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??；通過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。