一个vr应用系统的方案设计.docx

第 19卷第 1期安康学院学报vol119 12007年 2月journal of ankang universityfeb12007一个vr应用系统的方案设计晏妮(安康职业技术学院 , 陕西 安康 725000)摘 要 : 根据目前市场上电子宠物都是二维单色液晶屏幕显示 , 感觉比较枯燥 , 因此想要设计一种虚 拟宠物 1本篇文章主要讨论虚拟宠物的基本原理 , 实现的主要技术 , 设计思想以及实现它所需的设备和软 、 硬件条件 1关键词 : 虚拟宠物 ; 虚拟现实 ; 虚拟环境 ; vr应用系统 中图分类号 : tp39 文献标识码 : a 文章编号 : 1009 - 024x ( 2007) 01 - 0086 - 05the d esign of a v ir tua l rea lity applica tion systemyan n i(a nkang professional technology college, ankang725000, shaanxi, china)abstract: a cco rd ing to the e lec tron ic p e t is a ll 2d s ingle co lo r lcd sc reen d isp lay on the m a rke t p resen t1 it fee ls so d rea ry, so the w rite r w an t to des ign a virtua l p e t1 it em body 3d in te rac tive liv ing environm en t1 it can m ake you im 2 m e rse it and fee l so in te res ting1 in o rde r to do so its essen tia l to s tudy the bas ic theo ry, the key techno logy, the m e thod of des ign and the fundam en ta l equ ipm en t, the essen t ia l soft and ha rd se t1key words: virtua l p e t; virtua l rea lity; virtua l environm en t; vr app lica tion sys tem目前市场上的电子宠物基本上都是二维单色液晶屏幕显示 , 交互内容比较单调 , 容易使玩家产生 腻烦感 1因此我们产生了设计虚拟宠物的想法 1我们希望把它设计成一种三维立体的可参与式宠物生 活环境 , 使玩家具有比较强的沉浸感 , 长期维持较高的兴趣 11 设计方案的功能概述虚拟现实系统有三 “ i”, 交互性 ( in teractivity) 、想象性 ( im agination) 和沉浸感 ( imm ersion) 1 “交互 ”是指把用户的输入送到计算机 , 并把计算机的反馈送给用户 , ”沉浸 ”是用户在虚拟环境中 的仿真体验 1这三点是我们整个宠物小精灵系统设计主要标准 1整个系统的设计思路就是通过 “交 互 ”, 人的行为结合图形处理 , 产生 “存在感 ”, 进而体现 “沉浸性 ”下面是我们设计系统要实现的具体功能 :选择性 : 用户在进入系统时 , 可以自由选择或设计自己喜欢的宠物 1我们准备的宠物可以是现实生活中存在的真实动物 , 也可以是类似卡通动物的小精灵 , 用户可以自己选择不同的部件和色彩组合 成想要的形象 , 颜色 , 质感 (比如甲壳 , 绒毛 , 软体 , 节肢等等 ) , 大小 , 叫声等 1另外宠物性格也 可以选择 , 比如暴躁型 , 温顺型 , 顽皮型 , 冷酷型 , 谄媚型等等 1还可选择宠物的出生日期或星座 , 出生地 , 性别等等 1交互性 : 这一点应该是最吸引用户的地方 1首先 , 用户可以从各个方位观察宠物 , 包括它的形象和行为动作 1其次 , 用户需要定期的照顾宠物 1可以选择虚拟的食物饮料喂养宠物 , 定期为宠物打扫 房间 , 定时带宠物散步等 1各种宠物有不同的生活习性 , 用户可以在照顾它的过程中逐渐的了解 , 比 如如果你给他喂了它不喜欢的食物 , 它就会表现出厌烦情绪并几天疏远你 , 比如这是一种喜欢干净的 动物 , 用户如果长期不打扫宠物房间 , 宠物就会生病 , 需要及时治疗等等 1另外 , 用户还可以和宠物 收稿日期 : 2006 - 06 - 10作者简介 : 晏妮 ( 1981 - ) , 女 , 陕西安康人 , 研究方向 : 计算机应用 1晏 妮 : 一个 vr应用系统的方案设计玩耍 , 比如拍脑袋 , 抚摸 , 追逐等等 1随着用户不断的照料和训练宠物 , 宠物的级别会增加 , 会学到 更多的本领 , 使用户增加成就感 1沉浸感 : 构造一个虚拟的宠物生活环境 , 主要空间包括宠物屋和宠物院子 1宠物屋内各种设施具全 , 有窗子可以看见外面的景色 1被虐待的宠物会从窗子逃走噢 ! 用户在与宠物玩耍时会感受到三维 虚拟房间的真实感 1还有宠物冰箱 (储存宠物食物的地方 ) 等存放宠物用品的元素 1宠物院子用于 带宠物散步或玩耍 , 院子里有宠物的玩具 , 有草坪花坛 (需要用户定期维护 ) 等等 1用户可以自由 改变屋子或庭院的格局 , 或增加宠物用品 , 以增加新鲜感 1分布性 : 用户可以将该系统连接到 internet上 , 这样多个用户可以带着自己的宠物聚会 , 交流经验 , 或交换宠物等等 12 设计方案的技术实现211用户接口 : 主要设备包括头盔 、传感手套和主计算机21111头盔 : 头盔主要实现视觉系统 、定位系统 、听觉系统 、语音识别系统 1因此分为显示屏部分、 跟踪器部分 、耳机部分和话筒部分 1显示屏可选用背光液晶显示 (lcd) 头盔以实现小型彩色显示 , 提供 100到 110水平 , 60垂 直双目视场 1图象更新率 60hz1用户视场中出现宠物形象和环境背景 , 应存在深度差别 1头盔作为位姿传感器 , 实现人的整体定位 , 完成视觉显示对头 、眼和身体的跟踪 1为扩大跟踪运动的范围并防止阻挡问题产生 , 可使用磁跟踪器 1磁跟踪器的主要原理如下 :首先考虑测量一个方向的距离 1为了测量在 y方向的距离 , 通电流的主动线圈发出在 y方向的电 磁波 , 在被动线圈中的感应电流 , 正比于主动线圈和被动线圈的距离 1由此得到主动线圈和被动线圈 在 y方向的距离 1在被动线圈中的感应电流 , 还取决于主动线圈和被动线圈的交角 1主动线圈和被动 线圈的方向不同时 , 在被动线圈中的感应电流会相应变化 1由此可以得到测量六个位姿的传感器 1发射器包括三个正交的线圈 , 分别在 x, y, z轴方向 1接 收器也包括类似的三个正交的线圈 1改变主动线圈中电流强度或定时选通 , 可以使三个线圈的磁场互 相隔离 1由此可以确定姿态角和距离造成的感应电流的变化 1每个主动电流产生三个感应电流 , 三个 主动电流共产生九个感应电流 1可以由此九个感应电流解算出三个坐标 , 以及三个姿态角度 1传感器将以上的采样数据连续送给 主计算机 , 由主机调用数据库得到显示数据 , 再传送到头盔的显示系统 1头盔装有立体声耳机 , 方便用户判断声音来源 1比如用户听到宠物从某处发出叫声 , 根据人耳的 听觉经验判断声源方向 , 随即调整头部或身体位置 , 使宠物进入头盔视觉画面 1因为虚拟环境的听觉 接口应能给两耳提供一对声波 1它应有高逼真性 , 能以预订方式改变波形 , 作为听者各种属性和输出 的函数 (包括头部位姿变化 ) , 排除所有不是 ve系统产生的声源 (如真实环境背景声音 ) 1因此 , 选用耳机 1 (在喇叭远离头部时 , 每个耳朵听到每个喇叭的声音 , 控制问题很大 1虽然商业化的高逼 真电影往往声称喇叭有很好的成声象能力 , 但用户限制在房中单一收听位置 , 只得到方位声象 (不 补偿头部转动 ) , 而且房间的声学特性不容易处理 1此外 , 由于耳朵完全打开 , 不可能排除环境中附 加的声音 1最后 , 虽然与耳机有关的接触感可能限制听觉临场的程度 , 但是由于用户需要在虚拟和真 实环境之间来回转移 , 这种与耳机的接触可能是有用的 1 在任何情况 , 由于视觉接口会存在这些问 题 , 在需要喇叭的情况下 , 可能发生高能低频声爆破 1这种情况 , 喇叭可能用于振动部分身体 , 而不 是耳膜 1)头盔上的话筒实现语音输入 1主机利用语音合成系统 , 可以确认语音识别的结果并做出反应 1比 如用户呼唤宠物时 , 语音识别系统根据识别结果做出判断 , 随即就应该调用数据库时宠物做出反应 , 显示在头盔的屏幕上 187第 19卷安康学院学报2007年21112传感手套 : 因为是娱乐系统 , 所以最好选用佩戴比较舒适的传感手套 1比如光纤手套 1光纤连 接到光电子接口 , 每个纤维环的一端联到 l ed (发光管 ) , 光敏晶体管敏感返回到另一端的光线 1当 纤维是直的时 , 传输的光线没有衰减 , 因为圆柱壁的折射率小于中心材料的折射率 1在手指关节弯曲 时 , 光纤壁改变其折射率 , 于是在手指弯曲处的光线就漏出 1这样就可能根据返回光线的强度间接测 出关节角 1得到手势命令 1当用户做出手的动作时 (比如抱起宠物 , 给宠物拿食物等 ) 及手势命令时 , 传感手套将采样到 的数据传送给主机 , 主机程序根据用户操作的对象 , 选择应对策略 , 再将显示结果传送给头盔的显示 系统 12121图象生成器在现阶段 , 图像生成器的速度是整个 vr系统的瓶颈所在 1到目前为止 , 最快的图象生成器已经 可以每秒产生上亿数量级的象素和百万数量级的三角形 ;为了实现很强的沉浸感 , 需要把三维图像做的非常逼真 , 这就需要有较高的图像生出速度 , 同时 用到三维引擎 1三维引擎主要是建模 , 涉及到大量的三维和二维的几何运算以及一些物理模型的计算 121211二维和三维几何系统的基础算法这是 3d最基本的原理和应用 , 通过矢量之间的代数运算和矩阵变换来完成最基本的计算功能 , 是 3d开发的基础 1同时 , 也包含着很多图形学的算法 1例如碰撞检测算法 、光照算法 、vo到 ve的 映射等等 121212虚拟建模88 晏 妮 : 一个 vr应用系统的方案设计整个场景的建模主要采用 3d max来建立 , 这个较为常用 , 然后通过转换器转换成为可供读取的xfile数据格式并导出 , 通过引擎读取 121213引擎接口的编写我们这个虚拟环境所用的工具力求达到很好的兼容性 , 所以将采用 m icro soft的系列开发工具 , 在这部分中 , 采用比较流行的 d irectx 610中的 ddraw和 d3d技术 1尽管现在看来这个技术不是最优 秀的 , 但是由于是 m icro soft系列 , 兼容性比较好 1而工程实施的原则就是不一定是最优秀的 , 但一定 是绝对可用的 , 从这就可以理解为什么采用 d irectx1当然也可采用现在虚拟游戏中比较流行的 open 2 gl 技术 1在基本的引擎上需要对其进行扩充 , 包括对渲染方式的处理 、对光线的处理 、对碰撞进行的检 测 、对视角和场景的处理等等 1在具体编程上 , 应该使用面向对象的方法 , 易开发 121214事件处理在程序中 , 需要对大量的不同事件进行响应 , 从而达到交互的目的 , 这一点在前面已经多次提 到 , 这里就不加赘述 1213分布式虚拟系统的实现硬件方面 , 由于分布式 ve要求极大的带宽 , 支持多用户 、录象 、录音 , 三维图形交换和实时模 型 1此外要求开发新技术 , 处理在网络上数据的混合 1我们的系统采用单服务器技术 , 一台服务器分 别与各台客户机建立通讯路径 1支持 8到 32个人参加游戏 , 这需要中央服务器具有较高的速度和可 靠性 1软件方面 , 采用通讯软件把虚拟宠物模型的变化传给网上其它用户 , 并允许新用户进入该系统 1 在网络化的环境下 , 需要把图形和接口软件扩充到涉及数据库一致性的复杂系统 1工作站间的标准信 息协议需要世界变化的通讯 1对小的系统 , 重要的是确保网上所有用户有同样的世界模型和描述 1采 用 s imn et系统 , 使用以太网和 t1链 , 使虚拟宠物环境中每个节点有完全的世界模型 1整个系统的设计方案框图如下 :214数据库与建模本系统的数据库系统比较复杂 1首先 , 该数据库拥有关于多种宠物的所有信息 1其中大多数是视 觉输出信息 1另外还有头盔位姿传感器数据库 、手套传感器数据库 、听觉输出数据库和语音识别数据 库等 1下面选几个说明 :视觉输出 : 房间或庭院的建模属于空间建模 , 可以看作一个很简单的建筑漫游模型 1可以实时漫 游算法实现 1房间中的虚拟物体 (包括用户的图象 ) 必须象真的一样 1至少固体不应彼此穿过 , 物 体在被推拉抓取时应按预期方式运动 1这里用到固体建模 , 即用到为防止穿透而检测碰撞 、调节物体 速度 、计算和施加接触力 、使用约束体积和空间划分等等方法 1另外 , 宠物本身属于有运动部件的物89第 19卷安康学院学报2007年体 , 不同于简单物体 , 需要特殊的建模方法 , 或许可以应用 baraff等人提出的柔软物体动态的简化模 型 1听觉输出数据库 : 为了增加宠物房间里听觉的真实性 , 声场模型可采用只有少量一阶和二阶反射的房间声学建模 1建模声场的一般途径是产生第二声源的空间图 1在回声空间中一个声源的声场建模 为在无回声环境中一个初始声源和一组离散的第二声源 (表示回声 ) 1第二声源可以由三个主要特性 描述 : 距离 (延迟 ) , 相对第一声源的频谱修改 (空气吸收 , 表面反射 , 声源方向 , 传播衰减 ) , 以 及入射方向 (方位和高低 ) 1通常用两种方法找到第二声源 : 镜面图像法和射线跟踪变化 1镜面图像法可能比射线跟踪法更有效 1此外 , 镜面图像法确保找到所有几何正确的声路径 1对射 线跟踪法 , 难以预测为发现所有反射所要求的射线数目 1射线跟踪方法的优点是它产生合理的结果 , 即使只有很少的处理时间 , 通过调节可用射线的数目 , 它很容易以给定的帧频工作 1镜面图像方法由 于算法是递归的 , 不容易改变比例 1射线跟踪在更复杂的环境得到更好的结果 , 因为处理时间与表面 数目的关系是线性的 , 不是指数的 1215计算机硬件要求因为要求实时存取处理 , 所以要求主机具有高帧频和快速响应 , 长响应时间 (滞后 、延迟 ) 将 严重降低用户性能 1主机应具备图形加速器 , 较大的物理存储 , 高性能向量处理机 , 以及较高的带宽 等 1因为本系统是主要提供家庭游戏使用 , 所以应采用基于 pc的虚拟现实机器 1一般的具有头部跟 踪器、hmd、3d 声音 、图形加速器和手套应该就可以实现 1 图形加速器的输出是 “红 绿 蓝 ”