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对于虚拟现实基于虚拟现实技术三维虚拟环境设计

收藏本文 2024-03-03 点赞:17244 浏览:72042 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:虚拟现实是近年来十分活跃的技术研究领域,是一系列高新技术的汇集,它能给用户更为逼真的体验。文章通过分析研究

摘自:论文查重站www.udooo.com

三维虚拟环境框架的体系结构,对软件模块进行分层,比较筛选多种三维图形引擎,最终选择通过OpenSceneGraph(OSG)作为虚拟场景图形引擎,实现绘制三维虚拟环境。分析研究如何操作和改造虚拟环境中的对象,实现虚拟环境中的人机交互。
关键词:虚拟现实技术;三维虚拟环境;人机交互;三维图形引擎;沉浸式
1009-3044(2012)33-8066-03
伴随着制造企业信息化进程的不断发展,仿真建模在产品制造中的应用也由分散到集成,由局部到全局,并且更加注重可视化技术的应用和与用户之间的交互。采用虚拟现实技术为相关装置构造虚拟环境可以摆脱传统仿真培训系统中所存在的一些不足,例如在软件仿真中,主要以图、图表、照片和现场录像等传统多媒体方式为表现手段,真实感和临场感都较为欠缺;而在物理仿真中,系统复杂、庞大难于实现,虚拟现实技术可以在很大程度上提高场景的沉浸感和真实感。
1 三维虚拟环境框架
虚拟环境的开发涉及了网络技术、并行处理技术、人工智能、高性能计算技术、模式识别、传感技术、计算机图形学、图像处理等技术,还涉及社会学、美学、气象、通信、物理、数学等学科,复杂程度可想而知。虚拟现实要达到实现自然实时交互和逼真的多种感觉的要求,其组成主要应包括几方面:虚拟环境生成系统,产生实时的图像;用以确定参与者位置和动作的定位跟踪系统;提供虚拟空间多用户协同交互功能的网络接口;含有CE、PowerWall、立体显示设备的沉浸式显示系统;提供立体声源和判定空间位置的音效系统;提供参与者感知力与压力的反馈的触觉和力反馈系统。
虚拟环境框架的功能主要体现在:首先支持对象的属性和交互的发布,同时提供回调和事件的通知机制,支持HLA的各种时间管理策略,从而达到在全部联邦范围内的对象可以根据已给定的时序和消息传递关系来工作;其次是提供与各种对象定位、创建、删除等相关的怎么写作,并且分类、统一组织管理不同功能和不同性质的仿真实体,即是对虚拟场景的结构和组织管理;最后还可以通过事件驱动和回调函数机制和场景对象组织、仿真对象管理功能集成,沉浸式人机交互设备和接口的集成。
根据软件模块[3]的分层结构,我们把系统分为三个层次,如图2所示,即用户界面层、交互层和数据怎么写作,虚拟环境和仿真管理层。
界面层提供的用户界面输入可以接收用户对数据的访问请求,然后经环境和仿真层的相关转换成为对数据怎么写作层的访问请求,然后数据怎么写作层将其处理后通过中间层传送给界面层进行最终的输出。
实现虚拟场景的基础是三维图形引擎。现在,开发者较多使用可以提供功能强大模块的较为流行的绘制引擎,例如OpenS、CG2公司的Vtree和Multigen公司的Vega等,但是它们也存在很多不足:商业引擎开发缺乏灵活性,因为其一般都不提供底层开发接口,从而限制功能的扩展;商业引擎无法渲染出较为逼真的场景效果,浪费GPU的处理能力从而影响系统实时性;由于其功能繁多,产生冗余代码也多,影响其运行效率。
介于以上图形引擎的诸多不足,OpenSceneGraph(OSG)作为虚拟场景图形引擎,是一个跨平台的、开放源码的、高效的三维图形引擎,目前应用于高性能图形设计领域中,例如虚拟现实、游戏、仿真、科学可视化等。OSG不仅提供基于OpenGL的面向对象的框架,还有加快图形应用开发的附加功能模块和可扩展接口库。
2 基于情景上下文的虚拟交互
随着虚拟现实技术的不断发展以及人机交互在其中所占有的重要地位,虚拟环境和其参与者的人机交互作用赋予了新的内涵。沉浸式虚拟环境[4-5]让用户有一种“身临其境”的感觉,这也正是用户与对象之间进行交互的过程,其归根结底要解决如何操作和改造虚拟环境中的对象。

2.1 语义对象与交互行为

“信息透镜”概念指的是界面对象通过视图的不同缩放比例来显示相对应的外观信息,这是Jazz在可伸缩用户界面中提出的早期语义对象的概念;再如“按需提供细节(the mantra of detail.on.demand)”的技术[6]是Ben Shneiderman在信息可视化系统中提出的。
语义对象的定义可以从实现面向语义的高层交互隐喻的目标这个角度来诠释,一个语义对象由交互构件(interaction component)、图形构件(graphics component)、规则构件(rule component)、和应用构件(application component) 行为构件(behior componen0构成.在虚拟环境中的虚拟对象,它的语义一般包括一系列行为状态和规则事件。换句话说,存在于虚拟环境中为用户所感知的对象或者物体(包含其交互上下文的语义信息和外观几何信息)按照相应的规则反馈和相应所发生的交互事件,继而完成相应任务。
通过我们分析观察的上文所提及的事件, 在人机交互中多由用户所触发,一般分为虚拟场景中用户化身的位置变化即化身位置感应(PositionRps)和用户在虚拟对象[7]上进行各种交互操作的用户手势操作(GestOpt)。语义模型可以很好的解决场景图处理不好交互语义的问题,它是具有特定应用含义和组织形式的场景构成模式,达到易于操作处理用户界面的目的。
在实际操作中,我们一般会遇到的例如对象在化身可操作范围内时处于“可操作”状态,离开操作范围后变为“不可操作”状态,或者鼠标的各项操作和三维手势等。
1)规则构件[8]:在我们的现实世界里,有很多操作都会有特定的先后顺序,比如先倒水再喝水,在虚拟世界中我们把它看作是是否响应事件和如何响应事件,规则构件则表达了虚拟对象的交互规则和约束。另外,在现实世界里某些对象具有特定的供给属性,比方说人可以在水里游泳却不可以在陆地上,这就说明了水具有可以游泳的供给,而陆地不具备,所以规则构件还含有某些特定的供给属性,这也同时决定了某些对象的交互特性。

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