大型虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)維護
文章來源：SouVR
作者：Frank
發(fā)布時間：2015年12月29日
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虛擬現(xiàn)實（VR-Virtual Reality）,也 稱虛擬實境或靈境，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，它利用計算機技術(shù)生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進的數(shù)字化人機接口技術(shù)。
虛擬現(xiàn)實技術(shù)傳統(tǒng)的模擬技術(shù)相比，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要特征是：操作者能夠真正進入一個由計算機生成的交互式三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，與之產(chǎn)生互動，進行交流。通過參與者與虛擬仿真環(huán)境的相互作用，并借助人本身對所接觸事物的感知和認(rèn)知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維，以全方位地獲取虛擬環(huán)境所蘊涵的各種空間信息和邏輯信息。
虛擬現(xiàn)實已經(jīng)發(fā)展成一門涉及計算機圖形學(xué)、精密傳感機構(gòu)、人機接口及實時圖像處理等領(lǐng)域的綜合性學(xué)科。虛擬現(xiàn)實技術(shù)分虛擬實景（境）技術(shù)（如虛擬游覽故宮博物館）與虛擬虛景（境）技術(shù)（如虛擬現(xiàn)實環(huán)境生成、虛擬設(shè)計的波音777飛機等）兩大類。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和交叉領(lǐng)域非常廣泛，幾乎到了無所不包、無孔不入的地步，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)戰(zhàn)場環(huán)境，虛擬現(xiàn)實作戰(zhàn)指揮模擬，飛機、船舶、車輛虛擬現(xiàn)實駕駛訓(xùn)練，飛機、導(dǎo)彈、輪船與轎車的虛擬制造（含系統(tǒng)的虛擬設(shè)計），虛擬現(xiàn)實建筑物的展示與參觀，虛擬現(xiàn)實手術(shù)培訓(xùn)，虛擬現(xiàn)實游戲，虛擬現(xiàn)實影視藝術(shù)等等方面的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)的形成都有強烈的市場需求和技術(shù)驅(qū)動。權(quán)威人士斷言，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將是21世紀(jì)信息技術(shù)的代表。它的發(fā)展，不僅從根本上改變?nèi)藗兊墓ぷ鞣绞胶蜕罘绞剑瑒诤鸵輰⒄嬲Y(jié)合起來，人們在享受環(huán)境中工作，在工作過程中得到享受；而且虛擬現(xiàn)實技術(shù)與美術(shù)、音樂等文化藝術(shù)的結(jié)合，將誕生人類的第九藝術(shù)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，在PC機上實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)已成為可能。所以，虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)的運行趨勢為單機桌面和互聯(lián)網(wǎng)兩種主要方式，因此，它對計算機硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也有很大的刺激作用。
系統(tǒng)組成
大型虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，各個子系統(tǒng)之間相互協(xié)作運行。其組成如下：
1、虛擬現(xiàn)實應(yīng)用開發(fā)平臺
3DVIA Studio Pro是一個集成內(nèi)容開發(fā)平臺，它汲取了達(dá)索系統(tǒng)十五年來創(chuàng)建更加沉浸式的實時3D軟件應(yīng)用程序的豐富經(jīng)驗。作為一個企業(yè)級解決方案，3DVIA Studio Pro向用戶提供編寫工具和專業(yè)支持，以快速開發(fā)交互性應(yīng)用程序如虛擬培訓(xùn)，并在安全環(huán)境中進行部署。
Virtools完整的開發(fā)平臺，以創(chuàng)新的可視化模式讓用戶輕松建構(gòu)互動體驗，內(nèi)建超過700種的行為模塊，從初期產(chǎn)品原型設(shè)計、虛擬環(huán)境模擬發(fā)展到3D互動操作，輕松建構(gòu)出身臨其境栩栩如生的完美體驗。Virtools提供的解決方案顛覆3D開發(fā)制作流程，開發(fā)人員只需拖曳所需要的行為模塊即可建構(gòu)出豐富的互動作品，可同時滿足無程序背景的設(shè)計人員以及高階程序設(shè)計師的需要，大大縮短項目開發(fā)時程、減少風(fēng)險并降低生產(chǎn)成本。新一代3DVIA Virtools應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋生產(chǎn)貿(mào)易、設(shè)計審查、購物體驗、仿真訓(xùn)練及銷售環(huán)境配置等多元化應(yīng)用。
Unity是一軟專業(yè)3D游戲引攀，其備跨平臺發(fā)布、離效能優(yōu)化、高性價比，AAA級游戲畫面演染效果等特點。目前Unity應(yīng)用范圍廣泛，從手機游戲到聯(lián)網(wǎng)的大型游戲，從嚴(yán)肅游戲到電子商務(wù)，再到虛擬現(xiàn)實VR均可完美呈現(xiàn)。目前全球已超過九十萬名開發(fā)者使用Unity。而且作品數(shù)量不斷的與日俱增.尤其目前在App Store內(nèi)有超過1500種移動平臺游戲以及橫跨許多國家上百個的網(wǎng)頁游戲都是以Unity為平臺所開發(fā)的。這些開發(fā)者也包含許多國際知名廠商，例如法國育碧Ubisoft,美商藝電Electronic Arts,德國游戲巨頭Bigpoint公司、迪斯尼Disney、樂高LEGO等。
2、數(shù)據(jù)采集與建模設(shè)施
3D掃描儀的用途是創(chuàng)建物體幾何表面的（point cloud），這些點可用來插補成物體的表面形狀，越密集的點云可以創(chuàng)建更精確的模型（這個過程稱）。若掃描儀能夠取得表面顏色，則可進一步在重建的表面上粘貼，亦即所謂的（texture mapping）。三維掃描儀可模擬為照相機，它們的視線范圍都體現(xiàn)圓錐狀，信息的搜集皆限定在一定的范圍內(nèi)。兩者不同之處在于相機所抓取的是顏色信息，而三維掃描儀測量的是距離。由于測得的結(jié)果含有深度信息，因此常稱之。由于三維掃描儀的掃描范圍有限，因此常需要變換掃描儀與物體的相對位置或?qū)⑽矬w放置于電動轉(zhuǎn)盤（turnable table）上，經(jīng)過多次的掃描以拼湊物體的完整模型。將多個片面模型集成的技術(shù)稱做圖像配準(zhǔn)（image registration）或?qū)R（alignment），其中涉及多種三維比對（3D-matching）方法。
“FreeForm Modeling”系統(tǒng)（可用于PHANTOM Desktop或PHANTOM Omni觸覺設(shè)備）向設(shè)計人員和建模人員提供了快速而節(jié)省成本的原創(chuàng)模型創(chuàng)建方法，還可以修改及規(guī)劃掃描數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸出至RP系統(tǒng)以進行原型制造或打磨。該產(chǎn)品包含一套完善的建模和細(xì)節(jié)處理工具、外形控制功能、以及多邊形數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能。此外，還具備分型線評估功能，使用戶能夠在設(shè)計早期對模型進行校準(zhǔn)，從而避免了生產(chǎn)錯誤，降低了成本。 “FreeForm Modeling”和“FreeForm Modeling Plus”兩款產(chǎn)品均包含完善的建模和細(xì)節(jié)處理工具。
3、虛擬現(xiàn)實人機交互設(shè)備
動作捕捉系統(tǒng)提供新的人機交互手段，表情和動作是人類情緒、愿望的重要表達(dá)形式，運動捕捉技術(shù)完成了將表情和動作數(shù)字化的工作，提供了新的人機交互手段，比傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)更直接方便，不僅可以實現(xiàn) " 三維鼠標(biāo)" 和 " 手勢識別 " ，還使操作者能以自然的動作和表情直接控制計算機，并為最終實現(xiàn)可以理解人類表情、動作的計算機系統(tǒng)和機器人提供了技術(shù)基礎(chǔ)。常用的動作捕捉系統(tǒng)有ART光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)手套是一種多模式的虛擬現(xiàn)實硬件，通過軟件編程，可進行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉(zhuǎn)等動作，也可以利用它的多模式性，用作一種控制場景漫游的工具。數(shù)據(jù)手套的出現(xiàn)，為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供了一種全新的交互手段，目前的產(chǎn)品已經(jīng)能夠檢測手指的彎曲，并利用磁定位傳感器來精確地定位出手在三維空間中的位置。這種結(jié)合手指彎曲度測試和空間定位測試的數(shù)據(jù)手套被稱為“真實手套”，可以為用戶提供一種非常真實自然的三維交互手段。常用的數(shù)據(jù)手套有5DT數(shù)據(jù)手套、Cyberglove數(shù)據(jù)手套 、Measurand數(shù)據(jù)手套 、DGTech數(shù)據(jù)手套 、Fakespace數(shù)據(jù)手套 、X-IST數(shù)據(jù)手套、 CyberGrasp 數(shù)據(jù)手套等。
空間位置追蹤器
空間位置追蹤器或叫三維空降傳感器是一種能實時地檢測活動著的物體在六個自由度上相對于某個固定物體的數(shù)值，即在X、Y、Z坐標(biāo)上的位置值，以及圍繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)值。這種三維空間傳感器對被檢測的物體必須是無干擾的，也就是說，不論這種傳感器是基于何種原理和應(yīng)用何種技術(shù)，它都不應(yīng)影響被測物體的運動，即俗稱為：“非接觸式傳感器”。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中廣泛使用的是低頻磁場式和超聲式傳感器。 低頻磁場式傳感器的低頻磁場是由該中傳感器的磁場發(fā)射器產(chǎn)生的，該發(fā)射器有三個正交的天線組成，在接受器內(nèi)也安裝一個正交天線，它被安裝在遠(yuǎn)處的運動物體上，根據(jù)接受器所接受到的磁場，可以計算出接受器相對于發(fā)射器的位置和方向，并通過通信電纜把數(shù)據(jù)傳送給主計算機。因此，計算機能間接的跟蹤運動物體相對于反射器的位置和方向。在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，這種傳感器常被用來安裝在數(shù)據(jù)手套和頭盔顯示器上。
在虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中，對空間跟蹤定位器的主要的性能要求是：定位精度、位置修改速率和延時、其中定位精度和分辨率不能混淆，前者是指傳感器所測出的位置與實際位置的差異，后者是指傳感器所能測出的最小位置變化；位置修改速率是指傳感器在一秒鐘內(nèi)所能完成的測量次數(shù)，延時是指被檢測物體的某個動作與傳感器測出該動作的時間間隔。如何減少顫抖、漂移、噪音是著類傳感器的關(guān)鍵技術(shù)。常用的空間位置追蹤器有Polhemus電磁式位置追蹤器、Ascension電磁式空間位置追蹤器、NDI電磁式位置追蹤器等。
4、沉浸式立體顯示
多通道立體展示系統(tǒng)分為多通道環(huán)幕立體展示系統(tǒng)和多通道平面立體展示系統(tǒng)，用戶可根據(jù)實際需求選擇，多通道立體展示系統(tǒng)是指采用多臺投影機組合而成的多通道大屏幕展示系統(tǒng)，它比普通的標(biāo)準(zhǔn)投影系統(tǒng)具備更大的顯示尺寸、更寬的視野、更多的顯示內(nèi)容、更高的顯示分辨率，以及更具沖擊力和沉浸感的視覺效果，多通道立體展示系統(tǒng)是虛擬三維投影顯示系統(tǒng)中一種沉浸式虛擬仿真顯示環(huán)境。
2、3D立體顯示器
除多通道立體展示系統(tǒng)外，還可以采用3D立體顯示器，包括裸眼立體顯示器和偏振立體顯示器。裸眼立體顯示器是建立在人眼立體視覺機制上的新一代自由立體顯示設(shè)備，它能夠出色的利用多通道自動立體現(xiàn)實技術(shù)，不需要借助任何助視設(shè)備（如3D眼鏡、頭盔等），即可獲得具有完整深度信息的圖像。偏振立體顯示器偏光實際就是偏振光，現(xiàn)在的液晶顯示器里邊有一個偏光板，就是做這個用的。 普通的液晶顯示器只能發(fā)出一個方向的偏振光，而所謂立體偏光顯示器他能發(fā)出橫向和豎向兩種偏振光，配合偏振光眼鏡，就能把不同的圖像同時分別送到左眼和右眼中，從而形成3D圖像。
3、頭戴式立體顯示器
頭戴式立體顯示器是虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中的3DVR圖形顯示與觀察設(shè)備，可單獨與主機相連以接受來自主機的3DVR圖形信號。使用方式為頭戴式，輔以三個自由度的空間跟蹤定位器可進行VR輸出效果觀察，同時觀察者可做空間上的自由移動，如；自由行走、旋轉(zhuǎn)等，沉浸感極強，在VR效果的觀察設(shè)備中，頭戴式立體顯示器的沉浸感優(yōu)于3D立體顯示器的虛擬現(xiàn)實觀察效果，遜于多通道立體展示系統(tǒng)的觀察效果，在投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，頭戴式立體顯示器可以作為系統(tǒng)功能和設(shè)備的一種補充和輔助。
此外還有高性能圖像生成及處理系統(tǒng)、中央集成應(yīng)用控制系統(tǒng)，由于這兩套系統(tǒng)均為市場常見系統(tǒng)再次不多做介紹。
系統(tǒng)應(yīng)用
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