（载运工具运用工程专业论文）基于智能化身的移动虚拟现实技术及其应灾导航应用研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：虚拟现实( v m u a lr e a l i t y ，简称v r ) 及其衍生技术是基于计算机和有线网 络的，它们正在极大地改变着人类的生活和工作方式，代表了下一代计算机交互 界面的发展方向。目前，两种技术的进步正促使v r 及其衍生技术向一个新的方向 移动虚拟现实( m o b i l ex r m u a lr e a l i t y ，简称m v r ) 发展：其一是移动设备( 譬 如：智能手机、p d a 等) 的计算能力发展迅猛，已经能够胜任个人移动数据处理 终端的角色；其二是无线网络通讯技术( 譬如3 0 ，w i f i 等) 也获得了飞速发展， 其带宽得到了很大提高。本文以此为背景，为m v r 注入智能化身( i n t e l l i g e n t a v a t a r ，简称i a ) 的理念，提出了基于队的m v r ( i a - b a s e dm v r ，简称i a m v r ) 技术，并对其展开深入研究。此外，本文还以突发事件发生时错误的逃生路径是 造成不必要人员伤亡的主要原因之一为背景，针对性地提出了一种基于i a m v r 技术的应灾导航解决方案。本文的研究内容主要集中在两个方面，即：i a m v r 技术研究和基于i a - m v r 的应灾导航应用研究，而对i a - m v r 的研究又分为 i a m v r 总体设计、面向移动设备的移动虚拟现实引擎( m v re n g i n e ，简称m v r e ) 之关键技术研究以及第三人称渲染模式第一人称渲染模式( t h i r d p e r s o n r e n d e r i n g m o d e f i r s tp e r s o nr e n d e r i n gm o d e ，简称t p r m f p r m ) 的实现和对应模式下的认 渲染。本文在对上述内容的研究中，主要涉及如下的关键技术和方法： 在对i a - m v r 技术的研究中，本文对其进行了总体设计，包括：第一，阐明了 i a m v r 技术的概念、特征以及要素。第二，提出了面向m v r 的i a 模型。 该模型通过角色赋予n 所能实现的功能和所需完成的任务，而角色由任务定 义、由任务的解决方案控制。此外，这个模型还具有一个感知器件和一个通讯 器件，用于n 对外部环境的感知和反馈。第三，设计了i a - m v r 的总体架构。 该架构可以利用无线网络通讯实现i a - m v r 需求的分布式或远程服务功能。 在对i a m v r 的可视化模块m v r e 的研究中，本文搭建了一种面向移动设备 的m v r e 架构，并提出了一种基于设备感知的异构体系数据处理方案，以便 实现一套基础数据，适应多异构机的目的：针对室外场景，本文采用了基于兴 趣道路的街区组员数据调度模式来进行场景图组构，并提出了一种基于) 。儿 语法的路网描述语言( r o a dn e t w o r kd e s c r i b e dl a n g u a g e ，简称r n d l ) 描述 路网；最后引用背光灯衰减节电思想，提出了一种适用于i a - m v r 系统的、基 于电量感知的节电解决方案以提高设备的续航能力。 在对t p r m f p r m 及对应的队渲染的研究中，本文提出一种称为过渲染的方 法来实现t p r m ，这种方式以纹理实现场景的t p r m 图，并通过过渲染方式 北京交通大学博士学位论文 加速，取得了较高的帧速率；针对过渲染方法无法表现i a 的位姿，本文引用 o p e n v o 实现i a 的二维矢量图( v e c t o rg r a p h i c s ，简称v g ) 绘制，很好地弥 补了这一缺陷；f p r m 下，针对目前移动设备渲染m 的几何模型吃力的现象， 本文尝试性地采用了基于i m p o s t o r 技术、结合分布式渲染实现了从的绘制， 取得较好效果。 在对基于i a m v r 的应灾导航的研究中，本文提出利用i a 作为导航指示的模 式，该模式真实感强、辨识度高；对于路径规划，提出了基于多级路障信息片 的动态最优路径规划算法，用以实现导航功能；对于队的感知器件，实现7 距离感知和速度感知功能，使得应灾导航更人性化；最后，对路径投放采用了 嗅点集优化方法，以减小对无线网络带宽的占用。 本文的研究不仅构建了一个较为通用的i a - m v r 系统，而且将它应用到了突 发事件的应灾导航中，既验证了i a - m v r 的可行性，又体现了i a m v r 的实用性。 本文的意义不仅局限于此，其中应灾导航方法对于通常的智能社区导航、旅游等 都具有一定的借鉴意义。此外，i a m v r 系统的潜在应用领域有：移动虚拟医院、 移动虚拟教室以及其他以m v r 为交互界面的应用。 关键词：移动设备；虚拟现实；智能化身；引擎：突发事件；导航 分类号：t p 3 9 1 9 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：v m n a lr e a l i t y r ) a n di t s d e r i v a t i v e 忙c h n o l o g i e s a r eb a s e do n c o m p u t e rw i t hn d r ka n dt h e ya r ei n f l u e n c i n gh u g e l yh u m a n k i n dt oc h a n g et h e i r w o r k i n ga n dl i f es t y l e s t h e yh a v ea l s ob e c o m et h en e x tg e n e r a t i o nh u m a n - c o m p u t e r i n t e r f a c e a tp r e s e n t , t w ok i n d so ft e c l l i l o l o g ya d v a n c e m e n ta r eu r g i n gv ra n di t s d e r i v a t i v ep r o d u c t i o n st od e v e l o pt oan e wd i r e c t i o nt h a ti sk n o w na sm o b i l ev i r t u a l r e a l i t y ( m v r ) o n ek i n do fa d v a n c e m e n ti st h a tt h ec o m p u t a t i o np o w e ro fm o b i l e d e v i c e s ，s u c h 髂s m a r t p h o n ea n dp d a ，h a sb e e ne n h a n c e da n dc a nt a k et h et a s ko f p e r s o n a lm o b i l ed a t at e r m i n a l n l eo t h e rk i n do fa d v a n c e m e n ti st h a tt h eb r m d w i d t ho f w i r e l e s sn e t w o r k ，s u c h 鼬3 ga n dw i - f i ，h a sb e e nw i d e n e d u n d e rt h i ss t a t u s ，t h i s d i s s e r t a t i o nc o m b i n e si d e ao fi n t e l l i g e n ta v a t a r ( n ) i n t om v p , w h i c hi sn a m e d 鹊 t e c h n o l o g yo fi a - b a s e dm v r ( i a - m v r ) ，a n db e g i n st ob ee n g a g e do nt h er e s e a r c h m o r c o v w r o n ge s c a p ep a t hi so n eo f r e a s o n st h a tb r i n ga b o u tu n n e c e s s a r yc a s u a l t yi n e m e r g e n te v e n t s ( e e s ) ，u n d e rt h eb a c k w o o do fw h i c ht h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sa n o v e ls o l u t i o nt od i s p o s eo fe e sb a s e do ni a m v r t w oa s p e c t s ，i e ，s t u d yo n i a - m v rt e c h n o l o g ym a dc a l a m i t y - d e a l i n gn a v i g a t i o nu s i n gi a m v 融a r ea l l 敝u s s e d i nd e t a i l s a sf o rt h er e s e a r c ho fi a - m v rt e c h n o l o g y , t h r e ea s p e c t sa r et a c k l e d ，i e ， i n t e g r a t e dd e s i g no f l a - m v r , s t u d yo nk e yt e c h n o l o g yo f m v re n g i n e ( m v r e ) f a c i n g t om o b i l ed e v i c e sa n dh o wt or e a l i z et h i r dp e r s o nr e n d e r i n gm o d e f i r s tp e r s o n r e n d e r i n gm o d e ( t p r m f p r j v 0a n dr e n d e r i n go fi a d u r i n gt h ec o m p l e t er e s e a r c h p r o c e s s ，t h ef o l l o w i n gk e yc o n t e n t sa r cs t u d i e d , o nt h es t u d yo fi a - m v r , f i r s t l y , t h i st h e s i se l u c i d a t e s t h e c o n c e p t ，b a s i c c h a r a c t e r i s t i ca n de l e m e n to fi a - m v l ls e c o n d l y , i am o d e lf a c i n gt on ri s p r e s e n t e d ，i nw h i c hi ac a ng a i nf u n c t i o na n do b l i g a t i o nu s i n gr o l e t h er o l ec a l lb e d e f i n e db yt a s ka n db ee o n t r o l l e db yt h es o l u t i o no f t h et a s k m o r e o v e r , t h i sm o d e l h a sa l s oa l la w a r e n e s sp a r ta n dac o m m u n i c a t i o np a r t , b yw h i c hi ac a l lp e r c e i v ea n d f e e db a c kt ot h ee n v i r o n m e n t t h i r d l y , t h i st h e s i sd e s i g n sac o m p l e t ea r c h i t e c t u r eo f i a m v r u s i n gt h ea r c h i t e c t u r e i a m v rc a nr e a l i z ed i s t r i b u t e df u n c t i o na n d r e m o t es e r v i c e s o nt h es t u d yo fm 眦f i r s t l y , t h i st h e s i sc o n s t r u c t sak i n do fm v r ea r c h i t o c t u r e f a c i n gt om o b i l ed e v i c e s s e c o n d l y , i ti n l r o d u c e sad a t ap r o c e s s i n gp r o j e c tb a s e do n d e v i c e - a w a r e n e s si nh e t e r o g e n e o u ss y s t e m ，w h i c ha i m sa tr e a l i z i n gt h a tm a n y 北京交通大学博士学位论文 d e v i c e sc a r lb e s u p p o s e db yas e to fb a s i cd a t a t h i r d l y , ab l o c k - m e m b e rd a t a t r a n s f e rm o d eb a s e do ni n t e r e s tr o a di sa d o p t e dt oc o n s t r u c t3 ds c e n eg r a p h , a n da r o a dn e t w o r kd e s c r i p t i o nl a n g u a g e0 u 岫l ) u s i n gx m l s y n t a xi sa p p l i e dt o d e s c r i b er o a d n e t w o r k f i n a l l y , r e f e r r i n g t o e n e r g y - s a v i n gt h i n k i n gb y b a c k l i g h t - d i m m i n g ，ak i n d o fe n e r g y - s a v i n gs o l u t i o nt h a ti s c o m p a t i b l ew i t h i a - m v ri sa d o p t e dt oe x t e n dt h eb a k e r yl i f tb a s e do ne n e r g y - a w a r e n e s s o nt h es t u d yo f t p r m f p r ma n dc o r r e s p o n d i n gr e n d e r i n go f i a ，am e t h o dn a m e d o v e r - r e n d e r i n g ( 0 一r e n d e r i n g ) i sa p p l i e dt o r e a l i z et p r mo fs c e n e ，i nw h i c h t p r m m a p i sr e n d e r e du s i n gt e x t u r em o d e ，s ob e t t e re f f i c i e n c yh a sb e e ng a i n e d b e c a u s eo - r e n d e r i n gc a n n o td i s t i n c t l ys h o wt h ep o s i t i o na n da t t i t u d eo fn i nt h i s t h e s i s , t h e r e f o r e , t h ef l a wi sr e m e d i e dt h o u g h2 dv e c t o rg r a p h i c s g ) d r a w nb y o p e n v ol i b i no r d e rt or e n d e ri am o d e lu n d e rf p r m c o m b i n i n gi m p o s t o r t e c h n o l o g y , t h i st h e s i sa d o p t sd i s t r i b u t e dr e n d e r i n gt e c h n o l o g yt or e a l i z et h ea i m o nt h es t u d yo fc a l a m i t y - d e a l i n gn a v i g a t i o nu s i n gi a - m v rak i n do fm o d e ，i n w h i c hi ai su s e da st h ei n d i c a t i o no fw a l k i n g , i sp r e s e n t e d t h em o d ei sb e t t e r i m m e r s e d t ot a c k l eap a t h - p l a n n i n gp r o b l e m ，ad y n a m i cw a y - f i n d i n gs o l u t i o n b a s e do no b s t a c l ei n f o r m a t i o ns l i c e si su s e dt or e a l i z en a v i g a t i o nf u n c t i o n f u r t h e r m o r e ，a w a r e n e s sf u n c t i o n , i e ，d i s t a n c ea w a r e n e s sa n ds p e e da w a r e n e s s ，i s i n j e c t e di n t oi as o 髂t oe n h a n c ei t sh u m a nc h a r a c t e r i s t i c f i n a l l y , a b o u tt h es e n d i n g p r o b l e mo f p a t hd a t a , t h et h e s i so p t i m i z e st h ep a t hd a t aa sas e to fs m e l lp o i n t ( s s p ) f o rr e d u c i n gt h eo c c u p a t i o no f w i r e l e s sb a n d w i d t h t h i sd i s s e r t a t i o nc r e a t e sau n i v e r s a li a m v rs y s t e ma n du s e si ti n t oc a l a m i t y - d e a l i n g n a v i g a t i o n s o ，t h ef e a s i b i l i t yo fi a m v rt e c h n o l o g yi sv a l i d a t e da n dp r a c t i c a b i l i t yo f i a m v rt e c h n o l o g yi si n c a r n a t e d t h es i g n i f i c a n c eo ft h i st h e s i si sn o to n l yl i m i t e dt o t h el e v e l a n dt h em e t h o df o rc a l a m i t e d e a l i n gn a v i g a t i o ni ss i m i l a r l ys i g n i f i c a n tt 0 i n t e l l i g e n tc o m m u n i t yn a v i g a t i o na n dt o u r f u r t h e r m o r e ，t h ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o n d o m a i n so fi a - m v rt e c h n o l o g yi n c l u d em o b i l ev i r t u a lh o s p i t a l ，m o b i l e v i r t n a l c l a s s r o o m o t h e rm v r - b a s e da p p l i c a t i o n s , a n ds oo n k e y w o r d s ：m o b i l ed e v i c e s ；v i r t u a lr e a l i t y ；i n t e l l i g e n ta v a t a r ；e n g i n e ；e m e r g e n t e v e n t s ；n a v i g a t i o n c l a s s n o ：t p 3 9 1 9 图表索g 图表索引 图索引： 图1 - 1v r 及衍生技术的发展3 图1 - 2m v r 与v r 之对比9 图1 3 本文的研究思路 图1 4 章节架构图 1 l 1 q i 图2 1 真实感不同的v r 系统1 6 图2 2 队m v r 的组成2 4 图2 3 面向m v r 的i a 模型2 7 图2 - 4 i a 的感知模型 图2 - 5i a m v r 的架构 图3 1m 3 g 应用的位置3 2 图3 - 2o p e n g le s1 1 的改进3 3 图3 3o p c n g l 与o p c n o le s 的发展3 4 图3 4m v r e 与移动设备的关系3 9 图3 5m v r e 的架构图4 0 图3 - 6 渲染器4 1 图3 7 路网u m l 图4 9 图3 8 基于r n d l 语言的路网文件5 0 图3 - 9 场景组织结构图 图3 1 0 路与街区的拓扑关系 图3 1 l 定点数的按位表示5 4 图3 1 2v f c 与兴趣道路。 图3 1 3 视景体。 图3 1 4v f c 裁减流程图。5 8 图3 1 5b i l l b o a r d 示意图 图3 1 6b i l l b o a r d 簇示意图5 9 图3 1 7 绘制三角形单元个数对比图6 0 图3 1 8 绘制帧速率对比图6 1 北京交通大学博士学位论文 图3 1 9 场景效果图6 l 图3 - 2 0 应用需求与电池续航能力曲线6 2 图3 - 2 1 显示原理图6 4 图3 - 2 2 图像的r g b 分量组合图6 4 图3 2 3 虚拟场景的纹理构成。6 6 图3 2 4 背光灯衰减前后对比6 8 图4 1t p r m 原理示意7 2 图4 2t p r m 纹理的过渲染方法7 3 图4 3 冗余域7 5 图4 4t p r m 实验结果7 6 图4 - 5o p e n v g 与传统a p i 的比较 图4 - 6e g l 的衔接角色 图4 7 t p r m 下的认渲染 图4 _ 8 系统概念性架构 图4 - 9i a 分解图 图4 1 0 纹理的简单压缩 7 9 7 9 8 0 8 1 图4 1 1 预先采集纹理8 3 图4 1 2 包数据分配8 4 图4 1 3 数据申请触发因素示意图8 5 图4 1 4 队渲染流程图 图4 1 5 效果图8 6 图4 1 6 数据收发周期耗时。8 7 图5 1 突发事件的发展阶段划分9 2 图5 2 基于a i a 的导航架构 图5 3 基于c i a 的导航架构 图5 - 4 比对式定位9 7 图5 5 基于摄像头的交互9 8 图5 - 6a + 算法伪代码1 0 3 图5 7 二维碰撞图1 0 5 图5 8 信息片示意图1 0 6 图5 - 9 低级别信息片1 0 7 图5 1 0 高级别信息片1 0 7 图表索； 图5 1 l 当前规划信息片的更新1 0 8 图5 1 2 沿径距离 图5 1 3 距离近似函数图i l l 图5 - 1 4 路径投放 图5 - 1 5 基于i a m v r 的导航1 1 3 表索引： 表1 - 1 广域网无线通讯 表1 2 移动设备的参数7 表1 3n o k i a6 6 3 0 的参数1 3 表3 1v r 引擎的特性3 6 表3 - 2m v r e 的功能需求 表3 - 3 定点表示实例5 4 表3 4 背光灯衰减测试结果 表5 - 1 突发事件的分类9 1 英文缩略词索引表 英文缩略词索引表 英文缩写英文全称中文 3 gt h i r dg e n e r a t i o n第三代移动通讯技术 a a b b sa x i sa l i g n e db o u n d i n gb o x e s轴对齐包围盒 a c ma s s o c i a t i o nf o rc o m p u t i n gm a c h i n e r y美国计算机学会 a i aa u t o n o m o u si n t e l l i g e n ta v a t a r 自主智能化身 b c s b o u n d i n gc o n e s 包围圆锥 b f s b r e a d t h - f i r s ts e a r c ha l g o f i t h r n广度优先算法 b s s b o u n d i n gs p h e r e s 包围球 b v b o u n d i n gv o l u m e 包围体 c i ac o n t r o l l e di n t e l l i g e n ta v a t a r 受控智能化身 c p uc e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t 中央处理器 c s c w c o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ew o r k计算机协同工作 c v ec o l l a b o r a t i v ev 油m le n v i r o n m e n t s协同虚拟环境 d a i d i s t r i b u t e d a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e分布式人工智能 d f s d e p t h - f i r s ts e a r c ha l g o r i t h m 深度优先算法 d ed i s t r i b u t e di n t e r a c t i o nv i r t u a le n v k o n m e m分布式虚拟环境系统 d v f s d y n a m i cv o l t a g ea n df r e q u e n c ys c a l i n g 动态电压频率缩放 e d g ee n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg l o b a le v o l u t i o n全球增强型数据提升率 e g l e m b e d d e dg r a p h i cl i b r a r y嵌入式图形库 f p m n f i r s tp e r s o nm o d en a v i g a t i o n第一人称模式导航 f p i 洲 f i r s tp e r s o nr e n d e r i n gm o d e第一人称渲染模式 g i s g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 地理信息系统 g o s g r o u po f s c e n e s场景组 g p r sg e n e r a lp a c k e rr a d i os e r v i c e通用无线分组业务 g p sg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m全球定位系统 g p u g r a p h i cp r o c e s s i n gu n i t 图形处理单元 g s mg l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n全球移动通讯 h s c s d h i g hs p e e dc i r c u i ts w i t c h e dd a t a高速电路交换数据服务 i a i n t e l l i g e n ta v a t a r 智能化身 北京交通大学博士学位论文 i a m ：v r i a - b a s e dm v r 基于队的移动虚拟现实 i b r i m a g e - b a s e dr e n d e r i n g 基于图像的绘制技术 l b sl o c a t i o n b a s e ds e r v i c e s 基于位置的服务 l c d l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 液晶显示屏 l o a l e v e l so f a c t i o n 动作层次 l o d l e v e l so f d e t a i l层次细节 m a rm o b i l ea u g m e n t a t i o nr e a l i t y 移动增强现实 m i d p m o b i l ei n f o r m a t i o nd e v i c ep r o f i l e 移动信息设备描述 m i p s m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d 每秒百万条指令 m v r m o b i l ev i r t u a lr e a l i t y移动虚拟现实 m v r e m o b i l ev i r t u a lr e a l i t ye n g i n e 移动虚拟现实引擎 n p r n o n p h o t o r e a l i s f i cr e n d e r i n g 非照片级渲染技术 0 b b so r i e n t e db o u n d i n gb o x e s 正向包围盒 p b u 虢r sp i x e ib n 疏r s 像素缓存 p cp e r s o n a lc o m p u t e r 个人计算机 p d a p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t 个人数据助理 r n d lr o a dn e t w o r kd e s c r i b e dl a n g u a g e 路网描述语言 s v gs c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c s 可扩展矢量图 t ct e x t u r ec o m p r e s s i o n 纹理压缩 t p m nt h i r dp e r s o nm o d en a v i g a t i o n 第三人称模式导航 t p r mt h i r dp e r s o nr e n d e r i n gm o d e 第三人称渲染模式 u iu s e ti n t e r f a c e 用户交互界面 v ev i r t u a le n v i r o n m e n t 虚拟环境 v f c v i e wf r u s t u mc u l l e r 视景体 v gv e c t o rg r a p h i c s 矢量图 v g ev i r t u a lg e o g r a p h i ce n v i r o n m e n t s 虚拟地理环境 v rv i r t u a lr e a l i t y 虚拟现实 v r m lv i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e 虚拟现实建模语言 x m l e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e可扩展标记语言 致谢 子在川上日：“逝者如斯夫，不舍昼夜”。 光阴荏苒，转眼间我已经度过了近四年的博士生生活，回想几年的历程，内心 不免唏嘘不已，也曾彷徨过、也曾坚定过；也曾困惑过、也曾顿悟过；也曾迷茫 过，也曾坚信过。然而，历尽艰辛最终能让我顽强地走下来的原因，离不开我的 导师、妻子、家人以及朋友的关怀! 论文搁笔之际，对他们送上我最诚挚的谢意! 本论文的工作是在我的导师朱衡君先生的悉心指导下完成的。四年来，先生严 谨的治学态度、高尚的人格魅力、谦虚的处世方式帮助了我、感染了我、感动了 我! 先生对我选定的课题给予了极大的恩惠和大力的支持，而且在课题研究期间 为我提供了非常充足的研究时间和给予了我非常宽松的研究环境，同时还为我创 造了宝贵的学术交流机会。生活中，拥有宽厚性格的先生容忍了我的很多不周的 为人处事，能够体谅我、理解我的各种难处，等等如此，均使我感恩不尽! 本文 更是让先生倾注了无数心血，在论文的选题、研究和写作过程中都时刻得到先生 的精心指导。在此，再次衷心感谢先生四年来对我无微不至的关心和谆谆教诲! 四年的学习生活中，我还多处得到了齐红元老师的倾心栽培。齐老师可谓我的 良师益友，我的很多进步都得益于齐老师的指点，在此对他表示诚挚的谢意。 衷心感谢中科院遥感所虚拟地理环境实验室龚建华研究员的悉心指导，龚老师 渊博的学识使我开拓了视野、拓宽了思路，他无私的言传身教将使我终身受益! 感谢实验室邱成老师、肖燕彩老师的鼓励! 感谢同舍的刘文博士与我的互勉! 感谢我的好友戈新良博士、刘克格博士对本人科研情况的关心和在我困惑时期对 我的激励! 感谢我敬爱的岳父、岳母对我学习、生活的关怀，每每收到来自他们的浓浓的 关心和爱护，均使我暖意丛生、感激涕零! 感谢我敬爱的父母，他们对我的爱护是伟大而厚重的，甚至是我用一生都无法 承载和偿还得了的! 感谢我敬重的哥嫂全家，他们对父母无微不至地照顾解决了 我的后顾之忧，是我的论文得以顺利进行的保障! 夜深了，看着熟睡的妻子，不禁潸然泪下! 四年来是她宽容了我的急躁、照料 了我的生活、激励了我的奋进，是我困境中坚实的依靠! 所有所有，是我无法用 语言来表达的! 唯希望日后用我不懈的努力带给她最幸福的生活! 马骏 2 0 0 7 年2 月于北京翠微中里租居中 1 i背景及意义 1绪论 1 1 1虚拟现实及衍生技术的发展 虚拟现实( v k m l a lr e a l i t y 。简称v r ) 技术的发展是惊人的，其在各领域的成 功应用体现了该技术已经具有了一定的成熟性。上个世纪几项典型的发明可以看 作v r 技术的发展缩影：1 9 6 5 年，i v a ns u t h c r l a n d 设计了一种头盔式计算机图形显 示器；1 9 6 7 年，在f r e d e r i c kb r o o k s 指导下，北卡罗来纳大学探讨了力反馈；1 9 7 2 年，n o l a nb u s h n e l l 开发了一种交互式的电子游戏；8 0 年代中期，美国宇航局 ( n a s a ) 的a m e s 研究中心利用当前流行的液晶显示器和其他器件研制了低成本 的虚拟显示设备。这些研究工作对于推动当前v r 硬件以及软件公司的发展起到了 至关重要的作用。到了9 0 年代中期，v r 技术开始蓬勃发展，随着个人计算机 ( p e r s o n a lc o m p u t e r ，简称p c ) 的极速成长，使得v r 的硬件平台更为平民化， 因此其应用也更为广泛。近年来，在国内外学者的共同努力下，v r 技术已经成功 应用到诸如游戏、教育、医学、采矿、交通、机械等领域。 随着计算机和通信等技术的飞速发展，人类正在向高度信息化的社会迈进。目 前的研究成果和发展趋势表明，两项技术将最终改变人类的生活和工作方式：虚 拟现实和网络【l 】，因此网络与v r 结合的衍生产物诞生了。 虚拟地理环境( v i r t u a lg e o g r a p h i ce n v i r o n m e n t s ，简称v g e ) 最早是从地学的 网络可视化研究中提出的，它被当作一个关于地理系统的虚拟实验室，让地学专 家进入到地学数据中，强调人的感知性和融入沉浸感，把注意力集中于地学问题 上，利用网络技术让众多的地学专家可同时在一个虚拟实验室，进行交流和讨论目。 v g e 是地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 与v r 技术共 同作为支撑并在一定需求下的催生产物。从宏观意义上来讲，v g e 作为一种客观 实在，是以化身人、化身人群、化身人类为主体的一个虚拟共享空间与环境，它 既可以用于表达与分析现实地理环境的现象与过程，也可以表达一个在现实物理 世界不存在的虚拟信息空间。从信息系统角度看，v g e 是地理学与多种信息技术 结合的一个集成系统，与地球表层系统的地理环境相互对应关联，以化身( a v a t a r ) 为基础的多用户、分布式三维智能虚拟环境，侧重对现实地理环境的表达、模拟、 延伸与超越“。 北京交通大学博士学位论文 随着计算机网络的发展，一种称为计算机协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e d c o l l a b o r a t i v ew o r k ，简称c s c w ) 的技术成长起来了。c s c w 技术符合人类劳动 方式的群体性、交互性、分布性以及协作性的特性，因此得到了普遍重视。c s c w 的发展可以追溯到上个世纪6 0 年代，而到了同世纪的7 0 年代，美国s t a n f o r d 人工 智能实验室就建立了第一个支持视频、音频、文本、图像等多媒体的c s c w 环境， 命名为电视会议( t e l e c o n f e r e n c