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面向视景仿真虚拟校园实时交互和漫游系统 　　摘要：本文研究了双目立体视觉成像原理并实现了基于WTK的虚拟校园动态对象的双目立体视觉成像，探讨了视点的设置、虚拟场景的交互和漫游、实时碰撞检测处理等虚拟场景交互和漫游问题，开发了面向视景仿真的桌面式虚拟现实系统，分析了系统层次结构，简介了系统的软件硬件配置，初步实现了虚拟校园实时交互和漫游基本功能。 　　关键词：虚拟现实 虚拟校园 交互和漫游 　　中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)01-0087-02 　　 　　1、双目立体视觉成像原理 　　人的信息感知约有80%是通过视觉获取的，虚拟环境的好坏主要取决于其视景生成系统的好坏。人之所以对所见物体产生立体感，主要是由双目视差造成的，人的大脑通过这一视差差别对被观察对象产生立体感觉，虚拟现实环境就是基于这一原理，对用户的双眼分别产生两幅具有细微差异的图像，而两只眼睛的视线有很大一部分是重叠的，利用这种重叠而形成的深度知觉即为双目立体视觉[1]。 　　双目立体视觉成像原理[2,3,4]如图1所示。 　　图1中，左、右投影中心分别为和，左右眼的距离为，视点到投影面的距离为，将三维空间物体上的任意一点投影到Z=0的X-Y投影平面上，产生该点的像分别为和。 　　2、虚拟校园动态对象的双目立体视觉实现 　　虚拟校园动态对象（如汽车整车模型）的建立是基于CAD建立整车的三维几何模型，通过IGES的数据接口转化为WTK可接受的数据格式，再添加纹理、定义光源和材质文件来实现对汽车模型的表面建模；根据双目立体视觉成像原理，在WTK软件平台上实现两幅图像的合成，并以一定的频率相互转换，利用人的视觉的迟滞效应，通过虚拟现实硬件（如红外发射器、立体眼镜等）在人的大脑中合成立体视觉图像。 　　图2为在CAD中建立的某虚拟校园动态对象模型在WTK平台上实现的动态对象的双目立体视觉显示示例。 　　3、虚拟校园和图书馆场景的交互和漫游 　　3.1 视点的设置 　　在虚拟校园动态对象虚拟场景的交互和漫游中，首先必须设置视点。视点的设置有两种，即设置在动态对象的内部或者外部，分别获得不同???视觉效果。当视点设置在动态对象的内部时，则可以观察到动态对象的内部情况，实现对象的内部交互；视点设置在动态对象的外部时，则可以观察到动态对象的外部情况，实现对象的外部漫游。 　　本研究视点是通过三维鼠标等传感器来实现，传感器的方位被自动记录并进行实时平移和旋转计算，通过WTK有关函数来设定视点的方位，再实现视点和虚拟场景中的实体的运动连接，从而产生沉浸感。 　　3.2 虚拟场景的交互和漫游 　　桌面式虚拟现实系统中，虚拟场景的交互是采用键盘和鼠标来实现的，由于鼠标操作灵活，通过鼠标的移动来改变观察的视点，控制动态对象的运动方向，或实现虚拟场景的放大和缩小；通过立体眼睛或头盔来感受动静态模型在不同方位上运动图像。 　　3.3 实时碰撞检测 　　当动态对象在虚拟环境中运动时，应对动态对象与其它物体间进行实时的碰撞检测和响应，从而增强交互的真实感。动态对象的实时碰撞检测，主要是针对运动物体（如汽车）与虚拟环境中的静态物体(如校园公路旁边的栅栏等)的碰撞进行实时检测，并做出响应。本研究是通过采用粗略碰撞检测算法来实现的。粗略碰撞检测算法是基于整个包围盒或包围球的碰撞检测，只能大体检测物体之间的碰撞，可以降低碰撞检测的复杂性，使虚拟环境交互实时性增强[5,6]。 　　4、面向视景仿真的桌面VR系统开发 　　4.1 系统层次结构 　　考虑到经济性，确定开发的重点是虚拟校园和图书馆场景的生成和漫游，使用户能够“沉浸”于一个由计算机生成的虚拟校园环境中，并实现基本的交互功能和简单的构想。基于WTK开发平台，开发了面向视景仿真的桌面式虚拟校园实时交互和漫游系统，该系统由三层组成，即：三维模型构造层、虚拟现实层和交互驱动层，其基本层次结构如图3所示。 　　4.2 系统基本配置 　　面向视景仿真的桌面式虚拟校园实时交互和漫游系统硬件系统基本配置： 　　(1)微机：Pentium4，主频2.4G，80G/7200硬盘，17英寸显示器； 　　(2)图形加速器： Quadro4 900 XGL，虚拟现实系统专用； 　　(3)立体图像观察设备：红外中央同步信号控制发射器、有线立体眼镜、无线立体眼镜； 　　(4)头盔：Cyber CE 500s，最大象素800×600； 　　(5)跟踪器：含信号发生器和接收器； 　　(6)空间球：Spaceball4000FLX，6自由度虚拟空间和3D模型交互。 　　图4所示为所开发的面向视景仿真的桌面式虚拟校园实时交互和漫游系统硬件调试。 　　系统软件基本配置：