《虛擬現(xiàn)實(shí)與VRML－第三章虛擬現(xiàn)實(shí)的計算機(jī)技術(shù).ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《虛擬現(xiàn)實(shí)與VRML－第三章虛擬現(xiàn)實(shí)的計算機(jī)技術(shù).ppt（143頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

山東理工大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室虛擬現(xiàn)實(shí)與VRML 虛擬現(xiàn)實(shí)與VRML 第三章虛擬現(xiàn)實(shí)的計算機(jī)技術(shù) 第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 3 1虛擬現(xiàn)實(shí)的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)3 1 1虛擬現(xiàn)實(shí)對計算機(jī)系統(tǒng)的要求下面介紹的虛擬現(xiàn)實(shí)對計算機(jī)系統(tǒng)的要求 只包括了視覺顯示對計算機(jī)系統(tǒng)的要求 位姿傳感器的數(shù)據(jù)處理 一般不在主計算機(jī)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(shí)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(jī)完成 所以 當(dāng)前的虛擬現(xiàn)實(shí)計算機(jī) 主要完成視覺顯示的計算任務(wù) 1 幀頻和延遲時間的要求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) 要求的幀頻和延遲一般取決于環(huán)境特性 只有慢速運(yùn)動物體的較靜的環(huán)境 可以用幀頻每秒8至10 和0 1秒延遲 如果環(huán)境有高速運(yùn)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 幀頻概念來自動圖像技術(shù) 在動圖像顯示中 每一幀實(shí)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(yùn)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 對計算機(jī)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 為了維持在VR中的臨場和沉浸感 圖形幀頻是關(guān)鍵的 這些幀頻可能是獨(dú)立的 圖像場景可能變化 而沒有來自用戶視點(diǎn)運(yùn)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(yàn)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 如果應(yīng)用允許交互控制 也要求快速響應(yīng) 已知 長響應(yīng)時間 滯后時間 延遲時間 嚴(yán)重降低用戶性能 延遲時間是從用戶的動作開始 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(jī) 計算機(jī)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 這些延遲在計算機(jī)系統(tǒng)中來自很多因素 如數(shù)據(jù)存取時間 計算時間 繪制時間以及輸入設(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 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 研究表明 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 2 計算能力和場景復(fù)雜性虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的計算問題 是一種時間受限的計算 這是因?yàn)轱@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 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 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(qiáng)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(jī) 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 這種考慮就是 計算能力和場景復(fù)雜性的折衷 下面幾節(jié)將介紹用于VR的各類計算機(jī) 對這些計算機(jī) 主要的技術(shù)指標(biāo)就是其計算能力 也就是每秒計算的三角形 或多邊形 的數(shù)目 應(yīng)該注意 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 下圖表示 波音747 400飛機(jī)的兩種復(fù)雜性不同的三維模型 a 中的模型有520個頂點(diǎn) 406個多邊形 b 中的模型有7694個頂點(diǎn) 7556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 3 對計算機(jī)系統(tǒng)的要求圖形學(xué)和計算機(jī)硬件的進(jìn)展對全真實(shí)的VR是關(guān)鍵因素 今天的硬件能力只能給研究者 廠家和用戶提供虛擬世界的嘗試和應(yīng)用的希望 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 我們始終需要為應(yīng)用提供高計算要求的計算機(jī)結(jié)構(gòu) 這些機(jī)器必須有很大的物理存儲 15Gbytes 多個高性能向量處理機(jī) 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 磁盤帶寬不可能在近幾年大大改進(jìn) 對錄象和超媒體集成 磁盤帶寬和大小是限制因素 也需要巨大的計算和數(shù)據(jù)管理能力 物理建模和可視化計算將是計算需求的推動力 現(xiàn)在某些問題要求40Mflops機(jī)器能力 如果希望加入更多數(shù)據(jù)或開發(fā)更細(xì)分辨率的模型 就會使用這一層次的計算能力 重要的是鼓勵實(shí)際生產(chǎn)VR要求的機(jī)器 3 1 2基于PC的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器Grimsdale 1992 指出 讓一般公眾接受虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)要求的新功能 當(dāng)前最大的計算基礎(chǔ)包括遍布全世界的幾千萬臺PC 利用PC平臺的另一個優(yōu)點(diǎn)是價格低 于是在1992年推出了低級的基于486的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)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 1 有ActionMedia圖形加速器的486 PCPimentel和Teixeira 1993 介紹了基于486PC的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器 它用兩個IntelActionMediaII圖形板 為了減少CPU的計算 并減少在慢速的8 MHz的PC總線上的通訊 兩個圖形板是必要的 圖形命令以 壓縮 形式由CPU送給ActionMedia板 它為兩只眼繪制兩個圖像 在并行工作時 每個板可以繪制約3000 5000個多邊形 秒 而且實(shí)際的能力會降低約20 于是 有效的繪制率是4000個多邊形 秒 如果更新率是30個畫面 秒 得到的場景復(fù)雜性僅133個多邊形 畫面 眼 如果更新率僅有10個畫面 秒 則虛擬場景可以有400個多邊形 圖形加速器的輸出 紅 綠 藍(lán) RGB 格式 不能直接由FlightHelmetHMD顯示 于是需要兩個RGB NTSC轉(zhuǎn)換器 每個圖形輸出一個 NTSC信號之一接到一臺監(jiān)視器 允許與HMD同時分別觀察 Logitech跟蹤器連到PC的串行口 傳送頭部位置數(shù)據(jù) Beachtron 3 D聲音卡插到PC的母板上 輸出虛擬聲音到頭盔的耳機(jī) 2 有SPEA Fire 圖形加速器的486 PC比ActionMediaII更強(qiáng)的PC圖形板是SPEASoftwareAG的 Fire 板 價格約4000美元 它的繪制速率約為18000平面明暗化多邊形 秒 和7000Gouraud明暗多邊形 秒 Fire板使用i486RISC處理器 有64bit結(jié)構(gòu)和40MIPS 到程序存儲器的64 bit總線確保極快的數(shù)據(jù)傳送 8到18Mbyte的程序存儲器可以用于數(shù)據(jù)存儲 顯示表 用于軟件驅(qū)動器和Z 緩沖器 對3 D對象 卡的Video存儲器的組織 允許不同的輸出分辨率 由VGA到1280 1024象素 RGB輸出可以轉(zhuǎn)換成NTSC 這是通過SPEATVX轉(zhuǎn)換器 或用HarmonicResearchInc 的CV 121轉(zhuǎn)換器 它有8MHz的亮度帶寬 330線的視頻分辨率或450線的S 視頻輸出 Doucet和Rothman 1993 把兩個Fire板集成在Intel48650MHz上 正如上面的例子 虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器包括 有PolhemusFastrack的FlightHelmetHMD Beachtron3 D聲音產(chǎn)生器 跟蹤球 以及MicroIntro語音識別系統(tǒng) 這個系統(tǒng)中好的策略是 首先確保每個部件與PC平臺正常工作 然后檢查整個系統(tǒng)的一致性 因?yàn)椴煌瑥S家制造的部件有不同的 有時沖突的 要求 Fire板的集成就是用跨接線設(shè)定板的存儲地址 每個板必須有不同的地址 而且選擇的地址必須在VGA板選用的最高存儲地址以上 于是 FireGDCINST布局軟件被用于設(shè)定板的口地址 和雙板工作方式 板的輸出視頻分辨率是用Fire860MODE軟件設(shè)置的 兩個板的輸出用上述的HarmonicResearch轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為NTSC 使用的跟蹤球是SpaceballTechnologiesInc 的 Spaceball2003 它連接到PC串行口COM2 Sense8WorldToolKit通訊驅(qū)動器支持這個跟蹤球 它只需要用串行口COM1和COM2 集成Fastrack跟蹤器 是通過設(shè)置接收器的號碼和串行口波特率 用接口單元前面的開關(guān) 設(shè)置接收器的號碼為1 串行口波特率被設(shè)置為9600波特 這是用接口單元后面的開關(guān) 然后把它連到串行口COM4 與HMD并行工作 用于使仿真可視化的監(jiān)視器 在Fastrack 初始化 時應(yīng)該斷開 以便減少磁干擾 MicroIntro MIV 語音識別系統(tǒng)連到COM3口 再對每個用戶 訓(xùn)練 然后斷開它的麥克風(fēng) 使用集成到FlightHelmet的一個 這就降低了語音識別的比率 可能因?yàn)轭^盔的麥克風(fēng)遠(yuǎn)離用戶嘴 于是 MIV麥克風(fēng)最后再次使用 并在外部安裝在FlightHelmet 單詞 識別 的進(jìn)一步的問題仍然存在 可以參見Doucet和Rothman 1993 的報告 Beachtron的集成是設(shè)置板頂上的DIP開關(guān) 選擇正確的口地址 在把板插在PC母板后 Multisound 軟件必須在Windows下裝入 這也是選擇正確的IRQ 口和存儲地址 以便在WorldToolKit中工作 作者進(jìn)一步指出 Beachtron聲音板的集成是系統(tǒng)集成中最困難的部分 這是由于幾個因素 首先 用于與Beachtron接口的軟件庫還沒有資料 并正在開發(fā) 其次 現(xiàn)有的Beachtron庫要求賦給Beachtron特定的中斷 口地址和存儲地址 最后 Beachtron軟件最初的版本與Spaceball沖突 這就妨礙了二者同時使用 這個問題在系統(tǒng)開發(fā)中被消除了 在系統(tǒng)集成中真正的難點(diǎn)是讓所有設(shè)備有相容的IRQ向量 所采用的I O板只允許COM3和COM4使用中斷3 4 5或9 MIV語音識別設(shè)備只能用直至5的中斷 而Fastrack不能用高于7的中斷 3 其它基于PC的圖形加速器PC上其它的圖形性能是由 Stride 板得到的 Stride圖形加速器使用兩個板的配置 基本板和協(xié)作的Gouraud明暗板 基本板使用基于TexasInstrumentsTMS34020圖形加速器的8 bit圖形機(jī)器 為了更快的計算 可以增加最多兩個TMS34082浮點(diǎn)協(xié)處理器 通用8 bit擴(kuò)展母線連接器允許增加其它板 如聲音產(chǎn)生器 Stride卡上的高速多邊形繪制設(shè)備放在第二個板上 圖像繪制器與基本板的連接是通過獨(dú)立的接口 這避免了利用慢的PC總線 繪制器可以作Gouraud明暗和Z 緩沖器 并有自己的視頻存儲器 一個繪制器可以作35000個明暗的多邊形 秒 而用兩個繪制器則是70000個明暗的多邊形 秒 這是很強(qiáng)的PC圖形加速器 它的能力超過某些基于工作站的系統(tǒng) 由于每個Stride基本板只有一個RGB輸出 立體輸出就要求兩個基本板 以及多達(dá)兩個繪制器板 即總共六個板 由于每組三個板價值26000美元 在兩個協(xié)處理器的方案 這是很昂貴的系統(tǒng) 此外 六個板在PC母板上占用六個槽空間 這減少了構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器的其它I O工具可用的槽數(shù) 最后 當(dāng)前被DivisionLtd 推出的新的板的家族是 PCdView 和 MacdView PCdView是在IBMPC 兼容機(jī)上的實(shí)時圖形的圖像生成和軟件環(huán)境 而MacdView工作在Macintosh上 PCdView 和 MacdView 都用高級PAZ繪制器 它使應(yīng)用程序直接處理復(fù)雜的虛擬對象 它的多處理器結(jié)構(gòu)基本上與Provision100之一相同 并可以繪制超過3萬個Phong明暗多邊形 秒 或3 5萬個Gouraud明暗多邊形 秒 這些以800萬象素 秒速率作Z 緩沖 幾何數(shù)據(jù)的存儲卡存儲超過4萬多邊形 立體圖形是用兩個PCdView 或兩個MacdView得到的 每個眼一個 單個PcdView MacdView板的價格是5500美元 更貴的版本可以提供紋理 價值12000美元 4 圖形硬件圖形硬件是使圖形繪制加速的硬件設(shè)備 圖形硬件涉及到圖形流水線 圖形卡的AGP和PCI 圖形加速器 以及Add ons 下圖表示圖形卡的工作原理 圖形流水線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 這個過程涉及到很多步驟 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(yùn)算是在圖形加速器中進(jìn)行 應(yīng)該注意到 數(shù)據(jù)離開CPU后 應(yīng)該馬上經(jīng)過四步 由總線進(jìn)入VideoChipset 視頻芯片 并進(jìn)行處理 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 這主要取決于總線類型 速度和CPU 由VideoChipset進(jìn)入VideoMemory 視頻存儲器 保存屏幕圖形的鏡象 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 這一步和下一步都要求更大更快的總線 VC和RAMDC應(yīng)該存取VRAM 由VideoMemory進(jìn)入DigitalAnalogConverter RAMDAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 讀出屏幕鏡象 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換 由DigitalAnalogConverter到監(jiān)視器 模擬數(shù)據(jù) 由此可見 除了第四步外 每一步對圖形子系統(tǒng)的性能都是某種瓶頸和關(guān)鍵 最慢的一步會確定全局速度 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(jī)內(nèi)部總線 總線把計算機(jī)的插入卡 網(wǎng)絡(luò)卡 圖形卡等 連接到CPU PCI總線的傳輸速度限制在130Mb s 這說明 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 它的通過量為530Mb s 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 Intel已經(jīng)開發(fā)了AGP2x和4x 比正規(guī)的AGP速度更快 PCI結(jié)構(gòu)的工作原理 AGP結(jié)構(gòu)的工作原理 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 至今 這些繁重計算主要包括 加紋理 反走樣 以及其他計算密集的函數(shù) NVidia將推出芯片 完成光照及其變換 它將取代CPU的工作 大大加速顯示過程 允許實(shí)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(shí)時明暗加在其Voodoo芯片上 Add ons適用于只有2D加速器 但沒有3D加速器的計算機(jī) 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(shí)現(xiàn) 很多公司正在考慮圖形硬件的限制 提出解決辦法 最大的問題之一是能把數(shù)據(jù)塞進(jìn)圖形加速器 再取出并送到顯示器 PixelFusion公司正采用UNCChapelHill sPixelPlanes的技術(shù) 并實(shí)現(xiàn)在一個圖形板上 它打破場景 作并行處理 用多個處理器同時處理場景的不同部分 這使它的繪制能力達(dá)到200Gb s 這個卡有7千萬晶體管 有超過1300個算術(shù)運(yùn)算單元 ALU MitsubishiElectric正在開發(fā)立體繪制的硬件 它使用了體素 voxels 繪制3D物體 體素是3D的象素 即使還是在開發(fā)的第一階段 也已經(jīng)能實(shí)時改變光照 紋理和明暗 此外 也能實(shí)時改變模型上的變換 動態(tài)產(chǎn)生剪切平面 透明性和材料性質(zhì) 5 3D顯示卡第四代3D顯示卡有如下列幾種 1 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(dú)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 2 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 快是它的最大特點(diǎn) 價格1650元 3 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 4 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 5 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 3 1 3基于工作站的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)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(diǎn)是有更強(qiáng)的計算能力 更大的磁盤空間和更快的通訊方式 于是 預(yù)計主要的工作站制造廠家將開發(fā)某些虛擬現(xiàn)實(shí)功能 Sun和SGI采用的一種途徑是用虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)專用的 總承包 系統(tǒng) 如Provision100 這是基于工作站的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器的兩種發(fā)展途徑 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(yùn)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 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 和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 和手跟蹤與手姿識別的 actors 手套處理器 這個結(jié)構(gòu)也有一個I O卡 并允許增加附加的I O處理器 與486PC等主計算機(jī)的連接允許基于UNIX的Provision100用于仿真中的高級終端 Provision模型100VRX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 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 一個獨(dú)立的板有一個40 MHzi860處理器 以及多達(dá)16Mbytes存儲器 它用于對仿真中所有運(yùn)動的虛擬對象的碰撞檢測 一個T425transputer在整個仿真管理中幫助i860 同一個板上的兩個T805transputers監(jiān)控4到8個RS232串行口和兩個可編程I O PIO 通道 這些用于由跟蹤器和其它虛擬現(xiàn)實(shí)工具的數(shù)據(jù)采集 如用于仿真的3 D鼠標(biāo) 最后 一個聲音系統(tǒng) Beachtron 提供高質(zhì)量的3 D聲音 它放在單獨(dú)的板 與上述其它板一起插在同樣的EISA總線上 1993年 Provision100VRX的價格是45000美元 不含HMD和3 D鼠標(biāo) 但它現(xiàn)在的價格是64000美元 包括紋理映射生成器 Fastrack跟蹤器 Beachtron3 D聲音 HMD和支持軟件 3 1 4高度并行的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器 因?yàn)橛嬎隳芰Τ蔀閂R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(shí)機(jī)器 以便提高計算能力 1 Division公司的 SuperVision 機(jī)器Provision可以繪制3 5萬個多邊形 眼 秒 這是良好的開始 但還遠(yuǎn)離圖形真實(shí)性所要求的幾百萬個多邊形 眼 秒 1992年 Division宣布了 SuperVision 機(jī)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 眼 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 計算 繪制卡的連接是通過高速的 200MBytes 秒 低執(zhí)行時間的通訊線路 每個處理器組都是自治單元 有一個40MHzi860處理器 一個用于I O的T425transputer 以及多達(dá)16Mbytes的局部存儲 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(shí)時覆蓋在實(shí)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(diǎn)到點(diǎn) 的通信路線 它可以用于任何數(shù)據(jù)類型 由實(shí)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 可以選擇不同的分布方式 使得對不同問題的性能最優(yōu) 當(dāng)前 SuperVision還不能大量生產(chǎn) 因?yàn)檫€在對系統(tǒng)各部件進(jìn)行測試和排除故障 2 SGI公司的IRIS 1400到RealityEngine2 SGI SiliconGraphicsIncorporated 公司制造的圖形系統(tǒng)具有某種更靈活更強(qiáng)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)鍵問題是系統(tǒng)支持強(qiáng)大的計算 體視的多通道視覺輸出 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是它的特點(diǎn) SGI從1983年就著手開發(fā)在技術(shù)前沿的多處理機(jī)圖形工作站 它的系統(tǒng)包括三代 第一代是1000 2000和G 第二代是GTX VGX和VGXT 第三代是RealityEngine和RealityEngine2 1993年1月 SGI發(fā)布了ONYX圖形超級計算機(jī) 它包括新的多處理結(jié)構(gòu)PowerPath2 這是基于在150MHz工作的MIPSR4400RISCCPU的24個并行處理機(jī) I O通道帶寬是對存儲器速率1 2Gbytes s 支持以50Mbytes s工作的VME64位總線 ONYX可以用3個圖形流水線 這是基于新的RealityEngine圖形子系統(tǒng) 新的圖形系統(tǒng)比1992年7月的RealityEngine提供高50 的多邊形性能 它的速率達(dá)每秒2百萬個三角形 和每秒90萬紋理的Gouraud明暗的反走樣的加霧的Z緩沖三角形 任選的多通道板 使用戶能讀取幀緩沖區(qū) 并對不同區(qū)域給不同顯示設(shè)備 于是130萬象素幀緩沖區(qū)或者用于1280 1024顯示 或用于四個640 512顯示 多通道選擇提供了六個不同輸出 ONYX2系列是SGI的高檔圖形設(shè)備 它組合了最大的超級計算和可視化 他的布局可能是可聯(lián)網(wǎng)的單機(jī)工作站 也可能是使用多達(dá)128個 R12000 RISC處理器的全機(jī)架系統(tǒng) 這個全機(jī)架系統(tǒng)支持多達(dá)16個可視化子系統(tǒng) 從而可以支持4個繪制管理器 以及多達(dá)320MB幀緩存 它用于世界上很多領(lǐng)先的研究 軍事 政府 醫(yī)療 和娛樂業(yè) 在油氣勘探開發(fā)的應(yīng)用中 ONYX2的OpenGLVolumizer允許勘探開發(fā)工程師 同時交互地處理和分析大量數(shù)據(jù) RealitySystems用于產(chǎn)生高質(zhì)量的地下地形的體可視化 政府用ONYX2處理圖像 錄像 三維地形 以及地球空間數(shù)據(jù) 也用于各種仿真器 任務(wù)規(guī)劃 戰(zhàn)場可視化 軍事圖像和智能制造 工廠用這些系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜系統(tǒng)的高逼真度實(shí)時仿真 通過所有設(shè)計人員的合作 在開始制造前確保整個設(shè)計的一致 這些系統(tǒng)也被娛樂業(yè)采用 如ILM PIXAR等 電影界用它制造特殊效果 ONYX2的選項包括 DigitalVideoMultiplexing 數(shù)字視頻選通 ImmersiveVisualizationDesk1000D和2000D 沉浸的可視化工作臺 以及聯(lián)網(wǎng) ImmersiveVisualizationDesk是3D立體工作站 往往使用手套或3D筆 使用戶可以操作3D圖像 可以采用臺式顯示 或大的顯示 約6英尺 ONYX2的主要指標(biāo)為 14MbyteOpenGLDisplaylistcache 有300MB sec通過量 實(shí)時3D體繪制 24英寸監(jiān)視器 支持立體的NTSC1920 x1080HDTV顯示 256MBto256GB系統(tǒng)RAM 可達(dá)2 3TB內(nèi)部盤存儲 1GB物理的紋理存儲 每秒可處理多達(dá)2億個多邊形 每秒填充率70億個象素 可以用于醫(yī)療專業(yè)的X Rays處理 3 Evans Sutherland公司的Freedom3000Evans Sutherland E S 原來是飛行仿真器公司 它最近發(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(diǎn) 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 Freedom3000包括下列技術(shù) 用0 8 CMOS的五個專有的VLSIASIC芯片 可編程高速微處理機(jī)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 以及象素填充率950萬 秒 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?yàn)楣ぷ髦谢A(chǔ)研究多于制造機(jī)器產(chǎn)品 所以他們的機(jī)器總是處于圖形硬件的前沿 1988年 PixelPlanes4有每秒2 7萬多邊形能力 1991年 改進(jìn)的PixelPlanes5有每秒1百萬多邊形能力 最新的機(jī)器PixelFlow正在開發(fā) 但已顯示很大潛力 PixelFlow和其圖形性能是將來高性能三維VR的重要部分 它是高速圖形生成的結(jié)構(gòu) 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(shí)時組合這些圖像 產(chǎn)生全屏圖像 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(shí)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(jī) 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 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(shí)時交互的3D可視化 繪制和動畫 實(shí)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(yùn)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(shí)時動畫 系統(tǒng)沒有大存儲空間支持電影一類大的課題 它沒有rack type系統(tǒng) Elite3D的主要指標(biāo)為 用在Solaris操作系統(tǒng) 2 6或更高 支持OpenGL1 1 1 有加速的照明和線點(diǎn)的反走樣 有加速的象素深度信息和alpha內(nèi)插 SunUltra10工作站的主要指標(biāo)為 是3D建模和圖形應(yīng)用的臺式系統(tǒng) 與Elite3D m3orm6 視頻子系統(tǒng)合作 440MhzUltraSPARC處理器 有2MBcache 可達(dá)1GBDRAM和18GB硬盤空間 與Elite3D圖形子系統(tǒng)合作 6 更強(qiáng)大的機(jī)器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(jī) teraflops 全美國人不停地手算125年 才相當(dāng)于該機(jī)器工作1秒鐘 該機(jī)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(yàn)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(shí)驗(yàn)室 正在安裝5500萬美元的RedMountain機(jī)器 新墨西哥州的LosAlamosNationalLaboratory 洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室 和加州的theLawrenceLivermoreNationalLaboratory也使用該機(jī)器 該機(jī)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(jī)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 RedMountain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(jī)器有比較RedMountain更強(qiáng)的圖形能力 增加了16臺SGIInfiniteReality機(jī)器 BlueMountain組織成48個128處理器的共享存儲器多處理機(jī) 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 第二節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件系統(tǒng) 3 2 1虛擬現(xiàn)實(shí)對工具軟件系統(tǒng)的要求虛擬現(xiàn)實(shí)程序設(shè)計需要有關(guān)實(shí)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(jī)程序員精通這些技巧 但他們不可能熟悉各種虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(shí)產(chǎn)品 虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的工具軟件系統(tǒng)應(yīng)該滿足下列要求 工具軟件 工具盒 是為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)要求設(shè)計的面向?qū)ο蠛瘮?shù)的可擴(kuò)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(kuò)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(shí)工具盒具有的另一個重要特征是硬件獨(dú)立性 寫的函數(shù)用于各種平臺 實(shí)質(zhì)上是一般的 實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)是因?yàn)楦邔拥暮瘮?shù) 不知道 它在特定的硬件上運(yùn)行 低層的 轉(zhuǎn)換器 在運(yùn)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 何謂虛擬實(shí)境 免付費(fèi)共用軟體由對虛擬實(shí)境有熱忱的人士 所自行發(fā)展而成 可自行下載使用或修改 幾何式商用授權(quán)軟體場景是由許多的幾何模型所構(gòu)成 軟體通常具備相當(dāng)完整的模擬功能與週邊硬體支援 國際通用標(biāo)準(zhǔn)主要是根據(jù)VRML所開發(fā)的套裝工具影像式商用授權(quán)軟體場景的建構(gòu)主要是透過影像拍攝及影像組合而成 場景的真實(shí)性相當(dāng)高 但缺點(diǎn)是較缺乏互動性 虛擬實(shí)境軟體的選用 價錢與功能電腦硬體需求配備週邊硬體的支援程式撰寫的需求模擬的逼真度軟體影響模擬逼真度最深 一個擬真度越高 互動性越好的場景 使用者越容易融入模擬的情境中 也越能達(dá)到建構(gòu)模擬系統(tǒng)的期望 免費(fèi)的公用軟體 REND386軟體本身是使用BorlandC和組合語言所開發(fā) 為較高階的程式語言 不太適合去描述較複雜的行為 AVRIL強(qiáng)調(diào)容易使用 完整的文件資料 免費(fèi)下載及具有可攜性 在不同的平臺間只要簡單的修改即可使用VR386一秒鐘可以處理20 000個多邊形 也支援了部份的虛擬實(shí)境週邊硬體 VRJuggler包括了物件表面展示模組 物件追蹤模組 導(dǎo)覽模組 圖形彩現(xiàn)引擎及圖形化使用介面等 幾何式商用授權(quán)軟體 1 WorldToolKit WTK 由Sense8公司所出版 支援多種平臺 提供了超過一千個以上使用C語言所寫的函式庫不具備模型繪製功能 需配合其他建模軟體無法單獨(dú)使用 須配合C語言設(shè)計使用者界面 並依模擬的需求 呼叫合適的WTK函式庫 以進(jìn)行場景或模型的控制 幾何式商用授權(quán)軟體 2 WorldUp同屬Sense8公司的產(chǎn)品 以Windows平臺為主具備一個視覺化的編輯界面 提供直覺化 更便利的使用環(huán)境 具備簡單的模型編輯功能以單機(jī)模擬為主 World2World承襲了WorldUp的功能 並加入了多人連線功能 可用於開發(fā)多人共用連線模擬系統(tǒng) 幾何式商用授權(quán)軟體 3 Superscape 3DWebmaster Do3D早期即可在486電腦及DOS模式下運(yùn)作 後也支援視窗作業(yè)系統(tǒng) 提供多種不同功能的編輯器 如模型編輯器 材質(zhì)貼圖編輯器 聲音編輯器 版面編輯器 鍵盤編輯器等可使用SCL語言進(jìn)行多變的物件控制變化內(nèi)建基本的物理特性及特效模擬 如碰撞偵測 重力 摩擦力 雲(yún)霧 鏡面反射等 亦可使用SDK自行開發(fā)所需功能 已不再提供產(chǎn)品支援 萬能材料試驗(yàn)機(jī)模擬系統(tǒng) 機(jī)械手臂防護(hù)裝置模擬系統(tǒng) 幾何式商用授權(quán)軟體 4 EON物件的控制是採用圖控式程式撰寫界面內(nèi)建相當(dāng)多的物理特性及特效模擬提供ActiveX元件 可與其他的開發(fā)工具 如VB VC等 或多媒體編輯工具 如Director Authorware 等 做結(jié)合 電腦商品展示 機(jī)械手臂操作模擬 幾何式商用授權(quán)軟體 5 Virtools直覺式的圖形開發(fā)介面提供模擬場景裡面物件所需的真實(shí)物理屬性提供的人工智慧判斷能夠與Xbox間做檔案的溝通與轉(zhuǎn)換可提供沈浸式虛擬實(shí)境體驗(yàn) 虛擬城市 石門水庫洩洪模擬 幾何式商用授權(quán)軟體 6 Division和WTK一樣 不具備模型的製作及編修功能 場景的製作須先在其他3D模型上繪製軟體本身已提供相當(dāng)多的物理特性函式庫 可縮短模擬系統(tǒng)開發(fā)的時間 週邊硬體的支援上相當(dāng)豐富主要有三個使用界面 函式庫發(fā)展界面 編輯語言發(fā)展界面及圖形式發(fā)展界面 幾何式商用授權(quán)軟體 7 MultiGenCreator在地形 海洋 天空等模型的建構(gòu)上 表現(xiàn)相當(dāng)優(yōu)異CreatorPro 3D模型建構(gòu)工具 可以產(chǎn)生擬真度相當(dāng)高的三維模型RoadTools 優(yōu)異的路面模型建構(gòu)工具 並可符合美國國家高速公路及交通運(yùn)輸協(xié)會對於道路幾何構(gòu)面的要求CreatorTerrainStudio 快速建造大面積地形或地貌資料庫的工具Vega 是MultiGen主要的視覺模擬工具 軟體操作畫面 道路模擬場景 國際通用標(biāo)準(zhǔn)軟體 HTML HyperTextMarkupLanguage 這是W3C WorldWideWebConsortium 所制定的網(wǎng)頁製作標(biāo)準(zhǔn) 資料是以平面的方式進(jìn)行呈現(xiàn) 雖然可使用Java或Flash來增加網(wǎng)頁的互動性 但仍不能完全滿足人們對於在網(wǎng)頁中使用3D互動式場景的需求 如何在現(xiàn)有的網(wǎng)頁架構(gòu)上 增加可以跨平臺的3D互動式網(wǎng)頁操作 VRML VRML的起源與發(fā)展 MarkPesce TonyParisi及PeterKennard在1994年第一屆全球資訊網(wǎng)研討會發(fā)表的3D瀏覽器 Labyrinth 平臺獨(dú)立性具備可擴(kuò)充性可在低頻寬 14 4kbps 網(wǎng)路環(huán)境下的運(yùn)作能力以SiliconGraphics Inc SGI 的OpenInventor檔案格式為基礎(chǔ) 制定了VRML1 0的標(biāo)準(zhǔn) 但靜態(tài)的展示仍無以滿足人們的需求 VRML1 0 VRML97 X3D 不同版本的VRML VRML1 0以提供靜態(tài)的展示為主 並未具備與3D物件互動的功能 檔案第一行 VRMLV1 0asciiVRML97強(qiáng)調(diào)增加了3D物件的互動性 與物件的行為描述功能 VRMLV2 0utf8X3D強(qiáng)調(diào)與XML Java及串流視訊的整合 VRML編輯工具 使用一般文字編輯工具即可 但無法熟記所有的節(jié)點(diǎn) node 名稱及使用方式 或憑空想像物件在空間位置的定位及行為 是否有類似Dreamweaver的編輯工具 現(xiàn)今常見的模型建構(gòu)軟體 如3DSMax Viz Maya AutoCAD SolidWorks Pro E 等等 都已經(jīng)可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的VRML模型檔 虛擬實(shí)境套裝開發(fā)工具 如Superscape EON WorldUp等 也可支援標(biāo)準(zhǔn)VRML模型檔的匯入或匯出 都大幅增加了VRML的實(shí)用性 VRML編輯工具 續(xù) VRMLPadParalleGraphics公司所發(fā)表的VRML編輯工具 為純文字界面的編輯功能 缺乏所見即所得的預(yù)覽視窗 編輯後的檔案需藉由VRML瀏覽器的播放 才能了解編輯後的結(jié)果 VRCreator具備所見即所得的操作界面外 軟體還內(nèi)建超過1 000種的模型檔 聲音檔 行為命令 材質(zhì)圖庫等CosmoPageFXVRCreator的新版本 VRML編輯工具 續(xù) VirtusWalkThroughPro由Virtus公司所發(fā)表的視窗化VRML編輯工具定位主要在於讓使用者能夠設(shè)計出一套簡易的建築物導(dǎo)覽486等級的電腦 搭配一般的VGA顯示卡即可操作僅支援VRML1 0 軟體本身並不提供複雜的物件建構(gòu)功能 且無法載入外部圖檔 僅支援少數(shù)的虛擬實(shí)境週邊硬體 VRML編輯工具 續(xù) InternetSpaceBuilder ISB 為ParallelGraphics公司所推出的另外一套VRML編輯軟體所見即所得的操作界面 可直接點(diǎn)選軟體提供的基本物件模型 圖片 影片及材質(zhì) 並可即時看到改變後的場景內(nèi)容 具簡單的模型編輯工具 但無法建構(gòu)複雜的物件模型 VRML編輯工具 續(xù) CosmoWorlds支援VRML97規(guī)範(fàn)中所訂定的各項功能節(jié)點(diǎn)可以使用圖形化的編輯介面輕鬆的改變各項場景或是物件的設(shè)定 可立即在場景預(yù)覽視窗中觀看改變後的效果 具備Script編輯工具 可設(shè)定較為複雜的模型運(yùn)動行為 VRML瀏覽工具 使用時須搭配網(wǎng)頁瀏覽器 如IE或Netscape等 再外掛VRML的瀏覽程式 部份VRML瀏覽程式也提供ActiveX的物件 可結(jié)合程式開發(fā)工具開發(fā)功能更為廣泛的模擬系統(tǒng) CosmoPlayer Viscape WorldView BlaxxunContact Voyager WebOOGL i3D WebSpace GLView VRWeb VRML瀏覽工具 續(xù) CosmoPlayer電腦組裝播放畫面 BlaxxunContact操作畫面 影像式虛擬實(shí)境 影像式虛擬實(shí)境場景的製作 不像製作幾何式場景需要有立體空間的概念 而且需要熟悉各項模型編輯指令 貼圖技術(shù) 方可製作符合需求的場景 製作影像式虛擬實(shí)境只需要一部數(shù)位相機(jī) 可依需求選用不同解析度的數(shù)位相機(jī) 腳架與編輯軟體 再透過一些簡單的操作 便可輕輕鬆鬆製作屬於自己的虛擬場景 影像式商用授權(quán)軟體 1 QuickTimeVR由Apple公司所發(fā)展出來跨平臺的影像式虛擬實(shí)境技術(shù)希望能提供使用者如真實(shí)照片般 且具有不同維度的影像式虛擬實(shí)境可製作360度的全景虛擬實(shí)境 亦可針對某一產(chǎn)品提供720度的物件式虛擬實(shí)境展示 影像拍攝時須維持相機(jī)在同一水平面 且相鄰照片須有一定程度的重疊 影像式商用授權(quán)軟體 2 PhotoVistaLivePictureiPIXInteractiveStudioPixMakerThePanoramaFactoryUleadCool360Horky 福氣網(wǎng) 其他虛擬實(shí)境相關(guān)軟體 1 模型建構(gòu)工具建構(gòu)場景所需之模型 如3DSMax Viz Maya SolidWorks AutoCAD Pro E Lightwave等人體模型 Poser地形模型 VistaPro影像處理軟體編修場景貼圖所需之影像 如Photoshop PhotoImpact PaintShopPro等 其他虛擬實(shí)境相關(guān)軟體 2 DirectX包括了DirectDraw Direct3DImmediateMode Direct3DRetainedMode DirectPlay DirectSound及DirectInput等幾大部份 負(fù)責(zé)了影像顯示 3D繪圖 網(wǎng)路連線 聲音播放及輸入設(shè)備的處理等使用DirectX設(shè)計者可以很方便的取得電腦硬體 如音效卡 繪圖卡 搖桿及鍵盤等 性能資訊及發(fā)揮及效能 讓程式設(shè)計師能更專心於軟體程式的開發(fā) 其他虛擬實(shí)境相關(guān)軟體 3 OpenGL OpenGraphicsLibrary 前身是SiliconGraphics設(shè)計的IRISGL 可讓3D動畫製作師專心於場景的設(shè)計與物件的行為控制 OpenGL並無法單獨(dú)使用 需利用其他程式語言 如C或C 進(jìn)行函式庫的呼叫 以繪製使用者所需的圖形畫面 優(yōu)點(diǎn)包括 顯示卡支援性佳 穩(wěn)定性高 具可攜性 擴(kuò)充性良好 開發(fā)容易及參考文件資料豐富等 其他虛擬實(shí)境相關(guān)軟體 4 Java3D是由昇陽 SunMicrosystem 所設(shè)計架構(gòu)在Java平臺上的製作3D互動式軟體函式庫 Cult3D由Cycore公司所發(fā)展的互動式3D網(wǎng)頁設(shè)計工具 主要能讓模型在網(wǎng)路上具有互動性操作的效果 也可與MicrosoftOffice AdobeAcrobat或是PDA做結(jié)合 應(yīng)用在產(chǎn)品介紹等電子商務(wù)上相當(dāng)?shù)膹V泛 3 2 2虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)的先進(jìn)軟件工具 虛擬現(xiàn)實(shí)工具盒 toolkits 這包括 WorldToolKit WTK Sense8 1992 VCToolkit VCT DivisionLtd 1992 CyberspaceDeveloperKit CDK Autodesk 1993 VirtualRealityToolkit VRT3 DimensionLtd 1993 Mercury Sense8 1993 VirtualRealityDistributedEnvironmentandConstructionKit VR DECK Codella 1993 工具軟件性能價格比較 由表中可見 軟件的價格是較高的 而且由 1 000到 10 000不等 不同價格的軟件有不同的性能 Mercury價格最低 適用的平臺少 無編輯器 3D文件的格式少 庫函數(shù)沒有 Render ware價格最高 適用的平臺多 且包括SGI工作站 3D文件的格式多 庫函數(shù)較多 WTK是較好的一種 價格也較高 工具軟件支持輸入工具的比較 由表中可見 Mercury價格最低 適用的鼠標(biāo)少 無跟蹤球和手套 跟蹤器少 Render ware價格最高 適用的鼠標(biāo)多 有跟蹤球和手套 跟蹤器多 還包括BOOM系統(tǒng) WTK是較好的一種 價格也較高 工具軟件支持輸出工具的比較 由表中可見 Mercury價格最低 監(jiān)視器較差 頭盔較簡單 無投影機(jī) 聲音較少 Render ware價格最高 監(jiān)視器較好 頭盔有多種 聲音較多 WTK是較好的一種 價格也較高 工具軟件支持圖形格式的比較 由表中可見 Mercury價格最低 僅支持平面明暗 Render ware價格最高 支持多種明暗和紋理 WTK是較好的一種 價格也較高 2 VRML VRML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) 1 VRML的特點(diǎn) 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 2 VRML的概念與實(shí)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(shí)時建模著色的文本程序 它的兩個要點(diǎn)是 節(jié)點(diǎn) node 構(gòu)成虛擬世界的基本要素 路由 route 節(jié)點(diǎn)間傳送信息的途徑 VRML文件都是擴(kuò)展名WRL的文本文件 或擴(kuò)展名WRZ 壓縮格式 的二進(jìn)制文件 它一般包括如下四部分 文件頭 位于首行 提供版本信息 如 VRMLV2 0utf8 注釋 以 開始的一段文字 節(jié)點(diǎn) 場景信息的單位 可以描述造型 燈光 聲音等 如 Cylinder 描述一個圓柱體 域值 域用于描述及改變節(jié)點(diǎn)的屬性 值反映域的大小 如 Cylinder height2 0radiu