面向视景仿真的虚拟校园实时交互和漫游系统_什么软件可以实时看景
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，分别获得不同的视觉效果。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：
(1)操作系统：Windows XP；
(2)虚拟环境开发平台：WTK 9.0；
(3)开发软件：VC++6.0；
(4)建模软件：3D MAX；
(5)分析计算平台：ADAMS12.0、ANSYS6.5、MATLAB7.2。
5、结语
本文研究了双目立体视觉成像原理，为了增强虚拟环境的沉浸感，通过C语言调用WTK的函数实现虚拟校园动态对象的双目立体视觉显示；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，为了给观察者以漫游虚拟世界的感觉，开发了面向视景仿真的桌面虚拟现实系统，用键盘和鼠标等初步实现了虚拟校园和图书馆等场景的交互和漫游。
参考文献
[1]荆其诚,焦书兰,纪桂平.人类的视觉.科学出版社,1987.
[2]Leonard McMillan, Gary Bishop Head-tracked stereoscopic display using image warping, University of North Carolina, Department of Computer Science Sitterson Hall, Chapel HiII, NC 27599.
[3]Eli Peli, T. Reed Hedges, Jinshan Tang, Dan Landmann A Binocular Stereoscopic Display System with Coupled Convergence and Accommodation Demands. The Scbepens Eye Research Institute Harvard Medical School, Boston, MA, USA.
[4]Carolina Cruz-Neirat Daniel J. Sandin Thomas A. DeFanti Surround-Screen rojection-Based Virtual Reality: The Design and Implementation of the CAVE Electronic Visualization Laboratory (EVL), The University of Illinois at Chicago.
[5]罗亚波,陈定方.基于微机的虚拟环境体系结构研究.武汉:武汉交通科技大学学报，2000(5):497-500.
[6]A.Wilson and E.Larsen and D.Manocha and M.C.Lin, Partitioning and Handling Massive Models for Interactive Collision Detection. Eurographics’99, 1999(18):320-329.
作者简介
张青，女，汉族，浙江农林大学图书馆助理馆员，主要从事图书情报管理、虚拟校园和虚拟图书馆等研究。
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