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    面向視景仿真的虛擬校園實時交互和漫游系統

    作者:張青來源:原創日期:2014-05-28人氣:1152

    1、雙目立體視覺成像原理
    人的信息感知約有80%是通過視覺獲取的,虛擬環境的好壞主要取決于其視景生成系統的好壞。人之所以
    對所見物體產生立體感,主要是由雙目視差造成的,人的大腦通過這一視差差別對被觀察對象產生立體感覺,虛擬現實環境就是基于這一原理,對用戶的雙眼分別產生兩幅具有細微差異的圖像,而兩只眼睛的視線有很大一部分是重疊的,利用這種重疊而形成的深度知覺即為雙目立體視覺。
    2、虛擬校園動態對象的雙目立體視覺實現
    虛擬校園動態對象(如汽車整車模型)的建立是基于CAD建立整車的三維幾何模型,通過IGES的數據接口轉化為WTK可接受的數據格式,再添加紋理、定義光源和材質文件來實現對汽車模型的表面建模;根據雙目立體視覺成像原理,在WTK軟件平臺上實現兩幅圖像的合成,并以一定的頻率相互轉換,利用人的視覺的遲滯效應,通過虛擬現實硬件(如紅外發射器、立體眼鏡等)在人的大腦中合成立體視覺圖像。
    3、虛擬校園和圖書館場景的交互和漫游
    3.1視點的設置
    在虛擬校園動態對象虛擬場景的交互和漫游中,首先必須設置視點。視點的設置有兩種,即設置在動態對象的內部或者外部,分別獲得不同的視覺效果。當視點設置在動態對象的內部時,則可以觀察到動態對象的內部情況,實現對象的內部交互;視點設置在動態對象的外部時,則可以觀察到動態對象的外部情況,實現對象的外部漫游。本研究視點是通過三維鼠標等傳感器來實現,傳感器的方位被自動記錄并進行實時平移和旋轉計算,通過WTK有關函數來設定視點的方位,再實現視點和虛擬場景中的實體的運動連接,從而產生沉浸感。
    3.2虛擬場景的交互和漫游
    桌面式虛擬現實系統中,虛擬場景的交互是采用鍵盤和鼠標來實現的,由于鼠標操作靈活,通過鼠標的
    移動來改變觀察的視點,控制動態對象的運動方向,或實現虛擬場景的放大和縮小;通過立體眼睛或頭盔來感受動靜態模型在不同方位上運動圖像。
    3.3實時碰撞檢測
    當動態對象在虛擬環境中運動時,應對動態對象與其它物體間進行實時的碰撞檢測和響應,從而增強交互的真實感。動態對象的實時碰撞檢測,主要是針對運動物體(如汽車)與虛擬環境中的靜態物體(如校園公路旁邊的柵欄等)的碰撞進行實時檢測,并做出響應。本研究是通過采用粗略碰撞檢測算法來實現的。粗略碰撞檢測算法是基于整個包圍盒或包圍球的碰撞檢測,只能大體檢測物體之間的碰撞,可以降低碰撞檢測的復雜性,使虛擬環境交互實時性增強[5,6]。
    4、面向視景仿真的桌面VR系統開發
    4.1系統層次結構
    考慮到經濟性,確定開發的重點是虛擬校園和圖書館場景的生成和漫游,使用戶能夠“沉浸”于一個由計算機生成的虛擬校園環境中,并實現基本的交互功能和簡單的構想。基于WTK開發平臺,開發了面向視景仿真的桌面式虛擬校園實時交互和漫游系統,該系統由三層組成,即:三維模型構造層、虛擬現實層和交互驅動層,其基本層次結構如圖3所示。
    4.2系統基本配置
    面向視景仿真的桌面式虛擬校園實時交互和漫游系統硬件系統基本配置:
    (1)微機:Pentium4,主頻2.4G,80G/7200硬盤,17英寸顯示器;
    (2)圖形加速器:Quadro4900XGL,虛擬現實系統專用;
    (3)立體圖像觀察設備:紅外中央同步信號控制發射器、有線立體眼鏡、無線立體眼鏡;
    (4)頭盔:CyberCE500s,最大象素800×600;
    (5)跟蹤器:含信號發生器和接收器;
    (6)空間球:Spaceball4000FLX,6自由度虛擬空間和3D模型交互。
    圖4所示為所開發的面向視景仿真的桌面式虛擬校園實時交互和漫游系統硬件調試。
    系統軟件基本配置:
    (1)操作系統:WindowsXP;
    (2)虛擬環境開發平臺:WTK9.0;
    (3)開發軟件:VC++6.0;
    (4)建模軟件:3DMAX;
    (5)分析計算平臺:ADAMS12.0、ANSYS6.5、MATLAB7.2。
    5、結語
    本文研究了雙目立體視覺成像原理,為了增強虛擬環境的沉浸感,通過C語言調用WTK的函數實現虛擬校園動態對象的雙目立體視覺顯示;探討了視點的設置、虛擬場景的交互和漫游、實時碰撞檢測處理等虛擬場景交互和漫游問題,為了給觀察者以漫游虛擬世界的感覺,開發了面向視景仿真的桌面虛擬現實系統,用鍵盤和鼠標等初步實現了虛擬校園和圖書館等場景的交互和漫游。

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