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虚拟现实的计算机技术:计算机体系结构
2009年1月12日    评论:    分享:

      来源:86VR 作者:佚名

  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。这种考虑就是,计算能力和场景复杂性的折衷。

  下面几节将介绍用于VR的各类计算机。对这些计算机,主要的技术指标就是其计算能力,也就是每秒计算的三角形(或多边形)的数目。应该注意,是否加纹理,是否反走样,采用哪一种明暗模型,都会影响到计算能力。加入这些复杂的功能,就会增加计算复杂性,从而减少每秒计算的三角形(或多边形)的数目。

  下图表示,波音747-400飞机的两种复杂性不同的三维模型。(a)中的模型有520个顶点,406个多边形。(b)中的模型有7694个顶点,7556个多边形。效果图说明了明显的逼真度差别。

  下图表示,人体骨骼的两种复杂性不同的三维模型。(a)中的模型有8979个多边形。(b)中的模型有131275个多边形。效果图说明了明显的逼真度差别。

 3.对计算机系统的要求

  图形学和计算机硬件的进展对全真实的VR是关键因素。今天的硬件能力只能给研究者、厂家和用户提供虚拟世界的尝试和应用的希望。由于广泛的兴趣和有不同性能要求的大量应用,所以需要在几个层次继续进行硬件开发,由高档多模式工作站到低档的只有适当三维视觉能力的个人工作站。

  将来的高档VE系统有几个硬件要求。我们始终需要为应用提供高计算要求的计算机结构。这些机器必须有很大的物理存储(>15Gbytes),多个高性能向量处理机,高带宽(>500Mbytes/s),低延迟(<0.03s),巨型存储设备,和对各种输入输出设备的高速接口。磁盘带宽不可能在近几年大大改进。对录象和超媒体集成,磁盘带宽和大小是限制因素。也需要巨大的计算和数据管理能力。物理建模和可视化计算将是计算需求的推动力。现在某些问题要求40Mflops机器能力。如果希望加入更多数据或开发更细分辨率的模型,就会使用这一层次的计算能力。重要的是鼓励实际生产VR要求的机器。
标签:计算机体系结构
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