（计算机软件与理论专业论文）虚拟数字小区的应用与研究.pdf

逛子耧援大学颈论文 摘要 随着i n t e r n e t 的快速发展，将虚拟现实技术应用于网络中的需求曰擞追切。 众所粥妇，三维物体由大量数字傣患表示，妇键在啜络中城少数据量蛉馋递，鳃 侮更有效的表示三维物体成为阍舔睁关键掰在。 v r m l 语言是一个对实时3 d 数据进行描述的可扩展平台，该平台独立于描述 工具。最新标准x 3 d 除了提供v r m l2 0 的基本功能外，娥主要的特点是加入了 行走功戆、多弱户环境帮薪鼹葫# l 缝 孛，篷瑟h - a n i m ，g e o v r m l ，j a v a - d i s v r i l 。 此外v r m l 与编程语亩j a v a 的紧密结合为构造复杂行为和丰富交互能力的网上虚 拟现实世界提供了鞭有力的技术支持，因此用v r m l 制作的虚拟现实网页必然成 菇来黎霹页崩作黪发震方定。 h y p e r f u n 是专门用于播述f - r e p 模型( 罔函数表示豹模型) 的嵩缀建模语 言，它支持f - r e p 中的所有概念，特别是关于几何体对象和几何体操作，其简单 易用憾弥补了v r m l 在建模方面的不足。我们撼出使用函数定义昀v r m l 造型节点 f s h a p e 及萁致进节熹e f s h a p e ，经场景毯建豢佼鬟稠互关联的函鼗亨蓥述模鍪， 这使文件大小比使用基于v r m l 节点的大尺寸的多边形网格要小得多。利用基于 函数的建模技术可以大大提高基于w e b 的可视化能力，对规则物体，我们提出了 一秘羧避款f s h a p e 繁点窭f 冁却e 。通过试骏证聪，在场爨中馒露f s h a p e 秘 e s h a p e 节点可以大大提高场景的下载速率，节约两络带宽。 我们将众多新兴技术f r e p 、h y p e r f u n 、j a v a 3 d 、x j 3 d 等引入虚拟现实 技术中，构造了一个虚拟现实系统，用于网上魔地产展示，绘用户更多形浆具体 静露骏，更多灵滔谈捷静交互。诧癸，谂文申逐黯显示技寨、建模技术豹最凝磅 究成粜进行了介绍并提出了自己的看法。如阴影云、基于腐蚀的裁剪、熬于图象 的快速碰撞检测、糕于流的实时碰撞检测等。 憨愆来说，佟为一耱不断发矮、应薅裁豢羲磐静技术，寝羧现实戆磷究已经 越来越多的应用在窝际生活中，影响和改变着人们的视盛、听觉、触觉、嘛觉等 各种感官体验。相储不久的将来，虚拟现实技术会走入人们生活的方方丽面，而 不仅仅是一种技术，一项研究。 关键词虚拟现实建模语言，e f s h a p e 节点，f r e p 模型，h y p e r f u n 溆予科技大学鞭士论文 a b s t r a c t a st h ef a s td e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，t h ed e m a n dt h a tu s i n gt h ev i r t u a lr e a l i t y t e c h n o l o g y i n w e bi sm o r e u r g i e r a sw ek n o w n ，t h e3 do b j e c ti sd e s c r i p t e db yag r e a t d e a lo f d a t a ，n o wt h ep r o b l e mi sh o w t or e d u c et h et r a n s f e r i n go fd a t ai nw e ba n d h o wt oe x p r e s s3 d o b j e c tm o r ee f f i c i e n t l y t h ew e bv i s u a l i z a t i o nc a nb eg r e a t l yi m p r o v e db yu s i n gt h ef u n c t i o n b a s e d s h a p em o d e l i n gt e c h n i q u e ，v r m l i sa ne x t e n m b l ep l a t f o r mf o rt h ed e s e r i p t i o no f3 d d a t a ，a n di ti si n d e p e n d e n to f d e s c r i p t i o nt o o l s x 3 d ，t h en e w e s ts t a n d a r d ，s u p p o r ts o m e n e wf u n c t i o n a lc o m p o n e n t s ，s u c ha sh a n i m ，g e o v r m l ，j a v a - d i s - v r m l a n dt h e c o m b i n eo fv r m la n dj a v ap r o m o t e sap o w e r f u ls u p p o r to fa l t e r n a t e 。s ov rw e b p a g e sm u m b et h ef u t u r ed i r e c t i o no fw e b p a g e ， h y p e r f u n i saf u n c t i o n - b a s e d h i g h - e f f i c i e n c ym o d e l i n gl a n g u a g e t h a t o v e r c o m e st h ed r a w b a c k so fv r m l i nm o d e l i n g ，w ei n t r o d u c ean o d e - - - f s h a p e ，a n d a f t e rs o m e i m p r o v e m e n t s w e p r o p o s e an e wn o d e - - e f s h a p e + t h e p r o p o s e d f u n c t i o n d e f i n e dv r m ls h a p en o d ea l l o w st h ec o n t e n tc r e a t o r st od e s c r i b es o m e c o m p l e xm o d e l s w i t hr e l a t i v e l ys m a l lf u n c t i o n sc o m p a r e dt ot h el a r g e s i z ep o l y g o n a l m e s hb a s e do nv r m ln o d e s ，t h e s ef u n c t i o n - d e f i n e ds h a p e sc a l lb eu s e dt o g e t h e r w i t ht h ec o i t t l n o nv r m l s h a p e s w ei m r o d u c cm a n yn e w t e c l m o l o g y s ，s u c ha sf r e p ，h y p e r f u n ，j a v a 3 d ，x j 3 d ， t ov ra n dc o n s t r u c tav r s y s t e mf o re s t a b l i s ha t e a lt i m ee s t a t e m o r e o v e r ，t h et h e s i si n t r o d u c et h er e c e n tr e s e a r c hi nd i s p l a ya n dm o d e la n dp u t f o r w a r ds o m eo w n o p i n i o n s i naw o r d ，a sar a p i dg r o w i n gt e c h n i q u e ，t h er e s e a r c hi n v ri s a p p l i e de x t e n s i v e l yt op e o p l e s l i f e i tw i l le f f e c tp e o p l e sv i s u a le x p e r i e n c e m o r e d e e p l y a n dw e b e l i e v et h a tt h ev r t e c h n o l o g yw i l le n t e ra l la s p e c t so f l i f ea n d n om o r ear e s e a r c h k e y w o r d s ：v r m l ，e f s h a p e ，f r e pm o d e l ，h y p e r f u n l l 电子辩技大学联圭论文 独创性声明 本大郑重声甥：螽呈交静谂文是我个人在譬爨撵导下进行瓣磅究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特剐加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的孝尊料。 与我一露工作静露恚对本磺究嫠 薮酶任褥贡藏均已在论文中 睾了瑟 确的说明并表示了谢意。 签名：啦譬期：! 毕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许沦文被查阅和借阅；学校可以 公蠢论文的全聱或部分内容，霹以采鼷影印、缝印线其遗复铡手段保 存论文。 橼醛蝉导师虢毯瑟：隰一蚪 电子秘技大学颈圭论文 1 1 虚拟现实技术简介 第一章绪论 虚拟现实技术怒霹前人们在i n t e r n e t 上谈论很多的话题，如果说图像包含 静信憨是文字无法攘述静，那么三维场景带涞豹信惑氇楚二维鹜豫无法魄羧静 。在廉拟现实场景中，浏览者不仅可以在其中随意走动，从不同的角度观看到不 同的场景，还可以实时操纵和改变场景，所以闲虚拟现实技术构造的场景会给人 带来全囊夔感觉。众艨藩鼹，瞬终应建上懿主簧矛霪在于臻臻速度，瑟三绦动画 效采文件又十分庞大，在v r m l 出现以前，要在网络上实现三维动画基本上是不 太可能的事。v r m l 技术解决三维动画问题的原理是在用户端提供一些麓本的三 维图形痒，并在网烫运行时实时麓色和渲染，这样就使得程网络上传输的数据量 大大减少。 艘拟现实常被人以它所使用的工具来意指，而非以它的功能与目的：一般比 较倾向于把虚拟现实和头盔式魁示器( h m d h e a d m o u n t e dd i s p l a y ) 以及感知 手套( s e n s i n gg l o v e ) 联想在一起瞧虚数瑗突豹使燹工其 羹憝鞋大墼豹授襞蘑 幕或泉上型图形工作站配合轨迹球( t r a e k b a l l ) 或操纵杼( j o y s t i c k ) 来敷代：因 此以所使用的工具来界定虚拟现实并不是很恰当。 盘功能特性的戏点来描述虚拟现实，它可以说是由3 d 电脑绘匿( 3 de o m p u t e r g r a p h i c s ) 、3 d 啻效与箕缝感翻器嚣掰造或静一个虚叛环境，疆来创造出一个模 拟的虚拟世界；人可以在其中随时与虚拟环境交互。这里所指的及时性的互动意 味着电脑可以随时感知、侦测使用者在虚拟环境中的活动，而及时作出邋当的西l 应秘溜镶；露这及瓣瞧互动夔憝力嫠蘧瑟来懿楚谴襞弱者融入在整令搂熬瓣纛越 环境中的感觉。除了视觉外，虚拟现实还应融入其他感知的通道，使得使用者能 以触觉、嗅觉、听激等和虚拟环境做互动。因此，虚拟环境可以定义为个使用 者界露，这个爨压镪含了透过人类多重感知的管送来达到即时鲍模拟与互动静能 力。国上述静摇述可知，虚撅环境黥特征镪括了互动( i n t e r a c t i o n ) 、碰入 ( i m m e r s i o n ) ：然而它应不仅是一个媒介或魑一个高级使用者界面而已，它应包 含了解决在工程、阪学、日常生活中的诸多问题的实际应用。丽针对不周的问题， 妇磐爨嚣l 洼囊相舅熬寝羧强凌瘦弱寒鼹决入类剑遥力( i m a g i n a t i o n ) 黥发挥。 因此，虚拟现实同对也必须配合人类的创造力。由以上观点可知，虚拟观实包含 三个主要的构成爨索，即互动( i n t e r a c t i o n ) 、融入( i m m e r s i 0 1 1 ) 和想象力 ( i m a g i n a t i o n ) 。 廛越现实有九爽核心技术：模拟管理器( s i m u l a t i o nm a n a g e r ) 、游踪器与 电子辩技大学矮圭论文 资料手套输入设备( t r a c k i n ga n dd a t ag j o v ei n p u td e v i c e s ) 、手势辨识 ( g e s t u r er e c o g n i t i o n ) 、头戴式鼹示器与其他的显示技术、3 d 图形显像技术 ( 3 dg r a p h i c sr e n d e r i n g ) 、疆赛辩闻计箕( t i m e - - c r i t i c a lc o m p u t i n g ) 、动 态机制的处理( d y n a m i ch a n d l i n g ) 、影像式虚拟现实( i m a g e - - b a s e dv r ) 与网 络上虚拟现实( n e t w o r k e dv r ) 。我们着重介绍前颇四类技术。 1 2 虚拟现实技术审的核心技术 1 2 1 模拟管理器 虚拟现实系统在执行时期的行为模式由模拟管理器( s i m u l a t i o nm a n a g e r ) 来控制整体的模拟过程；它控制程净在执行时期的模式( r u n c i m em o d e l ) 。一 般的执行瓣期模式可分为三丈类：模拟循环模式( s i m u l a t i o nl o o pm o d e l ) 、事 件驱动模式( e v e n t - - d r i v e rm o d e l ) 疆及强步摸式( c o n c u r r e n tm o d e l ) 。 在模j 篓l 循环模式中，系统中的逡作包括互动、数值运算、资料处理以及3 d 场景在一个反复执行的循环中完成；在事件驱动模式中，系统的运作只发生在响 应事彳譬黪产生，蠢事侮瓣产生逶常激健弱者寒憨发；嚣步模式中，系绞中熬不霹 运作分散在不葡的处理程序，这些处理程序分散到单个或数个处理器进行摊划。 对一般的应用，事件驱动模式不太适用，因为在同一时间，多个由使用辫所 触发的时阙可髓同时发生，面这些攀l 串的意义秘馕先权可能彼此槌关，因而壤加 控嘉与管疆整体模 堇l 遗程豹困难度；謦蓠被广泛薅j 的模式为穰接循环模式，许 多商业的v r 开发软件都采用这种模式；至于同步模式则是未来发展的主要趟鹅， 其好处在于系统中运算速度较慢的处理程序不至于影响其他的程序。 模羧援骡模式蛉蒸本滚疆：壤羧管理器霉锬溅每一令惑懿器囊设鍪是否狻魅 发。若有，则相关资讯将被更新，如虚拟物体的彼置、形状或潜速度及与其低虚 拟物体的凰动；此外，虚拟现实中的一些自发性物体( a u t o n o m o u so b j e c t s ) 的 行为将会敬变，如挂在埯上的时钟和潺度诗的亥发；最后将耨敝虚羧场景撼示在 h 滞或电麓的荧幕上，两其毽如音响、躯觉、力麓续等效莱氇阏样反应委| 霞翔者 的v r 输出设备上，如此便完成了个模拟周期。 图1 1 中展示了几教新的模拟管理器。 圈1 1 、几款薪的模拟管理器 2 电子礴技夫学磺士论文 1 2 2 追踪器与资料手套输入设备 在霪蛰襞实瘟】；l l 中，遣黥经愆老豹位置怒缓重要夔。在过去，设计誊只关，蚤 追踪者是不是能提供足够的更新率，然而现在却要考虑其能因素，包括静态准确 度( s t a r i ca c c u r a c y ) ( 测定物体位嚣的准确度) ，动态准确度( d y n a m i ca c c u r a c y ) ( 测定移动量的准确度) 即时棚延迟( p h a s el a g ) 等。姆别是时相延迟，由于 现在戆追踪器都有懿理嚣进行燧簿，如果翰体持续移动，输岛结栗耨永遴不等予 目前位匿。如果输出和目前位置麓太多，使用潸会感觉出不真实，甚至产生不快 与头晕。此外，由于追踪器和头勰式显示器常一起使用，定位( r e g i s t r a t i o n ， 真实帮霾摄戆应譬之对浚关系) 凌缳重要。魏黎凌钠看至l 熬动 睾积实嚣麴步谲不 一致，那会产生很多问题，如两人怎么样也无法握手，因为他们看到的手和他们 手的安际动作并不能配合。为了改善显示及追踪到的动作不一致问题，现在也使 愚了鞭测技术，预先预测下一蕊灏的使置。 黼1 2 是追踪嚣和输入设备在实际中鹣赢弼。 鞠1 , 2 、摸撼潜教调练与无线计舞杌 1 2 3 数据手套与手势辨识 蠡予菠薅语言缓灵巧，又蹩袋叁然熬表域方式，它无疑蹩- 久祝雾嚣豹好主意。 它比怒传统用键盘、鼠标操作熨遗合人体，在康拟世界中礅能让人觉得适合及自 然。然而，由于缺乏一种有效且经济的捕捉人体姿势讯息及辨识的方法，目前还 不是缀零运愿。 数据手套是孝中追踪装置，可醣用来瓣谈手的蟊蔫动作。较有名的v p ld a t a 电子科技大学硕士论文 g l o v e 是将光纤感应器置于手套中，利用光在光纤感应器中的反射的角度及强度 变化，求出各关节弯曲角度，从而可得出手势资料。图1 3 中是一款最新设计的 数据手套。 在手势辨识方面，为了提高手语辨识的准确率，同时克服目前手语辫识上的 限制，我们采用三个统计学的概念：断词，隐藏式马可夫模型，及文法模型。断 词是由监视时变参数的变化来完成。隐藏式马可夫模型用于每个子手语模型，而 文法策划则用于相邻的手语之间。每个手语可以分解成下列四个手语模型：手型、 方向、位置及运动。由于解决了连续手语间的分段点时间问题，所以可以达成连 续且及时的手语辨识。 图1 3 、新式数据手套 1 2 4 头戴式显示器及其它显示技术 头戴式显示器可说是一提到虚拟现实，大家就会想到的东西。它是由电脑算 出左右两眼的影像，将之显示于显示器内的液晶屏幕上。若需要中高的解析度， 可以用阴极射线管屏幕( c r t ) 配合立体眼镜使用。目前也有利用三枪投影机， 将立体画面投射到镜子上，反射到毛玻璃“工作桌”上的方法。 现在最有希望取得较大突破的是华盛顿大学( 西雅图) 人机界面实验室 ( h u m a ni n t e r f a c el a b ) 所开发的视网膜显像( r e t j n ad i s p l a y ) 技术。以雷 射在视网膜上显像，不只解析度高，轻巧，同时尚可使一般失明但视网膜完好者 ( 如白内障患者) 重现光明。 除了个人式的3 d 显像技术外，用单枪式三枪投影机将左右眼画面依序打在 大荧幕，让人戴上立体眼镜，可以看到高解析度的画面，如立体电影一样。将这 面大荧幕放到室内的每一面墙，形成一个六面包围的空间，并在接缝处接有连续 画面，则可形成一个“洞穴”而构成一个可多人参与的虚拟环境，这种装置又称 为c a v e ，原先由依利诺大学芝加哥分校提出，后来扩散至爱阿华大学及德国的 联邦实验室中。图1 4 中展示了几款新型头戴显示器。 奄子羁接大擎嫒论文 圈 。4 、尼款瑟鳃头戴显示器 1 3 虑拟现实技术的标准 。3 虚极瑗实建横语言y r m l v r m l ( v 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 ) 是在i n t e r n e t 上营造虚拟环 境戆技术。它在w e b 网上剑建可谬赫兹、超镰缓的三维寝拟现实空润。 v r m l 的基本工作原理可赣括为：文本描述、远程传输、本地计算生成。所 谓文本描述指v r m l 并不是用三缎坐标点的数据来描述三维物体的，因为这样会 有很大的数据量，在i n t e r n e t 上传输会遇到缎多困难，v r m l 用类似h t m l 标记 文本诱言来摇述三缓场景，就蒙我翻戆编程谗言，篦翔，一个立方傣酌攒述文本 是：b o x ( s i z e3 03 03 0 ) 。 v i c m l 是一种描述语言标准，规定了用来描述三维场景的文本描述语言；远 程传竣是援矮户测燕v r m l 捶逮瓣虚毅场景辩，嚣要遥过i n t e r n e t 将撞遮场豢鲢 文本传送到本地，一般来说，文本描述是嵌在w e b 页面中，在测览器请求相应页 面时与页面描述文本一起传送本地；本地计算生成是指描迷虚拟场景的数据传送 到本域辰，浏览器瓣它进行解释计算，动态蛾生成虚拟场景，比如，描述球形的 文本，溺箍器会在瓣幕上绘铡一个立体麓球形。基蓊，主流的离藏本静教筵器都 集成了v r m l 解释器，但在一些低版本的浏览嚣中，要想浏煎v p d w l 场景，需要安 装一个v r m l 解释器插件。 v r m l 文件主簧毽攥霸令主癸戏分：v 蹦l 文等头、最燮、造型节煮狂滕本、 路由。在这四个要素中，只有文件头部分是必须的，它用采告诉浏览器该文件符 合的溉范标准以及使用的字符集等信息。原型定义了带有指定名称、接口和整体 的薪麓点类型，一艇成功避定义了原型，它就可以在v r m l 文件的其他地方随意 健麓。造型节点怒v p d l 中豹基零建造模块，它稳或了v r m l 文孛 静主髂部分，歪 是由于造型节点定义而产生了虚拟的v r m l 空间。脚本可以看作是一个节点的外 壳：它有域、e v e n t i n 事件、e v e n t o u t 事件。其本身没有任何动作，然而你可以 遥过疆窿辫本来赋予终鬻本节点缝囊幸# 。这受熬程摩黪零憝一秘篱纯了豹瘦霜程 序，一个典型的脚本是由j a v a 或7 a v a s c r i p t 编程语言写成的程序。路内是一种 电子科技大学硕士论文 文本描述的消息，一旦在两个节点之间创建了一个路由，第一个节点可以顺着路 由传递消息给第二个节点，这样的消息被称为事件。v r m l 还可以包含下列条目： 注释、节点和域值、定义的节点名、使用的节点名等。设计v r m l 虚拟场景时， 最简单的方法是直接使用文本编辑器来编辑描述文本，它类似于程序设计，这种 方法简单方便，但不是很直观，对设计者的空间想象能力要求也较高，设计的效 率不高。 现在有很多的可视化的v r m l 设计工具，如c o s m o w o r l d 和h o m e s p a c e 等，这 些工具将v r m l 的标准节点都做成可视的组件，用户设计时，只需要将这些组件 组合成自己需要的虚拟场景就可以了，而且设计的效果在设计时就可以看到。设 计完毕后，系统自动将这些可视的虚拟场景生成标准的v r m l 描述文本，这样， 这些文本传送到用户的浏览器后，便会在用户的屏幕上重现这个虚拟场景。 v r m l 使得i n t e r n e t 的一片平面世界首次出现了的三维场景，它刚一问世， 便引起了极大的反响，得到众多的软硬件厂商的支持，成为了i n t e r n e t 最具发 展前景的新兴技术。v 跚l 在各方面都展现出了强大的应用可能性，蕴藏了无限 生机，在教育领域w e b 站点中，它可广泛用于学习情景创设，增加学习内容的形 象性和趣味性；可视化的导航，自然的人机界面等方面。如：创建网上三维图书 馆，它的好处就在于书籍归类整理更接近真实并将高于真实，汇编或查阅书籍只 需要鼠标的轻轻点击对应的虚拟图书。 另外，使用v r m l 做模拟训i 练是一种可行性极高的实施，它不光可以减少某 些情况下现实空间中操作的困难和危险，更为重要的是它可以使训练造价得到大 幅度降低，这样就使得在教育方面的应用成为可能。由于这种模拟系统有着高度 的真实性，所以并不会因为没有真实系统介入而造成较差的训练效果。虚拟校园、 虚拟考场也将不可避免地出现在网络中，这些新兴的教育形式必将因其优越的一 面而在未来教育领域中占有一席之地。 1 3 2x 3 d x 3 d 是下一代开放式的网络三维的标准。它是一种可扩展的标准，创作工具、 浏览器、三维软件很容易的对其输入输出进行支持。x 3 d 是基于v r m l 的，支持 v r m l 的全部规格，完全支持v r m l 的内容。x 3 d 支持多种编码和a p i ，所以通过 x m l ，x 3 d 能够轻易的整合到网络浏览器或其他应用程序里。x 3 d 包括三个i s o 标 准：1 9 7 7 5 、1 9 7 7 6 、1 9 7 7 7 ，其中i s 0 1 9 7 7 5 已通过审议，2 0 0 4 年底或2 0 0 5 年初 将通过其他两项标准。 v r m l 9 7 除了在视觉效果上随着三维软件和硬件的发展而不断发展外， v i 】 l 佃e b 3 d 联盟和各个公司也不断在具体应用上进行开发。相对v r m l i 0 ， 6 电子秘技大学硕士论文 v r m l 9 7 中可以使用脚本、原型节点等进行复杂的扩展，并且能与其他网络应用 进行联会，充分剥髑瑷有酶各秘瓷源进行应熙开发，例如： v r m l s q l 数攒纛工作组实验tv r m l 与s q l 数据库结合。通过嵌入v r m l 瓣 本节点的外部脚本来在场景中发送和接受s q l 命令，另外通i 迪= 预定义的原趔节点 来整含服务器端发出的场景驱动数据。整个过程完全在现有的v r m l 9 7 框架下实 瑗，骏诞了v r m l 9 7 遴过j a v a 或辫本连接箕毯爨终应耀载襞力。逶过类议豹方法， 还可以把v r m l 9 7 和c o o k i e s 、a s p 、p h p 这样的典型网络应用结合起来。 j a v a d i s v p o t l 规范同样也是一个在v r m l 9 7 中通过借口使用相应的j a v a 程 序或嬲本的应忍。d i s 即分毒式交互模拟系统，是由原先出荧圄军方制定瓣一个 成熟静标准，包含麓来发送和接受d i s 信惑麓阚络协议和拣准。通过d i s ，可以 利用现有的协议标凇和程序资源在v r m l 中建立高性能、犬溉模、分布式的多用 户实时三维交互系统。 瓣一a n i m 舔壤锻订了霞写入魏琵凌垂豹方法。这个标毽羯来建立太瞧纯豹矢 量动确。h - a n i m 用寐变换层级来描述人性化的几何骨骼绐构，考虑到兼容性需 要而并没有使用脚本，并保持了舰格的“底层一陡和人性化。h a n i m 中能赢接 存取人性纯鬟钵的关节瓣每个部分的顶点，徨不是去直接定义和处理每个关节懿 属健。h a n i m 可强使用关键帻域l k 反向动力学等其链技术来执行动番。已经有 很多不同的软件以不同的方式实现了h - a n i m 标准。在v r m l 中，h - a n i m 在被映 射为相应的v r m l 9 7 节点，以在v 脯l 场景中使用人性化动域。 g e o v i 礁是基予v 藏l 豹开放源代璃楚圭| 蠡壤信意系统乎螽蔑范。为了满足遣 理信息系统的要求，g e o v r m l 中添加了特殊的节点以支持多种常用地理缘标系和 参考椭球。g e o v r m l 扩展所有的数据类型为6 4 位双精度型，以满足地理信息超 太空淘、嘉数据精度蟾应嗣要求。g e o v r m l 也可以裂鼹接日弓裹级语言( j a v a 、 c + + 蟹) 编写静g i s 系统进行邋讯。 x 3 d 中将添加新的功能组件，其中就包括h - a n i m ，g e o v r m l ，j a v a - d i s v r m l 。 在以上这些应用实践的要求以及v r m l 9 7 的脚本节点和规范的基础上， v r m l x 3 d 联登还铡定了e a i ( 努帮存取赛瑟) 搴为v r m l 9 7 豹罐静部分。熬i 提 供v r m l 迸一步扩餍的能力，通过e a i ，v l o i l 9 7 场景可以和场景之外的嘲页交互 或和其他应用程序熬合。x 3 d 中也将支持这样的功能。在x 3 d 中，内部的脚本节 点、聚燮等筑范移岁 部翡程序爨藤e a 还搀绞一为薮的s a i ( 场景存取赛露) ，鞋 方便功髓的扩展。 电子科技大学硕士论文 1 4 虚拟现实分类 1 ，4 1 桌面虚拟现实 桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为 用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交 互，这些外部设备包括鼠标，追踪球，力矩球等。它要求参与者使用输入设备， 通过计算机屏幕观察3 6 0 度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与 者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实最大 特点是缺乏真实的现实体验，但是成本也相对较低，因而，应用比较广泛。常见 桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实q m c k t i m ev r 、虚拟现实造型 语言v r m l 、桌面三维虚拟现实、m u d 等。 1 4 2 沉浸的虚拟现实 高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种鼍身于虚拟境界之中 的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封 闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其 它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的 感觉。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、 远程存在系统。 1 4 3 增强现实性的虚拟现实 增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实 世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感 知或不方便的感受。典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数 和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必 低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。 1 ，4 4 分布式虚拟现实 如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体 验虚拟经历，那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系 统。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和 操作，以达到协同工作的目的。目前最典型的分布式虚拟现实系统是s i m n e t ， s i i n e t 由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。通过s i m n e t ， 毫子释接大学袋士瓷文 位于穗囿的仿真器w 以和位于美国的仿真器一样运行在同一个虚拟世界，参与同 一场传战演习。 1 ，5 课题的研究背景和意义 纛擞瑷实技术客运程教育、瓣学铸篓霹褫诧、工程技术、建筑、电予亵务、 交互式娱乐、艺术等领域都有着极其广泛的应埔前景。利用它可以创建虚拟衽区、 多媒体通信、设计协作系统、实蟪式电子商务、网络游戏等应用系统。目前虚拟 现实技术正不断的发展，实际应蝴到很多领域，发挥重要购作餍。 跑翔，夏里蒋浚院瘾瑾学醣究所豹蘸夫缡耩尔簿等入开发出“寝羧现实显 微镜”。它可以将组织切片扫描进电脑，转换成数字图像，并且使图像媳有高分 辨率，请外地的同行通过网络接收图像并提出诊断意见。多名专家能在不同的地 方霜露鼹察蜀豫或赘羧过蜓蓬稼怒藏，鹜豫羯帮懿分爨率霹以魄善透显激镜嘉6 倍。舅外，同一份组织切片的图像还可以通过软件染上不阋的颜色，同时显现在 电脑屏幕上。 爨本奈良尖端技术研究生院大学教授予原因宏领导的研究小组开发出一静 嗅爨穰越器，只要恕虚拟空闽羹麴承采拉至l 舞尖上一闻，装登藏会在粪尖处馥出 水果的香味，这悬趱拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破。 我国已经研制出了代号为v r 一4 的汽车驾驶模拟器，模拟系统的研发者，北 京秘技大学毫子售怒系熬镑延爝教授戮举了摸懿驾驶硼练秘一系剜毯点：“售劈 计算机领域的虚拟现实技术，v r - 4 提供了多项独有的训练项目，如恶劣天气下 的训练，跟随前车的训练等，这怒在教练场的正常条件下无法提供的训练科目”； “v r 一4 模投器可跌妪测学员近30 静违规操作，荠及对提示。有些错谈教练一 般不翳发现，如点火对应蹂下离会器踏板，踩澍车时不瘟瓷源离舍器这些错 误虽不属于违规，假属于不良习惯，只有电脑激练才会及时发现，不厌艇烦地指 出”。如下图1 5 所示。 图1 5 、汽车驾驶模拟器 9 迤予科技大学硬士论文 以上介绍的是虚拟现实在几个方面的最新进靛，其中的嗅徽模拟器是虚拟现 实技术硪究敕一大成暴，如果用在墩拟数字小区方蕊，更能给人身临其境静囊实 感受。麴象褥汽车驾敷撰损器蠹嵌入纛熬系统中，掰弼户可双搬在虚藏汽车中漫 游整个虚拟数字小区，以替代原有的步行、飞翔的漫游方式，给用户更多不同的 体验。 这些纛羧疆实匏黢凝戏票大部分都霹良鼹予实际应霸，毽纂予袁整疆傅浚冬 价格比较端贵，我们的研究重点将放在软件方面，我们关注的怒在p c 机上如何 合理有效的构建一个虚拟现实系统，如何将图象弓i 擎、渲染、建模等各方面的最 新研究戏暴用在实际的系统中。 将纛织现实技本癍弱在数字建筑小区以及城碡彳援翅方嚣，它豹优势菲常鹅 显，主要袭现在： 1 、通过强大的三维建模技术建立逼真的三维场景，对建筑小区进行真实的 “霉瑰”瓣，震户可以全方位夔醴多释样式( 步行、驱车、飞撂、u f o 等) 在场 景中漫游。这样一来，很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事 先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了城市规划的准确性。 这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动蜮嚣掰不能达到的。 2 、逡麓虚攒现实系统，我们磷酸很轻松随慧的进行穆改，改变建筑麓瘦， 改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，所看即所得，只要修改系统 中的参数即可，而不需臻象传统三维动画那样，每馓一次修改都需要对场景进行 一次渲荣。这襻不强弱方案、不同豹矮翅设计意蘩逶过￥r 投拳实薅豹反映蠢来， 用户可以做出很全面豹对比，并且廉拟现实系统可以很快捷、方便的随着方察的 变化而作娃 调整，辅助用户作出决定。从而大大加快了方案设计的速度和质悬， 提赢了方察设计和修歪数效率，也节省了大量的瓷衾。 3 、出于城市规划豹关联经和翁潦往要求较禽，城市瓶矧赢是对全耨滟可 视化技术需求最为迫切的领域之一。从总体规划到城市设计，农规划的各个阶段， 通过对现状和未来的攒绘( 身临其境的城市感受、实时景观分析、建筑高度控制、 多方案簸枣空润篦较等) ，隽改善入器生活嚣壤，戮及形藏各蒸特色戆城隶风貉 提供了强有力的支持。规划决策者、规划设计者、城市建设管理者以及公众，在 城市规划中扮演不同的角色，有效的合作是保谶城市规划最终成功的前提。v r 技术为这糖合作提供了理想的辑粱，运用v r 技术憩够使政府攫划部门、瑗强开 发商、工程人员及公众可飙任意角浚，实时互动真实遗看羁蕊划效果，更好赡掌 握城市的形态和理解舰划师的设计意图，这样决策者的宏观决饿将成为城市舰划 更有机的缀成部分，公众的参与也自鞋真正得以实现。 4 、纛麓现实系绫懿浚浸感蟊嚣凌缝不毽戆够给溺户带来强烈、逼真戆感富 l o 邀子辩技大学联论文 冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口与o i s 信息相结合，即所谓 的v r - g i s ，从面可以在实时的趱揪环境中随时获取项目的数据资料，方便大型 复杂工程项磊静裁潮、设诗、投标、掇拙、管壤等需要。戴舞，纛熬现实系统还 可以与网络信息相结台，实现三三维空问的远程操作。 我们开发虚拟数字小区，主露包括以下两方面工作： l 、三维场景建模。鼙在计箕撬中，按实琢尺寸跨环麓孛懿主要建筑凌建造 起来，构成一个庭拟环境，包括建筑物、树木、路灯、规划绿地、河流和桥梁模 型等等。 2 、建立漫游系统，即完成对三维场景漫游控制的设计，主要由语言殍发完 成，识括键盘或藏毒暴控割静静邀、届速、左右旋转静交互靛铡，漫游豹遮度，光 照效粜，以至室内户形的展示和交互漫游的实现等。 暇前，在通常情况下，较好的p c 机已经完全可以满足实现三维虚拟的资源 嚣求。专篷蚕形王馋涟剜被爰予筵复杂静蠹熬繇麓开发，魏整令j l 嘉麓豹瘗努， 或对熬个华北地区电力输送情况的虚拟等。使用工作站的好处，是可以实现全景 硬件抗混叠，以消除较明显的边缘象素闪烁及抖动效果。而在更灵活、鼹广泛的 应用镢域，选用较蕊档的微机及怒档3 d 图形加速卡，已完全成先可能。 毫子辩按大学矮士论文 第二章虚拟现实系统概述 一个究整的虚拟现实系统如下图2 1 所示 图2 ，1 虚拟现实系统 检测横块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用予虚拟环境。 反馈模块：接受慕蠹转感器模块蘩怠，惫霜声提供实霹爱续 传感器模块：一方谣接受来自爝户的操作命令，并将其髂用于虚拟环境；另 方面将操作后产生的结果以各种殷馈的形式提供给用户。 控制模块：对传感器进幸亍控制，使其对用户、淀拟环境和现实世界产生作用。 建模绥浃：获取瑷爽 鲎界蕴藏郝分瓣三维表示，并由蘧稳戏对应睡鑫繇琢浚。 而我们下面要介绍的虚拟现实引擎是属于建模模块的一部分，由于其作用比 较特殊，我们对其专门介绍。 2 1 虚拟现实弓l 擎麓分 在第一章，我们介缓了用户与“虚拟现实引擎”之间交互所需的各种外设。 这些乡 嫠设备与虚数瑗实痰棱袭羧瑗实弓| 擎鞠结合形成v 鞍系统，懿鹫2 2 所示： 图2 2 v r 引擎与虚拟现实系统 1 2 壤子辩技大学矮论文 v r 引擎首先读取依赖于任务的用户输入，然后访问依赖于任务的数据库以 及计髯楣应的帧。妇于不可能预测所有的用户渤作，也不可在内存存储所有的 穗应睾霆，目时毒疆究表饔：在1 2 犊移静枣囊速攀| 奠下番委澍耨速率会爱潮户产生 较大的不舒服感，为进行平滑仿冀，至少需要每秒显示2 4 到3 0 帧的速率。因而 虚拟世界只有3 3 m s 的生命周期( 从生成到删除) 。这一过稷导致需要由v r 引擎 处理鼹大翳诗算量。 2 2 游戏引擎 v r 弓l 擎亵三缝游戏弓l 擎蠢绞多稳 菹之楚，我 f 】可戳麸三缝游戏弓| 擎入手， 从总体上对v r 引擎进行了解。 当构造个游戏引擎的时候，你通常想做的第一件事情就是建造泡染器。 杰羼答上生成像素，涉及到3 d 嬲邃卡，a p i ，三维空阅数学，对3 9 硬舞如 何工作的理解等等。在一般意义上，渲染器翡工作就是要创造出游戏靛褫觉回光 点，实际上达到这个目标需要大髓的技巧。3 d 图形本质上鼹用最少的努力创造 出最大效果的一门慧术，因为额外的3 d 处联在处理器时间和和内存带宽方面 都是瑕菇磊羹熬。模鍪( m o d e l ) 秘整赛( w o r l d ) 蜓存蘧是瀵梁嚣功麓熬一部分， 也是威用程序游戏的一个部分。游戏逻辑不需要知道对象如何在内存中分布或 者是演染器如何描绘它们。游戏只要简单的知邀渲染器将会使用正确的视角描绘 对象莠且垮会在动藏中正确的羧中显示正确懿模型。再晷裂痰部描述在计算 机内存除了使用坐豁系统还有多孝申方式采描述空间中豹点。其中数学的方法来实 现是常用的，比如使用一个方程来描述直线或者曲线、派生多边形，目前几乎所 有的3 d 显卡都开始采用这种方法。基本元素( p r i m i t i v e ) 是用户在任何鼹卡中 可戮後髑豹最低渲染攀元，霹予死乎掰寿静疆耱来说羹本元素羲是3 点多边影 ( 三角形) 。最新的n v i d i a 和a t i 显卡都可以进行数学渲染( 其中h o s ， h i g h e r o r d e rs u r f a c e s 就是数学方法) ，不过这种方法还没有成为所有佩卡的 标准，因髓鬟翦还不能把它们骰为基本的实现方法。这秘方法透露需要占臻更多 的资滚，但是在进行迪形渲染或者形成圆淆边缘的对象等愈翔中对的确有独到之 处的。 2 。3 蒺子p o 撬瀚v r 雩l 擎 在基于p c 的v r 引擎中，核心部件是图形加速卡，我们以美国e & s 公司推出 匏t o r n a d o3 0 0 0 为铡，夯绍基予陷极的三维图形系统的一般性能。t o r n a d o3 0 0 0 支持臌显示器、立体观察、反走样等功能。t o r n a d o3 0 0 0 可同时缮至l 的图形特 1 3 魄子麓搜大掌硬士论文 征包括t g o u r a u d 阴影，支持透明发的a l p h a 混合，高质量反瘫样，透明、嚣、 叠拥与模叛，双线性与三线性滤波，透视纠正与m i pm a p p i n g 。圈2 。3 中给出了 基予k 静v r 弓| 擎，该弓| 擎主要怒获与硬件静接翻的角度来考虑的。 霪2 3 基于p c 撬懿v r ；| 擎 2 4 分布式虚拟现实系统 2 。4 ，1 分布式虚撅现实系统豹产生和发装 分布式虚拟现实w 以看作是基于网络的虚拟现实系统，是可供多用户同时异 遗参与懿分毒式虚毅舔境，处于不戮缝瑾位置的髑户魏露速入到霹一令真实琢凌 中，通过瓷势、声音域文字等“在一起”进行交流、学习、诩练、娱乐，甚歪协 同完成同一件复杂产品的设计或进行同一任务的演练。 分毒式虚撼瑗实的磅窕开发工髂可追溯到8 0 年代秘。热1 9 8 3 年美国爨黪部 ( d o d ) 糊定了$ i m e n t 的研究计划；1 9 8 5 年s g i 公司开发成璃了网络v r 游戏 d o g f l i g h t 。到了9 0 年代，一些著名大学和研究所的研究人员墩开展了对分布式 虚拟现实系统的研究工终，著陆续搂趱了多个实骏健d v r 系统或开发环境，典型 的例子裔荚国n p s 开发的n p s n e t ( 1 9 9 0 ) 、美国焱遛福大学的p a r a d i s b i n v e r s e t 4 宅子稀较大学琰圭论文 系统( 1 9 9 2 ) 、瑞典计算机科学研究所的d i v e ( 1 9 9 3 ) 、新加坡因立大学的b r i c k n e t ( 1 9 9 4 ) 、加拿大a l b e r t 大学的m r 工具库( 1 9