（计算机软件与理论专业论文）基于替身的vrml场景中的多用户系统.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：奎鱼三 日期：! ! 坚! 竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部1 3 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：奎垒兰导师签名：期： l o o j 牛、2 0 山东大学硕士学位论文 基于替身的v r m l 场景中的多用户系统 研究生；李俊二 指导教师：孟祥旭教授 摘要 随着因特网的快速发展，人们可以更多的在因特网上看到三维虚拟场景。因为三 维虚拟场景所提供的信息比二维信息更能直观地表达出多样的、复杂的信息，让用 户容易理解。目前，v r m l 被认为是构造和显示虚拟场景的理想工具。v r m l 没有 提供多用户同时在一个虚拟场景中相互交互的功能。本系统在v r m l 构建场景的基 础上，采用了b s 通信结构，实现了虚拟场景的用户交互。 基本方法是首先使用v 蹦l 制作三维虚拟现实的场景和替身，然后通过e a i 界面 控制场景和替身，浏览器与服务器之间的通信通过j a v a 的通信功能实现。 本文的主要工作分为三个部分： 第一部分是关于替身的定义、替身的制作以及应用领域的研究。由于本文提出的 系统中替身是非常重要的部分，为了容易理解及制作替身，我们不仅说明了替身的 结构、替身关节的旋转范围及v r m l 所提供的h a n 曲等内容，而且给出替身动作 的控制方法。因为替身的形状和替身动作的速度影响整个系统的效果和性能，所以 本文详细阐明了替身制作的过程及替身动作的逻辑。 第二部分是v r m l 场景中的交互以及视点和视角的处理。可以说，用户与替身之 间的相互作用构成了用户界面。本系统实现了通过鼠标、键盘、命令输入方式控制 替身和视点的用户界面。替身与替身之间的相互作用相当于现实世界中的社会活动， 与现实世界一样用户通过替身的动作表示自己的态度或者意见，对方也通过自己的 替身表示相应的反应。 第三部分是b s 系统的设计和实现方法以及数据包的设计和实现，我们给出浏览 山东大学硕士学位论文 器胃务器实现方法、通信数据包的设计以及实现方法。本文提出了支持1 0 个以上 的用户能够同时联接而使用的b s 系统，而且给出b s 系统的实现过程及在浏览器 和服务器中要处理的信息。针对浏览器与服务器之间进行通信，提出了新的数据包 结构。数据包的设计直接影响系统的速度。单用户系统因为不需要通信过程，所以 不必考虑数据包的设计。反之，多用户系统因为数据包的设计不同，产生通信速度 的差距。本系统采用的方法是根据替身动作的类型使用不同的数据包，从而能够减 少通信数据量。即多用户的相互作用的必要动作( 走路、转方向等) 发生的时候， 直接把移动的距离或者角度向服务器传递，而对多用户的相互作用影响比较小的动 作( 挥手、鞠躬等) 发生时的时候，为了减少服务器的负担，把动作的开始以 及结束的信息向服务器传递。这样的方法对系统的速度影响很大。 本文的创新点： 第一：提出了制作多关节替身的方法。 第二：给出利用v r m l 和j a v a 实现的多用户交互系统；针对v r m l 不提供多 用户交互功能的问题，提出了解决方法。 第三：给出1 0 个人以上的用户可以同时联接而使用的b s 系统。 第四：给出一种通信数据包的设计方法以及使用方法。 本系统的应用范围非常广泛，容易移植到虚拟博物馆、虚拟公司等基于因特网的 三维虚拟世界。特别是利用v r m l 制作的三维场景中，该方法可以大大提高三维虚 拟场景的效果。 关键词：b s 系统，e a i ，v r m l ，虚拟场景，替身，数据包 山东大学硕士学位论文 m u l - t iu s e r ss y s t e ml nt h ev r m ls c e n e g r a d u a t es t u d e n t ：l ij u ne r t u t o r ：p r o f m e n gx i a n g x u a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o ni n t e m e t ，i ti sau n i v e r s a lp h e n o m e n o no f i m p l e m e n t i n g3 dv i r t u a l w o r l do ni n t e m e t t h ei n f o r m a t i o nt h a t3 dv i r t u a ls c e n e s p r o v i d ec a ne x p r e s s v a r i o u sa n dc o m p l i c a t e di n f o r m a t i o nm o r ei n t u i t i o n a l l yt h a n2 d i n f o r m a t i o n ，a n dl e tu s e r su n d e r s t a n d s3 di n f o r m a t i o ne a s i l yt h a n2 di n f o r m a t i o n t o c o n s t r u c ta n d d i s p l a y 3 dv i r t u a ls c e n eo ni n t e m e t ，v r m li sw i d e l yu s e dm o r ea n dm o r e t h ei n t e r n e tu s e r sa r eo nt h ei n c r e a s ea n dh a v eal o to fd e m a n d s e s p e c i a l l y , t h e i r d e m a n d sa r eg r o w i n gf r o mt r a d i t i o n a l2 ds t a t i ci n f o r m a t i o nt o3 dd y n a m i ce n v i r o n m e n t s i m i l a rt or e a lw o r l d ，a n dt h e r ea r em a n ye f f o r t st or e f l e c tt h ep h y s i c a lp h e n o m e n aa n d i n t e r a c t i o ni ni n t e r n e tv i r t u a lw o r l d s b u t ，c u r r e n tr e l e a s eo fv r m l2 0d o e sn o tp r o v i d e t h em e t h o d st h a tm u l t i - u s e ri n t e r a c ta tt h es a l t l et i m ei nt h es a m es p a c e t h e r e f o r e ，i n o r d e rt o i m p l e m e n tas y s t e mt h a t c a i li n t e r a c tb e t w e e nm u l t i u s e r , t h i s s y s t e mu s e s b r o w s e r s e r v e rs t r u c t u r es y s t e m w ec o n s t r u c ta 3 dv i r t u a lw o r l da n da v a t a r su s i n g v r m l f i r s t ，a n dc o n t r o lt h e3 ds c e n ea n da v a t a r st h r o u g he a ii n t e r f a c e b yu s i n gj a v a s s o c k e tc l a s s ，w ec a n i m p l e m e n t c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nb r o w s e ra n ds e r v e l t h i sa r t i c l ec o n s i s t so ft h r e e p a r t s ： p a r tii st h er e s e a r c ho fa v a t a r s d e f i n i t i o n ，a v a t a r sc o n s t r u c t i o na n da p p l i c a t i o n f i e l d s t h ea v a t a ri sav e r yi m p o r t a n t p a r t i ns y s t e mt h a tp r e s e n t e di nt h i sa r t i c l e f o re a s y u n d e r s t a n d i n ga n dc o n s t r u c t i o na b o u ta v a t a r , w ee x p l a i n e da v a t a r ss t r u c t u r e ，a v a t a r s j o i n tt u r n i n ga n g l ea n dh - a n i mt h a tv r m lp r o v i d e s t h e nw ee x p l a i n e dt h em e t h o dt o c o n t r o la v a t a r sa c t i o n b e c a u s ea v a t a rm o d e la n dt h es p e e do fa v a t a ra c t i o na f f e c tt h e 3 山东大学硕士学位论文 e f f e c ta n dt h e p e r f o r m a n c eo fw h o l es y s t e m ，s o w ee x p l m n e da v a t a r sc o n s t r u c t i o n p r o c e s sa n d a v a t a r sa c t i o nl o g i ci nd e t a i l p a r ti ii st h ep r o c e s s i n go fi n t e r a c t i o na n dv i e wp o i n ta n da n g l eo fv i e wi nv r m l s c e n e i tc a nb es a i dt h a tt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nu s e ra n da v a t a ri su s e ri n t e r f a c ew ep u t f o r w a r dt h em e t h o dt oc o n t r o la v a t a ra n dv i e wp o i n tb y m o u s e ，k e y b o a r d ，a n dc o m m a n d i n p u tm o d e t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e na v a t a ra n da v a t a rc o r r e s p o n d st os o c i e t ya c t i v i t yo f t h er e a l i t yw o r l d u s e r sc a l le x p r e s st h e i ro w nb e h a v i o r so ro p i n i o n st h r o u g ha v a t a r s a c t i o n ，a n dt h eo t h e ru s e r sa l s og i v et h e i ro w nc o r r e s p o n d i n gb e h a v i o r st h r o u g ht h e i r a v a t a r s ， p a r ti i ii st h ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fb sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n d c o m m u n i c a t i o np a c k e t w ep u tf o r w a r dt h el o g i co fb r o w s e ra n ds e r v e ri nd e t a i l w e p r e s e n t e d b ss y s t e mt h a tm o r et h a n1 0u s e r sc a r lu s ec o n n e c t i n ga tt h es a l n ct i m e ，a n d e x p l a i n e dt h ee v e n t st h a tm u s t b eh a n d l e di nb r o w s e ra n ds e r v e ro fb ss y s t e mi nd e t a i l w e p r e s e n t e dt h en e w c o m m u n i c a t i o n p a c k e t s t r u c t u r ea b o u tc o m m u n i c a t i o np a c k e tt h a t i su s e dd u r i n gc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nb r o w s e ra n ds f r v e r t h ec o m m u n i c a t i o np a c k e t a f f e c t st h ew h o l es y s t e mp e r f o r m a n c ed i r e c t l y s i n g l eu s e rs y s t e md o e sn o tn e e d c o m m u n i c a t i o n p r o c e s s ，s oi ti sn o tn e c e s s a r yt od e s i g no fc o m m u n i c a t i o np a c k e t b u t t h ed i f f e r e n c eo fc o m m u n i c a t i o ns p e e di sh a p p e n e di nm u l t i - u s e rs y s t e mb yd e s i g no f c o m m u n i c a t i o np a c k e t a c c o r d i n gt oa v a t a r sa c t i o n ，w ed i v i d ea n du s ee l e m e n t so f c o m m u n i c a t i o np a c k e t w ec a nr e d u c et h ec o m m u n i c a t i o na m o u n tb yd o i n gs o t h a ti s ， i nc a s et h e a c t i o n ( w a l k i n g ，b o d yr o t a t i o n ) t h a t i s n e c e s s a r y t ou s e r si n t e r a c t i o n h a p p e n s ，t r a n s m i td i s t a n c e o r t u r n i n ga n g l e t h a ti sm o v e dt os e r v e rd i r e c t l y b u t o t h e r w i s et h ea c t i o nt h a tt h ee f f e c ti sl e s sa b o u tu s e r si n t e r a c t i o nh a p p e n s ，i no r d e rt o p a r ed o w n s e r v e r so v e r l o a d ，t r a n s m i tt h ee v e n tt h a ti n f o r m b e g i n n i n g a n de n do f a c t i o n t h i sm e t h o dc a u s e sm u c he f f e c ti nt h e s p e e do f s y s t e m c r e a t i v e p o i n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ：am e t h o d t om a n u f a c t u r ea r t i c u l a t e do b j e c ti sp r o v i d e d ； s e c o n d l y ：a n e wm e t h o dt oi m p l e m e n tm u l t i - u s e r s y s t e mb yu s i n gv r m l a n dj a v a i sp r e s e n t e d ；an e wm e t h o dt os o l v et h ep r o b l e mt h a tv r m l c a nn o ts u p p o r tm u l t i u s e r i n t e r a c t i o ni sp r e s e n t e d 4 山东大学硕士学位论文 t h i r d l v ：ab ss y s t e mt h a tm o r et h a n10 u s e r sc a nu s ec o n n e c t i n g a tt h es a m et i m e f o u r t h l y ：a m e t h o dt od e s i g na n d u s en e wc o m m u n i c a t i o np a c k e ti sp m s e n t e d t h ea p p l i c a t i o i le x t e n to ft h i ss y s t e mi sv e r yw i d e ，a n dw e c a r la p p l ye a s i l yi n3 d v i r t u a lw o r l dw i t ht h ev i r t u a lm u s e u m ，t h e v i r t u a lc o m p a n yb a s e do nt h ew e b e s p e c i a l l y w ec a na p p l ye a s i l yt o3 dv i r t u a lw o r l dt h a ti sm a d eb yv 砌v i lt h i ss y s t e mc a nr a i s e e f f e c to f3 dv i r t u a ls c e n e k e y w o r d s ：b ss y s t e m ，e a i ，v r m l ，v i r t u a ls c e n e ，a v a t a r ，c o m m u n i c a t i o n p a c k e t 5 山东大学硕士学位论文 第一章虚拟现实技术 1 1 引言 i n t e r a c t 的普及，使得越来越多的人可以通过它来获取和发布信息。阅读新闻、查 询资料、收发邮件、参与问题讨论，n t e m e t 切切实实步入了我们的生活。然而，目 前的i n t e m e t 上的信息大多数局限于二维场景或者信息，由于三维虚拟场景提供的信 息比二维信息更能直观地表达出多样的、复杂的信息，让用户容易理解，有时候， 人们希望通过网络传递这些更具有现实感的信息。 为了更高效的在i n t e m e t 上构造和显示三维虚拟场景，v r m l 诞生了。v r m l 是 v i r t u a l r e a l i t y m o d e l i n g l a n g u a g e 的缩写，是在因特网中显示三维物体和虚拟场景的 标准语言。通过v r m l 生成的三维虚拟场景在因特网中与别的信息可以共存，而且 可以把网站更有效地进行可视化。 目前，v r m l 的应用局限于简单的静态的虚拟场景的构建。v r m l l 0 版本只能简 单表示静态的物体或场景，不能交互的动态的变化场景或移动物体。 v r m l 2 0 ( v r m l 9 7 ) 一定程度上添加了与用户交互的功能，通过v r m l 节点，用户 可以把物体移动到另一个位置，但所有的移动路径或变换方式都是在场景模型中预 先定义好了的，并不是真正意义上的交互。如何在v r m l 场景中进行更有效的信息 传递，增强v r m l 场景的交互性，进一步实现多用户虚拟场景，是目前研究的热点。 现在的因特网能超越时空间，让用户可以探索全世界中的多样多彩的信息，因特 网代表信息的宝库。特别是随着因特网用户的增加，用户的要求也逐渐增加。为了 满足因特网用户的要求人们正在开发与因特网有关的应用技术。信息的搜查范围日 益从二维的静态信息发展到三维的动态信息，而且与现实世界一样具有投入感的虚 拟世界正在逐步发展，目前很多研究者正在把现实世界的现象和相互作用反映在虚 拟世界中。二维的相互作用，即以文字为中心的相互作用系统已经发展到相当的程 度，目前最多的方式是把用户的表情和状态用简单的二维图像来表示。可是随着用 户的要求不断增加以及硬件的飞速发展，二维相互作用逐渐发展到与现实世界一样 的三维相互作用。 山东大学硕士学位论文 我们将在本文中讨论i n t e m e t 上实现多用户虚拟场景的框架模型以及相关技术。基 本的组织结构包括：第二章提出关于替身的定义、制作以及控制的方法，并在第三 章讨论替身与用户之间的相互作用和替身之间的相互作用，而且提出视点处理的方 法。最后，在第四章提出浏览器与服务器的具体实现以及数据包的设计方案。 1 2 研究背景 随着i n t e m e t 的发展，对于虚拟公司、虚拟购物、虚拟大学等多用户虚拟系统的要 求日益增大。更多的人开始研究如何在网络上构筑以及使用虚拟世界，特别是在虚 拟公司、虚拟购物、虚拟大学等多用户同时联接的系统中对虚拟世界的要求越来越 增加。为了构筑以及使用虚拟世界，需要使用网络或者计算机图像处理技术，而且 需要虚拟世界中存在的物体之间所发生的相互作用的处理技术。因为虚拟现实技术 向用户要提供现实世界中存在的所有现象，需要具有相当高的处理能力的计算机。 虚拟现实技术让用户投入计算机提供的虚拟世界内，并且在该环境内可以感觉到视 觉和触觉等的感觉，也可以活动在虚拟场景中。在虚拟世界中所感觉的投入感根据 虚拟世界提供的现实感的程度，让用户感觉到质量上的差距。可是目前很难定义给 用户所提供的现实感的质量判断基准。一般来说，与现实一样真实性强的虚拟世界 被认为质量好。我们认为构筑高品质的虚拟世界的最好的方法是原原本本的模仿现 实世界。 虚拟现实技术把利用电脑处理的信息和表达方式扩展到更直观、更先进的表达方 式，而且提供与现实很难区别的具有真实性的新范例( p a r a d i g m ) 。 最近因特网或者v r m l 所提供的虚拟世界的大部分是提供简单的三维场景以让用 户浏览该场景。可是，目前大部分的利用因特网或者局域网的游戏都支持一个服务 器上多用户同时联接以后用户之间通过替身表示意见和动作的功能。可是这样的游 戏提供的替身动作是在系统上已经被定义的，并且很难满足不断增加的用户的要求。 因此现在我们需要具有真实性的虚拟现实技术。特别是，为了让用户容易投入到 虚拟世界中，并且为了能够在虚拟世界中表示自己愿意和行为，需要能替代用户的 替身。通过替身用户能够与虚拟世界中所存在的别的用户交互。大部分的替身是利 用f i n n 作的三维模型，形状有多种多样。例如说，从简单的棍子模型到鱼、小狗、 老虎模型等利用电脑制作的所有的模型都能够当成替身。可是最近与现实世界的人 出末太学颈士学篷论文 类一样具有多关节的物体( a r t i c u l a t e do b j e c t ) 来制作替身的人越来越多。大部分的 具商多关节的替身是把现实人类原原本本地模仿的电脑模型。 鞠我，我稍耩侮多关节的替身，提供逶避替身鼗够表示鸯己的行为的方法，献蕊 实黼与虚拟世界中所存在的用户或者物体能够交互的系统。该系统不但提供v r m l 本襄附带的三维测览功能，逐能够实现同个盎拟场景照多用户同时访闽丽相互交 互鹃功能，麸藤容易提高虚攒毽赛的效巢。虚拟嚣实技术孛兹替身磷究能扩震裂纛 拟商店、虚拟大学、虚拟博物馆、电脑游戏、远距离激宵系统等方谢。可以说，替 身处理技术是虞拟现实技术的基本技术。 璇有静大多数纛羧薄镑稿躐者虚接毽器谴糟户只测览撵供的虚藏艇嚣，不可撬 出崽见，也不可能与别的用户交互。可是如果使用本文提出的方法，信息提供者与 用户之阀或者多用户之间在阉个虚拟场景中能够容易交换意见和僚息。这对，我 们掇供的盘搬场豢中静所有瓣精户都髓够蠢蔸对方替身的动佟。多稍户之间交流的 方法有几个。熟中一个是利用文字来交流，还有一个鼹利用替身动作来交流。在本 系统中两个方法都提供。 谜鞯户看觅其体信息及对方行为的话，麓户容曩投入在虚拟世赛中，丽虽更积极 地摊出自己的意见。即该系统自然地引导用户的积极参与。比如说，当制作虚拟博 物馏时，信息提供者与用户豹关系非常明确。即信息提供者只提供攘患，反两用户 只能接受被提供静信患。可怒本系统有骜不简。如果丽户访问本系绕的话，系统把 用的替身自动形成在虚拟场墩攫，然后用户通过替身撮问或者浏览。这时，用户能 够与信息提供者交流。用户剽蠲替身指示特定物体焉提阏对物体不知邋妻冬地方，傣 意掇供者能看见用户所指示酶物体是佧么，从而自g 够向掰户提供该物体的详细信惠。 这样，信息提供赣与用户之间信息交换的效果明显提高。下面的图1 和图2 给出利 用本系统实现黪场面。 塑1 只戆潮夔三维场景戆铡子 弱2 在三维壤豢孛鬻产之麓裁够交漉 山东大学硕士学位论文 上图容易看出本系统的效果。即从单调的三维场景发展到用户之间能够交流的三 维场景。在左边的三维场景中用户只能浏览被提供的场景，而且用户不能提出意见， 也不能与别的用户交流信息。反而，在右边的用户能够看见别人的替身，而且与别 的用户能够交流意见和信息。还有用户能够看见而知道对方指的是什么东西，从而 可以反应出相应的动作。 本文提出的技术在电子商务、电子购物、虚拟展览会、虚拟博物馆、三维游戏、 虚拟教育系统等基于因特网的程序中都可以应用。 1 3 虚拟现实的历史 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 是利用计算机做出来的由物体来构成的虚拟世界。首 先把与现实难以区别的现象和物体利用电脑精致地制作，然后让用户体验该虚拟世 界中的现象或者物体。这是虚拟现实技术的基本概念。理论上虚拟现实的效果与现 实世界的感觉难以区别。为了实现虚拟现实，一定需要较高档的计算机能力。有的 时候为了提高虚拟现实的质量，不但需要高档的计算机，还有需要多方面的知识和 技术。 虚拟现实是计算机出现之前已经存在的技术。虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 单词的 起源在于1 9 8 0 年代，叫j o r o nl a n i e r 的科学家为了表示利用计算机画出来的具有 投入感和视觉感的场景而开始使用的。 可是，使用该单词之前我们已经题验过虚拟现实的感觉。1 4 0 0 年代，意大利的叫 g i o t t o 的艺术家在二维画板上利用能够表示三维远近的透视画法开始画画，该透视 画法是让观察者在二维平面中可以感受到三维的远近感及立体感觉的方法之一。以 后几年内该方法普及到许多的艺术家，而且在以后约5 0 0 年期间被认为是美术的根 本方式之一。 对满足人的视觉的方法已经有多种的尝试。1 7 8 8 年苏格兰r o b e r tb a r k e r 的画家把 爱丁堡市的3 6 0 度全景图画在6 0 英尺大小的圆形房间内。一旦观察者进去那个房间 的话，因为观察者被包围1 8 0 度的人的视觉比更大的市全景图，所以容易感受到现 实感( 没入感) 。他把这样的方法u 全景图( p a n o r a m a ) 。约1 5 0 年以后，该全 景图通过美国好莱坞的技术人员成为全息电影系统( c i n e r a m a ) 。在电影上通过 这样的绘画技术把远距离的物体利用图片处理，从而能够演出现实世界中不存在的 山东大学硕士学位论文 电影布景或者场景。目前，这样的技术发展到虚拟工作室( v i r t u a ls t u d i o ) 技术。 电影是给我们提供另一个虚拟世界的技术。在1 8 8 9 年爱迪生发明投影机以后，在 1 8 9 4 年预演了最初的电影。还有在1 8 9 5 年在巴黎的a u g u s t e 和l u i sl u m i e r e 兄弟给 观众预演了最初的活动照片。 1 9 4 1 年开始的电视技术相当于电影的新对手，电视范围越来越广大而普及。这是 因为电视通过电波把图像和声音传送到范围比较大的地方，所以没有空间的限制并 且多个收视者能够同时接受一样的图像，这点确实是与电影不一样的地方之一。让 收视者看见在远距离的地方实时生成的活生生的场面的技术是t e l e - p r e s e n c e 的基 础。 计算机的输出设备的发展可以说是显示器的发展，显示器是大众性非常强的设备， 而且使用范围非常广泛。使用显示器表示虚拟现实的试图从1 9 6 0 年代初已经开始 了。可是当时来看，虚拟现实技术是非常先进的概念，而且设备( 显示器) 也非常 昂贵。所以没有引起一般用户的注意。 1 9 6 2 年m o r o n h e i l i g 的科学家开发了叫s e n s o r a m a 4 的模拟器，并且申请了专利。 从理论上看，通过该设备用户可以感受坐摩托车而奔跑城市市内的感觉，而且用户 路过食堂的时候可以闻到食物的味儿。该模拟器的输出设备包含3 dv i d e o 、色彩、 立体声音、振动( 在椅子上安装动力设备) 等设备，当时来看，该模拟器是划时代 的产品。过了3 0 年以后，该产品使用的技术成为v r ( v i r t u a lr e a l i t y ) 的基础技术。 图3s e n s o r a m a 1 0 ， 山东大学硕士学位论文 上面所说的模拟器的需求从二次世界大战以后随着飞机模拟器的登场急速地发 展。刚开始研究的时候，模拟器的重点是实现简单的三维虚拟世界，以后慢慢普及 到军事训练、医学、教育等的方面。 在1 9 6 6 年i v a ns u t h e r l a n d 继承了h e i l i g 的显示设备概念，他利用两台c r t 制作 了h m d m e a dm o u n t e dd i s p l a y ) 。该h m d 成为现在的h m d 的奠基石。因为初期的 h m d 产品的价格非常昂贵，一般用户不能使用，只在与国防、宇宙研究有关的地方 上使用而已。1 9 8 1 年美国n a s a 利用l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 技术制作了h m d ， 然后叫他v i v e d ( v i r t u a lv i s u a le n v i r o n m e n td i s p l a y ) 。该h m d 继续地发展到现在 的程度，以清晰度和视觉为中心的v i v e d 正在发展中。 图4h m d 系统 c a v e ( c a v ea u t o m a t i cv i r t u a le n v i r o n m e n t ) 的形式是p r o j e c t i o n - b a s e dv rs y s t e m 。 c a v e 4 的形状是很大的立方体，该设备里面可以包含用户全身，还有在前面、左 右、地板上设置了屏幕。在前面和左右的屏幕是背部反射方式来显示场景，反而地 板是从上面到下面的前面投影方式来显示场景。若用户带眼镜( 该眼镜带着具有6 自由度的头部位置跟踪器) 的，通过那个眼镜看见在屏幕上显示的场面。为了屏幕 与眼镜之间频率的一致，利用立体发射器( s t e r e oe m i t t e r ) 。根据用户的活动，首先 计算每个面的立体投影( s t e r e op e r s p e c t i v ep r o j e e t i o n ) ，然后把结果显示在适当的面 上。用户利用叫w a n d 的三维鼠标可以互相作用。 图5c a v e 系统 山东大学硕士学位论文 日本东京大学的h i r o s e 教授改进了c a v e ，那个系统与原来的c a v e 不一样的地 方在于添加了天顶面，还有前面、左右、地板、天顶等5 个面都采用了后面反射方 式。该系统叫c a b i n ( c o m p u t e r a u g m e n t e d b o o t h f o r i m a g e n a v i g a t i o n ) 。 图6 日本东京大学的c a b i n 系统 1 4 虚拟现实技术的趋势 p e n n s y l v a n i a 大学的n o r m a nb a d l e r 教授引导的c h m s ( c e n t e rf o rh u m a nm o d e l i n g a n ds i m u l a t i o n ) 组织和5 0 多个研究人员正在进行对人体建模以及多样的模拟试验研 究。为了实际地制作人体模型，首先利用电脑制作人体的电脑模型，然后给那个人 体模型赋予适当的生物力学的性质和行为，然后把这样制作的人体模型做为现实人 的代替，经过环境变化的阶段后，最终把那个代替者执行的任务通过自然语言表达。 这样的努力集成在叫j a c k 的软件系统上。目前c h m s 正在进行人体建模、空间相 互作用、社会性行为模拟试验等的研究。 m i t 人工智能研究所和b o s t o nd y n a m i c s 公司正在对人类动画和生物力学进行研 究。前者采用是对人体使用控制系统和物理学为基础的动态方式模仿人体的方法。 m i t 和r e e b o ki n t e r n a t i o n a l 公司在一起使用该方法进行了在多样的运动比赛条件下 脚与鞋之间的相互作用的研究。跑动的人的运动由控制系统来决定，在脚上的运动 与跑动的人的运动互相作用。后者的方法是首先在军事训练的项目中记录现实人物 的动作，然后通过该纪录构成而编辑虚拟人的动作，按照编辑出来的数据实时地制 作人类动画。 g e o r g i a 技术学院的g u v ( g r a p h i c s ，v i s u a l i z a t i o n & u s a b i l i t yc e i l t e r ) 正在进行人类 动画的模拟试验，这是当模仿人的运动时，以控制算法为重要因素。在虚拟现实环 境下模拟的优点是可以做出相互作用的反应，可是目前的技术来看，模拟过程很难 山东大学硕士学位论文 实时地实现，而且在相互作用情况下性能也不太稳定。 s w i s sf e d e r a l 技术学院( e p f l ) 正在迸行把虚拟现实世界研究中积累的技术集成 在虚拟现实人体的研究中去。以前的三维虚拟人的特性是像卡通片一样，现实感比 较弱，仿照现实人物一样地建立虚拟人体模型，人体模型的动作非常自然( 包括头 发和衣服的活动) ，而且具有现实感。还有正在进行对虚拟人体之间具有现实性的相 互作用的研究。为了对人体建模，身体、皮肤、手、面孔等的模型部分通过变形技 术已经开发出来了。这样做出来的模型的效果相当高。而且为了逼真地建立人体， 对人体的碰撞处理也正在进行研究。还有把现实人物的表情直接表现在虚拟人体中 的研究也正在进行。 f r a s e r 大学的图像和多媒体研究所进行了利用动作控制技术的知识驱动人类动作 ( k n o w l e d g e d r i v e nh u m a na n i m a t i o n ) 的研究。这是把动作处理知识与动作控制算法 合并以后制作愿意的规范动作的研究。另外，应用m o t i o nc a p t u r e 表示感情的研究也 正在进行。 i o w a 大学已经开发了i d s ( i o w a d r i v i n gs i m u l a t o r ) 系统，i d s 能够具有三种类型的 车的属性，利用高速并行计算机实时地提供高质量的场景，与现实的车一样提供前 面、后面以及左右面的场景。提供的运动平台以及圆屋顶形状的驾驶台与现实车的 内部一模一样。对行为和特定情节的控制研究的目的是不让用户感觉到提供的场景 和感觉是虚拟的，同时让用户自然地执行提供的特定情节。该系统可以几个人同时 使用。 1 5 现有的三维多用户系统 在因特网上多个用户通过自己的替身与对方交流的系统叫多用户交互系统。目前 多用户交互系统有几种类型。每个系统采用的方法有相当大的差异。特别是，对数 据的传送、替身动作的处理方式以及虚拟场景的控制使用每类系统有自己固有的 处理方法。一般来说，根据系统的目的和使用范围，决定系统设计的方向。在这里 我们给出已有的几个多用户交互系统。 a ) a c t i v ew o r l d s a c t i v ew o r l d s 是通过因特网实现的多用户虚拟现实的系统。a c t i v ew o r l d s 提供多 1 3 山东大学硕士学位论文 样的虚羧环浚， 爵且用户挺鸯己傲豹虚羧场景可隘键供给副静爱户。帮稍户可以共 享自己做的三维场景。 a c t i v ew o r l d s 是客户机与服务器的结构，该系统聚用了只把用户所参与的虚拟世 界数据从服务嚣蓉接下载的方式。a c t i v ew o r l d s 系统把虚拟空间区分为几个领域， 蔽攥矮户懿霞羧浚定关心领藏，然爱蹙鬟户懿壤雾绥小到关心壤蠛两，获嚣缝够躐 少从服务器接受的数据量。该系统支持对用户的位鬣鞠已经定义的简单动作的场景 共享。还有以用户的位置为基甜；，当用户移动到特定位邋时，把那个位鼹的信息通 过h t m l 形式给用户提供。目前该系统没有提供多个用户同时控制虚拟擞界中酌三 维兹薅豹功穗。 强7a c t i v e w o r l d s 系统 b 1v r c o m m e r c e v r c o m m e r c e 系统的设计目标为三个：第一是在数据量大的虚拟空间中，减少通 信和数据处理的肉务操作( o v e r h e a d ) ，第二是个别设计豹虚拟商店联接在一个虚拟 空霹唾= ，第三蹩专门 羹诗基予三缝瓣攫 薹l 毫子魏魏系绞。 v r c o m m e r c e 使用d o o r 概念。d o o r 相当于把魔拟空间区分为几个领域的界 限。在虚拟空间中，每个虚拟商店形成一个领域而具商能出入的d o o r ，通过点 击领域的d o o r ，用户可以进焱该领域里。v r c o m m e r c e 采用的通信方式是把用 户透去豹领域豹数据歇强务器下载熬部分数攥分配方袋。 1 4 山东大学硕士学位论文 戮8v r c o m m e r c e 系绫 c 】o zv i r t u a l o zv i r t u a l 由6 部分构成。即在虚拟世界状态下，姓示三维世界的场景和物体的 3 d 部分、在三维世界中播放声鬻域者音乐的a u d i o 部分、替代用户的替舄( a v a t a r s ) 控裁韶分、裘臻替身动箨静行为( b e h a v i o r ) 郄分、褒寝接毽赛孛调整移凌穗旋转 的n a v i g a t i o nb a r 部分，还霄提供用户之闻能够聊天的聊天状态( c h a t t i n gm o d e ) 等 6 部分来构成。 图9o z v i r t u a l 系统 1 6 本章小绪 零章漭遮了本文鹣繇究内容及缝筏框架；簧霹痰羧魂实阐述了虚藏璇实技术豹赁 史和发展趋势：最后给出了a c t i v ew o r l d s ，、v r c o m m e r c e 、o zv i r n l a l 镣融有的三维 多用户系统以及基本概念。 山东大学硕士学位论文 第二章替身一基于v r m l 2 1 替身的定义 替身( a v a t a r ) 是在利用计算机制作的在虚拟世界中用以代替用户的三维模型。 利用计算机制作的替身有鱼、狗、棍子等有多种多样的形状。目前大部分的替身是 用具有多关节的人体来实现，从而提高现实感。使用多关节人体的趋势越来越明显。 虚拟世界