虚拟现实技术课件第三章

虚拟现实技术主讲：杨文晖第三章虚拟现实的计算机技术

课前索引

第一节虚拟现实的计算机体系结构

第二节虚拟现实的软件系统

第三节虚拟现实的网络和通讯

章节小结

课后习题〖课前思考〗1．哪些计算机用于VR?2．常用工具软件的特点。3．分布式仿真中的网络和通讯的特点。〖学习目标〗1．了解不同类型VR用计算机的组成及特点。2．了解工具软件的要求和功能，了解分布式仿真。3．了解网络和通讯的硬件，软件和分布式仿真。〖学习指南〗1．注意VR用计算机提高速度的措施。2．注意工具软件的功能及对比。3．注意分布式仿真中的网络和通讯的主要问题。〖难重点〗1．注意帧频和延迟的要求。2．注意不同类型VR用计算机的组成结构。3．注意VR用计算机的并行处理技术构。4．注意工具软件的要求。5．注意工具软件的功能。6．注意常用工具软件的对比。7．注意各类网络结构的对比。8．注意软件质量的要求和保证措施。9．注意分布式仿真的特点。1虚拟现实的计算机体系结构虚拟现实的计算机体系结构虚拟现实对计算机系统的要求基于PC的虚拟现实机器的组成结构基于工作站的虚拟现实机器组成结构高度并行的虚拟现实机器组成结构虚拟现实对计算机系统的要求问题一：前面我们讲解了很多虚拟现实技术的指标，例如：位姿、视觉、听觉、力觉触觉显示等，是否都是在现有手段范围内，对计算机系统实施必要要的要求呢？只包括了视觉显示对计算机系统的要求。原因是：位姿传感器的数据处理，一般不在主计算机上进行，而是由专用的电子设备完成。听觉显示，力觉触觉显示，研究工作和实际应用还较少，对其计算要求的认识还较少。听觉显示和力觉触觉显示的计算，往往由专用计算机完成。所以，当前的虚拟现实计算机，主要完成视觉显示的计算任务。问题二：视觉显示对计算机系统的要求有哪些？1．帧频和延迟时间的要求2．计算能力和场景复杂性视觉显示对计算机系统的要求---帧频和延迟时间VR要求高帧频和快速响应，这是由于其内在的交互性质决定的。两个概念：帧频来自动态图像技术。在动图像显示中，每一帧实际上是静止照片。如果新照片快速接替旧照片，就产生连续运动的幻觉修改率是在屏幕上的显示改变的速率。为符合基本的动图像技术，理想的修改率是每秒20帧（新图像）。

对计算机硬件，帧频有几个含义。它们大致分类为图形的帧频计算的帧频数据存取的帧频哪种帧频是最重要的？为了维持在VR中的临场和沉浸感，图形帧频是关键。原因：这些帧频可能是独立的，图像场景可能变化，而没有来自用户视点运动的计算和数据存取。这时，图形的帧频大于计算的帧频和数据存取的帧频。经验表明，图形帧频率应尽可能高，低于每秒10帧的帧频严重降低临场的幻觉。如果图形显示依靠计算和数据存取，则计算和数据存取帧频必须为8到10帧/秒，维持用户看到时间演化的幻觉。什么情况下，希望VR具备快速响应？如果应用允许交互控制，就要求快速响应。长响应时间（滞后时间，延迟时间）最直接的影响是什么？严重降低用户性能。响应时间的通常恒量值是多少？多于几毫秒的延迟会影响用户性能，而多于0.1秒的延迟有严重影响。例举一个响应时间影响用户性能的例子延迟时间是如何计算的？从用户的动作开始（如用户转动头部），经过位姿传感器感知用户位姿，把位姿信号传送给计算机，计算机计算新的显示场景把新的场景传送给视觉显示设备，直到视觉显示设备显示出新的场景为止。影响延迟的因素这些延迟在计算机系统中来自很多因素：如数据存取时间计算时间绘制时间输入设备数据处理时间。类似帧频的情况，延迟的来源分成：数据存取计算图形显示。问题：：系统统有高高帧频频，延延迟就就相对对会小小，正正确与与否？？虽然延延迟与与帧频频有关关，但但它们们不同同。系系统可可能有有高帧帧频，，但有有较大大的延延迟时时间，，显示示的图图像和和提供供的计计算结结果是是几帧帧以前前的。。帧频和和延迟迟的最最低要要求由由什么么决定定？要求的的帧频频和延延迟一一般取取决于于环境特特性。只有慢速运运动物体，，较静的环境境，可可以用用帧频频每秒秒8至10，和0.1秒延迟迟。如果环环境中中有高速运运动的物体体，则则要求求高帧帧频（（>60Hz）和短短延迟迟。所所有情情况下下，若若帧频频低于于每秒秒8帧，则则失去去三维维环境境的生生动感感，若若延迟迟大于于0.1秒，则则很难难操作作环境境。因此，，帧频频必须须大于于8到10帧/秒,总延迟迟必须须小于于0.1秒。视觉显显示对对计算算机系系统的的要求求---计算能能力和和场景景复杂杂性为什么么说虚虚拟现现实仿仿真的的计算算问题题，是是一种种时间间受限限的计计算这是因因为显显示的的帧频频必须须大于于8到10帧/秒。于于是，，在0.1秒内，，必须须完成成一次次场景景的计计算。。用什么么能够够表示示计算算能力力？如果一一个显显示的的场景景中有有10,000个三角角形（（或多多边形形），，这个个数量量就反反映了了场景景复杂杂性。。这样样，在在每秒秒进行行的10次计算算中，，就应应该计计算100,000个三角角形（（或多多边形形）。。这表表示了了计算算能力力。计算能能力和和场景景复杂杂性的的折衷衷问题题若要求求更加加逼真真的仿仿真效效果，，就要要增加加场景景复杂杂性。。显示示的场场景中中有更更多的的三角角形（（或多多边形形），，显示示的效效果就就更逼逼真。。这就就要求求更强强的计计算能能力，，每秒秒计算算更多多的三三角形形（或或多边边形））。反之，，如果果只能能使用用能力力有限限的指指定的的计算算机，，则限限定了了计算算能力力，也也就限限定了了场景景复杂杂性。。每个个场景景，只只能用用较少少的三三角形形（或或多边边形）），产产生较较粗糙糙的显显示。。下图表表示，，波音音747-400飞机的的两种种复杂杂性不不同的的三维维模型型。（（a）中的的模型型有520个顶点点，406个多边边形。。（b）中的的模型型有7694个顶点点，7556个多边边形。。效果果图说说明了了明显显的逼真度度差别。。下图表表示，，人体体骨骼骼的两两种复复杂性性不同同的三三维模模型。。（a）中的的模型型有8979个多边边形。。（b）中的的模型型有131275个多边边形。。效果果图说说明了了明显显的逼逼真度度差别别。问题：：对于VR计算机机，主主要的的技术术指标标就是是其计计算能能力，，用什什么恒恒量计计算能能力？？每秒计计算的的三角角形（（或多多边形形）的的数目目。讨论计计算能能力时时应该该注意意的问问题是否加加纹理，是否否反走样样，采用用哪一一种明暗模模型，都会会影响响到计计算能能力。。加入这这些复复杂的的功能能，就就会增增加计计算复复杂性性，从从而减减少每每秒计计算的的三角角形（（或多多边形形）的的数目目。计算机机生成成图像像时的的走样样现象象通常存存在三三种走走样现现象中中的两两种：：锯齿形形边图形细细节或或纹理理绘制制失真真第三种种现象象出现现在显显示非非常微微小对对象的的场合合。什么是是反走走样？？在光栅栅图形形显示示器上上绘制制非水平平且非非垂直直的直直线或或多边边形边边界时，或或多或或少会会呈现现锯齿齿状或或台阶阶状外外观。。原因？？这是因因为直直线、、多边边形、、色彩彩边界等等是连连续的的，而光栅则则是由由离散散的点点组成成，在光光栅显显示设设备上上表现现直线线、多多边形形等，，必须须在离离散位位置采采样。。由于采采样不不充分分重建建后造造成的的信息息失真真，就叫叫走样(aliasing)。而用于减减少或或消除除这种种效果果的技技术，就称称为反走样样(antialiasing)。反走样样的方方法：：基本上上反走走样方方法可可分为为两类类。第一类类是提高分分辨率率即增加采采样点点(提高采采样频频率)。然而，，CRT光栅扫扫描设设备显显示非非常精精细光光栅的的能力力是有有限的的，因因此人人们通通常是是在较较高分分辨率率上对对光栅栅进行行计算算，然然后采采用某某种平平均算算法(滤除高高频分分量)得到较较低分分辨率率的象象素的的属性性，并并显示示在分分辨率率较低低的显显示器器上。。这这种方方法称称为超采采样样或或后后置置滤滤波波。另一一类类反反走走样样是是把把像像素素作作为为一一个个有有限限区区域域，，对对区区域域采采样样来来调调整整像像素素的的亮亮度度，，以以光光顺顺边边界界来来减减小小锯锯齿齿现现象象。。这这种种方方法法等等价价于于图图像像的的前置置滤滤波波。关于于明明暗暗模模型型光照照模模型型可可用用于于任任何何表表面面上上任任一一可可见见点点。。通通过过计计算算该该点点处处的的表表面面法法线线方方向向及及应应用用光光照照模模型型即即可可确确定定此此点点的的光照照明明暗暗程程度度。当当我我们们处处理理多多边边形形集集合合或或多多面面体体时时，，如如果果整整个个表表面面都都这这样样依依次次计计算算每每点点的的光光照照明明暗暗度度，，所所需需的的耗耗费费就就太太大大了了。。因因此此，，需需要要采采取取一一些些有有效效的的方方法法对对整个个表表面面的的明明暗暗度度进行行处处理理。。对多多边边形形和和多多边边形形网网格格的的基基本本明明暗暗处处理理方方法法有有三三种种：：常数数明明暗暗处处理理法法Gourand明暗暗处处理理算算法法：：Phong明暗暗处处理理算算法法常数数明明暗暗处处理理法法Gourand明暗暗处处理理算算法法：：Phong明暗暗处处理理算算法法三种种算算法法的的具具体体内内容容？？对计计算算机机系系统统的的要要求求图形形学学和和计计算算机机硬硬件件的进进展展对对全全真真实实的的VR是关关键键因因素素。。由于于广泛泛的的兴兴趣趣和有有不同同性性能能要求求的的大大量量应应用用，，所所以以需需要要在在几个个层层次次继续续进进行行硬硬件件开开发发，，由由高档档多多模模式式工工作作站站到低低档档的的只只有有适适当当三三维维视视觉觉能能力力的的个人人工工作作站站。将来来的的高高档档VE系统统有有几几个个硬硬件件要要求求。。具有有高计计算算要要求求的的计计算算机机结结构构。这这些些机机器器必必须须有有很大大的的物物理理存存储储多个高性性能向量量处理机机高带宽(>500Mbytes/s)低延迟(<0.03s)巨型存储储设备和对各种种输入输输出设备备的高速速接口。。物理建模模和可视视化计算算将是计算算需求的的推动力力。基于PC的虚拟现现实机器器的组成成结构让一般公公众接受受虚拟现现实的最最佳途径径？Grimsdale［1992］指出，，让一般般公众接接受虚拟拟现实将将通过“发展”，而不是是“革命”。发展意味味着升级级现有的的计算基基础，产产生虚拟拟现实要要求的新新功能。。利用PC平台的优优点是价价格低最初的PC平台的虚虚拟现实实机器：：在1992年推出了了低级的的基于486的虚拟现现实机器器它有头部部跟踪器器、HMD、3-D声音、图图形加速速器和手手柄，价价格少于于20000美元。1994年，低级级的基于于PC的系统价价格约3300美元（跟跟踪球200美元，Cyberscope200美元，软软件工具具盒900美元，486-PC2000美元）。。图形硬件件图形硬件件指的是是什么？？是那些使使图形绘绘制加速速的硬件件设备。。图形硬件件涉及到到哪些？？图形流水水线图形卡的的AGP和PCI图形加速速器Add-ons图形流水水线图形流水水线的作作用：包括把三三维物体体由其自自身坐标标系变换换到用于于显示的的二维屏屏幕空间间所需要要的计算算器。这个过程程涉及到到的步骤骤第一步是是把物体体由其自自身坐标标系变换换到描述述整个场场景的世世界坐标标系。第二步是是剔除在在场景中中不必显显示的物物体，减减少计算算量，这这是计算算过程优优化。第三步是是在模型型中引入入颜色和和明暗等等性质。。第四步，，场景景再作另另一个变变换到屏屏幕空间间。最后后光栅化化为象素素，并且且显示。。在这个过过程中，，计算算是在多多个区域域内进行行。很多多计算在在CPU进行，但但是多数数矩阵运运算是在在图形加加速器中中进行。。图形卡的的AGP和PCI图形卡的的AGP和PCI是总线。。数据总线线会影响响到图形形卡的性性能。PCI是标准的的计算机机内部总总线。总总线把计计算机的的插入卡卡（网络络卡，图图形卡等等）连接接到CPU。PCI总线的传传输速度度是有限限制的。。插入的的卡越多多，每个个卡得到到的传输输速度越越小，图图形卡与与CPU只能以较较小的带带宽通讯讯。AGP是专用总总线，它它只能连连接一个个卡（图图形卡））。它的的通过量量全部用用于图形形卡。他他还允许许直接把把纹理传传送到图图形卡，，不必通通过系统统存储器器。可以以想象，，这将大大大增加加系统性性能。图形加速速器图形加速速器是图图形计算算的另一一个重要要部分。。这是图形形卡上的的处理器器，它完完成所有有繁重的的计算。。这些繁重重计算主主要包括括：加纹理反走样计算密集集的函数数例如：NVidia推出芯片片，完成成光照及及其变换换。它取取代CPU的工作，，大大加加速显示示过程，，允许实实时的照照明和明明暗变化化。3Dfx制造了图图形卡的的Voodoo和Banshee芯片。它它也利用用自己的的T-缓冲技术术，把实实时明暗暗加在其其Voodoo芯片上。。ActionMedia图形加速速器有SPEA“Fire””图形加速速器Stride图形加速速器Add-onsAdd-ons适用于只只有2D加速器，，但没有有3D加速器的的计算机机。它提供用用于显示示3D物体的计计算，极极大地改改进性能能。3Dfx是add-ons的主要制制造商。。它的Voodoo就是一种种初等的的add-ons。它还为其其图形卡卡开发了了API（称为Glide）。Glide提供了软软件微层层次，使使开发者者免于直直接处理理硬件寄寄存器和和存储器器。这减减少了调调试时间间，加快快了开发发过程。。它基本本上是OpenGLAPI的缩减版本，，类似于OpenGL。GlideUtilityLibrary提供Glide的更高层次的的实现。关于3D显示卡3dfxVoodoo3-3500它使用8片HY5.5ns，提供128bit带宽，显存和和芯片内核速速率在183MHz，多边形处理理能力是800万/秒，像素填充充率是366万/秒。他拥有3dfx独有的3DAPI:GLIDE，拥有简洁的的代码和较高高的效率，针针对GLIDE优化的游戏效效果比一般针针对D3D优化的游戏效效果更出色，，所以他是最最好的3D游戏卡。价格格1500元。耕宇TNT2Ultra+它使用2×32的SEC-GC显存。其核心心频率和显存存频率分别为为175MHz和200MHz。多边形处理理能力是800万/秒，像素填充充率是350万/秒。快是它的的最大特点。。价格1650元。帝盟StealthIIIS540它使用MT的8ns显存。其核心心频率和显存存频率分别为为125MHz和143MHz。它使用4×16的32MB显存，所以其其显示带宽只只有64bit。它的S3TC纹理压缩技术术效果出众。。它是最慢但但最经济的3D显示卡。价格格900元。ATIRageFury他是最大的OEM显示卡生产商商。但是其产产品的速度无无法与其他显显示卡相比。。它使用SEC的5nsSGRAM。其核心频率率和显存频率率只有100MHz和110MHz。ATIRage128芯片的性能很很均衡。画面面质量和D3D/OPENGL性能都不错。。特别出色的的是其DVD解压能力。他他是很均衡的的显示卡。价价格1300元。MatroxG400MAX它使用2×32的SEC-GC显存。其核心心频率和显存存频率分别为为166MHz和200MHz。多边形处理理能力是800万/秒，像素填充充率是333万/秒。他拥有双双128bit总线，双频头头显示技术(同时联结两个个显示器)，环境映射凹凹凸贴图等先先进技术。它它的功能最多多，性能很优优秀。价格2500元。3基于工作站的的虚拟现实机机器就数量来讲，，仅次于PC的最大的计算算基础是工作站它们比PC的优点：是有更强的计计算能力更大的磁盘空空间更快的通讯方方式。基于工作站的的虚拟现实机机器的两种发发展途径Sun和SGI采用的一种途途径是用虚拟拟现实工具改改进现有的工工作站，象基基于PC的系统那样。。DivisionLtd.采用的另一个个途径是设计计虚拟现实专专用的"总承包"系统，如Provision100。1．Sun公司的“VirtualHolographic”工作站1992年，Sun推出"VirtualHolographicWorkstation"。这个系统最最初使用SUNSparcstationII，并配置GT图形加速器（（10万个多边形/秒）。1994年，它升级到到Sun10-51，配置ZX加速器（12.5万个多边形/秒）。在立体方式下下，速度下降降到约6万个多边形/秒，且左右眼图像交交替显示在立立体监视器上上。它采用StereoGraphicsCo.的CrystalEyesVR和Logitech跟踪器，给用户部部分沉浸感感。头部和3-D鼠标的跟踪踪是用Logitech的超声跟踪踪器，它连连到工作站站串行口。。3-D鼠标的使用用象2-D鼠标那样，，用于与虚虚拟对象以以3-D交互。集成这些I/O工具和SUN工作站的软件（运行在Solaris2.3操作系统上上）是Sense8WorldToolKit的新版本，，在1994年春推出。。整个系统统价格约46000美元，再加加上Sense8软件的另外外价格约6000美元。2．Division公司的Provision100工作站Provision100的并行结构构有多个处处理器：称为“Director”（用于碰撞检测和和时间同步步的处理器））用于立体视视频显示的的“actors”（视频处理器）3-D声音的“actors”（声音处理器）手跟踪与手手姿识别的的“actors”（手套处理器））。允许增加附加的I/O处理器。与主计算算机的连接接允许基于于UNIX的Provision100用于仿真中中的高级终终端。6.使用两个图形板板，每个眼一一个，直接接输出NTSC/PAL信号。每个个图形板有有一个Inteli860处理器和两两个T425transputers。i860利用常用的的多边形加加速器作几几何处理，，提供35000个Gouraud明暗的Z-缓冲的多边边形/秒。7.Provision100VRX模型有一个个附加的纹理理模块，在象素处处理器和两两个视频存存储器之间间。它可以加纹理理，但不损损失绘制速速度。对256个texel单元（纹理理元），24-bit彩色纹理图图存在高速速静态RAM中。这个RAM可以布局为为256×256的4个图，128×128的16个图，或者者它们的组组合（如256×256的1个图加上128×128的4个图和64×64的32个图）。4高度并行的的虚拟现实实机器问题：作为为为VR系统提供计计算的设备备的瓶颈？？因为计算能能力成为VR系统计算设设备的瓶颈颈之一，所所以各个工工作站厂商商都在发展展高度并行行的虚拟现现实机器，，以便提高高计算能力力。1．Division公司的“SuperVision””机器2．SGI公司的IRIS-1400到RealityEngine23．Evans&Sutherland公司的Freedom30004．北卡大学学的PixelPlanes4,5和PixelFlow5．Sun公司的Elite3Dm3和m66．更强大的的机器RedMountain和BlueMountain7．其他设备备1．Division公司的“SuperVision””机器Provision一开始可以以绘制3.5万个多边形形/秒，1992年，Division宣布了“SuperVision””机器，它用用高性能的的并行结构构增加绘制制能力到28万个多边形形/秒。这些多多边形是纹纹理的，Gouraud明暗的和Z-缓冲的。SuperVision结构有标准准的Provision“前端”和多处理器器组。多组结构包包括一个画画面缓冲器器，它与一一个立体视视频画面获获取器一起起，允许图图形实时覆覆盖在实况况视频图像像上。此外，SuperVision有一个多通通道图像生生成组，一一个处理组组，一个I/O组，一个声声音组，以以及可能的的附加组。。所有的组组都连到同同样的通讯讯线路。这这个通讯线线路的通讯讯是通过"点到点"的通信路线线。它可以以用于任何何数据类型型，由实况况视频，到到对象几何何修改和象象素信息。。所有数据据包都可以以由环上任任意的处理理器送到另另一个处理理器。可以以选择不同同的分布方方式，使得得对不同问问题的性能能最优。2．SGI公司的IRIS-1400到RealityEngine2SGI（SiliconGraphicsIncorporated）公司制造造的图形系系统具有某某种更灵活活更强的数数字媒体能能力，它在在一个包中中组合了先先进的三维图形，，数字多通通道声频，，以及录象象。SGI系统用作许许多VR系统的核心心，它完成成仿真、可视视化、通讯讯等任务。关键在于系统支持强强大的计算算多通道视觉觉输出以及连接到到传感器、、控制设备备和网络的的快速输入入输出。纹纹理化多边边形、填充充能力也3．Evans&Sutherland公司的Freedom3000Evans&Sutherland(E&S)原来是飞行行仿真器公公司，它发发布了Freedom序列图形加加速器，用于SunSparc10工作站。它它提供大范范围的性能能水平：由Freedom1000的每秒50万多边形，，到Freedom3000的每秒3百万多边形形。它用标准硬硬件软件接接口与Sun环境无缝地地连接。Freedom加速器可以以用Sun标准接口编编程，并与与当前的E&S和Sun工作站软件件兼容。Freedom3000有1280××1024，1536××1280和高分辨率率TV显示格式。。它支持硬硬件纹理映映射，包括括MIP映射，分辨辨率达2000××2000。其它特性是是线、点、、多边形的的反走样，，a缓冲区，累累积缓冲，，每个象素素128位，和动态态象素定位位。Freedom3000包括下列技技术：用0.8μCMOS的五个专有有的VLSIASIC芯片可编程高速速微处理机机的并行阵阵列(DSP)，很快的专有有的图形总总线(G-bus)(速度超过每每秒3百万多边形形)高速象素发发送互联用于图像处处理的高速速存取帧缓缓冲区(达每秒1亿象素)高象素填充充率950万/秒。4．北卡大学学的PixelPlanes4,5和PixelFlow北卡大学是是最早开发图形硬硬件的大学之一一。他的工工作不同于于商界的工工作，因为为工作中基础研究多多于制造机机器产品，所以他们们的机器总总是处于图图形硬件的的前沿。PixelFlow和其图形性性能是将来来高性能三三维VR的重要部分分。它克服了传传统硬件绘绘制结构的的变换和帧帧缓冲存取取的瓶颈。。它利用图像像合成技术术，分配绘绘制任务在在同样的绘绘制器阵列列，其中每每个绘制器器计算部分分基元的全全屏幕图像像。高性能图像像合成网络络实时组合合这些图像像，产生全全屏图像。。图像合成结结构的性能能与绘制器器数目成线线性关系。。一个PixelFlow绘制器扫描达达每秒140万三角形，几几个绘制器系系统可以扫描描达这个速率率几倍。予计计128个绘制器的系系统可以达到到多边形速率率每秒1亿三角形。PixelFlow由超级采样实实现反走样。。它以几个硬件明暗器支持延迟的明明暗，它在包包含中间象素素数据的合成成图像上工作作。PixelFlow明暗器计算复复杂的明暗算算法，以及基基于图像的纹纹理，明暗速速率与图像复复杂性无关。。PiexlFlow可以连到并行行超级计算机机，用作中间模式图形形服务器，或者可以为为保持方式绘绘制维持显示示表。5．Sun公司的Elite3Dm3和m6Elite3D是Sun公司的高性能能图形系统系系列，用于实实时交互的3D可视化，绘制制和动画。实际上，这只只是视频卡，，不是整个系系统。它是与SunUltra10工作站一起工工作的。该系统比SGI的系统便宜，，但性能也较较低。m6是较高性能的的选项，有6个板上的FPU运算器。它有有串口连接其其他接口设备备，如头部跟跟踪，HMD，3D鼠标。他的用户类似似SGI系统，有：CAD/CAE，石油工业，，医疗专业，，HAZMAT，实时动画。。6．RedMountain和BlueMountain1996年12月16日，Intel公司与USDOE合作发布了世界上第一台台每秒1万亿次的计算算机(teraflops)。全美国人不不停地手算125年，才相当于于该机器工作作1秒钟。该机机器称为RedMountain（红山）。AcceleratedStrategicComputinginitiative(ASCI)正在开发仿真真技术，不经经过地下核试试验就确保美美国核武器的的安全可靠。。在新墨西哥哥州的SandiaNationalLaboratories（桑迪亚国家家实验室）正正在安装5500万美元的RedMountain机器，新墨西西哥州的LosAlamosNationalLaboratory（洛斯阿拉莫莫斯国家实验验室）和加加州的theLawrenceLivermoreNationalLaboratory也使用该机器器。该机器仿仿真核武器的的各个方面，，由激励问题题（如起爆仿仿真），到静静态仿真（如如核武器储存存的老化效果果）。RedMountain也用于医疗和和药物研究，，天气预报，，飞机和汽车车设计，工业业生产的改进进，疾病演化化的仿真，治治理环境等。。RedMountain的主要指标为：价格$55百万，占地1000平方英尺，系系统RAM:584Gbytes，双向交叉带带宽51.6Gbytes/sec，PentiumPro处理器9,216，峰值性能1.8TFLOPS。LosAlamosNationalLaboratory不满足借用RedMountain，就开始建造造BlueMountain。该机器有比较较RedMountain更强的图形能能力，增加了16台SGIInfiniteReality机器。BlueMountain组织成48个128处理器的共享享存储器多处处理机（SMP）。48个SMP可以彼此通讯讯，速度为每每秒650Gigabits。它有76万亿bytes的光纤通道的的盘空间。1998年11月12日建成，5年内将超过100TFLOPS。7．其他设备TAN是高级的沉浸的的投影显示，HP提供Kayak,VisualizeWorkstations，nVisionDatavisorHMD，E&STornado和3DLabsOxygenGMX。小结VR用计算机的技技术要求是帧帧频和延迟时时间的要求，，以及计算能能力和场景复复杂性。基基于PC的虚拟现实机机器包括：有有ActionMedia图形加速器的的486-PC；有SPEA"Fire"图形加速器的的486-PC；Stride图形加速器等等。基基于工作站的的虚拟现实机机器包括：Sun的"VirtualHolographicWorkstation"；Division的Provision100工作站。高高度并行行的虚拟现实实机器包括：：Division的"SuperVision"；SGI的RealityEngine2，ONYX2；Evans&Sutherland的Freedom3000；北卡大学的的PixelPlanes4,5和PixelFlow，Sun的Elite3Dm3和m6；以及更强大大的机器RedMountain和BlueMountain。2虚拟现实软件件系统虚拟现实对工工具软件系统统的要求虚拟现实常用用的工具软件件系统虚拟现实工具具软件的功能能1虚拟现实对工工具软件系统统的要求虚拟现实程序序设计需要有关实时时系统、面向向对象语言、、网络、物理理建模、多任任务等方面的的知识。好的计算机程程序员精通这这些技巧。但但他们不可能能熟悉各种虚虚拟现实应用用的专业领域域。反之，医生、、建筑师、或或经济分析家家也不可能具具有必要的程程序设计技巧巧。虚拟现实厂家家认识到需要要解决这种知知识缺口，并并创造出这种种产品的市场场。"这要求稳定的的平台和软件件，这使现有有的软件厂家家轻松地虚拟拟化他们的产产品，并促进进新一代软件件开发者去创创造先进的虚虚拟现实产品品。"虚拟现实应用用的工具软件件系统应该满满足下列要求求：工具软件是为虚拟现实实技术要求设设计的面向对对象函数的可可扩充的库一个仿真对象象就是一个“类”的部件，并继继承它默认的的属性。这大大大简化了复复杂对象编程程的任务。由由于库是可扩扩充的，开发发者可能写专专用模块，并并利用同样的的仿真核心。。虚拟现实工具具盒具有的另另一个重要特特征是硬件独立性。写的函数用用于各种平台台，实质上是是一般的。实实现这一点是是因为高层的的函数“不知道”它在特定的硬硬件上运行。。低层的“转换器”在运行时识别别特定的I/O工具。在把应应用由一个平平台移到另一一平台时，这这很有帮助。。所有的工具盒盒都支持某种形式式的网络（内部的或任任选的）。这这允许并行或分布处处理，以及重要的的多用户交互。这使得在一一个应用中可可能进行合作作，以提高效效率。这里讨论的所所有的工具盒盒都接受CAD3-D文件（DXF等）。这说明明通过引入现有的3-D对象数据库，极大地减少少了开发时间间。2虚拟现实常用用的工具软件件系统1．常用的工具具软件工业界制造了了很多用于虚虚拟现实的先先进软件工具具，虚拟现实实工具盒（toolkits）。这包括"WorldToolKit--WTK“"VCToolkit--VCT““"CyberspaceDeveloperKit--CDK““"VirtualRealityToolkit--VRT3““"Mercury““VirtualRealityDistributedEnvironmentandConstructionKit(VR-DECK)”2．VRMLVRML是VirtualRealityModelingLanguage的缩写。VRML是描述三维造型与交互环境的简单的文本语言。VRML是在Internet上建立3D多媒体和共享享虚拟世界的的一个开放标准。从以下几个方方面简单介绍绍这种语言。。（1）VRML的特点（2）VRML的概念与实例例（3）VRML的语言结构（4）VRML的动画技术（5）VRML的使用与开发发条件（6）VRML的站点和教程程（1）VRML的特点(a)是造型语言,可描述3D场景。(b)用户可进入VRML建立的世界，，去探索它(c)VRML建立的世界是是交互的，受受用户控制。。(d)把2D，3D物体、动画、、多媒体效果果混合于一体体(e)平台无关，可可在PC或SGI上浏览。(f)基于Web，可建立三维维可视化服务务器。(g)着色不如OpenGL快。(h)没有底层控制制。(j)有限的界面。。（2）VRML的概念与实例例VR世界中的坐标标系：X轴指向屏幕右右侧，Y轴指向屏幕上上方，Z轴指向观察者者。VRML程序是解释执执行，实时建建模着色的文文本程序。它它的两个要点点是：①节点(node):构成虚拟世界界的基本要素素，②路由(route)：节点间传送送信息的途径径。VRML文件都是扩展展名WRL的文本文件，，或扩展名WRZ（压缩格式））的二进制文文件。它一般般包括如下四四部分：①文件头：位位于首行，提提供版本信息息。如：#VRMLV2.0utf8。②注释：以#开始的一段文文字。③节点：场景景信息的单位位。可以描述述造型，灯光光，声音等。。如：Cylinder{…}描述一个圆柱柱体。④域值：域用用于描述及改改变节点的属属性，值反映映域的大小。。如：Cylinder{height2.0radius1.5}中，height（高度）和radius（半径）是域域，2.0和1.5是值。（3）VRML的语言言结构构VRML的基础础是什什么？？是一个个利用用HTTP协议传传输数数据的的全球球网以及一一个SGI设计的的OpenInventor文件格格式。。由此，，它的的特点点在于于：VRML是标准准语言言与平台台无关关易扩展展基于低低带宽宽的网网络连连接用户可可在虚虚拟场场景中中漫游游，还还可用用超链链接（（hyperlink）到达达新的的三维维世界界。(a)节点（（node）是描述述三维维场景景的图图形对对象。。一个场场景由由具有有层次结结构的的多个个节点点组成成。共有50多个节节点，，定义义三维维场景景。一个节节点有有多个个域(field)，它具具有域域名、、类型型及缺缺省值值等属属性。。如圆柱柱体节节点。。Cylinder{fieldSFBoolbottomTRUEfieldSFFLoatheight2fieldSFFLoatradius1fieldSFBoolsideTRUEfieldSFBooltopTRUE}定义的的圆柱柱体，，高度度为2，半径径为1，具有有下底底面，，有圆圆柱侧侧面，，有上上顶面面。(c)传感器器(Sensor)节点是一类类特殊殊的节节点。。包括以以下节节点：：CylinderSensorPlaneSensorTimeSensorTouchSensorVisibilitySensorProximitySensorProximitySensorProximitySensor{exposedFieldSFVec3fcenter0，0，0exposedFieldSFVee3fsize0，0，0exposedFieldSFBoolenabledTRUEeventoutSFBoolisActiveeventouSFVec3fposition-changedeventoutSFRotationorientation-changedeventoutSFTimeenterTimeeventoutSFTimeexitTime}这时接近传传感器器节点。。当用用户接接近、、退出出空间间，或或在空空间移移动时时，会会产生生事件件。Center和Size定义长方体体，分别用用三个数字字定义长方方体的中心心点三维坐坐标和三维维尺寸。Enabled域的值为TRUE表示允许工工作。进入入退出长方方体空间时时发生isActive,enterTime和exitTime事件。这些些事件应该该为对于接近的响应行为为，进入时间和退出时间。也可可以利用position-changed和orientation-changed，改变位置置和方向。。(d)描述符（Script）节点，内内插器(Interpolator)节点Script是Java描述符语言言的子集，，同时由Java的内置对象象所支持的的VRML数据类型。。Script分析输入，，并且由输输出改变世世界。Interpolator是内置的动动作机制，，实现数值值内插，对对数据内插插，产生动动画。(e)声音（Sound）节点描述述声音定位位和空间效效果声音定位在在一点，以以球或椭圆圆形发射。。域Intensity调节音量。。域Priority是占用声道道的优先权权。（4）VRML的动画技术术(a)帧频可变：：电影中24帧/秒，电视视（NTSC）中，30帧/秒。VRML中帧频可变变，可最小小达5帧/秒。(b)用户可控制制动画：改变视点可可在动画中中漫游。(c)自然的触发发机制：TimeSensor传感器感受受时间StartTime域发任何的的SFTimeeventont事件，就启启动动画。。由script产生予期动动作。（5）VRML的使用与开开发条件VRML的浏览环境境：①浏览器：：IE或NetspaceNavigator(NS)以上版本。。②VRML插件：VRML最简单的开开发环境：：①浏览器：：IE或NetspaceNavigator(NS)以上版本。。②VRML插件：③文本编辑辑器（记事事本或UltraEdit）。安装浏览器器方法：3．非商业的的虚拟现实实工具盒（（Toolkits）上面介绍的的所有系统统都是商业业产品，具有PowerGlove手套和SegaLCD眼镜（总价价格约100美元）的非非专业人士士，不可能能花几千美美元买虚拟拟现实工具具盒软件包包。免费的虚拟拟现实编程程工具。两两个已知的的较好的例例子是阿尔波塔大大学开发的的“MinimalRealityToolkit””（MR）滑铁卢大学学开发的"REND386"（加拿大））。3虚拟现实工工具软件的的功能实时产生VR所要求的软软件有很多部分构成。这包包括：交互软件与人机接口口相关的漫游软件交互接口得得到数据，，根据漫游游原则，转转换视点图形流水线线软件的多多边形流最最小化漫游软件过过程中，图图形处理软软件中，尽尽量减少处处理的多边边形世界建模软软件几何、物理理和属性建建模超媒体集成成软件。各种类型的的数据集成成在VR系统里每一部分都都是庞大的的，所有软软件合作，，可以实时产生VR。各部分软件件相互关联联的目标是产生详细的交交互的无无缝的VR。如何解释释详细的？？交互的的？无缝缝的？无缝表示你可可以驱动动车辆穿穿过一个个地带，，停在建建筑前面面，走下下车辆，，步行进进入建筑筑，上楼楼梯，进进入房间间，与桌桌上的物物体交互互，整个过程程中没有有延迟和和犹豫。为建立无无缝的系系统，要要求在软软件开发发上实质质的进展展。交互软件件交互软件件的作用用是什么么？交互软件件是接受用户户操作与与控制的接口软软件。交互软件件提供构造造不同控控制设备备间对话话的机制制(如跟踪器器,触觉接口口)，并把对对话用于于系统或或应用，，使多模模式显示示相应变变化。软件的构构成？这个软件件的第一一部分由控制设备备取得输输入，并并解释它们。可可以使用用几个程序库，作为商商业产品品或作为为共用件件(shareware)，它可以以读普通通接口设设备的数数据，如如DataGlove和各种跟跟踪器。。商业程程序库的的例子有有Sense8的WorldToolkit。程序库包括由接接口设备备得到输输出的驱驱动器，，和包括括予测跟跟踪和手手姿识别别的程序序。构造交互互软件的的第二部部分转变系统统状态信信息，由控制设设备进入入对话（这对系系统和应应用是有有意义的的），同同时滤掉掉对话中中错误的的不可靠靠的部分分（这可可能由输输入设备备中的错错误数据据产生））。然后后把这些些对话送送交虚拟拟世界系系统，执执行某些些有用的的操作。。交互是VR系统关键键部分，，它涉及及硬件和和软件。。VR中接口硬硬件提供供身体各各部分的的位置和和状态。。这些信信息一般般用于：：(1)映射用户户行为到到环境变变化(如手移动动物体)，(2)发命令给给环境(如手姿或或按键)，(3)提供信息息输入(如语音,文本或数数值输入入)。用户意图图应由硬硬件输出出判定。。由于硬硬件的不不精确，，推理可可能会复复杂化2．虚拟场场景漫游游软件概述虚拟场景景漫游软软件使用用户能在在三维虚虚拟世界界中移动动。这个个软件有有很多部部分，包括哪些些内容？？控制设备备手姿解解释（来来自运动动处理输输入子系系统的手手姿信息息）用于对图图像流水水线的多多边形流流最小化化的层次次数据结结构虚拟摄象象机视点点和观看看方向的的空间控控制，在漫游中中它们一一起实时时工作，，产生通通过虚拟拟世界的的连续帧帧序列的的下一帧帧。漫游的作作用？是控制VR中视点和观观看方向向的问题。。使用传统统的计算算机图形形技术，，漫游可可以简化化为用于于绘制物物体的位位置和方方向变换换矩阵的的确定。。第一层虚虚拟世界界漫游是是最特殊殊的，即即用户视点点。通过头头部跟踪踪设备，，可以控控制观看看位置和和方向，，头部跟跟踪给计计算机提提供头部部位姿和和方向。。下一层漫漫游使用用虚拟车辆辆。这允许许在VR中移动一一段距离离，大于于头部跟跟踪允许许的距离离。虚拟拟车辆的的位置和和方向可可以使用用各种方方式控制制。在仿真应应用中，，车辆控控制方式式与实际际被仿真真车辆的的控制方方式相同同。实现的例例子是用于飞飞行和车车辆仿真真的脚踏踏磨（跑跑步机）），自行行车和手手柄。对更抽象的的应用，有几种种实验方方法控制制车辆。。最普通的的方法是是指示飞行技术术，其中由直接接操作接口控控制车辆。用用户给三维位位置方向跟踪踪器指出要求求的飞行方向向，命令用户户车辆在这个个方向飞行。。另一种控制车车辆方法是基基于在VR中不需要通过过一定的空间间由这里到那那里。遥操作是明显的例子子，它要求用用户规定要求求的目标，再再把用户放在在那里。解决决方法包括固固定了进入和和退出位置的的门，由数值值或标记输入入明确规定目目标，以及用用环境的小型型三维图指出出要求的目标标。控制车辆的另另一个方法是是动态改变比例例尺，整个环境降降低比例就使使用户可以达达到要求的目目标，然后升升高用户指定定的目标区的的比例。所有有方法都有缺缺点，包括难难以控制和定定向。VR中存在物体的层次，它们在漫游游中有不同的的行为。某些物体固定定在环境中受受到用户和车车辆的作用。。另一些物体是是用户总希望望达到的虚拟拟工具，它们们只受到头部部变换的作用用。还有些物体（（如数据显示示）总希望在在用户视场中中，而且不受受用户和车辆辆作用。这些物体分别别称为：世界静止，车辆静止，头静止。虽然已知道漫漫游软件的基基础是数学，，但还要作实实验。3．操作系统为了建立当前前多数VR系统，一般使使用运行某种种UNIX操作系统的商商业工作站(这些工作站最最初的设计不是满足实时时性能要求的)。其它途径是利利用更专用的的嵌入式计算算元件(可能在通用工工作站中用作作前端机)，运行为支持持实时分布计计算设计的操操作系统。后后一种途径大大量用于有强烈实时要求求的领域（如过过程控制和遥遥机器人）。。虚拟环境要求求的操作系统统能力包括：：通过共享存储通讯讯支持大量的轻轻型处理，支持自主和透明地地分配任务到多计算资源源，支持时间关键键的计算和绘绘制，很高分辨率的的时间分片以及担保执行行时间优先的过程虽然没有专门门涉及这些问问题，IEEEPosix标准委员会开开始把实时能力引引进开放系统统工作站环境境。特别，IEEE标准1003.4(UNIX的实时扩充)，标准1003.4a(UNIX的线索扩充)，和标准1003.13(对实时应用支支持的应用环环境外形)，对要求某种种层次实时控控制的VR开发是重要的的。这些标准准中规定的能能力的具体子子集,在某些图形工工作站上可以以得到(如运行IRIX5版本操作系统统的SGI工作站)。支持操作系系统中这些能能力，将大大大促进许多VR应用的开发。。4．虚拟现实编编辑器今天的通用程程序设计环境境是基于窗口口、菜单和图图标（icons）。这些用于于大量不同的的程序，由文文本编辑到画画图程序或spreadsheet。现在可能扩扩充同样的途途径，产生或或编辑虚拟现现实环境。"用虚拟现实系统统自然的3-D接口产生虚拟环境境带来极大的的优越性。用用户可以在环环境中运动，，移动物体到到一个位置，，并按需要改改变其它属性性。这提供交交互更强，建建模更自然的的系统。可以以由涂画构造造虚拟环境，，只要由对象象库选择对象象（有默认的的属性），把把对象在虚拟拟空间定位，，然后选择和和修改给定的的属性。由环环境中产生和和删除对象的的能力，对于于我们快速改改造给定环境境以满足用户户要求是很基基本的。"虚拟现实编辑辑器对仿真开开发者是很强强的工具。通通过在现有标标准练习中的的构造，即使使程序设计新新手也能开始始构造虚拟世世界。以高度度交互的方式式，用户可以以立刻看到被被仿真对象产产生和修改的的结果。应用开发者看看到编辑结果果是通过实时时仿真中使用用的同样的显显示（HMD或CRT）。反之，同同样的输入工工具（3-D鼠标、手柄、、跟踪球等））也用在编辑辑方式。这允允许由各个角角度看到编辑辑过程，甚至至在台式工作作站上。把虚虚拟现实编辑辑器放进虚拟拟现实系统，，就得到一个个杰出的虚拟拟现实开发系系统。5．内部常驻建建模器虚拟现实编辑辑器具有内部部动态建模设备备。这对于新手手是很方便的的，但限制了了可能建模的物理特特性的选择。在复复杂的仿真中中，可能必须须建模物理特特性（力、重重力、变形等等），这要写写独立的工具具盒程序。这这提供了最大大的灵活性，，但要求很好好的面向对象象程序设计技技巧。完整的灵活性性的建模工具具盒是新的“CyberspaceDeveloperKit--CDK””。它的库有很很大的函数集集（超过1200），组织在140个C++类中。类组织织成层次，有有“基本类”（没有父辈））和子类（继继承基本类的的属性）。例例如，约40%的CDK类是由CyBase类继承，它定定义事件处理理功能（称为为方法）。VRT3工具盒图形接口用于于产生新的虚虚拟对象。想想法是给生手手提供一种用用户友好的直直观的接口，，把虚拟世界界放在单个台台式机器上。。IBM开发了VR-DECK工具盒，它把图形编编程的应用扩扩充到多用户户网络仿真。。在多用户分分布系统中，，开发者的工工作很困难。。这个工作是是把可得到的的计算资源分分配给各个仿仿真任务，并并确保得到异异类系统工作作。不同计算算和通讯能力力的机器，设设备定位和结结构约束，使使过程调度任任务复杂化。。6．事件调度在每个仿真循循环中，需要要实时读入用用户输入，使使得执行时间间最少。这些数据用于于修改虚拟对对象的位置、、形状、速度度等。来自外部传感感器或程序的的附加输入，，用于改变对对象的“智能”属性。得到的的场景显示在在用户的HMD或计算机屏幕幕。类似的，，听觉、触觉觉、力觉等反反馈也显示。。实时排列或"调度"所有这些事件件是重要的编编程任务，它它是由基本的的工具盒函数数处理的。用Sense8“WorldToolKit””(WTK)说明这个过程程。WTK是一组C函数（WTK版本1.0有230个函数，1993年的WTK版本2.0有400多个函数）。。这些函数有有记忆语法“class-method()””，以便帮助面面向对象的程程序设计。WTK把虚拟世界称称为宇宙（可可能存在几个个宇宙，由入入口相联，但但在给定时间间只显示一个个宇宙）。假假设在这一点点，这个宇宙宙存在，并有有各种对象居居住（动态的的和静态的））。为了实现现这个，需要要相继调用universe-new()初始化这个宇宇宙，再调用用universe-load()装入被仿真的的具体世界。。然后由WTK的universe-go()函数进入仿真真循环（无限限次重复），，由universe-stop退出。宇宙有有用户定义““行为函数””，它的调用用是在绘制当当前的画面以以前。行为函函数由universe-setaction调用来设置，，它允许仿真真的应用控制制。每个图形形虚拟对象对对每个画面也也可以完成一一次任务。任任务是由object-settask规定，并建模模对象属性。。最后，绘制制这个宇宙，，并通过读取取I/O工具（传感器器）开始新的的循环。虚拟现实中的的软件系统小小结虚拟现实工具具软件的要求求包括：工具软件(工具盒)是面向对象函函数的可扩充充的库；硬件件独立性；支支持某种形式式的网络；接接