虛擬現(xiàn)實(shí)與VRML－第三章虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù).ppt

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山東理工大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室虛擬現(xiàn)實(shí)與VRML 虛擬現(xiàn)實(shí)與VRML 第三章虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù) 第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 3 1虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)3 1 1虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求下面介紹的虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求 只包括了視覺(jué)顯示對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求 位姿傳感器的數(shù)據(jù)處理 一般不在主計(jì)算機(jī)上進(jìn)行 而是由專用的電子設(shè)備完成 聽(tīng)覺(jué)顯示 力覺(jué)觸覺(jué)顯示 研究工作和實(shí)際應(yīng)用還較少 對(duì)其計(jì)算要求的認(rèn)識(shí)還較少 聽(tīng)覺(jué)顯示和力覺(jué)觸覺(jué)顯示的計(jì)算 往往由專用計(jì)算機(jī)完成 所以 當(dāng)前的虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī) 主要完成視覺(jué)顯示的計(jì)算任務(wù) 1 幀頻和延遲時(shí)間的要求VR要求高幀頻和快速響應(yīng) 這是由于其內(nèi)在的交互性質(zhì) 要求的幀頻和延遲一般取決于環(huán)境特性 只有慢速運(yùn)動(dòng)物體的較靜的環(huán)境 可以用幀頻每秒8至10 和0 1秒延遲 如果環(huán)境有高速運(yùn)動(dòng)的物體 則要求高幀頻 60Hz 和短延遲 所有情況下 若幀頻低于每秒8幀 則失去三維環(huán)境的生動(dòng)感 若延遲大于0 1秒 則很難操作環(huán)境 因此 幀頻必須大于8到10幀 秒 總延遲必須小于0 1秒 幀頻概念來(lái)自動(dòng)圖像技術(shù) 在動(dòng)圖像顯示中 每一幀實(shí)際上是靜止照片 如果新照片快速接替舊照片 就產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)動(dòng)的幻覺(jué) 修改率是在屏幕上的顯示改變的速率 為符合基本的動(dòng)圖像技術(shù) 理想的修改率是每秒20幀 新圖像 對(duì)計(jì)算機(jī)硬件 幀頻有幾個(gè)含義 它們大致分類為 圖形的幀頻 計(jì)算的幀頻 數(shù)據(jù)存取的幀頻 為了維持在VR中的臨場(chǎng)和沉浸感 圖形幀頻是關(guān)鍵的 這些幀頻可能是獨(dú)立的 圖像場(chǎng)景可能變化 而沒(méi)有來(lái)自用戶視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算和數(shù)據(jù)存取 這時(shí) 圖形的幀頻大于計(jì)算的幀頻和數(shù)據(jù)存取的幀頻 經(jīng)驗(yàn)表明 圖形幀頻率應(yīng)盡可能高 低于每秒10幀的幀頻嚴(yán)重降低臨場(chǎng)的幻覺(jué) 如果圖形顯示依靠計(jì)算和數(shù)據(jù)存取 則計(jì)算和數(shù)據(jù)存取幀頻必須為8到10幀 秒 維持用戶看到時(shí)間演化的幻覺(jué) 如果應(yīng)用允許交互控制 也要求快速響應(yīng) 已知 長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間 滯后時(shí)間 延遲時(shí)間 嚴(yán)重降低用戶性能 延遲時(shí)間是從用戶的動(dòng)作開(kāi)始 如用戶轉(zhuǎn)動(dòng)頭部 經(jīng)過(guò)位姿傳感器感知用戶位姿 把位姿信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)計(jì)算新的顯示場(chǎng)景 把新的場(chǎng)景傳送給視覺(jué)顯示設(shè)備 直到視覺(jué)顯示設(shè)備顯示出新的場(chǎng)景為止 這些延遲在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中來(lái)自很多因素 如數(shù)據(jù)存取時(shí)間 計(jì)算時(shí)間 繪制時(shí)間以及輸入設(shè)備數(shù)據(jù)處理時(shí)間 類似幀頻的情況 延遲的來(lái)源分成 數(shù)據(jù)存取 計(jì)算 圖形 雖然延遲與幀頻有關(guān) 但它們不同 系統(tǒng)可能有高幀頻 但有較大的延遲時(shí)間 顯示的圖像和提供的計(jì)算結(jié)果是幾幀以前的 研究表明 多于幾毫秒的延遲會(huì)影響用戶性能 而多于0 1秒的延遲有嚴(yán)重影響 2 計(jì)算能力和場(chǎng)景復(fù)雜性虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的計(jì)算問(wèn)題 是一種時(shí)間受限的計(jì)算 這是因?yàn)轱@示的幀頻必須大于8到10幀 秒 于是 在0 1秒內(nèi) 必須完成一次場(chǎng)景的計(jì)算 如果一個(gè)顯示的場(chǎng)景中有10 000個(gè)三角形 或多邊形 這個(gè)數(shù)量就反映了場(chǎng)景復(fù)雜性 這樣 在每秒進(jìn)行的10次計(jì)算中 就應(yīng)該計(jì)算100 000個(gè)三角形 或多邊形 這表示了計(jì)算能力 若要求更加逼真的仿真效果 就要增加場(chǎng)景復(fù)雜性 顯示的場(chǎng)景中有更多的三角形 或多邊形 顯示的效果就更逼真 這就要求更強(qiáng)的計(jì)算能力 每秒計(jì)算更多的三角形 或多邊形 反之 如果只能使用能力有限的指定的計(jì)算機(jī) 則限定了計(jì)算能力 也就限定了場(chǎng)景復(fù)雜性 每個(gè)場(chǎng)景 只能用較少的三角形 或多邊形 產(chǎn)生較粗糙的顯示 這種考慮就是 計(jì)算能力和場(chǎng)景復(fù)雜性的折衷 下面幾節(jié)將介紹用于VR的各類計(jì)算機(jī) 對(duì)這些計(jì)算機(jī) 主要的技術(shù)指標(biāo)就是其計(jì)算能力 也就是每秒計(jì)算的三角形 或多邊形 的數(shù)目 應(yīng)該注意 是否加紋理 是否反走樣 采用哪一種明暗模型 都會(huì)影響到計(jì)算能力 加入這些復(fù)雜的功能 就會(huì)增加計(jì)算復(fù)雜性 從而減少每秒計(jì)算的三角形 或多邊形 的數(shù)目 下圖表示 波音747 400飛機(jī)的兩種復(fù)雜性不同的三維模型 a 中的模型有520個(gè)頂點(diǎn) 406個(gè)多邊形 b 中的模型有7694個(gè)頂點(diǎn) 7556個(gè)多邊形 效果圖說(shuō)明了明顯的逼真度差別 下圖表示 人體骨骼的兩種復(fù)雜性不同的三維模型 a 中的模型有8979個(gè)多邊形 b 中的模型有131275個(gè)多邊形 效果圖說(shuō)明了明顯的逼真度差別 3 對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)硬件的進(jìn)展對(duì)全真實(shí)的VR是關(guān)鍵因素 今天的硬件能力只能給研究者 廠家和用戶提供虛擬世界的嘗試和應(yīng)用的希望 由于廣泛的興趣和有不同性能要求的大量應(yīng)用 所以需要在幾個(gè)層次繼續(xù)進(jìn)行硬件開(kāi)發(fā) 由高檔多模式工作站到低檔的只有適當(dāng)三維視覺(jué)能力的個(gè)人工作站 將來(lái)的高檔VE系統(tǒng)有幾個(gè)硬件要求 我們始終需要為應(yīng)用提供高計(jì)算要求的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu) 這些機(jī)器必須有很大的物理存儲(chǔ) 15Gbytes 多個(gè)高性能向量處理機(jī) 高帶寬 500Mbytes s 低延遲 0 03s 巨型存儲(chǔ)設(shè)備 和對(duì)各種輸入輸出設(shè)備的高速接口 磁盤(pán)帶寬不可能在近幾年大大改進(jìn) 對(duì)錄象和超媒體集成 磁盤(pán)帶寬和大小是限制因素 也需要巨大的計(jì)算和數(shù)據(jù)管理能力 物理建模和可視化計(jì)算將是計(jì)算需求的推動(dòng)力 現(xiàn)在某些問(wèn)題要求40Mflops機(jī)器能力 如果希望加入更多數(shù)據(jù)或開(kāi)發(fā)更細(xì)分辨率的模型 就會(huì)使用這一層次的計(jì)算能力 重要的是鼓勵(lì)實(shí)際生產(chǎn)VR要求的機(jī)器 3 1 2基于PC的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器Grimsdale 1992 指出 讓一般公眾接受虛擬現(xiàn)實(shí)將通過(guò) 發(fā)展 而不是 革命 發(fā)展意味著升級(jí)現(xiàn)有的計(jì)算基礎(chǔ) 產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實(shí)要求的新功能 當(dāng)前最大的計(jì)算基礎(chǔ)包括遍布全世界的幾千萬(wàn)臺(tái)PC 利用PC平臺(tái)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低 于是在1992年推出了低級(jí)的基于486的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器 它有頭部跟蹤器 HMD 3 D聲音 圖形加速器和手柄 價(jià)格少于20000美元 1994年 低級(jí)的基于PC的系統(tǒng)價(jià)格約3300美元 跟蹤球200美元 Cyberscope200美元 軟件工具盒900美元 486 PC2000美元 1 有ActionMedia圖形加速器的486 PCPimentel和Teixeira 1993 介紹了基于486PC的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器 它用兩個(gè)IntelActionMediaII圖形板 為了減少CPU的計(jì)算 并減少在慢速的8 MHz的PC總線上的通訊 兩個(gè)圖形板是必要的 圖形命令以 壓縮 形式由CPU送給ActionMedia板 它為兩只眼繪制兩個(gè)圖像 在并行工作時(shí) 每個(gè)板可以繪制約3000 5000個(gè)多邊形 秒 而且實(shí)際的能力會(huì)降低約20 于是 有效的繪制率是4000個(gè)多邊形 秒 如果更新率是30個(gè)畫(huà)面 秒 得到的場(chǎng)景復(fù)雜性僅133個(gè)多邊形 畫(huà)面 眼 如果更新率僅有10個(gè)畫(huà)面 秒 則虛擬場(chǎng)景可以有400個(gè)多邊形 圖形加速器的輸出 紅 綠 藍(lán) RGB 格式 不能直接由FlightHelmetHMD顯示 于是需要兩個(gè)RGB NTSC轉(zhuǎn)換器 每個(gè)圖形輸出一個(gè) NTSC信號(hào)之一接到一臺(tái)監(jiān)視器 允許與HMD同時(shí)分別觀察 Logitech跟蹤器連到PC的串行口 傳送頭部位置數(shù)據(jù) Beachtron 3 D聲音卡插到PC的母板上 輸出虛擬聲音到頭盔的耳機(jī) 2 有SPEA Fire 圖形加速器的486 PC比ActionMediaII更強(qiáng)的PC圖形板是SPEASoftwareAG的 Fire 板 價(jià)格約4000美元 它的繪制速率約為18000平面明暗化多邊形 秒 和7000Gouraud明暗多邊形 秒 Fire板使用i486RISC處理器 有64bit結(jié)構(gòu)和40MIPS 到程序存儲(chǔ)器的64 bit總線確保極快的數(shù)據(jù)傳送 8到18Mbyte的程序存儲(chǔ)器可以用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 顯示表 用于軟件驅(qū)動(dòng)器和Z 緩沖器 對(duì)3 D對(duì)象 卡的Video存儲(chǔ)器的組織 允許不同的輸出分辨率 由VGA到1280 1024象素 RGB輸出可以轉(zhuǎn)換成NTSC 這是通過(guò)SPEATVX轉(zhuǎn)換器 或用HarmonicResearchInc 的CV 121轉(zhuǎn)換器 它有8MHz的亮度帶寬 330線的視頻分辨率或450線的S 視頻輸出 Doucet和Rothman 1993 把兩個(gè)Fire板集成在Intel48650MHz上 正如上面的例子 虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器包括 有PolhemusFastrack的FlightHelmetHMD Beachtron3 D聲音產(chǎn)生器 跟蹤球 以及MicroIntro語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng) 這個(gè)系統(tǒng)中好的策略是 首先確保每個(gè)部件與PC平臺(tái)正常工作 然后檢查整個(gè)系統(tǒng)的一致性 因?yàn)椴煌瑥S家制造的部件有不同的 有時(shí)沖突的 要求 Fire板的集成就是用跨接線設(shè)定板的存儲(chǔ)地址 每個(gè)板必須有不同的地址 而且選擇的地址必須在VGA板選用的最高存儲(chǔ)地址以上 于是 FireGDCINST布局軟件被用于設(shè)定板的口地址 和雙板工作方式 板的輸出視頻分辨率是用Fire860MODE軟件設(shè)置的 兩個(gè)板的輸出用上述的HarmonicResearch轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為NTSC 使用的跟蹤球是SpaceballTechnologiesInc 的 Spaceball2003 它連接到PC串行口COM2 Sense8WorldToolKit通訊驅(qū)動(dòng)器支持這個(gè)跟蹤球 它只需要用串行口COM1和COM2 集成Fastrack跟蹤器 是通過(guò)設(shè)置接收器的號(hào)碼和串行口波特率 用接口單元前面的開(kāi)關(guān) 設(shè)置接收器的號(hào)碼為1 串行口波特率被設(shè)置為9600波特 這是用接口單元后面的開(kāi)關(guān) 然后把它連到串行口COM4 與HMD并行工作 用于使仿真可視化的監(jiān)視器 在Fastrack 初始化 時(shí)應(yīng)該斷開(kāi) 以便減少磁干擾 MicroIntro MIV 語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)連到COM3口 再對(duì)每個(gè)用戶 訓(xùn)練 然后斷開(kāi)它的麥克風(fēng) 使用集成到FlightHelmet的一個(gè) 這就降低了語(yǔ)音識(shí)別的比率 可能因?yàn)轭^盔的麥克風(fēng)遠(yuǎn)離用戶嘴 于是 MIV麥克風(fēng)最后再次使用 并在外部安裝在FlightHelmet 單詞 識(shí)別 的進(jìn)一步的問(wèn)題仍然存在 可以參見(jiàn)Doucet和Rothman 1993 的報(bào)告 Beachtron的集成是設(shè)置板頂上的DIP開(kāi)關(guān) 選擇正確的口地址 在把板插在PC母板后 Multisound 軟件必須在Windows下裝入 這也是選擇正確的IRQ 口和存儲(chǔ)地址 以便在WorldToolKit中工作 作者進(jìn)一步指出 Beachtron聲音板的集成是系統(tǒng)集成中最困難的部分 這是由于幾個(gè)因素 首先 用于與Beachtron接口的軟件庫(kù)還沒(méi)有資料 并正在開(kāi)發(fā) 其次 現(xiàn)有的Beachtron庫(kù)要求賦給Beachtron特定的中斷 口地址和存儲(chǔ)地址 最后 Beachtron軟件最初的版本與Spaceball沖突 這就妨礙了二者同時(shí)使用 這個(gè)問(wèn)題在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中被消除了 在系統(tǒng)集成中真正的難點(diǎn)是讓所有設(shè)備有相容的IRQ向量 所采用的I O板只允許COM3和COM4使用中斷3 4 5或9 MIV語(yǔ)音識(shí)別設(shè)備只能用直至5的中斷 而Fastrack不能用高于7的中斷 3 其它基于PC的圖形加速器PC上其它的圖形性能是由 Stride 板得到的 Stride圖形加速器使用兩個(gè)板的配置 基本板和協(xié)作的Gouraud明暗板 基本板使用基于TexasInstrumentsTMS34020圖形加速器的8 bit圖形機(jī)器 為了更快的計(jì)算 可以增加最多兩個(gè)TMS34082浮點(diǎn)協(xié)處理器 通用8 bit擴(kuò)展母線連接器允許增加其它板 如聲音產(chǎn)生器 Stride卡上的高速多邊形繪制設(shè)備放在第二個(gè)板上 圖像繪制器與基本板的連接是通過(guò)獨(dú)立的接口 這避免了利用慢的PC總線 繪制器可以作Gouraud明暗和Z 緩沖器 并有自己的視頻存儲(chǔ)器 一個(gè)繪制器可以作35000個(gè)明暗的多邊形 秒 而用兩個(gè)繪制器則是70000個(gè)明暗的多邊形 秒 這是很強(qiáng)的PC圖形加速器 它的能力超過(guò)某些基于工作站的系統(tǒng) 由于每個(gè)Stride基本板只有一個(gè)RGB輸出 立體輸出就要求兩個(gè)基本板 以及多達(dá)兩個(gè)繪制器板 即總共六個(gè)板 由于每組三個(gè)板價(jià)值26000美元 在兩個(gè)協(xié)處理器的方案 這是很昂貴的系統(tǒng) 此外 六個(gè)板在PC母板上占用六個(gè)槽空間 這減少了構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器的其它I O工具可用的槽數(shù) 最后 當(dāng)前被DivisionLtd 推出的新的板的家族是 PCdView 和 MacdView PCdView是在IBMPC 兼容機(jī)上的實(shí)時(shí)圖形的圖像生成和軟件環(huán)境 而MacdView工作在Macintosh上 PCdView 和 MacdView 都用高級(jí)PAZ繪制器 它使應(yīng)用程序直接處理復(fù)雜的虛擬對(duì)象 它的多處理器結(jié)構(gòu)基本上與Provision100之一相同 并可以繪制超過(guò)3萬(wàn)個(gè)Phong明暗多邊形 秒 或3 5萬(wàn)個(gè)Gouraud明暗多邊形 秒 這些以800萬(wàn)象素 秒速率作Z 緩沖 幾何數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)超過(guò)4萬(wàn)多邊形 立體圖形是用兩個(gè)PCdView 或兩個(gè)MacdView得到的 每個(gè)眼一個(gè) 單個(gè)PcdView MacdView板的價(jià)格是5500美元 更貴的版本可以提供紋理 價(jià)值12000美元 4 圖形硬件圖形硬件是使圖形繪制加速的硬件設(shè)備 圖形硬件涉及到圖形流水線 圖形卡的AGP和PCI 圖形加速器 以及Add ons 下圖表示圖形卡的工作原理 圖形流水線包括把三維物體由其自身坐標(biāo)系變換到用于顯示的二維屏幕空間所需要的計(jì)算器 這個(gè)過(guò)程涉及到很多步驟 第一步是把物體由其自身坐標(biāo)系變換到描述整個(gè)場(chǎng)景的世界坐標(biāo)系 第二步是剔除在場(chǎng)景中不必顯示的物體 減少計(jì)算量 這是計(jì)算過(guò)程優(yōu)化 第三步是在模型中引入顏色和明暗等性質(zhì) 第四步 場(chǎng)景再作另一個(gè)變換到屏幕空間 最后光柵化為象素 并且顯示 在這個(gè)過(guò)程中 計(jì)算是在多個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行 很多計(jì)算在CPU進(jìn)行 但是多數(shù)矩陣運(yùn)算是在圖形加速器中進(jìn)行 應(yīng)該注意到 數(shù)據(jù)離開(kāi)CPU后 應(yīng)該馬上經(jīng)過(guò)四步 由總線進(jìn)入VideoChipset 視頻芯片 并進(jìn)行處理 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 這主要取決于總線類型 速度和CPU 由VideoChipset進(jìn)入VideoMemory 視頻存儲(chǔ)器 保存屏幕圖形的鏡象 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 這一步和下一步都要求更大更快的總線 VC和RAMDC應(yīng)該存取VRAM 由VideoMemory進(jìn)入DigitalAnalogConverter RAMDAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 讀出屏幕鏡象 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換 由DigitalAnalogConverter到監(jiān)視器 模擬數(shù)據(jù) 由此可見(jiàn) 除了第四步外 每一步對(duì)圖形子系統(tǒng)的性能都是某種瓶頸和關(guān)鍵 最慢的一步會(huì)確定全局速度 圖形卡的AGP和PCI是總線 數(shù)據(jù)總線會(huì)影響到圖形卡的性能 PCI是標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線 總線把計(jì)算機(jī)的插入卡 網(wǎng)絡(luò)卡 圖形卡等 連接到CPU PCI總線的傳輸速度限制在130Mb s 這說(shuō)明 插入的卡越多 每個(gè)卡得到的傳輸速度越小 圖形卡與CPU只能以較小的帶寬通訊 AGP是專用總線 它只能連接一個(gè)卡 圖形卡 它的通過(guò)量為530Mb s 全部用于圖形卡 他還允許直接把紋理傳送到圖形卡 不必通過(guò)系統(tǒng)存儲(chǔ)器 可以想象 這將大大增加系統(tǒng)性能 Intel已經(jīng)開(kāi)發(fā)了AGP2x和4x 比正規(guī)的AGP速度更快 PCI結(jié)構(gòu)的工作原理 AGP結(jié)構(gòu)的工作原理 圖形加速器是圖形計(jì)算的另一個(gè)重要部分 這是圖形卡上的處理器 它完成所有繁重的計(jì)算 至今 這些繁重計(jì)算主要包括 加紋理 反走樣 以及其他計(jì)算密集的函數(shù) NVidia將推出芯片 完成光照及其變換 它將取代CPU的工作 大大加速顯示過(guò)程 允許實(shí)時(shí)的照明和明暗變化 3Dfx制造了圖形卡的Voodoo和Banshee芯片 它也利用自己的T 緩沖技術(shù) 把實(shí)時(shí)明暗加在其Voodoo芯片上 Add ons適用于只有2D加速器 但沒(méi)有3D加速器的計(jì)算機(jī) 它提供用于顯示3D物體的計(jì)算 極大地改進(jìn)性能 3Dfx是add ons的主要制造商 它的Voodoo就是一種初等的add ons 它還為其圖形卡開(kāi)發(fā)了API 稱為Glide Glide提供了軟件微層次 使開(kāi)發(fā)者免于直接處理硬件寄存器和存儲(chǔ)器 這減少了調(diào)試時(shí)間 加快了開(kāi)發(fā)過(guò)程 它基本上是OpenGLAPI的縮減版本 類似于OpenGL GlideUtilityLibrary提供Glide的更高層次的實(shí)現(xiàn) 很多公司正在考慮圖形硬件的限制 提出解決辦法 最大的問(wèn)題之一是能把數(shù)據(jù)塞進(jìn)圖形加速器 再取出并送到顯示器 PixelFusion公司正采用UNCChapelHill sPixelPlanes的技術(shù) 并實(shí)現(xiàn)在一個(gè)圖形板上 它打破場(chǎng)景 作并行處理 用多個(gè)處理器同時(shí)處理場(chǎng)景的不同部分 這使它的繪制能力達(dá)到200Gb s 這個(gè)卡有7千萬(wàn)晶體管 有超過(guò)1300個(gè)算術(shù)運(yùn)算單元 ALU MitsubishiElectric正在開(kāi)發(fā)立體繪制的硬件 它使用了體素 voxels 繪制3D物體 體素是3D的象素 即使還是在開(kāi)發(fā)的第一階段 也已經(jīng)能實(shí)時(shí)改變光照 紋理和明暗 此外 也能實(shí)時(shí)改變模型上的變換 動(dòng)態(tài)產(chǎn)生剪切平面 透明性和材料性質(zhì) 5 3D顯示卡第四代3D顯示卡有如下列幾種 1 3dfxVoodoo3 3500它使用8片HY5 5ns 提供128bit帶寬 顯存和芯片內(nèi)核速率在183MHz 多邊形處理能力是800萬(wàn) 秒 像素填充率是366萬(wàn) 秒 他擁有3dfx獨(dú)有的3DAPI GLIDE 擁有簡(jiǎn)潔的代碼和較高的效率 針對(duì)GLIDE優(yōu)化的游戲效果比一般針對(duì)D3D優(yōu)化的游戲效果更出色 所以他是最好的3D游戲卡 價(jià)格1500元 2 耕宇TNT2Ultra 它使用2 32的SEC GC顯存 其核心頻率和顯存頻率分別為175MHz和200MHz 多邊形處理能力是800萬(wàn) 秒 像素填充率是350萬(wàn) 秒 快是它的最大特點(diǎn) 價(jià)格1650元 3 帝盟StealthIIIS540它使用MT的8ns顯存 其核心頻率和顯存頻率分別為125MHz和143MHz 它使用4 16的32MB顯存 所以其顯示帶寬只有64bit 它的S3TC紋理壓縮技術(shù)效果出眾 它是最慢但最經(jīng)濟(jì)的3D顯示卡 價(jià)格900元 4 ATIRageFury他是最大的OEM顯示卡生產(chǎn)商 但是其產(chǎn)品的速度無(wú)法與其他顯示卡相比 它使用SEC的5nsSGRAM 其核心頻率和顯存頻率只有100MHz和110MHz ATIRage128芯片的性能很均衡 畫(huà)面質(zhì)量和D3D OPENGL性能都不錯(cuò) 特別出色的是其DVD解壓能力 他是很均衡的顯示卡 價(jià)格1300元 5 MatroxG400MAX它使用2 32的SEC GC顯存 其核心頻率和顯存頻率分別為166MHz和200MHz 多邊形處理能力是800萬(wàn) 秒 像素填充率是333萬(wàn) 秒 他擁有雙128bit總線 雙頻頭顯示技術(shù) 同時(shí)聯(lián)結(jié)兩個(gè)顯示器 環(huán)境映射凹凸貼圖等先進(jìn)技術(shù) 它的功能最多 性能很優(yōu)秀 價(jià)格2500元 3 1 3基于工作站的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器就數(shù)量來(lái)講 僅次于PC的最大的計(jì)算基礎(chǔ)是工作站 它們比PC的優(yōu)點(diǎn)是有更強(qiáng)的計(jì)算能力 更大的磁盤(pán)空間和更快的通訊方式 于是 預(yù)計(jì)主要的工作站制造廠家將開(kāi)發(fā)某些虛擬現(xiàn)實(shí)功能 Sun和SGI采用的一種途徑是用虛擬現(xiàn)實(shí)工具改進(jìn)現(xiàn)有的工作站 象基于PC的系統(tǒng)那樣 DivisionLtd 采用的另一個(gè)途徑是設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)專用的 總承包 系統(tǒng) 如Provision100 這是基于工作站的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器的兩種發(fā)展途徑 1 Sun公司的 VirtualHolographic 工作站1992年 Sun推出 VirtualHolographicWorkstation 這個(gè)系統(tǒng)最初使用SUNSparcstationII 并配置GT圖形加速器 10萬(wàn)個(gè)多邊形 秒 1994年 它升級(jí)到Sun10 51 配置ZX加速器 12 5萬(wàn)個(gè)多邊形 秒 在立體方式下 速度下降到約6萬(wàn)個(gè)多邊形 秒 且左右眼圖像交替顯示在立體監(jiān)視器上 它采用StereoGraphicsCo 的CrystalEyesVR和Logitech跟蹤器 給用戶部分沉浸感 頭部和3 D鼠標(biāo)的跟蹤是用Logitech的超聲跟蹤器 它連到工作站串行口 3 D鼠標(biāo)的使用象2 D鼠標(biāo)那樣 用于與虛擬對(duì)象以3 D交互 集成這些I O工具和SUN工作站的軟件 運(yùn)行在Solaris2 3操作系統(tǒng)上 是Sense8WorldToolKit的新版本 在1994年春推出 整個(gè)系統(tǒng)價(jià)格約46000美元 再加上Sense8軟件的另外價(jià)格約6000美元 2 Division公司的Provision100工作站Provision100的并行結(jié)構(gòu)有多個(gè)處理器 稱為 Director 用于碰撞檢測(cè)和時(shí)間同步的處理器 和用于立體視頻顯示的 actors 視頻處理器 3 D聲音的 actors 聲音處理器 和手跟蹤與手姿識(shí)別的 actors 手套處理器 這個(gè)結(jié)構(gòu)也有一個(gè)I O卡 并允許增加附加的I O處理器 與486PC等主計(jì)算機(jī)的連接允許基于UNIX的Provision100用于仿真中的高級(jí)終端 Provision模型100VRX使用兩個(gè)圖形板 每個(gè)眼一個(gè) 直接輸出NTSC PAL信號(hào) 每個(gè)圖形板有一個(gè)Inteli860處理器和兩個(gè)T425transputers i860利用常用的多邊形加速器作幾何處理 提供35000個(gè)Gouraud明暗的Z 緩沖的多邊形 秒 Provision100VRX模型有一個(gè)附加的紋理模塊 在象素處理器和兩個(gè)視頻存儲(chǔ)器之間 它可以加紋理 但不損失繪制速度 對(duì)256個(gè)texel單元 紋理元 24 bit彩色紋理圖存在高速靜態(tài)RAM中 這個(gè)RAM可以布局為256 256的4個(gè)圖 128 128的16個(gè)圖 或者它們的組合 如256 256的1個(gè)圖加上128 128的4個(gè)圖和64 64的32個(gè)圖 一個(gè)獨(dú)立的板有一個(gè)40 MHzi860處理器 以及多達(dá)16Mbytes存儲(chǔ)器 它用于對(duì)仿真中所有運(yùn)動(dòng)的虛擬對(duì)象的碰撞檢測(cè) 一個(gè)T425transputer在整個(gè)仿真管理中幫助i860 同一個(gè)板上的兩個(gè)T805transputers監(jiān)控4到8個(gè)RS232串行口和兩個(gè)可編程I O PIO 通道 這些用于由跟蹤器和其它虛擬現(xiàn)實(shí)工具的數(shù)據(jù)采集 如用于仿真的3 D鼠標(biāo) 最后 一個(gè)聲音系統(tǒng) Beachtron 提供高質(zhì)量的3 D聲音 它放在單獨(dú)的板 與上述其它板一起插在同樣的EISA總線上 1993年 Provision100VRX的價(jià)格是45000美元 不含HMD和3 D鼠標(biāo) 但它現(xiàn)在的價(jià)格是64000美元 包括紋理映射生成器 Fastrack跟蹤器 Beachtron3 D聲音 HMD和支持軟件 3 1 4高度并行的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器 因?yàn)橛?jì)算能力成為VR系統(tǒng)計(jì)算設(shè)備的瓶頸之一 所以各個(gè)工作站廠商都在發(fā)展高度并行的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器 以便提高計(jì)算能力 1 Division公司的 SuperVision 機(jī)器Provision可以繪制3 5萬(wàn)個(gè)多邊形 眼 秒 這是良好的開(kāi)始 但還遠(yuǎn)離圖形真實(shí)性所要求的幾百萬(wàn)個(gè)多邊形 眼 秒 1992年 Division宣布了 SuperVision 機(jī)器 它用高性能的并行結(jié)構(gòu)增加繪制能力到28萬(wàn)個(gè)多邊形 眼 秒 這些多邊形是紋理的 Gouraud明暗的和Z 緩沖的 SuperVision結(jié)構(gòu)有標(biāo)準(zhǔn)的Provision 前端 和多處理器組 計(jì)算 繪制卡的連接是通過(guò)高速的 200MBytes 秒 低執(zhí)行時(shí)間的通訊線路 每個(gè)處理器組都是自治單元 有一個(gè)40MHzi860處理器 一個(gè)用于I O的T425transputer 以及多達(dá)16Mbytes的局部存儲(chǔ) 多組結(jié)構(gòu)包括一個(gè)畫(huà)面緩沖器 它與一個(gè)立體視頻畫(huà)面獲取器一起 允許圖形實(shí)時(shí)覆蓋在實(shí)況視頻圖像上 此外 SuperVision有一個(gè)多通道圖像生成組 一個(gè)處理組 一個(gè)I O組 一個(gè)聲音組 以及可能的附加組 所有的組都連到同樣的通訊線路 這個(gè)通訊線路的通訊是通過(guò) 點(diǎn)到點(diǎn) 的通信路線 它可以用于任何數(shù)據(jù)類型 由實(shí)況視頻 到對(duì)象幾何修改和象素信息 所有數(shù)據(jù)包都可以由環(huán)上任意的處理器送到另一個(gè)處理器 可以選擇不同的分布方式 使得對(duì)不同問(wèn)題的性能最優(yōu) 當(dāng)前 SuperVision還不能大量生產(chǎn) 因?yàn)檫€在對(duì)系統(tǒng)各部件進(jìn)行測(cè)試和排除故障 2 SGI公司的IRIS 1400到RealityEngine2 SGI SiliconGraphicsIncorporated 公司制造的圖形系統(tǒng)具有某種更靈活更強(qiáng)的數(shù)字媒體能力 它在一個(gè)包中組合了先進(jìn)的三維圖形 數(shù)字多通道聲頻 以及錄象 SGI系統(tǒng)用作許多VR系統(tǒng)的核心 它完成仿真 可視化 通訊等任務(wù) 關(guān)鍵問(wèn)題是系統(tǒng)支持強(qiáng)大的計(jì)算 體視的多通道視覺(jué)輸出 以及連接到傳感器 控制設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的快速輸入輸出 紋理化多邊形填充能力也是它的特點(diǎn) SGI從1983年就著手開(kāi)發(fā)在技術(shù)前沿的多處理機(jī)圖形工作站 它的系統(tǒng)包括三代 第一代是1000 2000和G 第二代是GTX VGX和VGXT 第三代是RealityEngine和RealityEngine2 1993年1月 SGI發(fā)布了ONYX圖形超級(jí)計(jì)算機(jī) 它包括新的多處理結(jié)構(gòu)PowerPath2 這是基于在150MHz工作的MIPSR4400RISCCPU的24個(gè)并行處理機(jī) I O通道帶寬是對(duì)存儲(chǔ)器速率1 2Gbytes s 支持以50Mbytes s工作的VME64位總線 ONYX可以用3個(gè)圖形流水線 這是基于新的RealityEngine圖形子系統(tǒng) 新的圖形系統(tǒng)比1992年7月的RealityEngine提供高50 的多邊形性能 它的速率達(dá)每秒2百萬(wàn)個(gè)三角形 和每秒90萬(wàn)紋理的Gouraud明暗的反走樣的加霧的Z緩沖三角形 任選的多通道板 使用戶能讀取幀緩沖區(qū) 并對(duì)不同區(qū)域給不同顯示設(shè)備 于是130萬(wàn)象素幀緩沖區(qū)或者用于1280 1024顯示 或用于四個(gè)640 512顯示 多通道選擇提供了六個(gè)不同輸出 ONYX2系列是SGI的高檔圖形設(shè)備 它組合了最大的超級(jí)計(jì)算和可視化 他的布局可能是可聯(lián)網(wǎng)的單機(jī)工作站 也可能是使用多達(dá)128個(gè) R12000 RISC處理器的全機(jī)架系統(tǒng) 這個(gè)全機(jī)架系統(tǒng)支持多達(dá)16個(gè)可視化子系統(tǒng) 從而可以支持4個(gè)繪制管理器 以及多達(dá)320MB幀緩存 它用于世界上很多領(lǐng)先的研究 軍事 政府 醫(yī)療 和娛樂(lè)業(yè) 在油氣勘探開(kāi)發(fā)的應(yīng)用中 ONYX2的OpenGLVolumizer允許勘探開(kāi)發(fā)工程師 同時(shí)交互地處理和分析大量數(shù)據(jù) RealitySystems用于產(chǎn)生高質(zhì)量的地下地形的體可視化 政府用ONYX2處理圖像 錄像 三維地形 以及地球空間數(shù)據(jù) 也用于各種仿真器 任務(wù)規(guī)劃 戰(zhàn)場(chǎng)可視化 軍事圖像和智能制造 工廠用這些系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜系統(tǒng)的高逼真度實(shí)時(shí)仿真 通過(guò)所有設(shè)計(jì)人員的合作 在開(kāi)始制造前確保整個(gè)設(shè)計(jì)的一致 這些系統(tǒng)也被娛樂(lè)業(yè)采用 如ILM PIXAR等 電影界用它制造特殊效果 ONYX2的選項(xiàng)包括 DigitalVideoMultiplexing 數(shù)字視頻選通 ImmersiveVisualizationDesk1000D和2000D 沉浸的可視化工作臺(tái) 以及聯(lián)網(wǎng) ImmersiveVisualizationDesk是3D立體工作站 往往使用手套或3D筆 使用戶可以操作3D圖像 可以采用臺(tái)式顯示 或大的顯示 約6英尺 ONYX2的主要指標(biāo)為 14MbyteOpenGLDisplaylistcache 有300MB sec通過(guò)量 實(shí)時(shí)3D體繪制 24英寸監(jiān)視器 支持立體的NTSC1920 x1080HDTV顯示 256MBto256GB系統(tǒng)RAM 可達(dá)2 3TB內(nèi)部盤(pán)存儲(chǔ) 1GB物理的紋理存儲(chǔ) 每秒可處理多達(dá)2億個(gè)多邊形 每秒填充率70億個(gè)象素 可以用于醫(yī)療專業(yè)的X Rays處理 3 Evans Sutherland公司的Freedom3000Evans Sutherland E S 原來(lái)是飛行仿真器公司 它最近發(fā)布了Freedom序列圖形加速器 用于SunSparc10工作站 它提供大范圍的性能水平 由Freedom1000的每秒50萬(wàn)多邊形 到Freedom3000的每秒3百萬(wàn)多邊形 它用標(biāo)準(zhǔn)硬件軟件接口與Sun環(huán)境無(wú)縫地連接 Freedom加速器可以用Sun標(biāo)準(zhǔn)接口編程 并與當(dāng)前的E S和Sun工作站軟件兼容 Freedom3000有1280 1024 1536 1280和高分辨率TV顯示格式 它支持硬件紋理映射 包括MIP映射 分辨率達(dá)2000 2000 其它特性是線 點(diǎn) 多邊形的反走樣 a緩沖區(qū) 累積緩沖 每個(gè)象素128位 和動(dòng)態(tài)象素定位 Freedom3000包括下列技術(shù) 用0 8 CMOS的五個(gè)專有的VLSIASIC芯片 可編程高速微處理機(jī)的并行陣列 DSP 很快的專有的圖形總線 G bus 速度超過(guò)每秒3百萬(wàn)多邊形 高速象素發(fā)送互聯(lián) 用于圖像處理的高速存取幀緩沖區(qū) 達(dá)每秒1億象素 以及象素填充率950萬(wàn) 秒 4 北卡大學(xué)的PixelPlanes4 5和PixelFlow 北卡大學(xué)是最早開(kāi)發(fā)圖形硬件的大學(xué)之一 他的工作不同于商界的工作 因?yàn)楣ぷ髦谢A(chǔ)研究多于制造機(jī)器產(chǎn)品 所以他們的機(jī)器總是處于圖形硬件的前沿 1988年 PixelPlanes4有每秒2 7萬(wàn)多邊形能力 1991年 改進(jìn)的PixelPlanes5有每秒1百萬(wàn)多邊形能力 最新的機(jī)器PixelFlow正在開(kāi)發(fā) 但已顯示很大潛力 PixelFlow和其圖形性能是將來(lái)高性能三維VR的重要部分 它是高速圖形生成的結(jié)構(gòu) 克服了傳統(tǒng)硬件繪制結(jié)構(gòu)的變換和幀緩沖存取的瓶頸 它利用圖像合成技術(shù) 分配繪制任務(wù)在同樣的繪制器陣列 其中每個(gè)繪制器計(jì)算部分基元的全屏幕圖像 高性能圖像合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)組合這些圖像 產(chǎn)生全屏圖像 圖像合成結(jié)構(gòu)的性能與繪制器數(shù)目成線性關(guān)系 一個(gè)PixelFlow繪制器掃描達(dá)每秒140萬(wàn)三角形 幾個(gè)繪制器系統(tǒng)可以掃描達(dá)這個(gè)速率幾倍 予計(jì)128個(gè)繪制器的系統(tǒng)可以達(dá)到多邊形速率每秒1億三角形 PixelFlow由超級(jí)采樣實(shí)現(xiàn)反走樣 它以幾個(gè)硬件明暗器支持延遲的明暗 它在包含中間象素?cái)?shù)據(jù)的合成圖像上工作 PixelFlow明暗器計(jì)算復(fù)雜的明暗算法 以及基于圖像的紋理 明暗速率與圖像復(fù)雜性無(wú)關(guān) PiexlFlow可以連到并行超級(jí)計(jì)算機(jī) 用作中間模式圖形服務(wù)器 或者可以為保持方式繪制維持顯示表 5 Sun公司的Elite3Dm3和m6Elite3D是Sun公司的高性能圖形系統(tǒng)系列 用于實(shí)時(shí)交互的3D可視化 繪制和動(dòng)畫(huà) 實(shí)際上 這只是視頻卡 不是整個(gè)系統(tǒng) 它是與SunUltra10工作站一起工作的 該系統(tǒng)比SGI的系統(tǒng)便宜 但性能也較低 m6是較高性能的選項(xiàng) 有6個(gè)板上的FPU運(yùn)算器 它有串口連接其他接口設(shè)備 如頭部跟蹤 HMD 3D鼠標(biāo) 他的用戶類似SGI系統(tǒng) 有 CAD CAE 石油工業(yè) 醫(yī)療專業(yè) HAZMAT 實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà) 系統(tǒng)沒(méi)有大存儲(chǔ)空間支持電影一類大的課題 它沒(méi)有rack type系統(tǒng) Elite3D的主要指標(biāo)為 用在Solaris操作系統(tǒng) 2 6或更高 支持OpenGL1 1 1 有加速的照明和線點(diǎn)的反走樣 有加速的象素深度信息和alpha內(nèi)插 SunUltra10工作站的主要指標(biāo)為 是3D建模和圖形應(yīng)用的臺(tái)式系統(tǒng) 與Elite3D m3orm6 視頻子系統(tǒng)合作 440MhzUltraSPARC處理器 有2MBcache 可達(dá)1GBDRAM和18GB硬盤(pán)空間 與Elite3D圖形子系統(tǒng)合作 6 更強(qiáng)大的機(jī)器RedMountain和BlueMountain1996年12月16日 Intel公司與USDOE合作發(fā)布了世界上第一臺(tái)每秒1萬(wàn)億次的計(jì)算機(jī) teraflops 全美國(guó)人不停地手算125年 才相當(dāng)于該機(jī)器工作1秒鐘 該機(jī)器稱為RedMountain 紅山 AcceleratedStrategicComputinginitiative ASCI 正在開(kāi)發(fā)仿真技術(shù) 不經(jīng)過(guò)地下核試驗(yàn)就確保美國(guó)核武器的安全可靠 在新墨西哥州的SandiaNationalLaboratories 桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 正在安裝5500萬(wàn)美元的RedMountain機(jī)器 新墨西哥州的LosAlamosNationalLaboratory 洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 和加州的theLawrenceLivermoreNationalLaboratory也使用該機(jī)器 該機(jī)器仿真核武器的各個(gè)方面 由激勵(lì)問(wèn)題 如起爆仿真 到靜態(tài)仿真 如核武器儲(chǔ)存的老化效果 RedMountain也用于醫(yī)療和藥物研究 天氣預(yù)報(bào) 飛機(jī)和汽車(chē)設(shè)計(jì) 工業(yè)生產(chǎn)的改進(jìn) 疾病演化的仿真 治理環(huán)境等 RedMountain的主要指標(biāo)為 價(jià)格 55百萬(wàn) 占地1000平方英尺 系統(tǒng)RAM 584Gbytes 雙向交叉帶寬51 6Gbytes sec PentiumPro處理器9 216 峰值性能1 8TFLOPS LosAlamosNationalLaboratory不滿足借用RedMountain 就開(kāi)始建造BlueMountain 該機(jī)器有比較RedMountain更強(qiáng)的圖形能力 增加了16臺(tái)SGIInfiniteReality機(jī)器 BlueMountain組織成48個(gè)128處理器的共享存儲(chǔ)器多處理機(jī) SMP 48個(gè)SMP可以彼此通訊 速度為每秒650Gigabits 它有76萬(wàn)億bytes的光纖通道的盤(pán)空間 1998年11月12日建成 5年內(nèi)將超過(guò)100TFLOPS 7 其他設(shè)備TAN是高級(jí)的沉浸的投影顯示 HP提供Kayak VisualizeWorkstations nVisionDatavisorHMD E STornado和3DLabsOxygenGMX 第二節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件系統(tǒng) 3 2 1虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)工具軟件系統(tǒng)的要求虛擬現(xiàn)實(shí)程序設(shè)計(jì)需要有關(guān)實(shí)時(shí)系統(tǒng) 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言 網(wǎng)絡(luò) 物理建模 多任務(wù)等方面的知識(shí) 好的計(jì)算機(jī)程序員精通這些技巧 但他們不可能熟悉各種虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的專業(yè)領(lǐng)域 反之 醫(yī)生 建筑師 或經(jīng)濟(jì)分析家也不可能具有必要的程序設(shè)計(jì)技巧 虛擬現(xiàn)實(shí)廠家認(rèn)識(shí)到需要解決這種知識(shí)缺口 并創(chuàng)造出這種產(chǎn)品的市場(chǎng) 這要求穩(wěn)定的平臺(tái)和軟件 這使現(xiàn)有的軟件廠家輕松地虛擬化他們的產(chǎn)品 并促進(jìn)新一代軟件開(kāi)發(fā)者去創(chuàng)造先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品 虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的工具軟件系統(tǒng)應(yīng)該滿足下列要求 工具軟件 工具盒 是為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)要求設(shè)計(jì)的面向?qū)ο蠛瘮?shù)的可擴(kuò)充的庫(kù) 一個(gè)仿真對(duì)象就是一個(gè) 類 的部件 并繼承它默認(rèn)的屬性 這大大簡(jiǎn)化了復(fù)雜對(duì)象編程的任務(wù) 由于庫(kù)是可擴(kuò)充的 開(kāi)發(fā)者可能寫(xiě)專用模塊 并利用同樣的仿真核心 虛擬現(xiàn)實(shí)工具盒具有的另一個(gè)重要特征是硬件獨(dú)立性 寫(xiě)的函數(shù)用于各種平臺(tái) 實(shí)質(zhì)上是一般的 實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)是因?yàn)楦邔拥暮瘮?shù) 不知道 它在特定的硬件上運(yùn)行 低層的 轉(zhuǎn)換器 在運(yùn)行時(shí)識(shí)別特定的I O工具 在把應(yīng)用由一個(gè)平臺(tái)移到另一平臺(tái)時(shí) 這很有幫助 所有的工具盒都支持某種形式的網(wǎng)絡(luò) 內(nèi)部的或任選的 這允許并行或分布處理 以及重要的多用戶交互 這使得在一個(gè)應(yīng)用中可能進(jìn)行合作 以提高效率 這里討論的所有的工具盒都接受CAD3 D文件 DXF等 這說(shuō)明通過(guò)引入現(xiàn)有的3 D對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù) 極大地減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間 何謂虛擬實(shí)境 免付費(fèi)共用軟體由對(duì)虛擬實(shí)境有熱忱的人士 所自行發(fā)展而成 可自行下載使用或修改 幾何式商用授權(quán)軟體場(chǎng)景是由許多的幾何模型所構(gòu)成 軟體通常具備相當(dāng)完整的模擬功能與週邊硬體支援 國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)主要是根據(jù)VRML所開(kāi)發(fā)的套裝工具影像式商用授權(quán)軟體場(chǎng)景的建構(gòu)主要是透過(guò)影像拍攝及影像組合而成 場(chǎng)景的真實(shí)性相當(dāng)高 但缺點(diǎn)是較缺乏互動(dòng)性 虛擬實(shí)境軟體的選用 價(jià)錢(qián)與功能電腦硬體需求配備週邊硬體的支援程式撰寫(xiě)的需求模擬的逼真度軟體影響模擬逼真度最深 一個(gè)擬真度越高 互動(dòng)性越好的場(chǎng)景 使用者越容易融入模擬的情境中 也越能達(dá)到建構(gòu)模擬系統(tǒng)的期望 免費(fèi)的公用軟體 REND386軟體本身是使用BorlandC和組合語(yǔ)言所開(kāi)發(fā) 為較高階的程式語(yǔ)言 不太適合去描述較複雜的行為 AVRIL強(qiáng)調(diào)容易使用 完整的文件資料 免費(fèi)下載及具有可攜性 在不同的平臺(tái)間只要簡(jiǎn)單的修改即可使用VR386一秒鐘可以處理20 000個(gè)多邊形 也支援了部份的虛擬實(shí)境週邊硬體 VRJuggler包括了物件表面展示模組 物件追蹤模組 導(dǎo)覽模組 圖形彩現(xiàn)引擎及圖形化使用介面等 幾何式商用授權(quán)軟體 1 WorldToolKit WTK 由Sense8公司所出版 支援多種平臺(tái) 提供了超過(guò)一千個(gè)以上使用C語(yǔ)言所寫(xiě)的函式庫(kù)不具備模型繪製功能 需配合其他建模軟體無(wú)法單獨(dú)使用 須配合C語(yǔ)言設(shè)計(jì)使用者界面 並依模擬的需求 呼叫合適的WTK函式庫(kù) 以進(jìn)行場(chǎng)景或模型的控制 幾何式商用授權(quán)軟體 2 WorldUp同屬Sense8公司的產(chǎn)品 以Windows平臺(tái)為主具備一個(gè)視覺(jué)化的編輯界面 提供直覺(jué)化 更便利的使用環(huán)境 具備簡(jiǎn)單的模型編輯功能以單機(jī)模擬為主 World2World承襲了WorldUp的功能 並加入了多人連線功能 可用於開(kāi)發(fā)多人共用連線模擬系統(tǒng) 幾何式商用授權(quán)軟體 3 Superscape 3DWebmaster Do3D早期即可在486電腦及DOS模式下運(yùn)作 後也支援視窗作業(yè)系統(tǒng) 提供多種不同功能的編輯器 如模型編輯器 材質(zhì)貼圖編輯器 聲音編輯器 版面編輯器 鍵盤(pán)編輯器等可使用SCL語(yǔ)言進(jìn)行多變的物件控制變化內(nèi)建基本的物理特性及特效模擬 如碰撞偵測(cè) 重力 摩擦力 雲(yún)霧 鏡面反射等 亦可使用SDK自行開(kāi)發(fā)所需功能 已不再提供產(chǎn)品支援 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)模擬系統(tǒng) 機(jī)械手臂防護(hù)裝置模擬系統(tǒng) 幾何式商用授權(quán)軟體 4 EON物件的控制是採(cǎi)用圖控式程式撰寫(xiě)界面內(nèi)建相當(dāng)多的物理特性及特效模擬提供ActiveX元件 可與其他的開(kāi)發(fā)工具 如VB VC等 或多媒體編輯工具 如Director Authorware 等 做結(jié)合 電腦商品展示 機(jī)械手臂操作模擬 幾何式商用授權(quán)軟體 5 Virtools直覺(jué)式的圖形開(kāi)發(fā)介面提供模擬場(chǎng)景裡面物件所需的真實(shí)物理屬性提供的人工智慧判斷能夠與Xbox間做檔案的溝通與轉(zhuǎn)換可提供沈浸式虛擬實(shí)境體驗(yàn) 虛擬城市 石門(mén)水庫(kù)洩洪模擬 幾何式商用授權(quán)軟體 6 Division和WTK一樣 不具備模型的製作及編修功能 場(chǎng)景的製作須先在其他3D模型上繪製軟體本身已提供相當(dāng)多的物理特性函式庫(kù) 可縮短模擬系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的時(shí)間 週邊硬體的支援上相當(dāng)豐富主要有三個(gè)使用界面 函式庫(kù)發(fā)展界面 編輯語(yǔ)言發(fā)展界面及圖形式發(fā)展界面 幾何式商用授權(quán)軟體 7 MultiGenCreator在地形 海洋 天空等模型的建構(gòu)上 表現(xiàn)相當(dāng)優(yōu)異CreatorPro 3D模型建構(gòu)工具 可以產(chǎn)生擬真度相當(dāng)高的三維模型RoadTools 優(yōu)異的路面模型建構(gòu)工具 並可符合美國(guó)國(guó)家高速公路及交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)對(duì)於道路幾何構(gòu)面的要求CreatorTerrainStudio 快速建造大面積地形或地貌資料庫(kù)的工具Vega 是MultiGen主要的視覺(jué)模擬工具 軟體操作畫(huà)面 道路模擬場(chǎng)景 國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)軟體 HTML HyperTextMarkupLanguage 這是W3C WorldWideWebConsortium 所制定的網(wǎng)頁(yè)製作標(biāo)準(zhǔn) 資料是以平面的方式進(jìn)行呈現(xiàn) 雖然可使用Java或Flash來(lái)增加網(wǎng)頁(yè)的互動(dòng)性 但仍不能完全滿足人們對(duì)於在網(wǎng)頁(yè)中使用3D互動(dòng)式場(chǎng)景的需求 如何在現(xiàn)有的網(wǎng)頁(yè)架構(gòu)上 增加可以跨平臺(tái)的3D互動(dòng)式網(wǎng)頁(yè)操作 VRML VRML的起源與發(fā)展 MarkPesce TonyParisi及PeterKennard在1994年第一屆全球資訊網(wǎng)研討會(huì)發(fā)表的3D瀏覽器 Labyrinth 平臺(tái)獨(dú)立性具備可擴(kuò)充性可在低頻寬 14 4kbps 網(wǎng)路環(huán)境下的運(yùn)作能力以SiliconGraphics Inc SGI 的OpenInventor檔案格式為基礎(chǔ) 制定了VRML1 0的標(biāo)準(zhǔn) 但靜態(tài)的展示仍無(wú)以滿足人們的需求 VRML1 0 VRML97 X3D 不同版本的VRML VRML1 0以提供靜態(tài)的展示為主 並未具備與3D物件互動(dòng)的功能 檔案第一行 VRMLV1 0asciiVRML97強(qiáng)調(diào)增加了3D物件的互動(dòng)性 與物件的行為描述功能 VRMLV2 0utf8X3D強(qiáng)調(diào)與XML Java及串流視訊的整合 VRML編輯工具 使用一般文字編輯工具即可 但無(wú)法熟記所有的節(jié)點(diǎn) node 名稱及使用方式 或憑空想像物件在空間位置的定位及行為 是否有類似Dreamweaver的編輯工具 現(xiàn)今常見(jiàn)的模型建構(gòu)軟體 如3DSMax Viz Maya AutoCAD SolidWorks Pro E 等等 都已經(jīng)可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的VRML模型檔 虛擬實(shí)境套裝開(kāi)發(fā)工具 如Superscape EON WorldUp等 也可支援標(biāo)準(zhǔn)VRML模型檔的匯入或匯出 都大幅增加了VRML的實(shí)用性 VRML編輯工具 續(xù) VRMLPadParalleGraphics公司所發(fā)表的VRML編輯工具 為純文字界面的編輯功能 缺乏所見(jiàn)即所得的預(yù)覽視窗 編輯後的檔案需藉由VRML瀏覽器的播放 才能了解編輯後的結(jié)果 VRCreator具備所見(jiàn)即所得的操作界面外 軟體還內(nèi)建超過(guò)1 000種的模型檔 聲音檔 行為命令 材質(zhì)圖庫(kù)等CosmoPageFXVRCreator的新版本 VRML編輯工具 續(xù) VirtusWalkThroughPro由Virtus公司所發(fā)表的視窗化VRML編輯工具定位主要在於讓使用者能夠設(shè)計(jì)出一套簡(jiǎn)易的建築物導(dǎo)覽486等級(jí)的電腦 搭配一般的VGA顯示卡即可操作僅支援VRML1 0 軟體本身並不提供複雜的物件建構(gòu)功能 且無(wú)法載入外部圖檔 僅支援少數(shù)的虛擬實(shí)境週邊硬體 VRML編輯工具 續(xù) InternetSpaceBuilder ISB 為ParallelGraphics公司所推出的另外一套VRML編輯軟體所見(jiàn)即所得的操作界面 可直接點(diǎn)選軟體提供的基本物件模型 圖片 影片及材質(zhì) 並可即時(shí)看到改變後的場(chǎng)景內(nèi)容 具簡(jiǎn)單的模型編輯工具 但無(wú)法建構(gòu)複雜的物件模型 VRML編輯工具 續(xù) CosmoWorlds支援VRML97規(guī)範(fàn)中所訂定的各項(xiàng)功能節(jié)點(diǎn)可以使用圖形化的編輯介面輕鬆的改變各項(xiàng)場(chǎng)景或是物件的設(shè)定 可立即在場(chǎng)景預(yù)覽視窗中觀看改變後的效果 具備Script編輯工具 可設(shè)定較為複雜的模型運(yùn)動(dòng)行為 VRML瀏覽工具 使用時(shí)須搭配網(wǎng)頁(yè)瀏覽器 如IE或Netscape等 再外掛VRML的瀏覽程式 部份VRML瀏覽程式也提供ActiveX的物件 可結(jié)合程式開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)功能更為廣泛的模擬系統(tǒng) CosmoPlayer Viscape WorldView BlaxxunContact Voyager WebOOGL i3D WebSpace GLView VRWeb VRML瀏覽工具 續(xù) CosmoPlayer電腦組裝播放畫(huà)面 BlaxxunContact操作畫(huà)面 影像式虛擬實(shí)境 影像式虛擬實(shí)境場(chǎng)景的製作 不像製作幾何式場(chǎng)景需要有立體空間的概念 而且需要熟悉各項(xiàng)模型編輯指令 貼圖技術(shù) 方可製作符合需求的場(chǎng)景 製作影像式虛擬實(shí)境只需要一部數(shù)位相機(jī) 可依需求選用不同解析度的數(shù)位相機(jī) 腳架與編輯軟體 再透過(guò)一些簡(jiǎn)單的操作 便可輕輕鬆鬆製作屬於自己的虛擬場(chǎng)景 影像式商用授權(quán)軟體 1 QuickTimeVR由Apple公司所發(fā)展出來(lái)跨平臺(tái)的影像式虛擬實(shí)境技術(shù)希望能提供使用者如真實(shí)照片般 且具有不同維度的影像式虛擬實(shí)境可製作360度的全景虛擬實(shí)境 亦可針對(duì)某一產(chǎn)品提供720度的物件式虛擬實(shí)境展示 影像拍攝時(shí)須維持相機(jī)在同一水平面 且相鄰照片須有一定程度的重疊 影像式商用授權(quán)軟體 2 PhotoVistaLivePictureiPIXInteractiveStudioPixMakerThePanoramaFactoryUleadCool360Horky 福氣網(wǎng) 其他虛擬實(shí)境相關(guān)軟體 1 模型建構(gòu)工具建構(gòu)場(chǎng)景所需之模型 如3DSMax Viz Maya SolidWorks AutoCAD Pro E Lightwave等人體模型 Poser地形模型 VistaPro影像處理軟體編修場(chǎng)景貼圖所需之影像 如Photoshop PhotoImpact PaintShopPro等 其他虛擬實(shí)境相關(guān)軟體 2 DirectX包括了DirectDraw Direct3DImmediateMode Direct3DRetainedMode DirectPlay DirectSound及DirectInput等幾大部份 負(fù)責(zé)了影像顯示 3D繪圖 網(wǎng)路連線 聲音播放及輸入設(shè)備的處理等使用DirectX設(shè)計(jì)者可以很方便的取得電腦硬體 如音效卡 繪圖卡 搖桿及鍵盤(pán)等 性能資訊及發(fā)揮及效能 讓程式設(shè)計(jì)師能更專心於軟體程式的開(kāi)發(fā) 其他虛擬實(shí)境相關(guān)軟體 3 OpenGL OpenGraphicsLibrary 前身是SiliconGraphics設(shè)計(jì)的IRISGL 可讓3D動(dòng)畫(huà)製作師專心於場(chǎng)景的設(shè)計(jì)與物件的行為控制 OpenGL並無(wú)法單獨(dú)使用 需利用其他程式語(yǔ)言 如C或C 進(jìn)行函式庫(kù)的呼叫 以繪製使用者所需的圖形畫(huà)面 優(yōu)點(diǎn)包括 顯示卡支援性佳 穩(wěn)定性高 具可攜性 擴(kuò)充性良好 開(kāi)發(fā)容易及參考文件資料豐富等 其他虛擬實(shí)境相關(guān)軟體 4 Java3D是由昇陽(yáng) SunMicrosystem 所設(shè)計(jì)架構(gòu)在Java平臺(tái)上的製作3D互動(dòng)式軟體函式庫(kù) Cult3D由Cycore公司所發(fā)展的互動(dòng)式3D網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)工具 主要能讓模型在網(wǎng)路上具有互動(dòng)性操作的效果 也可與MicrosoftOffice AdobeAcrobat或是PDA做結(jié)合 應(yīng)用在產(chǎn)品介紹等電子商務(wù)上相當(dāng)?shù)膹V泛 3 2 2虛擬現(xiàn)實(shí)常用的工具軟件系統(tǒng)1 常用的工具軟件工業(yè)界制造了很多用于虛擬現(xiàn)實(shí)的先進(jìn)軟件工具 虛擬現(xiàn)實(shí)工具盒 toolkits 這包括 WorldToolKit WTK Sense8 1992 VCToolkit VCT DivisionLtd 1992 CyberspaceDeveloperKit CDK Autodesk 1993 VirtualRealityToolkit VRT3 DimensionLtd 1993 Mercury Sense8 1993 VirtualRealityDistributedEnvironmentandConstructionKit VR DECK Codella 1993 工具軟件性能價(jià)格比較 由表中可見(jiàn) 軟件的價(jià)格是較高的 而且由 1 000到 10 000不等 不同價(jià)格的軟件有不同的性能 Mercury價(jià)格最低 適用的平臺(tái)少 無(wú)編輯器 3D文件的格式少 庫(kù)函數(shù)沒(méi)有 Render ware價(jià)格最高 適用的平臺(tái)多 且包括SGI工作站 3D文件的格式多 庫(kù)函數(shù)較多 WTK是較好的一種 價(jià)格也較高 工具軟件支持輸入工具的比較 由表中可見(jiàn) Mercury價(jià)格最低 適用的鼠標(biāo)少 無(wú)跟蹤球和手套 跟蹤器少 Render ware價(jià)格最高 適用的鼠標(biāo)多 有跟蹤球和手套 跟蹤器多 還包括BOOM系統(tǒng) WTK是較好的一種 價(jià)格也較高 工具軟件支持輸出工具的比較 由表中可見(jiàn) Mercury價(jià)格最低 監(jiān)視器較差 頭盔較簡(jiǎn)單 無(wú)投影機(jī) 聲音較少 Render ware價(jià)格最高 監(jiān)視器較好 頭盔有多種 聲音較多 WTK是較好的一種 價(jià)格也較高 工具軟件支持圖形格式的比較 由表中可見(jiàn) Mercury價(jià)格最低 僅支持平面明暗 Render ware價(jià)格最高 支持多種明暗和紋理 WTK是較好的一種 價(jià)格也較高 2 VRML VRML是VirtualRealityModelingLanguage的縮寫(xiě) VRML是描述三維造型與交互環(huán)境的簡(jiǎn)單的文本語(yǔ)言 VRML是在Internet上建立3D多媒體和共享虛擬世界的一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn) 1 VRML的特點(diǎn) a 是造型語(yǔ)言 可描述3D場(chǎng)景 b 用戶可進(jìn)入VRML建立的世界 去探索它 c VRML建立的世界是交互的 受用戶控制 d 把2D 3D物體 動(dòng)畫(huà) 多媒體效果混合于一體 e 平臺(tái)無(wú)關(guān) 可在PC或SGI上瀏覽 f 基于Web 可建立三維可視化服務(wù)器 g 著色不如OpenGL快 h 沒(méi)有底層控制 j 有限的界面 2 VRML的概念與實(shí)例VR世界中的坐標(biāo)系 X軸指向屏幕右側(cè) Y軸指向屏幕上方 Z軸指向觀察者 VRML程序是解釋執(zhí)行 實(shí)時(shí)建模著色的文本程序 它的兩個(gè)要點(diǎn)是 節(jié)點(diǎn) node 構(gòu)成虛擬世界的基本要素 路由 route 節(jié)點(diǎn)間傳送信息的途徑 VRML文件都是擴(kuò)展名WRL的文本文件 或擴(kuò)展名WRZ 壓縮格式 的二進(jìn)制文件 它一般包括如下四部分 文件頭 位于首行 提供版本信息 如 VRMLV2 0utf8 注釋 以 開(kāi)始的一段文字 節(jié)點(diǎn) 場(chǎng)景信息的單位 可以描述造型 燈光 聲音等 如 Cylinder 描述一個(gè)圓柱體 域值 域用于描述及改變節(jié)點(diǎn)的屬性 值反映域的大小 如 Cylinder height2 0radiu