虚拟现实与VRML－教程（第二部分）.doc

◆第三章 虚拟现实的计算机技术 ◇课前索引 〖课前思考〗 1．哪些计算机用于VR? 2．常用工具软件的特点。 3．分布式仿真中的网络和通讯的特点。 〖学习目标〗 1．了解不同类型VR用计算机的组成及特点。 2．了解工具软件的要求和功能，了解分布式仿真。 3．了解网络和通讯的硬件，软件和分布式仿真。 〖学习指南〗 1．注意VR用计算机提高速度的措施。 2．注意工具软件的功能及对比。 3．注意分布式仿真中的网络和通讯的主要问题。 〖难重点〗 1．注意帧频和延迟的要求。 2．注意不同类型VR用计算机的组成结构。 3．注意VR用计算机的并行处理技术构。 4．注意工具软件的要求。 5．注意工具软件的功能。 6．注意常用工具软件的对比。 7．注意各类网络结构的对比。 8．注意软件质量的要求和保证措施。 9．注意分布式仿真的特点。 〖章节小节〗 1．VR用计算机的技术要求。 2．基于PC的虚拟现实机器的组成结构。 3．基于工作站的虚拟现实机器的组成结构。 4．高度并行的虚拟现实机器的组成结构。 5．虚拟现实工具软件的要求。 6．虚拟现实工具软件各模块的功能。 7．虚拟现实常用工具软件的对比。 8．广域网和局域网的发展现状。 9．不同网络结构的对比。 10．分布式虚拟现实工具软件的质量问题。 11．几种分布式虚拟现实工具软件的现状。 12．虚拟现实分布式仿真的特点。 〖知识点〗 ◇第一节　虚拟现实的计算机体系结构 3．1 虚拟现实的计算机体系结构 3．1．1 虚拟现实对计算机系统的要求 　　下面介绍的虚拟现实对计算机系统的要求，只包括了视觉显示对计算机系统的要求。位姿传感器的数据处理，一般不在主计算机上进行，而是由专用的电子设备完成。听觉显示，力觉触觉显示，研究工作和实际应用还较少，对其计算要求的认识还较少。听觉显示和力觉触觉显示的计算，往往由专用计算机完成。所以，当前的虚拟现实计算机，主要完成视觉显示的计算任务。 　　1．帧频和延迟时间的要求 　　VR要求高帧频和快速响应，这是由于其内在的交互性质。 　　要求的帧频和延迟一般取决于环境特性。只有慢速运动物体的较静的环境，可以用帧频每秒8至10，和0.1秒延迟。如果环境有高速运动的物体，则要求高帧频（60Hz）和短延迟。所有情况下，若帧频低于每秒8帧，则失去三维环境的生动感，若延迟大于0.1秒，则很难操作环境。因此，帧频必须大于8到10帧/秒,总延迟必须小于0.1秒。 　　帧频概念来自动图像技术。在动图像显示中，每一帧实际上是静止照片。如果新照片快速接替旧照片，就产生连续运动的幻觉。修改率是在屏幕上的显示改变的速率。为符合基本的动图像技术，理想的修改率是每秒20帧（新图像）。 　　对计算机硬件，帧频有几个含义。它们大致分类为：图形的帧频，计算的帧频，数据存取的帧频。为了维持在VR中的临场和沉浸感，图形帧频是关键的。这些帧频可能是独立的，图像场景可能变化，而没有来自用户视点运动的计算和数据存取。这时，图形的帧频大于计算的帧频和数据存取的帧频。经验表明，图形帧频率应尽可能高，低于每秒10帧的帧频严重降低临场的幻觉。如果图形显示依靠计算和数据存取，则计算和数据存取帧频必须为8到10帧/秒，维持用户看到时间演化的幻觉。 　　如果应用允许交互控制，也要求快速响应。已知，长响应时间（滞后时间，延迟时间）严重降低用户性能。延迟时间是从用户的动作开始（如用户转动头部），经过位姿传感器感知用户位姿，把位姿信号传送给计算机，计算机计算新的显示场景，把新的场景传送给视觉显示设备，直到视觉显示设备显示出新的场景为止。这些延迟在计算机系统中来自很多因素，如数据存取时间、计算时间、绘制时间以及输入设备数据处理时间。类似帧频的情况，延迟的来源分成：数据存取、计算、图形。虽然延迟与帧频有关，但它们不同。系统可能有高帧频，但有较大的延迟时间，显示的图像和提供的计算结果是几帧以前的。研究表明，多于几毫秒的延迟会影响用户性能，而多于0.1秒的延迟有严重影响。 　2．计算能力和场景复杂性 　　虚拟现实仿真的计算问题，是一种时间受限的计算。这是因为显示的帧频必须大于8到10帧/秒。于是，在0.1秒内，必须完成一次场景的计算。如果一个显示的场景中有10,000个三角形（或多边形），这个数量就反映了场景复杂性。这样，在每秒进行的10次计算中，就应该计算100,000个三角形（或多边形）。这表示了计算能力。　若要求更加逼真的仿真效果，就要增加场景复杂性。显示的场景中有更多的三角形（或多边形），显示的效果就更逼真。这就要求更强的计算能力，每秒计算更多的三角形（或多边形）。反之，如果只能使用能力有限的指定的计算机，则限定了计算能力，也就限定了场景复杂性。每个场景，只能用较少的三角形（或多边形），产生较粗糙的显示。这种考