虚拟现实技术及开发工具：深入实践和理论

要设计和构建一个身临其境的VR系统，需要研究包括计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音及音响技术、网络技术、并行处理技术等及其综合集成[163]。

PPGIS可以创建基于万维网上的VR系统，即在线虚拟现实(Online VR)。Online VR以三维图形境像为虚拟空间和场所，人在该虚拟世界中可以进行三维空间探索，并可与其他在线用户交谈、交互。这种OnlineVR并不一定需要头盔、立体眼镜、数据手套以及高性能的计算和图形处理软硬件设备，它把人与人之间的信息交流、社会互动作为重点[165]。

VR系统用到的主要技术及工具有以下几种：

(1)实时图形图像技术

实时真实感图形学技术是在当前图形算法和硬件条件的限制下提出的在一定的时间内完成真实感图形图像绘制的技术。VR系统要求图形与图像的刷新速率一般保持在30帖/秒，图形客体行为反应的滞后时间要小于0.1s。一些快速算法表明，若要达到30帖/秒的更新速率，现代高性能的图形工作站每秒也只能处理20000个多边形场景；若要加上阴影和纹理，则处理的面必须更少，而且包括20000个多边形的模型也是相当粗略的。为了提高虚拟环境的逼真感，目前实时图形图像技术主要着眼于以下三种技术的研究：实时消隐技术、多边形表面简化技术和基于图像的图形绘制技术[166]。

①实时消隐技术决定了场景中哪些物体表面可见，哪些被遮挡不可见。常用消隐算法有点取样算法和区域特采样算法。

②多边形表面简化技术主要是通过降低显示三维场景模型的复杂度来实现，这种技术被称为层次细节(Level of Detail，LOD)显示和简化技术。原理是在不影响画面视觉效果的条件下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率。该技术通常对一个原始多面体模型建立几个不同逼近程度的几何模型。与原模型相比，每个模型均保留一定层次的细节，当从近处观察物体时，采用精细的模型；而当从远处观察物体时，则采用较粗糙的模型。这样对于一个较复杂场景而言，可以减少场景的复杂度，同时对于生成的真实图像的质量的损失还可以在用户给定的阈值以内，而生成图像的速度也可以提高。但是当视点连续变化时，在两个不同层次的模型之间就存在一个明显的跳跃，有必要在相邻层次的模型之间形成光滑的视觉过渡，使生成的真实感图像序列是视觉光滑的。该技术的研究主要集中于如何建立原始网格模型的不同层次细节的模型以及如何建立相邻层次的多边形网格模型之间的几何形状过渡。对于原始网格模型的不同层次细节的模型的建立，从网格的几何及拓扑特性出发，存在着三种不同基本化简操作，它们分别是顶点删除操作、边压缩操作、面片收缩操作[5]。

③基于图像的图形绘制技术(Image Based Rendering)是近几年发展起来的一种建模技术。它是用待建三维虚拟空间的有限样本，在一定的图像处理算法视觉计算方法的基础上，来直接构造三维场景。其处理的方法常用的有图像透视变换、图像拼合、图像变形、图像合成与裁减等。与其他建模技术相比，其计算量较小，也不受场景复杂度的限制，对硬件的要求也不高，可以在微机上实现[166]。(www.xing528.com)

(2)碰撞检测与碰撞响应技术

碰撞是虚拟环境中经常发生的一类重要事件，如果发现一个虚拟物体在运动中与其他物体发生碰撞，那么就必须修改物体的运动方程，否则虚拟环境中就会出现虚拟物体之间相互穿透、彼此重叠等不真实现象，甚至发生操作者迷失自己的情况。碰撞结果将直接影响到虚拟环境中物体运动的逼真性。因此，要及时、正确获得物体运动的数学表示，首先要将碰撞检测出来，然后是对检测到的碰撞做出正确的响应[165]。

(3)VR系统图形程序设计接口

由于VR系统有时模型十分复杂，通常需要用3D图形加速卡来增加图形显示速度，因此需要三维图形程序设计接口(3D API)，它是沟通3D图形应用程序和3D图形加速卡之间的桥梁。目前可供选择的3D API有50多种，其中著名的有：SGI公司的OpenGL(Open Graphic Library)、Apple公司的Quick-Draw 3D(QD3D)以及Microsoft公司的Direct3D等。OpenGL具有跨平台应用开发优点，它在客户机/服务器体系结构中，可以将图形处理提交给服务器去做。由于许多在计算机界具有领导地位的计算机公司纷纷采用OpenGL作为图形应用程序设计界面，OpenGL应用程序具有广泛的移植性[5]。

(4)三维虚拟建模技术及工具

制作虚拟作品一般有以下三种方法：第一种是使用编程方法直接生成，第二种是使用已有的商品化软件，第三种是通过摄像拍摄。当前应用最为广泛的建模语言是VRML(VR Modeling Language)，它是一种面向对象、面向Web的三维解释性造型语言。其目标是建立因特网上的交互式三维境界，即以描述三维物体及其行为来构建虚拟世界。现所应用的VRML标准尚待进一步统一和制订，新一代VRML研究重点是基于XML的VRML。Web联盟推出的下一代VRML规范称为可扩展的三维图形规范(Extensible 3D Specification，X3D)，又称为VRML 200X规范。X3D由于本身的平台无关性、易扩展性、实现的灵活性，尤其是与XML的集成性，非常适合于分布式虚拟现实系统的开发。此外Web联盟为完整实现X3D规范，提供了一个开放源代码的X3D浏览器——Xj3D，它使用Java3D进行最底层的3D图形渲染[163]。