内容发布更新时间 : 2024/6/1 20:22:51星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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虚拟现实在各行应用六则（三）

一、虚拟现实的计算机技术：计算机体系结构

虚拟现实对计算机系统的要求，只包括了视觉显示对计算机系统的要求。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。

帧频和延迟时间的要求

VR要求高帧频和快速响应，这是由于其内在的交互性质。

要求的帧频和延迟一般取决于环境特性。只有慢速运动物体的较静的环境，可以用帧频每秒8至10，和0.1秒延迟。如果环境有高速运动的物体，则要求高帧频（>60Hz）和短延迟。所有情况下，若帧频低于每秒8帧，则失去三维环境的生动感，若延迟大于0.1秒，则很难操作环境。因此，帧频必须大于8到10帧/秒,总延迟必须小于0.1秒。

帧频概念来自动图像技术。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。为了维持在VR中的临场和沉浸感，图形帧频是关键的。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。

如果应用允许交互控制，也要求快速响应。已知，长响应时间（滞后时间，延迟时间）严重降低用户性能。延迟时间是从用户的动作开始（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。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、绘制时间以及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。虽然延迟与帧频有关，但它们不同。系统可能有高帧频，但有较大的延迟时间，显示的图像和提供的计算结果是几帧以前的。研究表明，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。

计算能力和场景复杂性

虚拟现实仿真的计算问题，是一种时间受限的计算。这是因为显示的帧频必须大于8到10帧/秒。于是，在0.1秒内，必须完成一次场景的计算。如果一个显示的场景中有10,000个三角形（或多边形），这个数量就反映了场景复杂性。这样，在每秒进行的10次计算中，就应该计算100,000个三角形（或多边形）。这表示了计算能力。

若要求更加逼真的仿真效果，就要增加场景复杂性。显示的场景中有更多的三角形（或多边形），显示的效果就更逼真。这就要求更强的计算能力，每秒计算更多的三角形（或多边形）。反之，如果只能使用能力有限的指定的计算机，则限定了计算能力，也就限定了场景复杂性。每个场景，只能用较少的三角形（或多边形），产生较粗糙的显示。这种考虑就是，计算能力和场景复杂性的折衷。

下面几节将介绍用于VR的各类计算机。对这些计算机，主要的技术指标就是其计算能力，也就是每秒计算的三角形（或多边形）的数目。应该注意，是否加纹理，是否反走样，采用哪一种明暗模型，都会影响到计算能力。加入这些复杂的功能，就会增加计算复杂性，从而减少每秒计算的三角形（或多边形）的数目。

下图表示，波音747-400飞机的两种复杂性不同的三维模型。（a）中的模型有520个顶点，406个多边形。（b）中的模型有7694个顶点，7556个多边形。效果图说明了明显的逼真度差别。

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下图表示，人体骨骼的两种复杂性不同的三维模型。（a）中的模型有8979个多边形。（b）中的模型有131275个多边形。效果图说明了明显的逼真度差别。

对计算机系统的要求

图形学和计算机硬件的进展对全真实的VR是关键因素。今天的硬件能力只能给研究者、厂家和用户提供虚拟世界的尝试和应用的希望。由于广泛的兴趣和有不同性能要求的大量应用，所以需要在几个层次继续进行硬件开发，由高档多模式工作站到低档的只有适当三维视觉能力的个人工作站。

将来的高档VE系统有几个硬件要求。我们始终需要为应用提供高计算要求的计算机结构。这些机器必须有很大的物理存储（>15Gbytes），多个高性能向量处理机，高带宽（>500Mbytes/s），低延迟（<0.03s），巨型存储设备，和对各种输入输出设备的高速接口。磁盘带宽不可能在近几年大大改进。对录象和超媒体集成，磁盘带宽和大小是限制因??（未完）

二、虚拟现实建筑设计思维

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虚拟现实又称为虚拟环境（VirtualEnvironments）、人造空间（Cyberspace）、人工现实（ArtificialReality）、仿真技术（SimulatorTechnology）等。它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络、并行处理等技术的最新发展成果。它以模拟方式为使用者，创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界。在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，使设计者可以深入探索、参与者可以直接参与虚拟对象在所处环境中的作用和变化，仿佛置身于一个虚拟的世界中，产生融合性…… 1997年，Bridges与Charitos提出建筑设计与VR之间，存在着一双向关系，建筑设计可引用VR来评估与验证设计意图，而虚拟现实的环境可引用建筑设计知识来建构。

虚拟现实的建筑演示系统

在建筑和规划学科领域，使用虚拟现实演示单体建筑、居住小区乃至城市空间，可以让人以不同的俯仰角度去审阅或欣赏其外部空间的动感形象及其平面布局特点。它所产生的融合性，要比模型或效果图更形象、完整和生动。

使用虚拟现实语言，可实现实时场景及单体编辑，动画、解说等多媒体信息和虚拟现实无缝连接。它让人易于交流，加强大众与专业团体对城市及开发区规划的理解与熟悉，勾画未来城市的形象等。

台湾交通大学建筑与文化研究院刘育东教授在台湾新竹市东门城广场规划中，第一次对公共工程进行公开讨论，以拟定后续的发展准则。居民们希望从任意角度了解工程项目的。情况，所以将虚拟现实引入用户参与设计系统是十分必要的。虚拟现实能适应因特网上传播的需要，并能满足房地产信息的需求。对房地产开发商、建筑设计和规划行业来说，虚拟现实的展示方式是大势所趋。

在商品房交易中，消费者除了关注商品房的价格、位置之外，越来越关注房屋的环境、结构、设计、装潢。用户在查询某商品房时，可以定位指定观察室内户型以及小区环境。可以亲身体验小区建成后的三维虚拟环境，了解室内空间、周边环境、固定设施的配套情况，因而仿佛身临其境。虚拟现实可以辅助户型室内装修设计及建材选择。场景中每个物体，可进行独立的移动、隐藏等编辑操作。动感十足的虚拟现实可刺激用户的购买欲，有助于销售，缩短售房周期。

虚拟巡游系统的形成过程

以动画及虚拟系统的形成过程为例，介绍如何将虚拟现实辅助于建筑设计方案中。

数据采集

包括平、立、剖面与透视图。包括能充分反映建筑物的特点、立面效果，以及重要建筑物的空间关系的规划区域实景图像，诸如多角度、多距离观察的录像与摄影图片。还包括空间参照物，如四周建筑物，相关的图纸和文本。

用三维建模软件建模

依据方案设计图在三维图形系统中构造建筑物，常用建模软件有AutoCAD和3DSMAX。使用3DSMAX制作动画。将其以VRML（VirtualRealityModelingLanguage）文件格式输出。

优化虚拟系统

? 使用LOD（Levelofdetail）算法替代模型的不同版本，以减轻VRML浏览器的负担。通过这种算法，对于远处的或者是不重要的物体，用较少的多边形表示。对于近处的或较重要的物体用较多的多边形来表示，从而在保证图像质量的基础上减少多边形的数目。 ? 在场景中放置足够多的摄影机，以供用户选择。 ? 使用USE，对原始节点进行重用，以减少文件长度。

? 使用超链接节点Anchor，Inline等，链接其它虚拟空间。Anchor使场景中的对象与另一空间造型??（未完）

三、虚拟现实环境下的产品设计和制造技术

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