“"VirtualRealityToolkit--VRT3“"Mercury““VirtualRealityDistributedEnvironmentandConstructionKit(VR-DECK)”2虛擬現(xiàn)實常用的工具軟件系統(tǒng)1．常用的工具軟件

工業(yè)界虛擬現(xiàn)實技術(shù)課件第三章虛擬現(xiàn)實技術(shù)課件第三章2．VRMLVRML是VirtualRealityModelingLanguage的縮寫。VRML是描述三維造型與交互環(huán)境的簡單的文本語言。VRML是在Internet上建立3D多媒體和共享虛擬世界的一個開放標(biāo)準(zhǔn)。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2．VRML（1）VRML的特點(a)是造型語言,可描述3D場景。(b)用戶可進(jìn)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，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。

（1）VRML的特點（2）VRML的概念與實例VR世界中的坐標(biāo)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。VRML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：①節(jié)點(node):構(gòu)成虛擬世界的基本要素，②路由(route)：節(jié)點間傳送信息的途徑。（2）VRML的概念與實例VRML文件都是擴展名WRL的文本文件，或擴展名WRZ（壓縮格式）的二進(jìn)制文件。它一般包括如下四部分：①文件頭：位于首行，提供版本信息。如：#VRMLV2.0utf8。②注釋：以#開始的一段文字。③節(jié)點：場景信息的單位?？梢悦枋鲈煨停瑹艄?，聲音等。如：Cylinder{…}描述一個圓柱體。④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{height2.0radius1.5}中，height（高度）和radius（半徑）是域，2.0和1.5是值。

VRML文件都是擴展名WRL的文本文件，或擴展名WRZ（壓縮（3）VRML的語言結(jié)構(gòu)VRML的基礎(chǔ)是什么？是一個利用HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的全球網(wǎng)以及一個SGI設(shè)計的OpenInventor文件格式。由此，它的特點在于：VRML是標(biāo)準(zhǔn)語言與平臺無關(guān)易擴展基于低帶寬的網(wǎng)絡(luò)連接用戶可在虛擬場景中漫游，還可用超鏈接（hyperlink）到達(dá)新的三維世界。

（3）VRML的語言結(jié)構(gòu)(a)節(jié)點（node）是描述三維場景的圖形對象。一個場景由具有層次結(jié)構(gòu)的多個節(jié)點組成。共有50多個節(jié)點，定義三維場景。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{

fieldSFBoolbottomTRUE

fieldSFFLoatheight2

fieldSFFLoatradius1

fieldSFBoolsideTRUE

fieldSFBooltopTRUE

}

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。

(a)節(jié)點（node）虛擬現(xiàn)實技術(shù)課件第三章(c)傳感器(Sensor)節(jié)點是一類特殊的節(jié)點。包括以下節(jié)點：CylinderSensorPlaneSensorTimeSensorTouchSensorVisibilitySensorProximitySensor(c)傳感器(Sensor)節(jié)點ProximitySensor

ProximitySensor{

exposedFieldSFVec3fcenter0，0，0

exposedFieldSFVee3fsize0，0，0

exposedFieldSFBoolenabledTRUE

eventoutSFBoolisActive

eventouSFVec3fposition-changed

eventoutSFRotationorientation-changed

eventoutSFTimeenterTime

eventoutSFTimeexitTime

}

這時接近傳感器節(jié)點。當(dāng)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(biāo)和三維尺寸。Enabled域的值為TRUE表示允許工作。進(jìn)入退出長方體空間時發(fā)生isActive,enterTime和exitTime事件。這些事件應(yīng)該為對于接近的響應(yīng)行為，進(jìn)入時間和退出時間。也可以利用position-changed和orientation-changed，改變位置和方向。

ProximitySensor

ProximityS(d)描述符（Script）節(jié)點，內(nèi)插器(Interpolator)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（Sound）節(jié)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)。(d)描述符（Script）節(jié)點，內(nèi)插器(Interpola（4）VRML的動畫技術(shù)(a)幀頻可變：電影中24幀/秒，電視（NTSC）中，30幀/秒。VRML中幀頻可變，可最小達(dá)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：TimeSensor傳感器感受時間StartTime域發(fā)任何的SFTimeeventont事件，就啟動動畫。由script產(chǎn)生予期動作。

（4）VRML的動畫技術(shù)（5）VRML的使用與開發(fā)條件VRML的瀏覽環(huán)境：①瀏覽器：IE或NetspaceNavigator(NS)以上版本。②VRML插件：VRML最簡單的開發(fā)環(huán)境：①瀏覽器：IE或NetspaceNavigator(NS)以上版本。②VRML插件：③文本編輯器（記事本或UltraEdit）。安裝瀏覽器方法：（5）VRML的使用與開發(fā)條件虛擬現(xiàn)實技術(shù)課件第三章3．非商業(yè)的虛擬現(xiàn)實工具盒（Toolkits）上面介紹的所有系統(tǒng)都是商業(yè)產(chǎn)品，具有PowerGlove手套和SegaLCD眼鏡（總價格約100美元）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。免費的虛擬現(xiàn)實編程工具。兩個已知的較好的例子是阿爾波塔大學(xué)開發(fā)的“MinimalRealityToolkit”（MR）滑鐵盧大學(xué)開發(fā)的"REND386"（加拿大）。

3．非商業(yè)的虛擬現(xiàn)實工具盒（Toolkits）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構(gòu)成。這包括：交互軟件與人機接口相關(guān)的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世界建模軟件幾何、物理和屬性建模超媒體集成軟件。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VR。各部分軟件相互關(guān)聯(lián)的目標(biāo)是產(chǎn)生詳細(xì)的交互的無縫的VR。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如何解釋詳細(xì)的？交互的？無縫的？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(jìn)入建筑，上樓梯，進(jìn)入房間，與桌上的物體交互，整個過程中沒有延遲和猶豫。為建立無縫的系統(tǒng)，要求在軟件開發(fā)上實質(zhì)的進(jìn)展。

如何解釋詳細(xì)的？交互的？無縫的？交互軟件交互軟件的作用是什么？交互軟件是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？這個軟件的第一部分由控制設(shè)備取得輸入，并解釋它們。可以使用幾個程序庫，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DataGlove和各種跟蹤器。商業(yè)程序庫的例子有Sense8的WorldToolkit。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，由控制設(shè)備進(jìn)入對話（這對系統(tǒng)和應(yīng)用是有意義的），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。交互軟件交互軟件的作用是什么？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)雜化交互是VR系統(tǒng)關(guān)鍵部分，它涉及硬件和軟件。2．虛擬場景漫游軟件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？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）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)虛擬攝象機視點和觀看方向的空間控制，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。2．虛擬場景漫游軟件漫游的作用？是控制VR中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。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。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。

漫游的作用？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式相同。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，有幾種實驗方法控制車輛。最普通的方法是指示飛行技術(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。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。遙操作是明顯的例子，它要求用戶規(guī)定要求的目標(biāo)，再把用戶放在那里。解決方法包括固定了進(jìn)入和退出位置的門，由數(shù)值或標(biāo)記輸入明確規(guī)定目標(biāo)，以及用環(huán)境的小型三維圖指出要求的目標(biāo)?？刂栖囕v的另一個方法是動態(tài)改變比例尺，整個環(huán)境降低比例就使用戶可以達(dá)到要求的目標(biāo)，然后升高用戶指定的目標(biāo)區(qū)的比例。所有方法都有缺點，包括難以控制和定向。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式相同。VR中存在物體的層次，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。另一些物體是用戶總希望達(dá)到的虛擬工具，它們只受到頭部變換的作用。還有些物體（如數(shù)據(jù)顯示）總希望在用戶視場中，而且不受用戶和車輛作用。這些物體分別稱為：世界靜止，車輛靜止，頭靜止。雖然已知道漫游軟件的基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)，但還要作實驗。VR中存在物體的層次，它們在漫游中有不同的行為。3．操作系統(tǒng)為了建立當(dāng)前多數(shù)VR系統(tǒng)，一般使用運行某種UNIX操作系統(tǒng)的商業(yè)工作站(這些工作站最初的設(shè)計不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(可能在通用工作站中用作前端機)，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實時要求的領(lǐng)域（如過程控制和遙機器人）。3．操作系統(tǒng)虛擬環(huán)境要求的操作系統(tǒng)能力包括：通過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)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以及擔(dān)保執(zhí)行時間優(yōu)先的過程雖然沒有專門涉及這些問題，IEEEPosix標(biāo)準(zhǔn)委員會開始把實時能力引進(jìn)開放系統(tǒng)工作站環(huán)境。特別，IEEE標(biāo)準(zhǔn)1003.4(UNIX的實時擴充)，標(biāo)準(zhǔn)1003.4a(UNIX的線索擴充)，和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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IRIX5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(jìn)許多VR應(yīng)用的開發(fā)。虛擬環(huán)境要求的操作系統(tǒng)能力包括：4．虛擬現(xiàn)實編輯器今天的通用程序設(shè)計環(huán)境是基于窗口、菜單和圖標(biāo)（icons）。這些用于大量不同的程序，由文本編輯到畫圖程序或spreadsheet。現(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。"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(rèn)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，對于我們快速改造給定環(huán)境以滿足用戶要求是很基本的。"4．虛擬現(xiàn)實編輯器虛擬現(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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)、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(jìn)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)。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(biāo)準(zhǔn)練習(xí)中5．內(nèi)部常駐建模器虛擬現(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。完整的靈活性的建模工具盒是新的“CyberspaceDeveloperKit--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，它定義事件處理功能（稱為方法）。5．內(nèi)部常駐建模器VRT3工具盒圖形接口用于產(chǎn)生新的虛擬對象。想法是給生手提供一種用戶友好的直觀的接口，把虛擬世界放在單個臺式機器上。IBM開發(fā)了VR-DECK工具盒，它把圖形編程的應(yīng)用擴充到多用戶網(wǎng)絡(luò)仿真。在多用戶分布系統(tǒng)中，開發(fā)者的工作很困難。這個工作是把可得到的計算資源分配給各個仿真任務(wù)，并確保得到異類系統(tǒng)工作。不同計算和通訊能力的機器，設(shè)備定位和結(jié)構(gòu)約束，使過程調(diào)度任務(wù)復(fù)雜化。VRT3工具盒圖形接口用于產(chǎn)生新的虛擬對象。想法是給生手提供

6．事件調(diào)度在每個仿真循環(huán)中，需要實時讀入用戶輸入，使得執(zhí)行時間最少。這些數(shù)據(jù)用于修改虛擬對象的位置、形狀、速度等。來自外部傳感器或程序的附加輸入，用于改變對象的“智能”屬性。得到的場景顯示在用戶的HMD或計算機屏幕。類似的，聽覺、觸覺、力覺等反饋也顯示。實時排列或"調(diào)度"所有這些事件是重要的編程任務(wù)，它是由基本的工具盒函數(shù)處理的。6．事件調(diào)度用Sense8“WorldToolKit”(WTK)說明這個過程。WTK是一組C函數(shù)（WTK版本1.0有230個函數(shù)，1993年的WTK版本2.0有400多個函數(shù)）。這些函數(shù)有記憶語法“class-method()”，以便幫助面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計。WTK把虛擬世界稱為宇宙（可能存在幾個宇宙，由入口相聯(lián)，但在給定時間只顯示一個宇宙）。假設(shè)在這一點，這個宇宙存在，并有各種對象居?。▌討B(tài)的和靜態(tài)的）。為了實現(xiàn)這個，需要相繼調(diào)用universe-new()初始化這個宇宙，再調(diào)用universe-load()裝入被仿真的具體世界。然后由WTK的universe-go()函數(shù)進(jìn)入仿真循環(huán)（無限次重復(fù)），由universe-stop退出。宇宙有用戶定義“行為函數(shù)”，它的調(diào)用是在繪制當(dāng)前的畫面以前。行為函數(shù)由universe-setaction調(diào)用來設(shè)置，它允許仿真的應(yīng)用控制。每個圖形虛擬對象對每個畫面也可以完成一次任務(wù)。任務(wù)是由object-settask規(guī)定，并建模對象屬性。最后，繪制這個宇宙，并通過讀取I/O工具（傳感器）開始新的循環(huán)。用Sense8“WorldToolKit”(WTK)說明這虛擬現(xiàn)實中的軟件系統(tǒng)小結(jié)虛擬現(xiàn)實工具軟件的要求包括：工具軟件(工具盒)是面向?qū)ο蠛瘮?shù)的可擴充的庫；硬件獨立性；支持某種形式的網(wǎng)絡(luò)；接受CAD3-D文件。

虛擬現(xiàn)實工具盒（toolkits）包括："WorldToolKit--WTK"，"VCToolkit--VCT"，"CyberspaceDeveloperKit--CDK"，"VirtualRealityToolkit--VRT3"，"Mercury"，"VirtualRealityDistributedEnvironmentandConstructionKit"。

VRML的特點包括：它是造型語言,可描述3D場景；用戶可進(jìn)入VRML建立的世界，去探索它；VRML建立的世界是交互的，受用戶控制；把2D，3D物體、動畫、多媒體效果混合于一體；平臺無關(guān)，可在PC或SGI上瀏覽；基于Web，可建立三維可視化服務(wù)器；著色不如OpenGL快；沒有底層控制；有限的界面。

虛擬現(xiàn)實工具軟件各模塊的功能如下：交互軟件是接受用戶操作與控制的接口軟件；虛擬場景漫游軟件使用戶能在三維虛擬世界中移動；虛擬環(huán)境要求的操作系統(tǒng)有特殊能力；編輯器產(chǎn)生或編輯虛擬現(xiàn)實環(huán)境，并具有內(nèi)部動態(tài)建模設(shè)備，事件調(diào)度軟件調(diào)度一系列事件。虛擬現(xiàn)實中的軟件系統(tǒng)小結(jié)虛擬現(xiàn)實工具軟件的要求包括：工具3虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)和通訊虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)和通訊硬件虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)和通訊軟件分布式虛擬現(xiàn)實的工具軟件實時分布式仿真3虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)和通訊虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)和通訊硬件1虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)和通訊硬件分布式VR對網(wǎng)絡(luò)和通訊有什么要求？極大的帶寬，支持多用戶、錄象、錄音，三維圖形交換和實時模型。此外要求開發(fā)新技術(shù)，處理在網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的混合。1虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)和通訊硬件分布式VR對網(wǎng)絡(luò)和通訊有什么要求？網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有下列四類：①無服務(wù)器系統(tǒng)（廣播方式和多發(fā)射方式）②集中化系統(tǒng)，③多服務(wù)器系統(tǒng)，④并列的多服務(wù)器系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1無服務(wù)器系統(tǒng)單廣播工作方式：最簡單的情況時，在LAN上的兩臺機器，每臺機器都直接給另一臺機器發(fā)信息。一般情況時，在LAN上的每臺機器都直接給所有其它機器發(fā)信息，這稱為單廣播工作方式。多發(fā)射工作方式：在多發(fā)射工作方式中，為了節(jié)省帶寬，實現(xiàn)中繼線的共享。通過“簽名”到多發(fā)射地址，機器就能接受通道上所有消息。它還允許任意大小的包在一次發(fā)送中傳輸。它應(yīng)該是最好的選擇?？梢允褂么?，由代理簽名到多發(fā)射地址，客戶直接連到代理。無服務(wù)器系統(tǒng)的優(yōu)點為：沒有中心的瓶頸，不會因一點造成失敗，多發(fā)射是有效率的網(wǎng)絡(luò)，多發(fā)射簽名是方便的濾波機制。無服務(wù)器系統(tǒng)的缺點為：難以管理，網(wǎng)絡(luò)消耗是O（機器數(shù)）2，必須檢查所有廣播的包1無服務(wù)器系統(tǒng)2集中化系統(tǒng)集中化系統(tǒng)是單服務(wù)器系統(tǒng)，一臺服務(wù)器分別與各臺客戶機建立通訊路徑。能夠舉例說明？應(yīng)用實例是多人參與的分布式游戲。一般支持8到32個人參加游戲，取決于系統(tǒng)能力和游戲復(fù)雜性。集中化系統(tǒng)的缺點是：中央服務(wù)器是瓶頸，有可靠性問題，有附加的延遲。集中化系統(tǒng)的優(yōu)點是：瓶頸是有用的，所有通訊經(jīng)過已知點，該已知點是自然的選通點。

2集中化系統(tǒng)3多服務(wù)器系統(tǒng)多服務(wù)器系統(tǒng)中有多臺服務(wù)器。每臺服務(wù)器可以與多臺客戶機通訊，每臺客戶機也可以與多臺服務(wù)器通訊。多服務(wù)器系統(tǒng)的優(yōu)點有：可靠性好（多服務(wù)器可以用作冗余），可擴充的（中央服務(wù)器的任務(wù)被分配給多臺服務(wù)器，這可以通過把客戶機分組，或者通過把虛擬世界劃分成區(qū)）。多服務(wù)器系統(tǒng)的缺點有：共享的模型沒有傳播變化，有單一的故障點3多服務(wù)器系統(tǒng)4并列的多服務(wù)器系統(tǒng)并列的多服務(wù)器系統(tǒng)有多臺互連的服務(wù)器，每臺服務(wù)器連到該服務(wù)器獨有的多臺客戶機（即每臺客戶機只連到它叢屬的唯一一臺服務(wù)器）。并列的多服務(wù)器系統(tǒng)的優(yōu)點有：服務(wù)器的層次形成選通的層次，可以基于負(fù)載進(jìn)行動態(tài)的負(fù)載共享，并列的服務(wù)器可以共享唯一的世界模型。并列的多服務(wù)器系統(tǒng)的缺點有：并列的任務(wù)很困難（如何把任務(wù)分配給各個服務(wù)器的組來執(zhí)行），無方向的層次可能增加延遲（在多服務(wù)器之間路由）。

4并列的多服務(wù)器系統(tǒng)VR系統(tǒng)如何選擇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)？為了交互性選擇無服務(wù)器系統(tǒng)為了簡單性選擇集中化系統(tǒng)為了可擴充性選擇無服務(wù)器系統(tǒng)或多服務(wù)器系統(tǒng)為可靠性選擇并列的多服務(wù)器系統(tǒng)。VR系統(tǒng)如何選擇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)？2虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)和通訊軟件

1．世界模型問題通訊軟件把虛擬世界模型的變化傳給網(wǎng)上其它用戶，并允許新用戶進(jìn)入系統(tǒng)。希望網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和用戶情況都能通過通訊軟件來傳送。在構(gòu)造虛擬世界時，特別是希望多個用戶在系統(tǒng)中時，計算等復(fù)雜性很容易超過單臺工作站所能承受的能力。分布式要求這些在轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境時，對于圖形和接口軟件需要擴充到涉及數(shù)據(jù)庫一致性的復(fù)雜系統(tǒng)。工作站間的標(biāo)準(zhǔn)信息協(xié)議需要傳送虛擬現(xiàn)實的變化對小的系統(tǒng)，重要的是確保網(wǎng)上所有用戶有同樣的世界模型和描述。

2虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)和通訊軟件1．世界模型問題在少于500個用戶的系統(tǒng)中，虛擬世界中每個節(jié)點有完全的世界模型。例如，美國國防部的SIMNET系統(tǒng)對有更多用戶的系統(tǒng)(1000到300000個用戶)，不應(yīng)傳播完全的世界模型，而應(yīng)考慮在世界模型中滾動，如飛機仿真器在地面滾動。（對于特定用戶，只保留與他有關(guān)的那部分模型）雖然研究工作很少，但是至少有一個概念，稱“MirrorWorlds”。它提供信息組概念(如分布式黑板)、組操作、信息的發(fā)布、讀和消耗。這個概念里允許通過大的分布系統(tǒng)傳送各類信息的靈活性，這是建立大型虛擬世界必要的靈活性。但是有效的實時實現(xiàn)它還有問題。分布交互仿真(DIS)是國防部仿真的最新通訊標(biāo)準(zhǔn)。在用戶希望交互的情況，它的延遲時間少于100ms。這是為減小人的滯后感，以免引起人眩暈。在少于500個用戶的系統(tǒng)中，虛擬世界中每個節(jié)點有完全的世界模2．軟件質(zhì)量的有關(guān)問題。（1）軟件質(zhì)量軟件質(zhì)量包括：可靠性，可用性，以及可維護(hù)性。用戶對軟件的要求取決于應(yīng)用的目的。游戲必須是有趣的，仿真必須是正確的，訓(xùn)練器必須是實時的，建模器必須是交互的。（2）開發(fā)高質(zhì)量軟件的過程需求分析和定義，系統(tǒng)設(shè)計，程序設(shè)計，程序?qū)崿F(xiàn)，單元測試，集成測試，系統(tǒng)測試，系統(tǒng)遞交，維護(hù)。2．軟件質(zhì)量的有關(guān)問題。虛擬現(xiàn)實技術(shù)課件第三章（3）軟件工具開發(fā)好的軟件需要時間和經(jīng)驗。因此，已經(jīng)開發(fā)出了很多工具軟件，幫助軟件開發(fā)者工作。好的工具軟件應(yīng)該是：代碼重用，具有專門經(jīng)驗，模塊化，快速建模，快速投入市場。工具軟件的分類有：①服務(wù)型（庫）：通用的機制，特殊的過程，②構(gòu)架型：服務(wù)型+程序結(jié)構(gòu)的增強，③系統(tǒng)型：框架型+main()。（4）現(xiàn)有軟件的不足研究的項目還不夠大（難以注意到一些例外），問題空間太復(fù)雜（多學(xué)科交叉），虛擬環(huán)境技術(shù)不成熟。（5）分布式虛擬環(huán)境軟件的應(yīng)用要求①對虛擬環(huán)境軟件的特殊要求：利用實例劇情，來建立環(huán)境。例如賽車一樣逼真。②對分布式虛擬環(huán)境軟件的特殊要求：同①。③對虛擬環(huán)境軟件的共性要求：穩(wěn)定性，容錯能力，可恢復(fù)，可理解，可學(xué)習(xí)，可分析，可構(gòu)造，時間和資源屬性，可操作，精度，可測試，安全。④對分布式虛擬環(huán)境軟件的共性要求：除了③外還有：互操作性，一致性/交互性，可構(gòu)成，可協(xié)作。（3）軟件工具3分布式虛擬現(xiàn)實的工具軟件

下面介紹6種分布式虛擬現(xiàn)實的工具軟件

1．DIVE

2．MASSIVE

3．Bamboo

4．DoDHighLevelArchitecture(HLA)

5．NetworkedVirtualEnvironments

6．OpenCommunityandSchmoozer

3分布式虛擬現(xiàn)實的工具軟件下面介紹6種分布式虛擬現(xiàn)實1．DIVEDIVE是由SwedishInstituteofComputerScience(SICS)開發(fā)的。1991年發(fā)布版本1，現(xiàn)在的版本是3.2。運行在SGIIRIX,PCNT4,PCLinux/Mesa,SunSolaris,HPHPUX。為了研究，可以得到免費的版本（3.1.0版本的源代碼）。DIVE的核心系統(tǒng)是用C寫的，綜合的多層的API支持客戶的使用。可擴展的客戶應(yīng)用（diva）提供一般的繪制器，并調(diào)用一個特殊的TCL機制（script）實現(xiàn)實際的接口和菜單。在世界數(shù)據(jù)庫中的TCL機制是TCL命令和工具的集合。標(biāo)準(zhǔn)的用戶客戶機有下列特性：圖形實現(xiàn)的范圍，漫游運載器的范圍，對象選擇移動和編輯工具，改變世界的入口，網(wǎng)絡(luò)音頻會議，網(wǎng)絡(luò)視頻支持。1．DIVEDIVE的世界是層次的分布式數(shù)據(jù)庫包括幾何、紋理和TCL機制。DIVE的Agent是過程，它可以聯(lián)合多個World。所有的Agent是平等的。World是完全復(fù)制的，狀態(tài)轉(zhuǎn)移是由任何成員通過TCP進(jìn)行，修改、音頻和視頻是通過IP多發(fā)射。DIVE的一致性問題：成員聯(lián)合及狀態(tài)轉(zhuǎn)移式自動操作（由ISIS工具盒產(chǎn)生），對修改有可靠的多發(fā)射，對每個實體用單個序列，在使用序列轉(zhuǎn)移時要報告。DIVE的注意管理問題：支持多個并存的世界，支持用戶定義的注意管理，支持主觀的觀點。DIVE的優(yōu)點是：免費用于研究，多發(fā)射的分布式，性能良好，靈活的TCL機制和定制的應(yīng)用，支持世界再劃分和主觀性，支持音頻和視頻。DIVE的缺點是：假設(shè)網(wǎng)絡(luò)有低損耗和合理的高帶寬（小延遲），不能確保一致性（特別是因為網(wǎng)絡(luò)的延遲），文本很混亂。DIVE的世界是層次的分布式數(shù)據(jù)庫DIVE的結(jié)構(gòu)示意圖DIVE的結(jié)構(gòu)示意圖虛擬現(xiàn)實技術(shù)課件第三章2．MASSIVEMASSIVE是由theUniversityofNottingham開發(fā)的，可免費用于研究。工作在SGI和PC。MASSIVE的優(yōu)點是：綜合實現(xiàn)了空間交互模型，意識驅(qū)動的通訊和呈現(xiàn)，第三方的注意管理，包括音頻和某些視頻，服務(wù)器和多發(fā)射用于修改及媒體，可擴充的面向?qū)ο蟮膶崿F(xiàn)，建立在通用的分布式對象模型上。MASSIVE的缺點是：很有限的文本，一致性的操作控制有限，遠(yuǎn)程操作時對延遲敏感，負(fù)擔(dān)較重，性能有限，世界復(fù)雜，不是基于script的工具，全部用C/C++編程。

2．MASSIVE3．BambooBamboo的開發(fā)動機是同時被幾億人共享的一個永存的虛擬環(huán)境什么叫永存？永遠(yuǎn)不會有全局的再啟動(globalreboot)。所有修改都是在運行中進(jìn)行。Bamboo的要求有：①可擴充性：在性能中已經(jīng)給定了②輕便型：速度、可靠、價格的折衷，涉及系統(tǒng)調(diào)用、圖形、網(wǎng)絡(luò)、GUI等；③支持多種語言：每種語言都有優(yōu)點和缺點；④性能：最小30Hz-50Hz，求解有效⑤價格：開發(fā)環(huán)境達(dá)平均水平，運行環(huán)境免費。Bamboo的設(shè)計，要求整個系統(tǒng)動態(tài)可擴充。核心僅實現(xiàn)裝入和卸出各模塊所需的邏輯。所有應(yīng)用都是通過很多模塊的合作完成的。Bamboo建立在C/C++上，保留了最底層的速度，所有語言都可以嵌入。3．BambooBamboo工作原理Bamboo工作原理模塊內(nèi)部有三種情況：Dataonly,Plugin(s)+Data,Plugin(s)only。其中的Data是幾何、紋理和聲音，Plugin是屬性。存在兩種Plugin：由同一種語言開發(fā)的Plugin（Homogeneous），由多種語言開發(fā)的Plugin（Heterogeneous）。存在兩種模塊：平臺無關(guān)的模塊（所有Plugin用平臺無關(guān)的語言開發(fā)，如Java、Perl、Pethon、Tcl或提供源代碼的C/C++），平臺專用的模塊（至少一個Plugin不是用平臺無關(guān)的語言開發(fā)，如ASM、C、C++、Fortran、Pascal，并且不提供源代碼）。

模塊內(nèi)部有三種情況：虛擬現(xiàn)實技術(shù)課件第三章FedExec（TheFederationExecutive）是聯(lián)盟執(zhí)行者。每次執(zhí)行聯(lián)盟時它有一個運行過程，它還管理多個聯(lián)盟的合作，它進(jìn)行聯(lián)盟間的數(shù)據(jù)交換，它是用戶操作的接口。RtiExec（TheRTIExecutive）是RTI執(zhí)行者。它管理多個聯(lián)盟執(zhí)行者的產(chǎn)生和消除，確保每個FedExec有唯一的名稱，在一個平臺上執(zhí)行全過程，收聽已知的入口，用戶操作的接口。LibRTI（TheRTILibrary）是RTI庫。它為聯(lián)盟提供HLA服務(wù)方法，它有與RtiExec,FedExec通訊的方法，它用C++編程，接口用C++,Java,CORBAIDL,Ada。HelloWorld代碼的任務(wù)：產(chǎn)生和消除聯(lián)盟，聯(lián)盟的聯(lián)合及放棄，發(fā)布數(shù)據(jù)，發(fā)收數(shù)據(jù)到其他聯(lián)盟。FedExec（TheFederationExecuti虛擬現(xiàn)實技術(shù)課件第三章

5．NetworkedVirtualEnvironments軟件自身的Internet（設(shè)計和要求，動態(tài)適應(yīng)性），游戲（要求及途徑），以及程序設(shè)計語言（限制及選擇）。Internet的布局包括：帶寬由kbps到gbps，延遲由毫秒到秒，防火墻和安全防線，可變的協(xié)議能力（如多發(fā)射），很多用戶及應(yīng)用。互作用的宇宙包括：帶寬管理（混合的peer服務(wù)器通訊結(jié)構(gòu)，用于最有效的數(shù)據(jù)流動），異構(gòu)的連接（基于能力的通訊），支持一般應(yīng)用（成組管理，嵌入式結(jié)構(gòu)），對于Web（完全用Java寫的高性能服務(wù)器），其他特性（可靠的事件，服務(wù)器轉(zhuǎn)移，遠(yuǎn)程監(jiān)控等）。2有2方面動態(tài)適應(yīng)性。一方面是混合的動態(tài)適應(yīng)性?？蛻舭l(fā)數(shù)據(jù)直接給目的地的子集，服務(wù)器傳送給其余的peer，通過估計帶寬來確定速率。另一方面是協(xié)議發(fā)現(xiàn)。它的目標(biāo)