面向視景仿真的虛擬校園實(shí)時(shí)交互和漫游系統(tǒng)
1、雙目立體視覺成像原理
人的信息感知約有80%是通過視覺獲取的,虛擬環(huán)境的好壞主要取決于其視景生成系統(tǒng)的好壞。人之所以
對(duì)所見物體產(chǎn)生立體感,主要是由雙目視差造成的,人的大腦通過這一視差差別對(duì)被觀察對(duì)象產(chǎn)生立體感覺,虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境就是基于這一原理,對(duì)用戶的雙眼分別產(chǎn)生兩幅具有細(xì)微差異的圖像,而兩只眼睛的視線有很大一部分是重疊的,利用這種重疊而形成的深度知覺即為雙目立體視覺。
2、虛擬校園動(dòng)態(tài)對(duì)象的雙目立體視覺實(shí)現(xiàn)
虛擬校園動(dòng)態(tài)對(duì)象(如汽車整車模型)的建立是基于CAD建立整車的三維幾何模型,通過IGES的數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)化為WTK可接受的數(shù)據(jù)格式,再添加紋理、定義光源和材質(zhì)文件來實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車模型的表面建模;根據(jù)雙目立體視覺成像原理,在WTK軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)兩幅圖像的合成,并以一定的頻率相互轉(zhuǎn)換,利用人的視覺的遲滯效應(yīng),通過虛擬現(xiàn)實(shí)硬件(如紅外發(fā)射器、立體眼鏡等)在人的大腦中合成立體視覺圖像。
3、虛擬校園和圖書館場(chǎng)景的交互和漫游
3.1視點(diǎn)的設(shè)置
在虛擬校園動(dòng)態(tài)對(duì)象虛擬場(chǎng)景的交互和漫游中,首先必須設(shè)置視點(diǎn)。視點(diǎn)的設(shè)置有兩種,即設(shè)置在動(dòng)態(tài)對(duì)象的內(nèi)部或者外部,分別獲得不同的視覺效果。當(dāng)視點(diǎn)設(shè)置在動(dòng)態(tài)對(duì)象的內(nèi)部時(shí),則可以觀察到動(dòng)態(tài)對(duì)象的內(nèi)部情況,實(shí)現(xiàn)對(duì)象的內(nèi)部交互;視點(diǎn)設(shè)置在動(dòng)態(tài)對(duì)象的外部時(shí),則可以觀察到動(dòng)態(tài)對(duì)象的外部情況,實(shí)現(xiàn)對(duì)象的外部漫游。本研究視點(diǎn)是通過三維鼠標(biāo)等傳感器來實(shí)現(xiàn),傳感器的方位被自動(dòng)記錄并進(jìn)行實(shí)時(shí)平移和旋轉(zhuǎn)計(jì)算,通過WTK有關(guān)函數(shù)來設(shè)定視點(diǎn)的方位,再實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)和虛擬場(chǎng)景中的實(shí)體的運(yùn)動(dòng)連接,從而產(chǎn)生沉浸感。
3.2虛擬場(chǎng)景的交互和漫游
桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中,虛擬場(chǎng)景的交互是采用鍵盤和鼠標(biāo)來實(shí)現(xiàn)的,由于鼠標(biāo)操作靈活,通過鼠標(biāo)的
移動(dòng)來改變觀察的視點(diǎn),控制動(dòng)態(tài)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方向,或?qū)崿F(xiàn)虛擬場(chǎng)景的放大和縮?。煌ㄟ^立體眼睛或頭盔來感受動(dòng)靜態(tài)模型在不同方位上運(yùn)動(dòng)圖像。
3.3實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)
當(dāng)動(dòng)態(tài)對(duì)象在虛擬環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí),應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)對(duì)象與其它物體間進(jìn)行實(shí)時(shí)的碰撞檢測(cè)和響應(yīng),從而增強(qiáng)交互的真實(shí)感。動(dòng)態(tài)對(duì)象的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè),主要是針對(duì)運(yùn)動(dòng)物體(如汽車)與虛擬環(huán)境中的靜態(tài)物體(如校園公路旁邊的柵欄等)的碰撞進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),并做出響應(yīng)。本研究是通過采用粗略碰撞檢測(cè)算法來實(shí)現(xiàn)的。粗略碰撞檢測(cè)算法是基于整個(gè)包圍盒或包圍球的碰撞檢測(cè),只能大體檢測(cè)物體之間的碰撞,可以降低碰撞檢測(cè)的復(fù)雜性,使虛擬環(huán)境交互實(shí)時(shí)性增強(qiáng)[5,6]。
4、面向視景仿真的桌面VR系統(tǒng)開發(fā)
4.1系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)
考慮到經(jīng)濟(jì)性,確定開發(fā)的重點(diǎn)是虛擬校園和圖書館場(chǎng)景的生成和漫游,使用戶能夠“沉浸”于一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的虛擬校園環(huán)境中,并實(shí)現(xiàn)基本的交互功能和簡(jiǎn)單的構(gòu)想?;赪TK開發(fā)平臺(tái),開發(fā)了面向視景仿真的桌面式虛擬校園實(shí)時(shí)交互和漫游系統(tǒng),該系統(tǒng)由三層組成,即:三維模型構(gòu)造層、虛擬現(xiàn)實(shí)層和交互驅(qū)動(dòng)層,其基本層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。
4.2系統(tǒng)基本配置
面向視景仿真的桌面式虛擬校園實(shí)時(shí)交互和漫游系統(tǒng)硬件系統(tǒng)基本配置:
(1)微機(jī):Pentium4,主頻2.4G,80G/7200硬盤,17英寸顯示器;
(2)圖形加速器:Quadro4900XGL,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)專用;
(3)立體圖像觀察設(shè)備:紅外中央同步信號(hào)控制發(fā)射器、有線立體眼鏡、無線立體眼鏡;
(4)頭盔:CyberCE500s,最大象素800×600;
(5)跟蹤器:含信號(hào)發(fā)生器和接收器;
(6)空間球:Spaceball4000FLX,6自由度虛擬空間和3D模型交互。
圖4所示為所開發(fā)的面向視景仿真的桌面式虛擬校園實(shí)時(shí)交互和漫游系統(tǒng)硬件調(diào)試。
系統(tǒng)軟件基本配置:
(1)操作系統(tǒng):WindowsXP;
(2)虛擬環(huán)境開發(fā)平臺(tái):WTK9.0;
(3)開發(fā)軟件:VC++6.0;
(4)建模軟件:3DMAX;
(5)分析計(jì)算平臺(tái):ADAMS12.0、ANSYS6.5、MATLAB7.2。
5、結(jié)語
本文研究了雙目立體視覺成像原理,為了增強(qiáng)虛擬環(huán)境的沉浸感,通過C語言調(diào)用WTK的函數(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬校園動(dòng)態(tài)對(duì)象的雙目立體視覺顯示;探討了視點(diǎn)的設(shè)置、虛擬場(chǎng)景的交互和漫游、實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)處理等虛擬場(chǎng)景交互和漫游問題,為了給觀察者以漫游虛擬世界的感覺,開發(fā)了面向視景仿真的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),用鍵盤和鼠標(biāo)等初步實(shí)現(xiàn)了虛擬校園和圖書館等場(chǎng)景的交互和漫游。
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