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虚拟现实的核心技术与未来趋势
2010年12月10日    评论:    分享:

    来源:第三维度(http://www.d3dweb.com)
    作者:(台湾)李汪晔 李元兵  伍永康  庄荣宏  欧阳明

    一、前言

    虚拟现实为一当前热门的话题。它所包含的技术与应用层面相当广博,此外它对人类的生活所造成的影响与冲击正与日俱增。它将带领人类进入一个崭新、前所未有的多样感知的仿真世界,提供人类与计算机之间沟通的接口,并强化计算机解决问题的能力,甚至将成为人与人之间互动的媒介。本篇文章将以虚拟现实的技术层面着眼,探讨虚拟现实核心技术的发展现况与未来的趋势。

    二、简介

    近几年来,我们可以看到许多关于虚拟现实(Virtual Reality,VR)的新闻与报导,这不仅反映出虚拟现实的相关技术已有大幅度的进步,使它从实验室的纯研究走出来。此外还反映出一般大众对它所带来的影响和冲击有着强烈的兴趣。这由许多国际著名的电视媒体,如CNN、NBC与CBS,都曾在主要时段对虚拟现实做广泛且深入的报导可以看出。如今,虚拟现实已不再是遥不可及、束之高阁且只能在实验室才能一窥其貌的高科技产品,它已渐成为日常生活中人人可以朗朗上口的名词,同时虚拟现实已然成为具有相当潜力的新产业,在许多的应用领域都可以发现它的应用。

    虚拟现实这个名词由于太过广泛的被使用,它的定义经常被混淆和误用,甚至连学术界对它的界定也经常模糊不清。虚拟现实常被人以它所使用的工具来意指,而非以它的功能与目的;一般大众大多倾向把虚拟现实和头戴式显示器(head-mounted display,HMD)以及感知手套(sensing glove)联想在一起。但虚拟现实的使用工具也能以大型的投射屏幕或桌上型图形工作站配合轨迹球(trackball)或操纵杆(joystick)来取代;因此以所使用的工具来界定虚拟现实并不是很恰当。

    由功能特性的观点来描述虚拟现实,它可以说是由3D计算机绘图(3D computer graphics)、3D音效与其它感知接口,所造成的一个模拟环境,用来创造出一个拟真的虚拟世界;人可以在其中实时地与虚拟的环境互动。这里所指的实时性的互动意味着计算机可以随时感知、侦测使用者在虚拟环境中的活动,而实时作出适当的反应与回馈;而这实时性互动的能力伴随而来的是让使用者有融入在整个模拟的虚拟环境中的感觉。除了视觉外,虚拟现实还更应融入其它感知的通道,使得使用者能以触觉、嗅觉、听觉等和虚拟环境作互动。因此,虚拟现实可以定义为一个高阶的使用者接口,这个接口包含了透过人类多重感知的管道来达到实时的模拟与互动之能力。由上述的描述可知,虚拟现实的特征包括了互动(interaction)、融入(immersion);然而它应不仅是一个媒介或是一个高阶的使用者接口而已,它应包含了解决在工程、医学、日常生活中的诸多问题的实际应用。而针对不同的问题,如何利用性质相异的虚拟现实应用来解决端赖人类创造力(imagination)的发挥。因此,虚拟现实同时也必须配合人类的创造力。由以上观点可知,虚拟现实应包含三个主要的构成要素,即互动(interaction)、融入(immersion)和创造力(imagination)[9,28]。

    接下来本文将分为两个主要的部分。首先第一部分介绍目前虚拟现实的核心技术,这包含了目前最新技术的发展现况以及未来的发展方向与所面临的挑战。本文将介绍虚拟现实中九类主要的核心技术,包括了模拟管理器(simulation manager)、追踪器与数据手套输入设备(tracking and data glove input devices)、手势辨识(gesture recognition)、 头戴式显示器与其它的显示技术、 3D图形显像技术(3D graphics rendering)、临界时间计算(time-critical computing)、动态机制的处理(dynamic handling)、数字影像式虚拟现实 (image-based VR)与网络上虚拟现实(networked VR)。第二部分,我们将介绍虚拟现实应用程序的软件开发工具,主要涵盖dVS、Superscape,以及WTK三个商业性软件,我们将分析它们的异同与优劣。

    三、虚拟现实的核心技术

    本节将介绍虚拟现实中主要的九项核心技术,我们将分为以下九个小节来作剖析。

    1、模拟管理器

    虚拟现实系统在执行时期的行为模式由仿真管理器(simulation manager)来控制整体的模拟过程;它控制系统在执行时期的模式(run-time model)。一般的执行时期模式可分为三大类︰仿真循环模式(simulation loop model)、事件驱动模式(event-driven model)以及同步模式(concurrent model)。

    在仿真循环模式中,系统中的运作包括互动、数值运算、数据处理以及3D显像都在一个反复执行的循环中完成;在事件驱动模式中,系统的运作只发生在响应事件的产生,而事件的产生通常由使用者来触发;在同步模式中,系统中的不同运作分散到不同的处理程序,而这些处理程序分散到单个或数个处理器进行排程。

    对一般的应用,事件驱动模式较不适用,因为在同一时间,多个由使用者所触发的事件可能同时发生,而这些事件的意义和优先权可能彼此相关,因而增加控制与管理整体模拟过程的困难度;目前最被广泛采用的模式为仿真循环模式,许多商用的VR发展软件都采用这种模式;至于同步模式则是未来发展的主要趋势,其好处在于系统中运算速度较慢的处理程序不致于影响其它的程序。当然一个虚拟现实系统的仿真管理器要采用何种模式最主要还是跟所使用的计算机平台以及操作系统密切相关。

    接下来我们将介绍最普遍采用的仿真循环模式的基本运作。在模拟的过程中,

    仿真管理器须侦测每一感知接口设备是否被触发。若有,则相关信息将被更新,如虚拟物体的位置、形状或者速度及与其它虚拟物体的互动;此外,虚拟环境中的一些自发性对象(autonomous objects)的行为将会改变,如挂在墙上的时钟和温度计的刻度;最后虚拟场景依新的信息显像在HMD或计算机的屏幕上,而其它如音响、触觉、力回馈等效果也同样反应到使用者的VR输出设备上,如此便完成了一个模拟周期。

    2、追踪器与数据手套输入设备

    在虚拟现实应用中,追踪使用者的位置是很重要的。在过去,设计者只关心追踪器是不是能提供足够的更新率,然而现在却要考虑其它因素,包括静态准确度(static accuracy)(测定物体位置的准确度),动态准确度(dynamic accuracy)(测定移动量的准确度)实时相延迟(phase lag)等。特别是时相延迟,由于现在的追踪器都有处理器进行运算,如果物体持续移动,输出结果将永远不等于目前位置。如果输出和目前位置差太多,使用者会感觉出不真实,甚至产生不快与头晕。此外,由于追踪器和头戴式显示器常一起使用,定位(registration,真实和回报的位置之对映关系)也很重要。如果我们看到的动作和实际的步调不一致,那会产生很多问题,如两人怎么样也无法握手,因为他们看到的手和他们手的实际动作并不能配合。为了改善显示的及追踪到的动作不一致问题,现在也使用了预测技术,预先推测下一画面的位置[17]。追踪器的原理与方式有下列几种:

    1) 机械式(如FakeSpace Co.的产品):

    利用电压计及光译码器测量仪器中各关节的转动角度,就可以计算受测物的位置。

    优点: 低价位、低时间延迟(对头部位置追踪很重要),不用收发装置,所以不易受外界环境影响。

    缺点: 追踪范围很小,会磨损,对四肢运动产生机械的迟滞(inertia)。

    2) 电磁式(如Polhemus Co.及Ascension Co.的产品):

    由三个正交的发信器发出磁场,经由三组接收器接收,可由收发的信号变化计算出受测物的位置。

    优点: 体积小巧(适合装在头部,手上及笔尖),可将收发器组合,分时多任务,以得到更大的追踪区域。

    缺点: 易受无线电等电磁干扰,如果附近有像铁的磁性金属类物品,也会产生干扰。系统时间延迟约100ms,也算比较长的。目前已经致力于减低延迟。

    3) 光学式(如北卡大学的Prototype):

    将光源,如红外线,放在受测物上,再由安放于四周的接收器(摄影机)接收,据以计算位置。

    优点: 追踪范围广大(取决于光强度及同相位程度)。

    缺点: 必须要光能照到,也就是光的路径中不能有障碍物。太重。价格较昂贵。

    4) 超音波式(如Logitech的产品):

    由几个发声器发出声音(超音波),让几个麦克风接收。经由测定时间差来计算受测物距离。需要几组收发器才能得到完整的3D位置数据。另外一种较少见的技术是经由计算收发器信号的相位差,测出受测物的位移。

    优点: 转换器容易取得,可以以低成本制作。

    缺点: 音速受外界温度,气压及湿度影响而有不同,音响式系统必须先考虑这些,不然会有很大误差。此外,声音碰到 ”硬表面” 会产生回音,造成 ”鬼影” 现象。收发器间也不可以有东西挡住。这使它的准确度及追踪范围都受限。

    5) 惯性式及重力式:

    惯性式用陀螺仪测量三轴的转动量。过去用于飞机或飞弹的导引装置。现在也应用于一些防震(no shake)手提摄影机及无线遥控直升机。重力式则用地心引力加上单摆测量相对于地的旋转角度。

    优点: 无收/发装置。

    缺点: 陀螺仪难以和其它装置沟通,且会随时间偏移。(每分钟几度),也需要做温度校正。不过新一代的”固态(solid-state)陀螺仪”(实为一种压电设备)可减低这些效应两三倍。另外,重力式与陀螺仪皆无法准确得知平移的位置,但对旋转很敏感,只能提供旋转信息 [15]。

    3、数据手套与手势辨识

    由于肢体语言很灵巧,又是最自然的表现方式,它无疑是人机接口的好主意。它比起传统用键盘、鼠标操作,更适合人体,在虚拟世界中更能让人觉得舒适及自然。然而,由于缺乏一种有效且经济的捕捉人体姿势讯息,及辨识的方法,目前还不是很常运用。

    数据手套是一种追踪装置,可以用来辨识手的目前动作。较有名的VPL Data Glove是将光纤置于手套中,利用光在光纤中反射的角度及强度变化,求出各关节弯区角度,从而可得出手势数据。

    在手势辨识方面,为了达到大量字汇的手语辨识,同时克服目前手语辨识上的限制,我们采用三个统计学的概念:断词,隐藏式马可夫模型,及文法模型[3]。断词是由监视时变参数的变化来完成。隐藏式马可夫模型用于每个子手语模型,而文法策略则用于相邻的手语之间。每个手语都可以分解成下列四个手语模型:手型、方向、位置及运动。由于解决了连续手语间的分段点问题,所以可以达成连续且实时的手语辨识。目前已经可以对台湾手语的250个字汇,196个练习句之51个基本手型,6个方向及12个运动路径制作其隐藏式马可夫模型。对词组可达最佳82.5%及对句子最佳86.4%的辨识率 [3]。

    4、头戴式显示器及其它显示技术

    头戴式显示器可说是一提到虚拟现实,大家就会想到的东西。它是由计算机算出左右两眼的影像,将之显示于显示器内的液晶屏幕上。头戴式显示器和人的眼睛耳朵十分贴近,可有效排除外界干扰,看起来似乎是虚拟现实的最佳选择;然而目前也有几个困难。由于它的显示器和人眼的距离很短,所以人眼可以清楚的看到液晶屏幕上的 ”颗粒” 。这可用几种办法解决: 1)散焦(defocusing): 缺点是人眼会努力试着调焦,这对眼睛很吃力。2)发出漫射(scattering diffusers),这又会受到显示器的大小限制,漫射层(diffuser screen)很难放到正确位置。3)波前随机数产生器(wave-front randomizer),放一些小棱镜打偏一些光线,但这又会让影像细部难以呈现。 4)波前(wave-front)加上区域频率增强器(spatial frequency enhancer),照出的影像对比较尖锐。除此之外,头戴显示器也有过重及显示分辨率不高的难题,还要考虑视角(field of view)范围,这会影响需要的更新率,进而影响系统表现 [3]。

    此外,还有很多因素影响它的性能,而这些因素又彼此相关,所以还有很多地方需要再加研究。对于使用者视力的损害(暂时性远视及乱视),如何消除也是研究重点。若需要中高的分辨率,用阴极射线管屏幕(CRT)配合立体眼镜也是个办法。目前也有利用三枪投影机,将立体画面投射到镜子上,反射到毛玻璃”工作桌”上的方法 [5]。

    现在最有希望取得较大突破的是华盛顿大学(西雅图)人机接口实验室(Human Interface Lab)所开发的视网膜显像(Retina Display)技术。以雷射在视网膜上显像,不只分辨率高,轻巧,同时尚可让一般失明但视网膜完好者(如白内障患者)重见光明。

    除了个人式的3D显像技术外,用单枪式三枪投影机将左右眼画面依序打在大屏幕,让人戴上立体眼镜,可以看到高分辨率的画面,如立体电影一样。将这面大屏幕放到室内的每一面墙,形成一个六面包围的空间,并在接缝处接有连续画面,则可形成一个「洞穴」而构成一个可多人参与的虚拟环境。这计划又称为CAVE,原先由伊利诺大学芝加哥分校提出,后来扩散至爱阿华大学及德国的联邦实验室中。也有商业公司加入营运。工研院电通所已计划引进。

    5、3D 图形显像技术

    图形显像技术目前用于虚拟现实系统的大多是以多边形为处理对象的着色(shading)与贴图(texture mapping)两种作法。本节将介绍着色和贴图这两种方法;另外我们也将探讨以整体照明(global illumination)为基础的光迹追踪法(ray tracing)与热辐射法(radiosity)。对目前的虚拟现实而言,所须处理场景复杂度愈来愈高,换言之,每秒钟所需处理的多边形数量相对增加,因此,我们也将探讨现今用来加速图形显像的技术,包括遮蔽性消除(visibility culling)、多层次精细度模型(level-of-detail modeling,LOD)和影像快取式显像技术(image caching rendering)。最后,我们也将讨论虚拟现实中动态环境的显像技术,如动态热辐射法和动态阴影产生法。

    在着色技术中,光源和物体之间的行为反应以Phong 照明模型(illumination model)来描述。它把光直接打在物体上之后产生的复杂反应化简为反射、漫射与环境的光,再计算出物体表面所应该呈现的颜色;为了决定多边形内部的颜色,着色的技术把多边形的端点颜色信息先用Phong 照明模型算出,多边形内部的点之颜色信息则利用内插法求出,或者先把着色计算所需的多边形内部点的法向量值透过已知的端点法向量值由内插法求得后,再依该点的法向量值计算出该点的颜色信息,这两种不同的方法分别称为Gouraud shading和Phong shading。上述的着色技术仅能处理一般局部照明(local illumination)的效果,因为它们都只考虑光源直接对物体的作用,而未能考虑光在物体间甚至在物体内部的交互作用,所以产生的影像并不真实。然而整体照明的技术目前都很耗时,因此一般的虚拟现实系统通常利用贴图的技术来配合只考虑局部照明的着色技术。贴图的技术简单地说就是直接把真实物体的影像置于场景中的物体上以期达到真实的组合影像,所以使用贴图时通常物体的几何精细度可粗糙些,也就是可降低场景中多边形的数目;然而贴图所能提供的真实度毕竟有限,无法完全将整体照明的效果考虑进来。要达到整体照明的效果,我们必须采用考虑整体照明效果的算法,如光迹追踪法与热辐射法[29]。

    光迹追踪法是应用光的可逆性,由投射在视平面的点,反向模拟光的行为,发出一道计算的射线,收集所得到的能量,来表示由视点所看到场景中的物体所带给视平面上每一点的颜色信息;这种作法的最大特性在于要得到最后的显像结果,必须光迹追踪视平面上的每一个像素(pixel);此外,它有和视点相关的特点,因此一旦视点、视角或场景有所变化,整个过程便需重新计算。对于一般虚拟现实的应用而言,光迹追踪法这种运算量过高的整体照明算法并不适用。热辐射法是模拟整个环境中能量在物体间互相转移的一种方法。物体表面的亮度是由物体表面所散发出的能量决定,因此显像的过程具有和视点无关的特性。换言之,在对静态环境做巡访(walkthrough)之前只要先行计算场景里所有物体的热辐射值就可以在视点改变后,很快地计算出具有整体照明效果的影像。整个热辐射法的运作过程可以简单的分为热辐射计算与着色这两个主要步骤,而热辐射计算是与视点无关,因此热辐射法可以容易地应用在静态的虚拟现实系统中;但应用在动态环境中,那么在环境有所改变时,如物体的移动、物体数量的增减或光源的变化等,就必须更新受到影响而改变的热辐射值。这部分的技术目前尚未臻成熟,并不能应用在实时、互动的虚拟现实系统中。如何将整体照明的算法适宜地应用在虚拟现实是未来的趋势与研究的主流。至于动态热辐射法,我们将在本节的最后部分处理动态环境的技术中作介绍。

    现今用来加速图形显像的技术可以分为三个主要的范畴,即遮蔽性消除(visibility culling)、多层次精细度模型(level-of-detail modeling,LOD)和影像快取显像技术(image caching rendering)。

    遮蔽性消除 为了加速显像速度,必须尽可能地将视点所看不到的几何部分在显像前即予排除。在一般3D场景中,要减少所需处理几何的数目,最常利用的作法为称作视锥体消除法(view-frustum culling)的技术,意即在显像之前,把不在视点与视角所形成的锥体内的几何部分给予排除,如此显像时只需处理在视锥体内的数据;另外有所谓的背平面消除法(back-face culling)的技术 [29],作法是把和视角同向的几何面去除,它们的目的都在于务求显像时需处理几何量降低;背平面消除法对每个多边形而言,虽然计算简单,但应用到复杂的场景时仍是个负担。最近有研究将场景的多边形以阶层式的架构组织起来以支持实时的背平面消除法。接下来,是要把视锥体内看不到的几何去除即所谓的完全遮蔽性(exact visibility),这部份运算通常叫作隐蔽面消除法(hidden surface removal,HSR);然而,在复杂的环境中,给定一个视点,要求得完全遮蔽性的代价纵使有硬件,如z-buffer,的帮助仍是十分昂贵;相反的,利用少许对现在视点造成最大遮蔽的阻挡物或几何,花费比较少的时间代价而把大多数看不见的部分先予以排除而求得较保守的保守遮蔽性(conservative visibility),然后再把多边形几何数据丢给显像硬件,是个可行的作法。保守遮蔽性的求法,是利用称作阻挡物消除法(occlusion culling)的技术,首先对空间进行切割,并对每个子空间决定数个潜在适当的阻挡物,而进行模拟时,则根据视点所在的子空间,决定数个适当的阻挡物,并以视点和这些适当的阻挡物产生阴影锥形体(shadow frustum),最后再将这些锥形体内的被阻挡物所遮蔽的几何予以排除。像建筑物的模型,整个模型被墙分隔成一个个区间(cell),区间之间仅透过像入口(portal)或窗户(window)相通,若只利用视锥体消除法的做法仍不足够。在[25]中的做法已成功地用在建筑物的巡访(walkthrough)系统中。此做法可分为三个步骤,1) 区间分割(cell segmentation),2) 区间至区间遮蔽性( cell-to-cell visibility),3) 视点至区间遮蔽性(eye-to-cell visibility)。在求区间至区间遮蔽性步骤中,延着模型中主要的不透明部份做分割;然后对于分割后的每一个区间做区间至区间遮蔽性的测试,即当一条视线(sight-line)存在于一个区间中的任一点到另一区间的任一点时,此两个区间之间的区间至区间遮蔽性就建立了。如此对于每一个区间,可以建立以此区间为根的 stab tree;最后在巡访中,根据使用者所在区间的位置、角度以及它本身的视角对前一步骤所建的 stab tree 进一步做遮蔽物消除的工作,而获得视点至区间遮蔽性,而得到所谓潜在可见集合(potential visibility set,PVS),再将之丢到计算机绘图硬件中做遮蔽面消除法和显像。这方法的缺点是只能用于室内建筑场景之中,而不适用于一般的室外场景。

    多层次精细度模型 遮蔽性消除可将显像的速度提升到只和可看见的几何资料量有关。然而,可看见的物体模型的几何数据量仍然可能十分庞大,尤其是非常精细复杂的模型。为了达成交互式显像速率,目前多层次精细度模型为一普遍使用的方法[6,11,21,24,27]。所谓多层次精细度,即是在环境中每一个物体皆具有数个不同层次精细度的多边形表示数据,而于视觉仿真中显像时,显像软件再根据使用者和物体之距离及其视角等决定物体该使用何种精细度之数据做显像。其用意在于: 因为物体模型是以多边形的方式呈现,因此只要减少在复杂的虚拟环境中的多边形面总数,便可加速显像速率,达成交互式显像速率。对于那些离观视点较远的物体,因其投影在视平面上可能只含少数像素,故以较低精细度的模型显像产生的影像和采用完整精细度的模型显像产生的影像相差细微,视觉上不易感受两影像间的差异,但在速度却有相当大的提升。我们可以针对那些离观视点较远、较偏离视线的或较不重要的物体,采用较为粗糙、简单的模型来代替,使得整个场景的多边形数较以所有物体都采用完整精细度模型少了许多,因此可大量减少硬件所需处理的多边形个数而大大地改善显像整个场景的速率。目前的VR软件都必须在仿真前产生数套不同精细度的简化模型提供给系统使用。此种做法我们称之为静态多层次精细度模型。因为两显像画面间多层次精细度模型的选取与切换很难达到理想,所以另一发展的趋势是在模拟中,在时间控制的条件下,我们动态地、依据视点视角地调整场景模型的精细度,实时产生显像所需的几何模型,称之为动态多层次精细度模型 [18]。

    影像快取显像技术 由于多层次精细度模型的技术对于同一物体必须产生多组不同精细度的模型,因此它须作前置处理并且耗费大量储存空间。且由于物体的几何复杂度被牺牲了,而造成显像时的失真;而影像快取显像技术不但没有上述的缺点,还可以结合多层次精细度模型技术的好处。所谓的影像快取显像技术,是指将物体以几何方式产生的影像或以其它方式所获得的真实影像数据以阶层式的架构保存起来,留待后面几个画面以此影像代替几何数据在进行显像时使用。它的基本作法为首先利用二元分割树(BSP tree)作空间分割,显像时,在二元分割树中的任一个节点上的物体都可显像在节点本身的影像快取(image cache)上,再利用二元分割树具备的深度排序功能来进行显像。而视点移动之后,上一个画面所产生的快取影像(cached image)依照某一准则来评估,若此快取影像还有效,则使用之以代替该节点上的几何数据显像;否则就产生一新的快取影像。此外,这种影像快取显像技术也容易配合多层次精细度模型的技术,如在同一结点储存多个层次精细度之模型,与利用画面间的相依性(frame coherence)的特性,在近观视点的节点内用多层次精细度模型的几何数据显示,以达到加速的目的 [22]。然而此种方法最大的限制在于它只在于静态环境中且对比较深远的场景才能真正发挥其效果。目前关于这方面之研究的方向与趋势仍在于如何成功地把显像技术应用在动态环境中。

    在实用的虚拟现实系统中,势必要加入能处理动态环境的技术。对于常见的以局部照明算法为基础的系统无法直接处理阴影计算,使得显像出的画面在整体空间感的表现上就比较差。于是出现了一些在局部照明的架构下产生阴影的算法。在这些算法中,常引用到阴影体积(shadow volume)的概念。所谓的阴影体积其实就是物体在挡住光源后会形成一光源无法直接照射的空间。若有其它物体接触此空间,则该物体就会有阴影产生。基本上,这些算法都十分耗时,且和场景复杂度及光源数都很有关系。这种情况对动态的虚拟现实应用并不适合。所以目前一般虚拟现实应用软件并没有真实的阴影处理,而只有提供简单的、粗糙的阴影以加强视觉效果,如只对某平面作投影。目前有个趋势就是把阴影产生的处理用硬件来做,如透过OpenGL的模版缓存器(stencil buffer)可协助阴影的产生。因此如何把阴影产生法成功地应用在动态环境中是当前一个主要的课题。对整体照明算法而言,把热辐射法应用在动态环境中的作法,近年来一直有相关的研究提出,却都无法满足虚拟现实实时互动的需求。目前动态热辐射法的技术有两大类,其中一类的方法是延伸渐进收敛式(progressive refinement)热辐射法[10,13]来满足动态环境的需求,其主要的观念在于能量的重新分配,即根据物体移动前后的形式因子(form factor)的变化量来重新分配已散发出去的能量,而有所谓的正能量和负能量被分配到环境中;另一类的方法是延伸阶层式热辐射法(hierarchical radiosity)将之应用在动态环境中 [1,23]。阶层式热辐射法将环境中的多边形作阶层式的切割,并在有效的误差控制下,在适当的阶层之间建立能量的连结,代表环境中能量的转换与传递。而动态阶层式热辐射法利用有效的算法把受环境变化影响的连结迅速的确认出来,并作适当的更新以反映环境中能量的变化。对现阶段而言,这两类热辐射法的技术仍尚待突破,才能成功地应用在实际的虚拟现实系统中。

    6、临界时间计算

    在一般的虚拟现实的应用里,维持一个稳定且快速的显像速率(frame rate)是绝对必需的;否则不仅会使得整体运作的效能降低,还会造成使用者身体上的不适,导致许多和虚拟环境之间互动的困难。为了达成具有稳定且快速的显像速率,必须作一有效的时间控制,使得虚拟现实系统中的各项运算资源都能合理分配给各项的系统单元,以期系统中的各类运作或运算都能在各自的临界时间(critical time)内完成,这就是所谓的临界时间计算(time-critical computing)[12,16]。

    临界时间计算的主要概念为,在使用者给定整体系统运作效能或一个固定的显像速率之下,找出在各项质量因素中的一个平衡点(系统运作的时间也为各项质量因素之一);因此,为了达到一个迅速的运作的时间,其它的质量因素,如显像质量与运算结果的准确性,必须在有效的控制下适度地牺牲。

    在一个事先给定的时间内,具有临界时间计算的系统必须在此一时间内完成系统中各项的运算。如果给予的时间并不足以完成所需的各项运算的话,临界时间计算的机制则必须能降低各项的运算质量以达成在给予的时间内完成所有运算的要求。因此,一个具有临界时间计算的系统必须要具备运算时间预测、降低各项的运算质量和排程各项运算等三大特性。

    一般而言,要得到完全准确的运算时间预测是不可能的,原因是我们并无法得知系统中的一个程序或程序何时终结。此外,进行运算时间预测所花费的时间必须比真正花在运算的时间要来的短,如此才有剩余的时间来进行运算;而为了使进行运算时间预测所花时间尽可能地低,利用经验法则及只考虑几个重要的变量来预测运算时间是常见可行的作法。

    当预测所得的运算时间大于使用者所给定的运算时间时,临界时间计算的机制必须有能力对系统中的各项运算作减化,以达到在临界时间内完成所需运算的要求,因而一些运算的质量须牺牲;要达到此目标,必须找出系统中的质量要素及改变的方式。一般改变的方式分为两类,即连续与离散方式,如系统的更新频率为连续方式而多边形的分辨率之改变为离散方式;另外各项简化运算所花费的代价也须评估,而代价较低的质量要素则首先考虑被牺牲。

    在给定的时间内,各项的运算必须要透过排程控制器来作协调。为了适当分配时间给各项运算,排程控制器须利用上述预测所得的结果来进行排程。如果运算单元无法在排程控制器所给定的时间内完成运算的话,则牺牲运算的质量来减化运算。因此,排程控制器要有能力决定各项运算的重要性与优先级,及运算质量的牺牲程度。
   
    一个实用的虚拟现实系统必须要有临界时间计算的能力才能达到实时、互动的需求;然而对于临界时间计算的研究现阶段仍在起步当中,目前的虚拟现实系统皆尚未有临界时间计算的机制。

    7、动态机制处理

    在虚拟现实的相关技术中,我们首先考虑的是如何建构物体的实体模型及如何真实地把它们显示在屏幕上。一旦要将这些技术应用到真实世界的模拟时,还须考虑一些自然法则的模拟。其中最重要的就是物体碰撞的仿真,这包含碰撞侦测(collision detection)与碰撞反应(collision response)[19]。

    早期碰撞侦测的应用是在机器人的运动上,用以确保机器人行走的轨迹不会和空间中其它固定物体发生碰撞,一般称为路径规划 [8]。而近年来,碰撞侦测技术也成为虚拟现实等仿真真实系统的核心技术。常见应用如飞行模拟,用来计算飞机的飞行轨迹是否会和其它障碍物相撞;如驾驶训练中用来判断使用者在环境中行进的路径是否可接受;另外在巡访系统中可防止使用者穿越墙壁。

    碰撞侦测的技术可分为两种,一是解决碰撞侦测的问题时只考虑每个侦测的瞬间物体是否重迭以判断两者是否发生碰撞。这类的方法只计算「侦测瞬间」物体是否发生碰撞,所以在时间轴上只考虑一个一个时间取样点而非连续的时间线,因此我们称这类的方法称为「离散时间之碰撞侦测」(discrete-time collision detection)。很明显的,离散时间之碰撞侦测只在离散的时间点上去侦测物体在静态时的重迭情形,两侦测瞬间内产生的碰撞无法侦测到。所以除了离散时间之碰撞侦测外,还须考虑在两个侦测瞬间内(或者说两个frame间)物体移动的轨迹是否发生碰撞,以避免上述碰撞会遗漏的情形。而另一类的方法在时间轴上不只考虑一个个时间取样点而是连续的时间都纳入考虑,称为「连续时间之碰撞侦测」(continuous-time collision detection)。

    第一类的方法重点在于静态物体的重迭测试。当两个物体占据同一个空间,则这两个物体重迭,碰撞已发生。对物体存在的环境作空间分割来判断是一个直观的加速办法,如均匀空间分割法(uniform space subdivision)[26]︰将空间分成一个个大小固定的子空间(cell),一旦有两个物体同时占据一个子空间,则它们很有可能重迭,再做进一步的计算。另外也有八元树(octree)[20] 的分割的方式,将空间作阶层式的分割形成一棵八元树;当在分割的过程中,假如有一子空间中的物体数小于某个值,则不再分割下去,而作进一步的重迭测试;反之继续分割。还有其它阶层式的分割的方式,如k-d tree及以BSP为基础的分割方式等等;此外,物体也利用具有阶层式架构表示物体几何数据,并以球或六面体当作各子物体的包围体(bounding volume)[14,20,30],如此当发现物体位于同一个子空间中要计算两者是否重迭时,可以利用其包围体快速地把没有重迭的物体对去除。若物体对之包围体重迭,则继续检查其子物体对。

    在第二类的方法中,有人将物体的轨迹参数化,并以数值求根法(root-finding)求碰撞点 [7,19],但很费时。目前已提出利用碰撞预测的方式来加速连续时间碰撞侦测 [4]。一物体对之碰撞预测时间为其球形包围体(bounding sphere)间之碰撞时间。碰撞预测的时间经排序后大致仿真真实碰撞的顺序。所以从此排序最先的物体对作碰撞侦测,若真正碰撞时间在第二对预测时间之前,则我们已经找到最先碰撞的物体对;否则,我们只需计算第二对的真正碰撞时间,并与第一对碰撞时间相比。若碰撞预测足够准确,我们只需计算前面几对即可求得最先碰撞的时间。而一对物体之真正碰撞时间计算中,我们可以将物体各自分解成子物体,再计算子物体对之碰撞时间并求取最小者,此法可以递归方式做下去。另外,我们亦可对子物体对做碰撞预测,且将预测时间纳入全景物体对碰撞预测时间之排序,即我们将子物体视为一般物体。这两种做法,每一物体需有一阶层式树状架构包围体(bounding volume tree)以方便做分解。

    8、影像式虚拟现实

    在一般的虚拟漫游环境中,多是用前所述的3D绘图方式实行。然而,如果漫游的范围广大,环境景观复杂,为了求得逼真的效果,需要建构内含多达数十万甚至数百万个多边形的模型。在每秒至少需24次更新频率的要求下,也只有超级计算机可能办到,这对于虚拟现实的普及化来说实在不是个好消息。这种情形下,遂有另一种解决方式,就是影像式虚拟现实

    影像式虚拟现实的观念很简单。假设我们在一个蒙古包内,而蒙古包内壁贴满了蒙古包四周的风景照片,如果照片贴得天衣无缝,看上去就和没有这个蒙古包是一样的。为了要将照片贴得天衣无缝,拍摄取景时要留意特别留下重复部份,以便将图接合。当然,接图时也要用一些算法将图形作些变形,才能接得顺畅。此外,台大资讯工程系的影像式虚拟现实(Photo VR)为例,利用锯齿线平滑技术(anti-aliasing),使静态画面质量更好。除了环状接合,球状接合能使天空及脚底都清楚呈现出来。

    至于图片的接合,我们假设来源照片都是标准的透视投影,相机焦距不变,且每张照片中心都在同样的水平高度上。利用影像比对(image matching)可以算出两张照片的重复部份,将之消去,并将影像柔化(smoothing)以消除两张像片间的亮度差异。当然,原始影像质量仍然要尽量好,以增进接图后的质量。

    目前,这方面的产品有Apple的QuickTime VR, RealSpace的RealVR及工研院电通所的PanoVR。此种做法已成功的用到静态环境,如美术馆/博物馆的浏览系统。而此做法若要成功的用到其它VR应用,必须能有效的处理使用者与场景或场景内物体间的互动,且必须去除使用者参观路径之限制,这些应用皆需利用深度数据计算遮蔽性消除。这是目前尚待努力突破的。

    9、网络虚拟现实

    以前虚拟现实主要是以单机为主,随着Internet的发展,现在最热门的虚拟现实应用也向网络化迈进,目前之应用以网络漫游及网络会议为主。在网络会议方面,现在可以透过网络,将与会者的脸的影像传输以让其它人能透过HMD看到,并可任选虚拟场景,甚至可以将参与者的动作也显现出来。此外,MPEG-4也以视讯会议为导向,计划用模型的方式,大幅减少频宽需求,这方面的研究还在持续中。网络漫游,较大的问题在于使用的人数,要能让这些人所见能同步,人数越多需要的计算就越多。而前面所说的影像式VR也常用在网络 VR的应用中。

    另一方面,以战争仿真及网络游戏为主的应用都少不了DIS(Distributed Interactive Simulation)的通讯协议。美国军方首次试验在一千多个不同地点的计算机进行海陆空联合模拟演习,就是以Naval Post Graduate School所开发的Post Net为主,这也是一种DIS。网络虚拟现实虚拟现实的一片处女地,尚待更多的开发与投入。

    最后,我们介绍网络虚拟现实中常用的描述语言VRML(Virtual Reality Modeling Language)。VRML是类似HTML (Hyper Text Makeup Language)的语言格式,所不同处在于VRML描述的乃是一个对象关连的幻想空间;经由简单的语法与参数,使用者可以简便地以许多几何物体来建立一个虚构的3D场景,并且自由地在场景中漫游观视,甚至探险游历。

    比方说,使用者可以安排许多立方体的墙壁,建筑出一座迷宫,然后其它人便能依照开始设定的路线在迷宫中四处游走,彷佛真的身历其境一般。

    目前VRML的格式有 1.0和 2.0的版本,前者只提供一个静态的场景空间,而后者则增添了诸如声音、动画、与使用者互动等动态支持,让一般人在因特网上也能充分享受到多媒体的丰富变化。以下便是一个简单的VRML 2.0范例. 在使用者眼前 4单位处放置一半径为 3的蓝色立方球体

    #VRML V2.0

    Transform

    {

    translation 0 0 -4

    children

    [

    Shape

    {

    appearance Appearance

    {

    material Material { diffuseColor 0 0 1 }

    geometry Sphere { radius 3 }

    }
   
    }

    ]

    }

    如同 WWW上的HTML档案一般,我们也需要对等的浏览器方能正确的将预先建好的虚拟场景显示在我们的屏幕上。通常大家所用的 WWW浏览器(如Netscape)应当都已能接受VRML 1.0的格式;至于VRML 2.0的的话,虽然尚未完全普及,但国内外目前都已有不少学校公司有这方面的研究及可供大家下传的浏览程序了,有些是独立的网络程序,有些则以Java Applet或 plug-in的形式完成。

    以下是一些相关的网站,使用者可以从中得到VRML的浏览器或是一些已建好的虚拟场景及信息:

    http://webspace.sgi.com/cosmoplayer

    http://www.dimensionx.com

    http://www.construct.net/projects/chimerium.welcome.html

    http://www.virtualvegas.com

    http://cedar.cic.net/~rtilmann/mm/index.html

    http://www.sonypic.com.vs/

    四、VR应用软件开发工具

    在本节中我们将介绍目前市面上较为普遍的三种VR商业制作软件,Division的dVS、Superscape与Sense 8的WTK(WorldToolkit)。至于底层的技术有支持OpenGL或DirectX。在计算处理上,dVS与WTK提供分布式处理,加速计算;在对象的表示方面,dVS与WTK提供多层次精细度模型(LOD)之功能。底下我们将针对这三种商业软件做简单的介绍。

    dVS提供了分布式处理的架构达成实时的3D互动效果。在高互动性的VR环境中,大量的数值计算对速度上的影响非常大,必须加以特别处理。所以dVS利用分散处理的方式将可独立处理的工作(例如:绘图与音效处理),分散于各处理器内并行计算。因此,任何属性,如声音、物体的位置、颜色等,在dVS中都称为基本元素(element)。而在VR的环境中,一个对象可由数个基本元素组合而成,称为高阶对象(high-level object)。在一个较复杂的场景中,任何对象皆可继承于其它对象,使其有阶层式的架构。假设,在这些对象之中有相互独立的基本元素,则在多任务处理器的工作平台下,就可平行处理。这些独立的基本元素之相关运算称为对象的实行者(actors)。在分布式系统下,甚至可经由局域网络,将实行者分配到各独立计算机中计算,因此dVS提供一非常高效率的VR环境。dVS发展环境主要分为两大部分:(1) dVS执行系统(run-time)(2) dVS发展工具(VCToolkit)。dVS执行系统包含了数个伺服单元(server unit),目的在于可将使用者的程序平行化执行,而每一个伺服单元都是经过多次实验后最佳化的。dVS发展工具为一套C语言函式库,包含物体描述、环境的建立、音效的产生以及使用者操作接口。在物体描述方面,dVS采用多层次精细度模型(LOD) 描述对象,其方式可事先定义于输入文件中,或在程序中使用其动态几何应用程序接口(API)加以定义。在物体与物体/环境关系上提供碰撞侦测的能力,方式采用方形包围体(bounding box)或球形包围体(bounding sphere)作整体测试,之后再以物体阶层式架构中的子物体作个别测试。此外dVS可配合另一套发展工具dVISE。 dVISE为架构在dVS执行系统上的接口系统,其主要目的在于帮助使用者快速的建立复杂的虚拟世界,并加以模拟。其也包含了一套C语言函式库,可用于制作交互式VR环境、仿真系统、及使用者所自订的行为(action)。因此,VR的设计者可从标准的dVISE中加入自己的设定,快速的完成VR应用程序。

    Superscape VRT提供相当完整的开发环境,包括视觉式的整合编辑环境和一辅助性的行为控制语言SCL(Superscape Control Language)。在视觉式的整合编辑环境方面,VRT提供了场景编辑器(World Editor)、对象编辑器(Shape Editor)、影像编辑器(Image Editor)、声音编辑器(Sound Editor)和架构编辑器(Layer Editor)。场景编辑器和对象编辑器提供了编辑整个3D环境和物体行为的功能。影像编辑器用来编辑材质(texture)。声音编辑器用来编辑所需要的声音效果。在设计好需要的虚拟世界后,可利用架构编辑器来设计专属的使用者接口,使其成为完整独立的虚拟现实应用系统。由于场景编辑器在行为控制部分所提供的功能并无法完全处理所有情况,所以提供SCL这种可程序化的工具来弥补其无法完成的效果。SCL在语法上类似C程序语言,它可以控制物体、光源、视点在几何上的行为如大小、颜色及动画等和事件的流程,而这部分需要有程序设计基础的人才比较适合使用这个工具。这种需要程序设计者来完成虚拟现实应用系统算是目前大部分虚拟现实开发工具的共同缺点。然而虚拟环境的行为运作要用视觉编辑或是用描述语言来做﹐也很难考虑周详。在碰撞侦测方面,一般采用整个物体的方形包围体做测试,若使用者想要做更精准的碰撞侦测,则必须对物体中的子物体找出方形包围体做测试。

    在WTK中称虚拟世界为全景(universe), 在全景中的每一个物件称为一个节点(node),一个全景可由数个节点组合而成,而一个复杂的场景可由数个全景组合而成;但WTK限制一次只能显示一个全景。WTK运作的方式采用以事件导向的排程,其使用一个循环不断的去检查循环内的事件是否需要更新。为了要达到实时的效果,这个循环必须处理的很快。在场景的绘制方面,WTK支持VRML及Open Inventor的档案格式,作为场景的建立。在场景中每一个对象皆用多边形表示,以阶层式的架构将其群组化,并且提供多层次精细度模型(LOD)绘制物体。方式为依照使用者事先定义好的一序列节点,以全景中的视点与物体的距离作为选择标准。在物体与物体/环境关系上提供碰撞侦测的能力,方式采用方形包围体作测试。在光源与材质方面,WTK采用与OpenGL完全相同的参数设定方式,如此对跨平台的发展将非常容易。此外,WTK除了一些基本的功能之外(如贴图、立体音效),还提供一些其它功能,例如3D立体文字与网络连结等。WTK在网络上的可跨越不同的工作平台(如PC与UNIX)做异步的沟通,因此可以分布式方法处理同一个全景。

    Sense 8的WTK在前一年由经济部的「3D/VR技术引进案」(台北市计算机公会主导),已进行技术引进,含原始程序代码,所以数据可能较齐全。Superscape及dVS在国内皆有服务周到、经验丰富的厂商代理,所以也不必担心系统的开发问题。使用者在挑选产品时,宜就下列观点进行考虑:

    ·支持的绘图加速卡种类。(是否有挑卡的情形?)

    ·是否在底层可支持OpenGL或者微软(Microsoft)的DirectX?

    ·是否支持UNIX 与X window工作站或Windows{95,NT}的PC?

    ·是否支持立体眼镜?支持头戴显示器(HMD)?(可直接用SVGA或者需另接RGB对NTSC转换器)

    ·是否支持空间定位器(Tracker)?

    ·是否支持其它的RS-232接口或 USB(universal serial bus)?

    ·是否已经有类似的应用在展示系统软件之中?是否可以只修正别人的软件来符合自己的应用?(此项是为了节省开发时程)

    下面为三种软件的比较表

 

dVS

Superscape

WTK

工作平台

PC, SGI, Sun, DEC

PC

PC, SGI, Sun, HP, DEC, PPC

网络功能

Ethernet,分布式处理

Ethernet

Ethernet,分布式处理

发展语言

C/C++

自定

C/C++

 

鼠标

2D, 3D logitech

2D, 3D logitech

2D, 3D logitech

输入

操纵杆

6D joystick, Gravis

6D joystick

6D joystick, Gravis

 

轨迹球

Spaceball, Geometry-ball

 

Spaceball

Spaceball, Geometry-ball

工具

空间定位器

Fasttrack, Ultrasonic

Fasttrack

Fasttrack, Ultrasonic

数位套

DataGlove, CyberGlove

DataGlove

输出设备

头戴显示器

i-glasses, CrystalEye

i-glasses, CrystalEye

i-glasses, CrystalEye, Monoscopic

3D音效

绘图

Flat shading

Gouraud shading

方式

贴图

多层次精细度模型

 

    五、结语

    虚拟现实提供了一个适合人类与计算机沟通且具有多重感知能力的接口,透过这个接口,强化了人类利用计算机解决问题的能力。由于它具有相当多潜在的应用领域,随着虚拟现实的技术不断地进步与成熟,它对人类的影响与冲击也愈来愈大。本文主要以技术层面着眼,对虚拟现实主要核心技术目前的发展现况与未来发展的趋势作介绍与剖析。由目前各项相关技术发展现况与计算机软硬件之迅速进展来看,虚拟现实技术的成熟与设备的普及将是可预期的。

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标签:核心技术趋势
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