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基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用上海师范大学硕士学位论文 摘要 本文的研究背景是基于虚拟现实的虚拟养鱼系统， 主要讨论了一个虚拟现实 系统的研究、开发以及虚拟系统的实现。本文首先介绍了虚拟现实的发展现状、 用于支持实时三维动画的计算机图形学基础知识， 以 及专门的三维动画编程软件 包d i r e c t 3 d ， 接着阐述了实现虚拟养鱼系统的一些关键技术: 一种自 然界动物的 群体活动算法; 一种基于d ire c t 3 d的粒子系统技术， 科学的虚拟养鱼数学模型， 然后给出虚拟养鱼场景的一些实现细节:小鱼的生成与游动、水草的视觉实现。 最后， 描述了整个系统的框架， 并简要说明了构成系统的每个模块。 为了科学的 表现出小鱼饲养过程中的变化， 利用虚拟养鱼科学计算模型通过机器内部定时器 的时钟频率准确定时计算，给出了具体实现。 本系统是基于vis u a l c 一结合软件包d i r e c t x开发的。 关越字: 虚拟现实 d i r e c t x虚拟养鱼 粒子系统 第 i 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用 上海师范大学硕士学位论文 ab s t r a c t t h e b a c k g r o u n d o f t h e p a p e r i s v i rt u a l fi s h - f a r m i n g b a s e d o n v i r t u a l r e a l i t y .i n t h e p a p e r , a u t h o r d i s c u s s e sh o w t o re s e a r c h , d e v e l o p a n d i m p l e m e n t v i r t u a l r e a l i t y s y s t e m . f i r s t l y , i n t r o d u c e s t h e d e v e l o p m e n t o f v i rt u a l r e a l i t y a n d t h e b a s i ck n o w l e d g e o f 3 d a n i m a t i o n a n d t h e 3 d a n i m a t i o n p r o g r a m m i n g k i t - d ire c t 3 d .n e x t d e s c r ib e s v a r io u s k e y t e c h n o l o g y a b o u t v i r tu a l f i s h - f a rmi n g : a k i n d o f a l g o r it h m a b o u t s w im m in g o f a g r o u p o f f i s h a n d p a rt i c l e s y s t e m b a s e d o n d i re c t 3 d a n d m a t h - m o d e l o f v i r t u a l fi s h - f a r m i n g , t h e n t h e i m p l e m e n t a t i o n d e t a i l s a b o u t fi s h - f a r m i n g : s u c h a s t h e c re a t i o n a n d s w i m m i n g o f fi s h , t h e v i s u a l i z a t i o n o f a q u a t i c g r a s s e t c . l a s t l y , t h e fr a m e w o r k o f w h o l e s y s t e m a n d t h e d e s c r i p t i o n o f e a c h m o d u l e o f t h e s y s t e m a re g i v e n , i n o r d e r t o p re s e n t t h e c h a n g e s d u r in g fi s h - f a r m i n g p r o c e s s s c i e n t i f i c a ll y , a n a lg o r it h m f o r a c q u i r i n g t i m e b a s e d o n c p u f re q u e n c y a n d s o m e f u n c t i o n s a r e u s e d . t h e s y s t e m i s d e v e l o p e d b a s e d o n v i s u a l c + + c o m b i n e d w i t h d i r e c t x k e y w o r d s : v i r t u a l r e a l i t y , s c e n e s y s t e m , v i r t u a l f i s h i n g , d i r e c t 3 d , p a r t i c l e s y s t e m 第 1 1 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1课颐背.和内 容概要 1 . 1 . 1课题背景 现代化的社会环境里如何教育、 培养人的问 题显得越来越重要， 在更新教育 理念的同时辅以新的教育手段非常必要。但现实情况是， 随着科学技术的发展， 计算机虚拟技术与多媒体手段己经为我们很大限度地提供了真实体验环境， 却大 都应用于游戏机与娱乐领域， 中小学生在他们的课余生活中已经习以为常的形式 却没有被占 据他们大部分时间的学校教育领域所采用， 这无疑是一个巨大的 错位 与损失! 因 此， 学校教育改革的方向 之一是将高科技手段引入学校的实验室， 为学生 创造一个技术环境， 提供全新的学习知识的过程。 这个根本的变化对学生新思维 方法的培养和探索能力的启发都会大大超过其他任何方式对他们的灌输。 建立虚 拟实验室可以 超越现实条件的限制， 不再有因为实验过程可能有危险而不能做的 实验， 也不受时间限制的作重复验证。 虚拟实验室充分利用现代技术手段设计实 验环境和内容，在高起点上将中小学生的实验课引入新的境界。 由此， 上海科技馆设计了虚拟养鱼项目， 此项目为上海科技馆虚拟世界展区 系列软件中的一个，是专门为虚拟实验室设计的。 经过一年多的努力， 我们成功的开发了虚拟养鱼系统， 该系统的研制成功获 得了用户的好评。 1 . 1 . 2项目 内容概要 本项目以小鱼生存的生物学原理为基础， 基于养鱼数学模型、 以虚拟现实的 表现形式来预测在各种不同的情况下饲养在鱼缸里的小鱼经过四周后分别会有 什么样的不同结果。 如果参与者希望有更好的结果， 可以修改饲养条件重新开始 游戏。 这样， 在不断尝试后， 既可以很快了解应该怎样才能养好小鱼， 也有了 各 种饲养小鱼的经验， 使原来取得一项经验而需要的枯燥等待过程在一个游戏里轻 第 1 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1课颐背.和内 容概要 1 . 1 . 1课题背景 现代化的社会环境里如何教育、 培养人的问 题显得越来越重要， 在更新教育 理念的同时辅以新的教育手段非常必要。但现实情况是， 随着科学技术的发展， 计算机虚拟技术与多媒体手段己经为我们很大限度地提供了真实体验环境， 却大 都应用于游戏机与娱乐领域， 中小学生在他们的课余生活中已经习以为常的形式 却没有被占 据他们大部分时间的学校教育领域所采用， 这无疑是一个巨大的 错位 与损失! 因 此， 学校教育改革的方向 之一是将高科技手段引入学校的实验室， 为学生 创造一个技术环境， 提供全新的学习知识的过程。 这个根本的变化对学生新思维 方法的培养和探索能力的启发都会大大超过其他任何方式对他们的灌输。 建立虚 拟实验室可以 超越现实条件的限制， 不再有因为实验过程可能有危险而不能做的 实验， 也不受时间限制的作重复验证。 虚拟实验室充分利用现代技术手段设计实 验环境和内容，在高起点上将中小学生的实验课引入新的境界。 由此， 上海科技馆设计了虚拟养鱼项目， 此项目为上海科技馆虚拟世界展区 系列软件中的一个，是专门为虚拟实验室设计的。 经过一年多的努力， 我们成功的开发了虚拟养鱼系统， 该系统的研制成功获 得了用户的好评。 1 . 1 . 2项目 内容概要 本项目以小鱼生存的生物学原理为基础， 基于养鱼数学模型、 以虚拟现实的 表现形式来预测在各种不同的情况下饲养在鱼缸里的小鱼经过四周后分别会有 什么样的不同结果。 如果参与者希望有更好的结果， 可以修改饲养条件重新开始 游戏。 这样， 在不断尝试后， 既可以很快了解应该怎样才能养好小鱼， 也有了 各 种饲养小鱼的经验， 使原来取得一项经验而需要的枯燥等待过程在一个游戏里轻 第 1 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用 上海师范大学硕士学位论文 松地完成。 本系统充分利用计算机虚拟技术和多媒体手段， 将一个复杂多变的漫长过程 在实验环境里反复演示出 来。 通过让参与者设置和选择饲养条件， 并不断提供在 不同条件下变化的真实画面， 来充分体现小鱼饲养过程在视觉上的仿真模拟， 使 参与者在计算机互动环境里逼真地观察到小鱼的生长情况， 从而达到获取知识与 乐趣的目的， 这样的实验方式既避免了传统方法里实验条件的烦琐与浪费， 又可 以在很短的时间里实现传统条件下不可能实现的过程， 是高科技时代学习知识的 全新境界。 项目的描述 饲养小鱼的条件大致可以设定为以下几个方面: ( 1 )鱼缸的大小。不同大小的鱼缸容积不同，所储存的水量也不同，当然 会影响小鱼的饲养。 ( 2 )鱼缸中的环境不同。 例如有无水草，是否给鱼缸充气、是否有充足的 阳光以 及鱼缸中的水温等，这些也都将会给小鱼的饲养带来不同的影响。 ( 3 ) 饲料的品种和喂食次数等。不同的饲料以 及不同的投入饵料次数都会 对鱼的生长产生不同的影响，当然就会有不同的试验结果。 ( 4 )小鱼的品种和数量。不同习性的小鱼需要的温度、饵料、耗氧都不相 同。 当 然现实中 进行小鱼饲养的研究， 情况可能更为复杂。 但是作为中、 小学生 的课程， 如果把这些问题综合在一起进行模拟研究， 让学生进行相应的思考、比 较与研究，己经基本达到上述目标。 1 . 1 . 3论文结构 本文是在上海科技馆虚拟养鱼系统设计实施的工作基础上完成的， 本文各章 之间的结构如下所示: 第一章绪论:首先提出了课题的研究背景为虚拟养鱼系统，介绍了系统 的内容和论文的结构，虚拟养鱼系统以拟现实为基础，虚拟现实 的发展、现状及应用也在本章作了介绍。 第二章计算机图形学基础和d l r e c t 3 d技术: 虚拟现实的实现离不开计算 第 2 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用 上海师范大学硕士学位论文 松地完成。 本系统充分利用计算机虚拟技术和多媒体手段， 将一个复杂多变的漫长过程 在实验环境里反复演示出 来。 通过让参与者设置和选择饲养条件， 并不断提供在 不同条件下变化的真实画面， 来充分体现小鱼饲养过程在视觉上的仿真模拟， 使 参与者在计算机互动环境里逼真地观察到小鱼的生长情况， 从而达到获取知识与 乐趣的目的， 这样的实验方式既避免了传统方法里实验条件的烦琐与浪费， 又可 以在很短的时间里实现传统条件下不可能实现的过程， 是高科技时代学习知识的 全新境界。 项目的描述 饲养小鱼的条件大致可以设定为以下几个方面: ( 1 )鱼缸的大小。不同大小的鱼缸容积不同，所储存的水量也不同，当然 会影响小鱼的饲养。 ( 2 )鱼缸中的环境不同。 例如有无水草，是否给鱼缸充气、是否有充足的 阳光以 及鱼缸中的水温等，这些也都将会给小鱼的饲养带来不同的影响。 ( 3 ) 饲料的品种和喂食次数等。不同的饲料以 及不同的投入饵料次数都会 对鱼的生长产生不同的影响，当然就会有不同的试验结果。 ( 4 )小鱼的品种和数量。不同习性的小鱼需要的温度、饵料、耗氧都不相 同。 当 然现实中 进行小鱼饲养的研究， 情况可能更为复杂。 但是作为中、 小学生 的课程， 如果把这些问题综合在一起进行模拟研究， 让学生进行相应的思考、比 较与研究，己经基本达到上述目标。 1 . 1 . 3论文结构 本文是在上海科技馆虚拟养鱼系统设计实施的工作基础上完成的， 本文各章 之间的结构如下所示: 第一章绪论:首先提出了课题的研究背景为虚拟养鱼系统，介绍了系统 的内容和论文的结构，虚拟养鱼系统以拟现实为基础，虚拟现实 的发展、现状及应用也在本章作了介绍。 第二章计算机图形学基础和d l r e c t 3 d技术: 虚拟现实的实现离不开计算 第 2 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用上海帅范大学硕士学位论文 第三章 第四章 第五章 第六章 机图形学，虚拟场景的表现更需要三维技术的支持，这也是虚拟 养鱼系统场景设计和实现的基础，本章介绍了计算机图形学的基 础知识和d i re c t 3 d技术的发展。 虚拟养鱼场景实现的关键技术:对本系统所采用的虚拟场景实现 的关键技术所了说明，这也是作者对本系统的贡献，主要有:虚 拟养鱼数学模型的应用; 小鱼游动算法的设计; 准确计时的设计; 粒子系统的研究及水泡技术的实现。 虚拟养鱼系统的总体结构: 给出了系统框架的设计和系统流程图。 虚拟养鱼系统场景的实现:指出了本系统实现所借用的工具和技 术: v c和d i re c t x ， 并就wi n d o w s 和v c . d i r e c t x的结合作了说 明。 总结:对本课题作了总结，并提出了技术展望与发展。 1 .2虚拟现实的发展及现状 l 1 f2 1 虚拟现实 ( v i r t u a l r e a l i t y ，简称v r )是一种新的人一 机界面，它为用户 ( 参与者) 提供了一种具有临场感和多感觉通道的体验， 试图寻求一种最佳的人 一 机通讯方式。 虚拟现实 也被称为 人工现实 ( a r t i f i c i a l r e a l i t y ) ，电 脑空间 ( c y b e r s p a c e ) ， 人工合成环境 ( s y n t h e t i c e n v i r o n m e n t ) , 虚拟环境 ( v i r t u a l e n v i r o n m e n t ，简称 v e ) v r技术也叫灵境技术，是一种高度逼真的模拟人在自 然环境中视，听，动 等行为的人机界面技术。 这种模拟具有两种基本特征， 即“ 沉浸” 特征和“ 交互” 特征。 v r的 “ 沉浸” 特征要求计算机所创建的三维虚拟环境能使 “ 参与者”得 到全身心置于该环境之中的 体验。 v r的 “ 交互” 特征主要是指参与者通过使用 专用设备实现用人类自 然技能对虚拟环境中的实体进行交互考察与操作。因 此， v r 技术将从根本上改变人与计算机系统的交互操作方式。 v r技术并非最近几年才出现，它的起源要追溯到计算机图形学之父 i v a n s u t h e r l a n d于 1 9 6 5 年在 i f i p 会议所做的标题为 “ t h e u l t i m a t e d i s p l a y ”的 报告。在该报告中，i v a n s u t h e r l a n d 提出了一项富有挑战性的计算机图形学研 究误颗， 他指出，人们可以把显示屏当作一个窗口来观察一个虚拟世界。 其挑战 第 3 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用上海帅范大学硕士学位论文 第三章 第四章 第五章 第六章 机图形学，虚拟场景的表现更需要三维技术的支持，这也是虚拟 养鱼系统场景设计和实现的基础，本章介绍了计算机图形学的基 础知识和d i re c t 3 d技术的发展。 虚拟养鱼场景实现的关键技术:对本系统所采用的虚拟场景实现 的关键技术所了说明，这也是作者对本系统的贡献，主要有:虚 拟养鱼数学模型的应用; 小鱼游动算法的设计; 准确计时的设计; 粒子系统的研究及水泡技术的实现。 虚拟养鱼系统的总体结构: 给出了系统框架的设计和系统流程图。 虚拟养鱼系统场景的实现:指出了本系统实现所借用的工具和技 术: v c和d i re c t x ， 并就wi n d o w s 和v c . d i r e c t x的结合作了说 明。 总结:对本课题作了总结，并提出了技术展望与发展。 1 .2虚拟现实的发展及现状 l 1 f2 1 虚拟现实 ( v i r t u a l r e a l i t y ，简称v r )是一种新的人一 机界面，它为用户 ( 参与者) 提供了一种具有临场感和多感觉通道的体验， 试图寻求一种最佳的人 一 机通讯方式。 虚拟现实 也被称为 人工现实 ( a r t i f i c i a l r e a l i t y ) ，电 脑空间 ( c y b e r s p a c e ) ， 人工合成环境 ( s y n t h e t i c e n v i r o n m e n t ) , 虚拟环境 ( v i r t u a l e n v i r o n m e n t ，简称 v e ) v r技术也叫灵境技术，是一种高度逼真的模拟人在自 然环境中视，听，动 等行为的人机界面技术。 这种模拟具有两种基本特征， 即“ 沉浸” 特征和“ 交互” 特征。 v r的 “ 沉浸” 特征要求计算机所创建的三维虚拟环境能使 “ 参与者”得 到全身心置于该环境之中的 体验。 v r的 “ 交互” 特征主要是指参与者通过使用 专用设备实现用人类自 然技能对虚拟环境中的实体进行交互考察与操作。因 此， v r 技术将从根本上改变人与计算机系统的交互操作方式。 v r技术并非最近几年才出现，它的起源要追溯到计算机图形学之父 i v a n s u t h e r l a n d于 1 9 6 5 年在 i f i p 会议所做的标题为 “ t h e u l t i m a t e d i s p l a y ”的 报告。在该报告中，i v a n s u t h e r l a n d 提出了一项富有挑战性的计算机图形学研 究误颗， 他指出，人们可以把显示屏当作一个窗口来观察一个虚拟世界。 其挑战 第 3 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用上海师范大学硕士学位论文 性在于窗口中的图像必须看起来真实， 听起来真实， 而且其中物体的行为也很真 实。 这一思想奠定了v r 研究的基础。1 9 6 8 年 i v a n s u t h e r l a n d 发表了 题为 “ a h e a d - m o u n t e d 3 d d i s p l a y ” 的 论文， 对头 盔式二 维显示装置的 设计 要求， 构 造 原理进行了 深入的讨论。工 v a n s u t h e r l a n d 还给出了这种头盔式显示装置的设计 原型，成为三维立体显示技术的奠定形成果。 v r研究的进展从六十年代到八十年代中期是十分缓慢的，直到八十年代后 期， v r技术才得以加速发展。这是因为显示技术已 能满足视觉祸合系统的性能 要求，液晶 显示 l c d ) 技术的发展使得生产廉价的头盔式显示器成为可能。 1 . 2 . 1虚拟现实的特征 g r i g o r e b u r d e a 和p h i l i p p e c o i f f e t 在著( v i r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y 一书中指出，虚拟现实具有三个最突出的特征，也是人们称为三 “ i ” 特性，即 交 互 性 ( i n t e r a c t i v i t y )、沉 浸 感 ( i l l u s i o n o f i m m e r s i o n ) 和 想 象 性 ( i m a g i n a t i o n ) 。交互性主要是指参与者通过使用专门设备， 用人 类的自 然技能 实现对模拟环境的考察与操作的程度， 例如用户可以用手去直接抓取模拟环境中 的物体， 且用户有抓东西的感觉， 还能感到物体的重量， 视场中被抓起的物体也 应随手的移动而移动。 虚拟现实并不只是一种媒介或一个高层终端用户界面， 它 的应用能解决在工程、医学、军事等方面的一些问题。 沉浸感是虚拟现实最主要的技术特征。虚拟现实的追求目 标是力图使用户在 计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种 全身心投 入” 的感觉状态， 有身临其境感。 在该环境中的一切， 看上去是真的、 听起来是真的、 动起来也是真的， 一 切感觉如真。用户觉得自己是虚拟环境中的一个部 分，而不是旁观者。 导致沉浸感的原因是用户对计算机环境的虚拟物 体产生了类似于对现实物体的存在意识或幻觉。 为此 认知 沉浸感 存在感 交互i i行为 必须具备3 种基本要素: 图像、 交互和行为， 他们是 相互关联的 ( 关系如右图) 。 它们对于用户的“ 存在” 意识的影响、 进而导致 “ 沉 浸感” 的过程实际上基于人的认知机理。 所以有人认为:“ 心理学是虚拟现实的 第 4页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用上海师范大学硕士学位论文 性在于窗口中的图像必须看起来真实， 听起来真实， 而且其中物体的行为也很真 实。 这一思想奠定了v r 研究的基础。1 9 6 8 年 i v a n s u t h e r l a n d 发表了 题为 “ a h e a d - m o u n t e d 3 d d i s p l a y ” 的 论文， 对头 盔式二 维显示装置的 设计 要求， 构 造 原理进行了 深入的讨论。工 v a n s u t h e r l a n d 还给出了这种头盔式显示装置的设计 原型，成为三维立体显示技术的奠定形成果。 v r研究的进展从六十年代到八十年代中期是十分缓慢的，直到八十年代后 期， v r技术才得以加速发展。这是因为显示技术已 能满足视觉祸合系统的性能 要求，液晶 显示 l c d ) 技术的发展使得生产廉价的头盔式显示器成为可能。 1 . 2 . 1虚拟现实的特征 g r i g o r e b u r d e a 和p h i l i p p e c o i f f e t 在著( v i r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y 一书中指出，虚拟现实具有三个最突出的特征，也是人们称为三 “ i ” 特性，即 交 互 性 ( i n t e r a c t i v i t y )、沉 浸 感 ( i l l u s i o n o f i m m e r s i o n ) 和 想 象 性 ( i m a g i n a t i o n ) 。交互性主要是指参与者通过使用专门设备， 用人 类的自 然技能 实现对模拟环境的考察与操作的程度， 例如用户可以用手去直接抓取模拟环境中 的物体， 且用户有抓东西的感觉， 还能感到物体的重量， 视场中被抓起的物体也 应随手的移动而移动。 虚拟现实并不只是一种媒介或一个高层终端用户界面， 它 的应用能解决在工程、医学、军事等方面的一些问题。 沉浸感是虚拟现实最主要的技术特征。虚拟现实的追求目 标是力图使用户在 计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种 全身心投 入” 的感觉状态， 有身临其境感。 在该环境中的一切， 看上去是真的、 听起来是真的、 动起来也是真的， 一 切感觉如真。用户觉得自己是虚拟环境中的一个部 分，而不是旁观者。 导致沉浸感的原因是用户对计算机环境的虚拟物 体产生了类似于对现实物体的存在意识或幻觉。 为此 认知 沉浸感 存在感 交互i i行为 必须具备3 种基本要素: 图像、 交互和行为， 他们是 相互关联的 ( 关系如右图) 。 它们对于用户的“ 存在” 意识的影响、 进而导致 “ 沉 浸感” 的过程实际上基于人的认知机理。 所以有人认为:“ 心理学是虚拟现实的 第 4页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用上海师范大学硕士学位论文 物理学” 。虚拟现实技术将从根本上改变人与计算机系统的交互操作方式。 在一个理想的虚拟现实世界中， 使用者根本无法确定他是面对的计算机所仿 真的环境还是面对的一个真实世界。 实现一个虚拟现实环境一般需要高速、 高质 量的三维图 形、 三维音频以及诸如头盔显示器和数据衣等硬件， 以便获得高度的 逼真性和可信度。 1 . 2 .2虚拟现实的软硬件状况分析 一个基本的虚拟现实系统由虚拟环境发生器、 虚拟环境、 传感器件、 作用器 件及人组成。虚拟现实的模型图如下: 图1 - 1虚拟现实模型图 具有临境感和交互性的虚拟现实系统的基本构成应包括:虚拟现实发生器、 声音合成器、 3 d 声音定域器、 语音识别器、 跟踪器、 触/ 动觉系统、 头盔显示器、 数据手套等硬件系统; 以 及虚拟现实境界构造程序和有关虚拟现实境界的数据库 等软件系统。 虚拟现实系统中的计算机主要要完成三项任务: 虚拟环境的生成与管理、 数 据输入、 数据输出。 为了 使系统拥有较好的交互性能， 不同的任务要使用一些特 殊的软硬件。 与虚拟现实有关的软硬件更新很快， 因此， 有必要简单讨论这些现 代化的设备。 1 . 2 .3虚拟现实的应用 虽然虚拟现实技术还不够成熟， 但它在许多领域都有潜在的应用。 它作为一 门新兴的科学，无论是在航空、航天、船舶、医学等高技术领域，还是在教育、 娱乐、 商业等方面都显示出了诱人的应用前景。 随着相关硬件、 软件成本逐渐降 第 5 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用上海师范大学硕士学位论文 物理学” 。虚拟现实技术将从根本上改变人与计算机系统的交互操作方式。 在一个理想的虚拟现实世界中， 使用者根本无法确定他是面对的计算机所仿 真的环境还是面对的一个真实世界。 实现一个虚拟现实环境一般需要高速、 高质 量的三维图 形、 三维音频以及诸如头盔显示器和数据衣等硬件， 以便获得高度的 逼真性和可信度。 1 . 2 .2虚拟现实的软硬件状况分析 一个基本的虚拟现实系统由虚拟环境发生器、 虚拟环境、 传感器件、 作用器 件及人组成。虚拟现实的模型图如下: 图1 - 1虚拟现实模型图 具有临境感和交互性的虚拟现实系统的基本构成应包括:虚拟现实发生器、 声音合成器、 3 d 声音定域器、 语音识别器、 跟踪器、 触/ 动觉系统、 头盔显示器、 数据手套等硬件系统; 以 及虚拟现实境界构造程序和有关虚拟现实境界的数据库 等软件系统。 虚拟现实系统中的计算机主要要完成三项任务: 虚拟环境的生成与管理、 数 据输入、 数据输出。 为了 使系统拥有较好的交互性能， 不同的任务要使用一些特 殊的软硬件。 与虚拟现实有关的软硬件更新很快， 因此， 有必要简单讨论这些现 代化的设备。 1 . 2 .3虚拟现实的应用 虽然虚拟现实技术还不够成熟， 但它在许多领域都有潜在的应用。 它作为一 门新兴的科学，无论是在航空、航天、船舶、医学等高技术领域，还是在教育、 娱乐、 商业等方面都显示出了诱人的应用前景。 随着相关硬件、 软件成本逐渐降 第 5 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用上海师范大学硕士学位论文 物理学” 。虚拟现实技术将从根本上改变人与计算机系统的交互操作方式。 在一个理想的虚拟现实世界中， 使用者根本无法确定他是面对的计算机所仿 真的环境还是面对的一个真实世界。 实现一个虚拟现实环境一般需要高速、 高质 量的三维图 形、 三维音频以及诸如头盔显示器和数据衣等硬件， 以便获得高度的 逼真性和可信度。 1 . 2 .2虚拟现实的软硬件状况分析 一个基本的虚拟现实系统由虚拟环境发生器、 虚拟环境、 传感器件、 作用器 件及人组成。虚拟现实的模型图如下: 图1 - 1虚拟现实模型图 具有临境感和交互性的虚拟现实系统的基本构成应包括:虚拟现实发生器、 声音合成器、 3 d 声音定域器、 语音识别器、 跟踪器、 触/ 动觉系统、 头盔显示器、 数据手套等硬件系统; 以 及虚拟现实境界构造程序和有关虚拟现实境界的数据库 等软件系统。 虚拟现实系统中的计算机主要要完成三项任务: 虚拟环境的生成与管理、 数 据输入、 数据输出。 为了 使系统拥有较好的交互性能， 不同的任务要使用一些特 殊的软硬件。 与虚拟现实有关的软硬件更新很快， 因此， 有必要简单讨论这些现 代化的设备。 1 . 2 .3虚拟现实的应用 虽然虚拟现实技术还不够成熟， 但它在许多领域都有潜在的应用。 它作为一 门新兴的科学，无论是在航空、航天、船舶、医学等高技术领域，还是在教育、 娱乐、 商业等方面都显示出了诱人的应用前景。 随着相关硬件、 软件成本逐渐降 第 5 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用上海师范大学硕士学位论文 低以 及技术方面不断取得新的突破， 虚拟技术的应用领域还将迅速扩大。 它是一 种可视化的工具， 它提供了远程培训和通讯， 并可用于定位和导航。 下面有一些 这方面的应用的例子。 ，可视化的工其 虚拟现实的交互特性和三维显示特性使工程师、 设计师可以 在实际的物体建 造之前， 先看到它的结构。 例如， 利用虚拟现实技术， 可以增强机械工具的计算 机辅助设计的能力， 设计者利用导航工具到需要修改的地方， 使用空间球来放大， 缩小或改变部件的颜色， 或添加新的特性， 然后可以从各个有利的角度来观察所 作的修改。 比起其它设计工具， 使用虚拟现实的另一个好处是使用户可以观察用 其他方法很难理解的模型。 因此， 它成为放射学者观察肿瘤结构的有利方法; 化 学家探索分子组成的方法:医学研究者预言治疗方法的效果。 在正式建造物理结构前，建立虚拟现实模型可以很好地节约资源。w i l s o n 指出， 在建造房子之前， 进行仿真可以很好地揭示设计的缺点。 例如. 一个轮椅 虚拟现实系统可以帮助确保设计的房子是对残疾人可用的。在完全的沉浸式系 统， 测试者利用数据手套和头盔系统， 坐在实际的轮椅上， 在一个虚拟的结构中 探索， 来决定建筑对残疾人的可用性，如门的宽度，小空间的回转性， 水龙头的 高度等。 使用虚拟原型来代替物理原型还可以很大地减少产品的开发时间和开发费 用。 当需要改变时， 可以很容易地修改部件或重新规划。 另外， 还可以 使非专业 人员清楚地看懂产品的设计， 虚拟现实提高了 产品设计者和顾客在设计和制造初 期的协作。这样可以更准确和迅速地响应市场的需求。 2远程培训和通讯 随着近二十年电子技术的发展， 标准的讲课方式的培训被快速发展新的方式 所代替。目 前， 远程培训的一个很大的缺点是指导者和学生之间缺乏交互。 对这 个问 题的一个解决方法是通过交互的视频传输， 但在目 前， 这种方法受传输信道 和设备的限制。而且，当 许多用户同时参加， 需要传给用户大量的视频图 像， 而且参加者不易感觉到他们在同一间会议室。 但应用虚拟现实就可以 做到感觉在 同一虚拟空间进行交互。 第 6 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用上海师范大学硕士学位论文 共享同一虚拟空间的概念是相当简单的。 许多计算机通过i n t e r n e t或其他 网络相连， 远程的用户和其他人共享同一虚拟现实， 并进行交互。 网络虚拟现实 的最初形式是基于文本的。 用文本来交谈意味着使用键盘来和在想象的虚拟空间 中的其他人交谈。 屋子里的物体如虚拟黑板， 虚拟投影仪， 都是可交互的并可响 应用户的要求。这些虚拟的环境已成为 i n t e r n e t 上的会议工具。除了简单的文 本表示， 他们给使用者”存在”的信息。 在一次 5 3个参加这样的 工 n t e r n e t 的 网络会议的人，其中7 4 % 的参加者感觉在同一房间开会。 在网络虚拟现实的高级形式中， 每一个参加者用一个化身， 坐在桌子的周围， 随着参加者的演讲， 化身可以 移动身体， 做手势。 这种方式提高了 用户的浸入感。 这种技术可用于协同工作和远程会议。 复杂的网络虚拟技术在几年前就应用于军事. 海军研究院网络车辆仿真器把 数百个远程用户连入沉浸式的虚拟环境中。 这项应用的目的是为了降低培训的费 用。 虽然建造这样一个系统也要投入很多人力， 但比召集这些人员培训的费用便 宜多了。 虽然网络虚拟现实比较可行和便宜， 但由于需要复杂的软件还不能在大面积 的推广， 更重要的是带宽的不足是最大的限制， 虽然利用替身已减少了数据的传 输。目 前的i n t e r n e t 服务由于带宽的缺乏，和缺乏服务质量的 保证对虚拟环境 的交互提出许多限制。 较复杂的系统在局域网中己有实现。 这些局域网通过以太 网 相连，以 太网的速度较快以 保证参加者进行交互。 目 前，最先进的系统还处在研发阶段。c a t e r p i l l a r 公司设计了一个系统使 全球各地的工程师协同设计c a t e r p i l l a r 的产品。 虽然原想在跨大西洋连接，目 前这系统只在三个使用政府的超级计算机上的虚拟现实系统和一个局域网中测 试。在这条件下传输质量相当好。参加者感觉通讯很自然。 3新手培训 虚拟现实的最广泛的应用是利用它的交互性和沉浸性进行培训。 虚拟现实广 泛用于各种设备的培训，这种培训可以避免高额费用和危险， 如在放射性的环境 中。 虚拟环境还可以根据难度系数的改变或提示的改变来改变， 它也可以暂停进 行讨论，还可以记录下全部过程。 虚拟现实的新手培训的最著名的应用是战斗仿 真器，还有用于潜水和外科。麻醉的仿真器。 第 7 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用上海师范大学硕士学位论文 一些成功的例子包括利用虚拟现实训练医学人员。例如， 虚拟现实为医学院 的学生学习解剖学和生理学提供动态的媒介。 用尸体只能解剖一次， 虚拟现实使 学生可以重复解剖并可以从各个角度来观察。 虚拟现实还用在训练外科医生进行 复杂的外科手术如腹腔镜检查，关节镜检查和内窥镜检查和其他一些微创手术。 虽然运用机械臂和其他一些照相机等设备用于远程操作已 很久了， 但利用位置和 力的传感手套和其他一些接口 技术， 虚拟现实为远程交互提供了更直接的 方法。 虚拟现实还可用于对灾难事件如飞机失事，地震等的模拟响应。 4定位和导航 虚拟现实技术可以帮助用户在不熟悉的或复杂的环境中导航。 一系列的 研究 表明在复杂环境中导航可以推广到实际的建筑物。 另一些研究发现使用过自 动导 向的虚拟地形环境的军事人员很容易适应真实的环境。 但是， 学会在虚拟环境下导航和实际情况还是有较大区别。 因此，目 前在虚 拟环境下的导航是作为在真实环境前的准备。 虽然， 虚拟现实常常用于对现存的 物理空间提供精确的表示， 但是用户的感觉在虚拟环境和真实环境还是不同。 例 如用户在虚拟环境下对大小和距离的感觉和在实际环境下是不同的。 学会在不熟悉的 环境下导航， 对有障碍的人是有帮助的。 在” 学会旅游”的 项目中， 认知障碍的人们进行基本旅游技能的训练， 如认识路标， 还可以进入公 车的仿真器。 虚拟现实还可以帮助有严重学习障碍的儿童培养生活技能， 例如在 虚拟商店里购物和付款，在虚拟城市的街道上认识交通安全。 虚拟现实技术也是大型数据库的理想导航工具。 例如查询超文本是一件繁琐 的过程。 w e b 浏览器限 制用户一次只能看一页， 而不能使用户知道他所在的确切 位置。 搜寻是一件智力活动，为了找到需要的信息，需要循环地比 较查询结果。 这些问题激发了对交互虚拟现实浏览器的研究， 通过它可以访问特定的页面， 同 时对周围环境有一了 解。一种辅助的查询工具可以动态地比较多重查询的结果。 在搜索空间的三维表示中， 每一次查询在三维空间分配一个位置， 用图 标代表每 一匹配的页面。 图标的空间位置表明页面匹配哪些查询， 每一页面的重要度和相 关性用图标的大小和明暗来表示。 三维可视化的结果给用户一个印象， 哪些页面 更重要，( 根据大小和明暗度) 以及哪些页面和主题更相关。 虚拟现实 ( v r ) 是一项新兴的技术， 它具有对很多领域带来一场革命的潜在 第 8 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用 上海师范大学硕士学位论文 动力。目 前，v r技术仍处在发展阶段，要使其真正有效地应用还有许多技术问 题有待解决。 其中实现v r的关键技术包括: 1 )实时，限时三 维动画 技术; 2 )临 场感 技术( 包 括宽 视场立 体显示技 术， 基于自 然的 人机交互 技术 等) ; 3 )快速高 精度三维 跟踪技术; 4 )辨识技术; 5 )传感技术等。 但是，虚拟现实技术在各行各业中都有着广阔的应用前景， 基于 i n t e r n e t 的虚拟现实将给我们的生活、工作、学习带来一个崭新的天地。 第 9 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用 上海师范大学硕士学位论文 第二章 计算机图形学和d i r e c t 3 d技术 2 . 1 d i r e c t 3 d发展的 现状 1 6 1 9 2 4 1 d i r e c t x 目 前发展到9 . o c 版本。 d i r e c t 3 d 技术是d i r e c t x 的一部分， d i r e c t x 的功能都是以c o m 组件的 形式 提供的。c o m 是组件对象模型 ( c o m p o n e n 七。 b j e c t m o d e l )的简写，它是一种协 议， 用来实现软件模块间的二进制连接。 当这种连接建立后， 两个模块之间 就可 以通过称为 “ 接口 ( i n t e r f a c e ) ”的机制来通信。 我们常用的a c t i v e x 控件就是 一种c o m 组件。 c o m 的实现细节相当 复杂， 不过， 微软己 经为我们最大限度地简化了c o m 的 使用，作为d i r e c t 3 d 开发人员，只要了解接口 及其用法就行了:所谓接口，其 实就是一组特殊的c + + 对象， 应用程序通过调用这些对象的成员函数， 来访问c o m 组件， 实现组件的功能。 在c o m 术语中， 这些成员函数被称为方法( m e t h o d ) 。 虽 然称呼变了， 但其调用方法与普通的c + + 对象相比， 并无二致， 接口 的特殊性在 于它的生成和消毁都由系统完成，无需用户干涉。 在d i r e c t 3 d 编程中，我们要做的工作基本上可以归纳为: 1 ) 调用适当的函数获取接口指针; 2 )调用接口的方法 ( 成员函数)来完成所需功能; 3 )用完接口 后，调用 r e l e a s e方法进行 “ 释放， ，注意释放顺序应该和获 取它们的顺序相反。 d i r e c t 3 d 的 “ 成 长 过 程 : d i r e c t x 6 中的d i r e c t 3 d 添 加了 如 下新 特性: 几何形体的灵活顶点格式定义 几何形体的顶点缓冲存储 支持多纹理渲染 自动纹理管理 可选深度缓冲 ( 使用 z b u f f e r 或w b u f f e r ) 通过凹凸环境贴图 ( b u m p e n v m a p )为反光面和水波特效提供逐像素的渲 第 1 0 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用上海师范大学硕士学位论文 第二章计算机图形学和d i r e c t 3 d 技术 2 1d i r e c t 3 d 发展的现状e l 【1 9 】 2 4 1 d i r e c t x 目前发展到9 o c 版本。 d i r e c t 3 d 技术是b i r e c t x 的一部分，b i r e c t x 的功能都是以c o m 组件的形式 提供的。c o m 是组件对象模型( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 的简写，它是一种协 议，用来实现软件模块间的二进制连接。当这种连接建立后，两个模块之间就可 以通过称为“接口( i n t e r f a c e ) ”的机制来通信。我们常用的a c t i v e x 控件就是 一种c o m 组件。 c o m 的实现细节相当复杂，不过，微软已经为我们最大限度地简化了c o m 的 使用，作为d i r e c t 3 d 开发人员，只要了解接口及其用法就行了；所谓接口，其 实就是一组特殊的c + + 对象，应用程序通过调用这些对象的成员函数，来访问c o m 组件，实现组件的功能。在c o m 术语中，这些成员函数被称为方法( m e t h o d ) 。虽 然称呼变了，但其调用方法与普通的c + + 对象相比，并无二致，接口的特殊性在 于它的生成和消毁都由系统完成，无需用户干涉。 在d i r e c t 3 0 编程中，我们要做的工作基本上可以归纳为： 1 ) 调用适当的函数获取接口指针； 2 ) 调用接口的方法( 成员函数) 来完成所需功能； 3 ) 用完接口后，调用r e l e a s e 方法进行“释放”，注意释放顺序应该和获 取它们的顺序相反。 d i r e c t 3 d 的“成长过程”： d i r e c t x 6 中的d i r e c t 3 d 添加了如下新特性： 几何形体的灵活顶点格式定义 几何形体的顶点缓冲存储 支持多纹理渲染 自动纹理管理 可选深度缓冲( 使用zb u f f e r 或wb u f f e r ) 通过凹凸环境贴图( b u m p e n y m a p ) 为反光面和水波特效提供逐像素的渲 第1 0 页 基于虚拟现实的虚拟养鱼系统研究与应用上海师范大学硕士学位论文 染和贴图能力 d i r e c t x 7 中的d i r e c t 3 d 添加了以下新特性： 硬件坐标转换和灯光( t l ) 支持 立方体表面的环境贴图 几何渲染 改进的纹理演染 自动纹理坐标生