虚拟实境设计.pdf

A Short Introduction by-P.BeierUniversity of Michigan irtual Reality Laboratory at the College of EngineeringTerminologyThe term (VR)was initially coined by Jaron Lanier,founder of VPL Research(Visual Programming Language1)(1989).Other related terms include Artificial Reality1(Myron Krueger,1970s),!Cyberspacef(William Gibson,1984),and,more recently,!Virtual Worlds1 and Virtual Environments1(1990s).Today,!Virtual Reality1 is used in a variety of ways and often in a confusing and misleading manner.Originally,the term referred to /I n immersive VR,the user becomesfully immersed in an artificial,three-dimensional world that is completely generated by a computer.Head-Mounted Display(HMD)The head-mounted display(HMD)was the first device providing its wearer with an immersive experience.Evans and S utherland demonstrated a head-mounted stereo display already in 1965.I t took more then 20 years before VPL Research introduced a commercially available HMD,the famous nEyePhonen system(1989).i，%A typical HMD houses and an opticalsystem that channels the images from the screens to the eyes,thereby,presenting a stereo view of a virtual world.A continuously measures the position and orientation of the users head and allows the image generating computer to adjust the scene representation to the current view.As a result,the viewer can look around and walk through the surrounding virtual environmentTo overcome the often uncomfortable intrusiveness of a head-mounted display,alternative concepts(e.g.,BOOM and CAVE)for immersive viewing of virtual environments were developed.BOOMThe BOOM(inocular mni-rientation onitor)from ikespa。is a head-coupled stereoscopic display device.S creens and optical system are housed in a box that is attached to a multi-link arm.The user looks into the box through two holes,sees the virtual world,and can guide the box to any position within the operational volume of the device.Head tracking is accomplished via sensors in the links of the arm that holds the box.CAVEThe CAVE(ave utomatic irtual nvironment)was developed atthe University of I llinois at Chicago and provides the illusion of immersion by projecting on the walls and floor of a room-sized cube.S everal persons wearing lightweight can enter and walk freely inside the CAVE.A head tracking systemcontinuously adjust the stereo projection to the current position of the leading viewer.Input Devices and other Sensual TechnologiesA variety of input devices like data gloves,joysticks,and 3D Mouse allow the user to navigate through a virtual environment and to interact with virtual objects.,and,and other technologies are being employedto enrich the immersive experience and to create more nsensualized interfaces.Characteristics of Immersive VRThe unique characteristics of immersive virtual reality can be summarized as follows:provides a natural interface for the navigation in three-dimensional space and allows for look-around,walk-around,and fly-through capabilities in virtual environments.enhances the perception of depth and the sense of space.The virtual world is presented in and relates properlyto the human size.Characteristics of Immersive VRcontinuewith virtual objects via data glove and similar devices allow for manipulation,operation,and control of virtual worlds.The convincing illusion of being fully immersed in an artificial world can be enhanced by auditory,haptic,and other non-visual technologies.Networked applications allow for shared virtual environmentsShared Virtual EnvironmentsI n the example illustrated,three networked users at different locations(anywhere in the world)meet in the same virtual world by using a BOOM device,a CAVE system,and a Head-Mounted Display,respectively.All users see the same virtual environment from their respective points of view.Each user is presented as a iuman()to the other participants.The users can see each other,communicated with each other,and interact with the virtual world as a team.University of MichiganVirtual Reality Laboratory at the College of EngineeringNon-immersive VRToday,the term Virtual Reality1 is also used for applications that are.The boundaries are becoming blurred,but all variations of VR will be important in the future.This includes mouse-controlled navigation through a three-dimensional environment on a graphics monitor,stereo viewing from the monitor via stereo glasses,stereo projection systems,and others.Apples，for example,uses photographs for the modeling of three-dimensional worlds and provides pseudo look-around and walk-trough capabilities on a graphics monitor.VRMLMost exciting is the ongoing development of(irtual eality odeling anguage)on the World Wide Wub.I n addition to HTML(HyperText Markup Language),that has become a standard authoring tool for the creation of home pages,VRML provides three-dimensional worlds with integrated hyperlinks on the Web.Home pages become home spaces.The viewing of VRML models via a VRML plug-in for Web browsers is usually done on a graphics monitor under mouse-control and,therefore,not fully immersive.However,the syntax and data structure of VRML provide an excellent tool for the modeling of three-dimensional worlds that are functional and interactive and that can,ultimately,be transferred into fully immersive viewing systems.The current version VRML 2.0 has become an international I S O/I EC standard under the name.VRMLcontinueRendering of Eschers Penrose S taircase(modeled by):VR-related TechnologiesOther VR-related technologies combine virtual and real environments.Motion trackers are employed to monitor the movements of dancers or athletes for subsequent studies in immersive VR.The technologies of Augmented Reality*allow for the viewing of real environments with superimposed virtual objects.Telepresence systems(eg,telemedicine,telerobotics)immerse a viewer in a real world that is captured by video cameras at a distant location and allow for theremote manipulation of real objects via robot arms and manipulators.ApplicationsAs the technologies of virtual reality evolve,the applications of VR become literally unlimited.I t is assumed that VR will reshape the interface between people and information technology by offering new ways for the communication of information,the visualization of processes,and the creative expression of ideas.Note that a can represent any three-dimensionalworld that is either or.This includes real systems like buildings,landscapes,underwater shipwrecks,spacecrafts,archaeological excavation sites,human anatomy,sculptures,crime scene reconstructions,solar systems,and so on.Of special interest is the visual and sensual representation of abstract systems like magnetic fields,turbulent flow structures,molecular models,mathematical systems,auditorium acoustics,stock market behavior,population densities,information flows,and any other conceivable system including artistic and creative work of abstract nature.These virtual worlds can be animated,interactive,shared,and can expose behaviorApplicationscontinueUseful applications of VR include in a variety of areas(military,medical,equipment operation,etc.),education,design evaluation(virtual prototyping),architectural walk-through,human factors and ergonomic studies,simulation of assembly sequences and maintenance tasks,assistance for the handicapped,study and treatment of phobias(e.g.,fear of height),entertainment,and 3D Webmaster曾介（一）崖品特色：3D Webmaster是S uperscape公司谩十年暮殳卦例疑境崖品 的知而崖生的一彳固用5K殳六十互勤3D站的软醴工具。瓢是商棠1用方面、娱架。道软醴能多毓襄你能多句削造一彳固 富有互勤、快速而有效率的即日寺3D世界。快速、方便的裂作 多量的3D物件 快速的下载速度（World容量大都在50100KB）快速的濯I霓速度（使用Viscape）（二）腔:3D Webmaste圳M优1午多的工棠襟津，所以它能多句在你的其它戟 It工作J（M。友善的使用者祝衡介面。使用S VR或WRML97信者存3D WORLD。使用最共用的槽案格式一S RV、VCA、S RL、BMP、PCX、GI F、JPEG、TI F F、Targa、WAV。弓重大的Java介面完全整合在HTML。彝展雨槿格式的3D|真和Java Applet 或者是Java S cript（三）容易褊11k:至合褊It璟境你完全控制你的3D直。模板-3D Webmaster已余望型僖好一些檬品言襄你的World更容易的 始裂作。物件用-彳丝物件桂逗撵物件，磬音或架横,加且揩它拖曳到你 的World内。你所裂作的物件可以加入物件以便可以重覆使用O 加入一/一藉由曾军的茎是舌框就能你在物件加上超速结的功 能，觐者能容易潮霓你的咨罔站。物件-800彳固虚擦圈片、500彳固即可使用的架横、600彳固行篇指令O 可以多次的遢原物件重力作。排入碰撞-1襄World的物件放在遹富的位置。即日寺操作物件-使用滑鼠即日寺移重力、提高及旋醇物件。（四）更吸引人的:谨卜皆的即畤宣告 利用透明、霜及除影就可以立刻裂作出 漂亮的3D璟境。平面、圄柱醴、球飕及即畤操作。使用滑鼠就可以立刻招架横加入到你的 物件，然彳爰再做旋樽、移勤等勤作。（五）更多的彩色光源 使用即畤光源算和更多更多的彩色光源你的3Dg|站更融入生活。逗撵 z buffering 即畤物件光源算（六）更快而且更有效率,在Viscape平台上，3D Webmaster的程式轨行非常 的快速，槽案被编系睾成二迤位槽建得更小而且包 含在World中使用的全部磬音、物件。使用更快的3D齐罔直溜。霓器濯。霓。槽案燮小-大部份的3D都少於200kb包含磬 音及物件。技优律事燮-可使用更高隋3D加速卡、虑理器。（七）更有力的3D webmaster不只是更容易使用，快速而且有效率,它使用 其他功能而建得更有力。拖曳磬音到物件的磬音I殳定上,加 指定磬音大小,而且指定在彝生何槿事件日寺始播放磬音.之接按下。k就完成了。完全的侦测物件是否跟觐黑占碰撞。透谩整寸I舌框控制重力熊物件。辞余田的合成物件可使用曾军功能找替自重力物件,加且速度 更快。可以定羲及编tt道具停襄使用者能多句方便的重覆使用虚掇 IH片。S uperscape Control Language或甲用S CL，是一稀像 C的程式1 吾言控制你的WORLD。假如你曾一黑占C 得吾言，就可以很馨髭的封S CL上手。S CL可以加 任何物件在WORLD而且控制每檬柬西的位置，加上露在WORLD中，你可以有重覆的京西在来 行，超速结到HTM文件。富你使用你需要的函数 创造一彳固物件畤，你可以信者存起来重覆的使用道 彳固物件。道他羟品是事F E焉一些需要符虚皿境放编晅 上的I fl凌工具，不管是事渠的鹰用或是彳固人，都 可以馨髭的利用其强大的功能H亵。彳贾格方面，也比S uperscape VRT便宜一半，功能上，黑乎所 有Web所需的都有了。虚擦世界可S Kfe血E缩以.svr的格式信者存，可偶保智慧时羟本整旋大幅增加 路Download速度，平均来禄兑，大部分的作器大 小篇50-200 KB之fW，遢可以串俞出成VRML2.0的 槽案。，道是彳固操作曾单、功能强大、而且有效H彝工具。可在Windows95、16MB RAM、辗3D系f B|卡3g境下使用、jfi自勤测3D|S|模式（Direct 3D HAL、MMX、RGB、WinG、DirectDraw），配合软硬周整最佳模式 舆轨行效率，同日寺非必要不使用Z-bufferH；也 可再搭配Direct 3D加速卡。逵到最佳使效果O3D Webmaster包括了三他I主要的部分：是 的趣佳建情琪境，是濯U霓工具，可以在建情日寺即日寺相唁式以及使用 Viscape plug-in 酉己合Netscape Navigator 或 I nternet Explorer的ActiveX控制，常然也可输出成VRML2.0 的本票型。物件用(Warehouse)，包括了各式的物件、材、模型、及琪境，可以拖、拉、放到世界中，物I S可以馨 髭移位、缩放、旋傅舆修改腐性、有多重彳复原(Undo)的功能。适些物件包含了300彳固3D模型、50。硬材、200硬音效、以及600桎行篇指令。3D Webmaster横成的虚掇置:境：1.相封黑占舆黑何黑占黑占是虚寸疑世界中最基本的元素在S uperscape的虚擦 境中,黑占可以透谩雨ft数学方式描述，换言之，我得?可 以在S uperscape的璟境市建立雨神不同的黑占其中之一是藉由直接定羲三度空的座木票位置而来，例 如：(4,5,6)，运藤的黑占在S uperscape被本用焉棺螯寸踮(Relative Point)*另外一槿黑占是藉由此比例(或分数)，取得崩低I 相封釉f苗成之特定位置而来,道槿黠的定羲焉：描 述雨彳固相封黑占的分数信割系，在S uperscape被耦舄黑何黑占(Geometric Point)了雨的力 除黠能心能相封奥黑何的分别外，黑1可以分篇勤熊黑占典静憨 槿,一般在未特另唁殳定之前,所有的黠皆50殳焉静；而勤憩的黠是用来禄襄虚擦世界的物件具彳勤的3D Webmaster的#特别之虞continue在具借一些黠集合接，我件?可以利用它件号作扁平面 多遏形的IM黑占，描述二雉空中的各槿形状，迤而利用道 些多遏形面建立虚擦物件的形It。3D Webmaster的软飕特别之虞3.形醴一S hapescontinueS uperscape的1殳言十璟境利用二雉空面，描立It 物件的外貌,或揩造些资料视焉形it型别的定羲,存在 彳固利的形If槽案之中。在形醴的建立谩程中，S uperscape提供强而有力的 IH形界面褊tt工具,可供使者视受化地快速建立虚擦物件 的名耦，形It褊器利用速圆魄(Bounding Box)提供三雉 的虚掇空，你可以在其中透谩殳立黑占和褊面等步骤建立 形If，常初步完成外瞿员的I殳之彼，逮可以迤一步藉由 立勤憨黑占来裂作勤憩的形it。3D Webmaster的软飕特别之虞4.物件一Objectcontinue虚掇世界中的虚掇物件不彳堇需要以立It的方式呈现出 原本的形憩外,更重要的是每一彳固物件都必须具有原本世界 中的特一道是它必须根撼真世界中的本份，典使 用者逵成互勤式的港通：如同虚擦世界中的重月第，常使者按 下重源彳爰就必须有出现簧幕，更迤一步日寺,常使者者在维篮 上打字畤螯幕也亥出现使用者所打的字。因此虚擦物件比 一般的物件多了一槿典使用者逵成互勤的行焉责任。3D Webmaster的软飕特别之虞5.腐性一Attributecontinue在S uperscape的彝展璟境中，虚寸疑物件的横成除了形 I t之外，罩就祝呈现部份而言,至少逮需包含一些特定的 斗票型腐性,造些檄型腐性是正碓呈现物件形I f不可或缺 的必倩要素，例如：形I t的名耦、大小、位置和比例。3D Webmaster的#特别之虞continue6a 皿鹰Dynamics，I.A、其次,若我件?要建立勤熊的物件日寺,逮必须仔系脂殳定 勤作的特性，像是：自彝性的勤典物件的交互，或是 典使用者交互的作用等事件,噩勤典回）1的流程，都必须提供 相的资料，作扁虚掇物件的部份描述。因此，常我件号建用S uperscape日寺，必须清楚地瞭解虚擦 物件完整的描述，2不存在於军触的形it定羲之中，或是其 他彳蜀立的槽案；而是在世界描述槽中虚擦物件才具倩了的完 整资料。3D Webmaster的软飕特别之虞7.世界一Worldcontinue虚掇世界是一彳固互勤式的模擦璟境,由一彳鄙固的虚掇 物件所系且成,而物件除了形If之外的行焉,谷I：依附於特定的 虚掇世界,揩他i别形it逐一安排彳布置於虚擦璟境之接，逮需 辞加描述物件行焉的能力，例如：物件勤作和磬音的控制等，再加上一些客瞿珈勺要素，加：光源、背景和控制台等的 和勰托，栩栩如生的重月留幻境才能真正I襄使用者身屣其 境。I同日寺虚擦世界亦包含一彳固大型的资料康，资料康中存 有每一偃I虚擦物件的基本性、勤作、磬音、行篇等等的资 料，以及虚擦世界的原始殳定：如背景、控制台、视窗等等O3Dflf端;I-虚擦世界3D重月第圄-虚擦世界、刖后相信多数人都看谩“朱健系己公保I”中弓是牙舞爪的恐熊或者是“玩具勤田中曾ii舌的玩具和“蠡蠡危檄中可爱的昆蠡等 等,造些栩栩如生,I襄人分不出真假的柬西就是由三度空 重畸WI H(3D Computer Graphics)所官造出来的，而随著半蹲 醴技彳析的精迤，原本只能在昂贵的高皆重月留工作站才能孰行 的3D重月,已普及到一般的彳固人重月留上,现在黑乎 九成以上的重月窗都配彳蒲有基本的3Dg(功能，重视遁架器 更配彳蒲有超强的3D|ffl晶片，301：月留圈(已是十分普及。现在3D重月留系畲圈已深入到各彳固眉面，尤其在影音娱桑多 媒If方面,甚至J1用在瞽擘上的BW1描瞄及科阜研究上,虚 境更是未来的萝想,以下焉3D重月留基本概念的曾 介。3DI-虚擦世界continue、3d重月踊曾介3D重月留的宗旨就是焉了模擦出真世界的物ft，如何I襄羟生出来的Bl片更逼真更快速是努力的重黑占,那篇什麽 三度空的物it可以H现在二度空平面的簧幕上呢？道就是 利用福午多亲隹的演算法或模型来模擦真物If在三度空中的 状况，最彳爰投射在二雉平面的簧幕上。如下81所示，物it位於黄色显域中的三度空内，人眼 透谩簧幕S creen所看到的就是此三度空透射到二雉平面上的 状熊，而1午多因素曾影警到最彼此影像的真度,包含投射的 技巧、物I t模型的余琳致程度、光源模型的精硅度等等,底下就 始舄大家曾介曾军的3Dg|流程（此一流程是最基本的概 念，事上在3D1月窗系畲圈的领域中有1午1午多多不同的方式来3DI-虚擦世界continue1.建立物ft模型(Modeling)如何描述一他i三度空中的物it其外fl形状，此一勤作 就是建模，通常我凭曾用黠、M、面去近似一彳固物it的外觐（X3DI-虚擦世界continue建立此物醴的模型资料，通常用(X,Y,Z)三度空的座 檄来表示,道些资料就是供接面系曾圈建算用的有了物If外觐(X,Y,Z)的资料，可以利用很麓军的性代算，就可以符 造彳固物It放大缩小、移勤和燮形等等。目前建立模型的方式大多靠戟11本甫助臣殳六十如3DS Max、S oftimage Maya等来完成，此一方法需手工且耗日寺，因此也 有雷射捕瞄的倭器直接描瞄真物it的外觐。物it模型的精细 度封最接崖生出来的圈I形的真度有很大的影警,也奉涉到资 料虑理的算量。3DI-虚擦世界continue2.座檄事事换(Transform)前面提到有了物It的三度空模型资料，就可以用乐泉性 代数的方法符此物醴移勤、缩放、燮形等等,造些勤作其都 是座襟斡换,藉由控制物醴上每彳固黑占的座本票建勤，可以物H 移勤、旋斡、崖生勤重,如下BI，在一空中撰迤了三彳固物if3DI-虚擦世界continue3.光亮度算(Lighting)-1I 富一偃I三度空中所有物醴的座方票资IK都虞理好彳爰,接下来的就是要官十算每他i物醴的色了,如何算物it的1M色呢?首先必须符此三度空中的光源做一遹常的model，就像光 源可以分成很多槿,如太IW光、霜燎泡、探照燎等等，model 好光源彼,皆下来要做的就是算此光源如何和道些物if作用,而最彼反射到眼睛的光就是我倬?所看到此物It的11色了,此 部分就是利用光阜反射、散射、透射等的原理来模擦。3DI-虚擦世界continue3.光亮度算(Lighting)-2物it的ti色若要逼真就必须使用亲隹的算，目前的 方法大致可分成黑槿:Local illumination、Ray Tracing（光星亦追 代%）和Radiosity（熟幅射法），Local illumination是事交逾合於硬 1殳，但其品是此三槿中最差的但建算量也是最低的,光跳 追蹬封於金匾物的效果最逼真,熟幅射封於室内光源的效果 事交好，但光是亦追蹦和热幅射都需要耗费很久的日寺且不遹合做 硬醴加速，一般我件?看到重影中逼真的勤重都是结合了光69追 雕和热幅射彼所得到的最好效果,通常一弓是重面都需要一台工 作站算黑小畤,2不遹合即日寺的3D1用。3DI-虚擦世界continue3.光亮度1 十算（Lighting）-3Local川umination:此方法只金十封每彳固光源封此黑占的影警纳入算，不考到其他物11的影警，此方法逮可分成雨槿Gouraud S hading和Phong S hading。Gouraud S hading是首先封每彳固物模型的JM黑占做光亮度的算，得到每彳固I M黠（通常篇三角形的I M黠）的I M色值（如圄左），然彳麦接著在用内插 的方式聘每他I面内部（通常是三角形）的黠的11色系台内插出来，其结果就如 m右，此方法的缺黠是因扁用内插的层罂系，所以瓢法模掇出金腐物II高亮 度、高反光的地方，但好虑是硬111算量较少。3DI-虚擦世界continue3.光亮度算(Lighting)-4Phong S hading是整寸物醴上的每彳固黑占都去ff算它的光亮度 ffi，所以可以模掇出高反光的部分，但由於光亮度需要大量的 浮黑占算,所以目前的硬醴架横黑乎都是探用Gouraud S hadingo3DI-虚擦世界continue4.同占UI(Texture Mapping)在算完物It的tl色接整彳固影像已呈现出3D的立效 果，但道只有触色的结果,在真世界中物If表面都曾有路，甚至小高低不平的路材如榭木、皮革等），我凭利用 麓军的贴13就可以模掇出物it表面的道些效果（下置I），此勤作 奉涉到贴13的精度和材使用的多寡，目前此罩元是硬if中 最耗费1己I意醴大小和频寞的罩元，所以才含有贴Bi屋缩（Texture Compression）的出现 3D-虚擦世界continue5.藏面消除(Hidden Surface Removal)-1富我彳哪艮睛往三度空中的某彳固位置、角度看谩去日寺，有些物II因舄在接面曾被遮住,所以在最接整弓鼠影像成像的日寺 候必须符道些束西消除,最常用的方法是Z-Buffe由於道些 看不冕的黑占都曾耗不必要的建算（如座本票斡换、光亮度、贴圈等），造成整醴效能的降 低,因此有1午多方法被II彝用 候早在前级畤消除道些看不 到的物it。3DI-虚擦世界continue5.IW藏面消除(Hidden Surface Removal)-2也FF有人曾冏i兑，焉什麽一始要把道些看不到的 束西送入硬it加速呢？那是因扁通常我件?是瓢法系里由麓军 的算就可以得知物醴的哪些部分是看不到的，况且3D 重月窗tia的精神就是你可以彳於任何角度觐看此空，而筐 生出来的is形的解析度也可以任意，所以常遇到互勤式的 3Dj1用日寺，就很先知道使用者眼睛的位置而符那些 看不兄的物it消除的。3DI-虚擦世界continue5.藏面消除(Hidden Surface Removal)-3Z-Buffer是最W有效也是最笨的方法，Z-Buffer 就是一瑰信者存簧幕上每一黑占深度(Z)值的暮田意ft，富有新 的黑占迤剌寺就去比整寸此黑占的深度值是否比之前在Z-Buffer 中的靠近眼睛,如果是的t舌就表示此黑占曾遮盖住接面的 黑占，更新Z-Buffer成此一新的值，若不是的曾舌，就表示新 的黑占比目前的黑占逮逮,所以看不到,就招它拾去掉。目 前ATI在Radeon中所赞表的Hierarchical Z Buffer也是篇了 加速消除II藏面的方法。3D虚擦世界 概念畿I结：continue到此我怦?曾罩的呈现3d重月第的概念，事上整彳固 3D重月窗系畲圈的遇程非常繁亲隹，逮有fF F F多多扁了模擦真世 界所赞展出来的演算法，思帚纳起来整偃|3Dg|系统可分成黑 彳固部分：(API)、(Geometry Processing)、阍虑理(Rasterization Processing)上API的部分，包含 Library(如Direct3D、OpenGL)者依循未票型Library程式出3D的鹰用软醴出来，透谩支援才票型程式的3D晶 片送到硬I f加速,硬I f加速目前包含黑何虑理和虑理,黑 何虑理包含前级座本票四奠Transform和光亮度算Lighting等等,统稠T&L，著重大量的浮黑占算,虑理包含颜色内 插、著色、贴Bi、消除曙藏面、透明度、霜状、I W影模擦等等，均依束倒象素的算和后田意it存取等。3DI-虚擦世界 迤卜皆目：、finish1.Alan Watt,The Computer I mage,Addison Wesley=2D、3D入F 5及深入 2.Alan Watt,3D Computer Graphics,Addison Wesley=完整3D理ft 3.Tomas Moller and Eric Haines,“Real-Time Rendering”,AK Peters(http:/ 相嘶罔站： Graphics on the NET:http:/ls7-www.cs.uni-dortmund.de/cgotn/