虚拟现实技术课件第三章114

Slide Title,Body Text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,虚拟现实技术,主讲：杨文晖,第三章,虚,虚拟,现,现实的,计,计算机,技,技术,课前,索,索引,第一,节,节虚,拟,拟现实,的,的计算,机,机体系,结,结构,第二,节,节虚,拟,拟现实,的,的软件,系,系统,第三,节,节虚,拟,拟现实,的,的网络,和,和通讯,章节,小,小结,课后,习,习题,课前思,考,考,1哪些,计,计算机,用,用于VR?,2常用,工,工具软,件,件的特,点,点。,3分布,式,式仿真,中,中的网,络,络和通,讯,讯的特,点,点。,学习目,标,标,1了解,不,不同类,型,型VR用计算,机,机的组,成,成及特,点,点。,2了解,工,工具软,件,件的要,求,求和功,能,能，了,解,解分布,式,式仿真,。,。,3了解,网,网络和,通,通讯的,硬,硬件，,软,软件和,分,分布式,仿,仿真。,学习指,南,南,1注意VR用计算,机,机提高,速,速度的,措,措施。,2注意,工,工具软,件,件的功,能,能及对,比,比。,3注意,分,分布式,仿,仿真中,的,的网络,和,和通讯,的,的主要,问,问题。,难重点,1注意,帧,帧频和,延,延迟的,要,要求。,2注意,不,不同类,型,型VR用计算,机,机的组,成,成结构,。,。,3注意VR用计算,机,机的并,行,行处理,技,技术构,。,。,4注意,工,工具软,件,件的要,求,求。,5注意,工,工具软,件,件的功,能,能。,6注意,常,常用工,具,具软件,的,的对比,。,。,7注意,各,各类网,络,络结构,的,的对比,。,。,8注意,软,软件质,量,量的要,求,求和保,证,证措施,。,。,9注意,分,分布式,仿,仿真的,特,特点。,1虚拟现,实,实的计,算,算机体,系,系结构,虚拟现,实,实的计,算,算机体,系,系结构,虚拟现,实,实对计算机,系,系统的,要,要求,基于PC的虚拟,现,现实机,器,器的组,成,成结构,基于工作站的虚拟,现,现实机,器,器组成,结,结构,高度并行的虚拟,现,现实机,器,器组成,结,结构,虚拟现,实,实对计,算,算机系,统,统的要,求,求,问题一,：,：,前面我,们,们讲解,了,了很多,虚,虚拟现,实,实技术,的,的指标,，,，例如,：,：位姿,、,、视觉,、,、听觉,、,、力觉,触,触觉显,示,示等，,是,是否都,是,是在现,有,有手段,范,范围内,，,，对计,算,算机系,统,统实施,必,必要要,的,的要求,呢,呢？,只包括,了,了视觉,显,显示对计算,机,机系统,的,的要求,。,。原因,是,是：,位姿传,感,感器的,数,数据处,理,理，一,般,般不在,主,主计算,机,机上进,行,行，而,是,是由专,用,用的电,子,子设备,完,完成。,听觉显,示,示，力,觉,觉触觉,显,显示，,研,研究工,作,作和实,际,际应用,还,还较少,，,，对其,计,计算要,求,求的认,识,识还较,少,少。听,觉,觉显示,和,和力觉,触,触觉显,示,示的计,算,算，往,往,往由专,用,用计算,机,机完成,。,。,所以，,当,当前的,虚,虚拟现,实,实计算,机,机，主,要,要完成,视,视觉显,示,示的计,算,算任务,。,。,问题二,：,：,视觉显,示,示对计,算,算机系,统,统的要,求,求有哪,些,些？,1帧频,和,和延迟,时,时间的,要,要求,2计算,能,能力和,场,场景复,杂,杂性,视觉显,示,示对计,算,算机系,统,统的要,求,求-帧频和,延,延迟时,间,间,VR要求高帧频和快速响,应,应，这是,由,由于其,内,内在的交互性质决,定,定的。,两个概,念,念：,帧频,来自动,态,态图像,技,技术。,在,在动图,像,像显示,中,中，每,一,一帧实,际,际上是,静,静止照,片,片。如,果,果新照,片,片快速,接,接替旧,照,照片，,就,就产生,连,连续运,动,动的幻,觉,觉,修改率,是在屏,幕,幕上的,显,显示改,变,变的速,率,率。为,符,符合基,本,本的动,图,图像技,术,术，理,想,想的修,改,改率是,每,每秒20帧（新,图,图像）,。,。,对计算,机,机硬件,，,，帧频,有,有几个,含,含义。,它们大,致,致分类,为,为,图形的帧频,计算的帧频,数据存,取,取的帧频,哪种帧,频,频是最,重,重要的,？,？,为了维,持,持在VR中的临,场,场和沉,浸,浸感，图形帧,频,频是关键,。,。原因,：,：,这些帧,频,频可能,是,是独立的，图,像,像场景,可,可能变,化,化，而,没,没有来,自,自用户,视,视点运,动,动的计,算,算和数,据,据存取,。,。这时,，,，图形的,帧,帧频大,于,于计算,的,的帧频,和,和数据,存,存取的,帧,帧频。经验,表,表明，,图,图形帧,频,频率应,尽,尽可能,高,高，低,于,于每秒10帧的帧,频,频严重,降,降低临,场,场的幻,觉,觉。,如果图,形,形显示,依,依靠计,算,算和数,据,据存取,，,，则计,算,算和数,据,据存取,帧,帧频必,须,须为8到10帧/秒，维,持,持用户,看,看到时,间,间演化,的,的幻觉,。,。,什么情,况,况下，,希,希望VR具备快,速,速响应,？,？,如果应,用,用允许,交,交互控,制,制，就,要,要求快,速,速响应,。,。,长响应,时,时间（,滞,滞后时,间,间，延,迟,迟时间,）,）最直,接,接的影,响,响是什,么,么？,严重降,低,低用户,性,性能。,响应时,间,间的通,常,常恒量,值,值是多,少,少？,多于几毫秒的延迟,会,会影响,用,用户性,能,能，而,多,多于0.1秒的延迟,有,有严重,影,影响。,例举一,个,个响应,时,时间影,响,响用户,性,性能的,例,例子,延迟时,间,间是如,何,何计算,的,的？,从用户,的,的动作开,始,始（如用,户,户转动,头,头部）,，,，经过,位,位姿传,感,感器感知用,户,户位姿，,把位姿,信,信号传送给,计,计算机，计算,机,机计算新的显,示,示场景,把新的,场,场景传送给,视,视觉显,示,示设备，直到,视,视觉显,示,示设备显示出新的,场,场景为,止,止。,影响延,迟,迟的因,素,素,这些延,迟,迟在计,算,算机系,统,统中来,自,自很多,因,因素：,如数据,存,存取时,间,间,计算时,间,间,绘制时,间,间,输入设,备,备数据,处,处理时,间,间。,类似帧,频,频的情,况,况，延,迟,迟的来,源,源分成,：,：,数据存,取,取,计算,图形显,示,示。,问题：,系,系统有,高,高帧频,，,，延迟,就,就相对,会,会小，,正,正确与,否,否？,虽然延,迟,迟与帧,频,频有关,，,，但它,们,们不同,。,。系统,可,可能有,高,高帧频,，,，但有,较,较大的,延,延迟时,间,间，显,示,示的图,像,像和提,供,供的计,算,算结果,是,是几帧,以,以前的,。,。,帧频和,延,延迟的,最,最低要,求,求由什,么,么决定,？,？,要求的,帧,帧频和,延,延迟一,般,般取决,于,于环境特,性,性。,只有慢速运,动,动物体，,较,较静的环境,，,，可以,用,用帧频,每,每秒8至10，和0.1秒延迟,。,。,如果环,境,境中有高速运,动,动的物体,，,，则要,求,求高帧,频,频（60Hz）和短,延,延迟。,所,所有情,况,况下，,若,若帧频,低,低于每,秒,秒8帧，则,失,失去三,维,维环境,的,的生动,感,感，若,延,延迟大,于,于0.1秒，则,很,很难操,作,作环境,。,。,因此，,帧,帧频必,须,须大于8到10帧/秒,总延迟,必,必须小,于,于0.1秒。,视觉显,示,示对计,算,算机系,统,统的要,求,求-计算能,力,力和场,景,景复杂,性,性,为什么,说,说虚拟,现,现实仿,真,真的计,算,算问题,，,，是一,种,种时间,受,受限的,计,计算,这是因,为,为显示,的,的帧频,必,必须大,于,于8到10帧/秒。于,是,是，在0.1秒内，,必,必须完,成,成一次,场,场景的,计,计算。,用什么,能,能够表,示,示计算,能,能力？,如果一,个,个显示,的,的场景,中,中有10,000个三角,形,形（或,多,多边形,）,），这,个,个数量,就,就反映,了,了场景,复,复杂性,。,。这样,，,，在每,秒,秒进行,的,的10次计算,中,中，就,应,应该计,算,算100,000个三角,形,形（或,多,多边形,）,）。这,表,表示了,计,计算能,力,力。,计算能,力,力和场,景,景复杂,性,性的折,衷,衷问题,若要求,更,更加逼,真,真的仿,真,真效果,，,，就要,增,增加场,景,景复杂,性,性。显,示,示的场,景,景中有,更,更多的,三,三角形,（,（或多,边,边形）,，,，显示,的,的效果,就,就更逼,真,真。这,就,就要求,更,更强的,计,计算能,力,力，每,秒,秒计算,更,更多的,三,三角形,（,（或多,边,边形）,。,。,反之，,如,如果只,能,能使用,能,能力有,限,限的指,定,定的计,算,算机，,则,则限定,了,了计算,能,能力，,也,也就限,定,定了场,景,景复杂,性,性。每,个,个场景,，,，只能,用,用较少,的,的三角,形,形（或,多,多边形,）,），产,生,生较粗,糙,糙的显,示,示。,下图表,示,示，波,音,音747,-,-400飞机的,两,两种复,杂,杂性不,同,同的三,维,维模型,。,。（a）中的,模,模型有520个顶点,，,，406个多边,形,形。（b）中的,模,模型有7694个顶点,，,，7556个多边,形,形。效,果,果图说,明,明了明,显,显的逼真度差别。,下图表,示,示，人,体,体骨骼,的,的两种,复,复杂性,不,不同的,三,三维模,型,型。（a）中的,模,模型有8979个多边,形,形。（b）中的,模,模型有131275个多边,形,形。效,果,果图说,明,明了明,显,显的逼,真,真度差,别,别。,问题：,对于VR计算机,，,，主要,的,的技术,指,指标就,是,是其计,算,算能力,，,，用什,么,么恒量,计,计算能,力,力？,每秒计,算,算的三,角,角形（,或,或多边,形,形）的,数,数目。,讨论计,算,算能力,时,时应该,注,注意的,问,问题,是否加纹理，是否反走样，采用,哪,哪一种明暗模,型,型，都会,影,影响到,计,计算能,力,力。,加入这,些,些复杂,的,的功能,，,，就会,增,增加计,算,算复杂,性,性，从,而,而减少,每,每秒计,算,算的三,角,角形（,或,或多边,形,形）的,数,数目。,计算机,生,生成图,像,像时的,走,走样现,象,象,通常存,在,在三种,走,走样现,象,象中的,两,两种：,锯齿形,边,边,图形细,节,节或纹,理,理绘制,失,失真,第三种,现,现象出,现,现在显,示,示非常,微,微小对,象,象的场,合,合。,什么是,反,反走样,？,？,在光栅,图,图形显,示,示器上,绘,绘制非水平,且,且非垂,直,直的直,线,线或多,边,边形边,界,界时，或,多,多或少,会,会呈现,锯,锯齿状,或,或台阶,状,状外观,。,。,原因？,这是因,为,为直线,、,、多边,形,形、色,彩,彩边界等,是,是连续,的,的，而光栅则,是,是由离,散,散的点,组,组成，在光,栅,栅显示,设,设备上,表,表现直,线,线、多,边,边形等,，,，必须,在,在离散,位,位置采,样,样。,由于采,样,样不充,分,分重建,后,后造成,的,的信息,失,失真，就叫走样(aliasing,),)。而用于减,少,少或消,除,除这种,效,效果的,技,技术，就称,为,为反走样(antialiasing)。,反走样,的,的方法,：,：,基本上,反,反走样,方,方法可,分,分为两,类,类。,第一类,是,是提高分,辨,辨率即增加采,样,样点(提高采,样,样频率)。,然而，CRT光栅扫,描,描设备,显,显示非,常,常精细,光,光栅的,能,能力是,有,有限的,，,，因此,人,人们通,常,常是在,较,较高分,辨,辨率上,对,对光栅,进,进行计,算,算，然,后,后采用,某,某种平,均,均算法(滤除高,频,频分量)得到较,低,低分辨,率,率的象,素,素的属,性,性，并,显,显示在,分,分辨率,较,较低的,显,显示器,上,上 。,这,这种方,法,法称为超采样,或,或后置,滤,滤波。,另一类,反,反走样,是,是把像,素,素作为,一,一个有,限,限区域,，,，对区,域,域采样,来,来调整,像,像素的,亮,亮度，,以,以光顺,边,边界来,减,减小锯,齿,齿现象,。,。这,种,种方法,等,等价于,图,图像的前置滤,波,波。,关于明,暗,暗模型,光照模,型,型可用,于,于任何,表,表面上,任,任一可,见,见点。,通,通过计,算,算该点,处,处的表,面,面法线,方,方向及,应,应用光,照,照模型,即,即可确,定,定此点,的,的光照明,暗,暗程度。当我,们,们处理,多,多边形,集,集合或,多,多面体,时,时，如,果,果整个,表,表面都,这,这样依,次,次计算,每,每点的,光,光照明,暗,暗度，,所,所需的,耗,耗费就,太,太大了,。,。因此,，,，需要,采,采取一,些,些有效,的,的方法,对,对整个表,面,面的明,暗,暗度进行处,理,理。,对多边,形,形和多,边,边形网,格,格的基,本,本明暗,处,处理方,法,法有三,种,种：,常数明,暗,暗处理,法,法,Gourand明暗处,理,理算法,：,：,Phong明暗处,理,理算法,常数明,暗,暗处理,法,法,Gourand明暗处,理,理算法,：,：,Phong明暗处,理,理算法,三种算,法,法的具,体,体内容,？,？,对计算,机,机系统,的,的要求,图形学,和,和计算,机,机硬件的进展,对,对全真,实,实的VR是关键,因,因素。,由于广泛的,兴,兴趣和有不同性,能,能要求的,大,大量应,用,用，所,以,以需要,在,在几个层,次,次继续进,行,行硬件,开,开发，,由,由高档多,模,模式工,作,作站到低档,的,的只有,适,适当三,维,维视觉,能,能力的个人工,作,作站。,将来的,高,高档VE系统有,几,几个硬,件,件要求,。,。,具有高计算,要,要求的,计,计算机,结,结构。这些,机,机器必,须,须有,很大的,物,物理存,储,储,多个高,性,性能向,量,量处理,机,机,高带宽(500Mbytes/s),低延迟(0,.,.03s),巨型存,储,储设备,和对各,种,种输入,输,输出设,备,备的高,速,速接口,。,。,物理建,模,模和可,视,视化计,算,算将是计,算,算需求,的,的推动,力,力。,基于PC的虚拟,现,现实机,器,器的组,成,成结构,让一般,公,公众接,受,受虚拟,现,现实的,最,最佳途,径,径？,Grimsdale1992指出,，,，让一,般,般公众,接,接受虚,拟,拟现实,将,将通过“发展”，而不,是,是“革命”。,发展意,味,味着升,级,级现有,的,的计算,基,基础，,产,产生虚,拟,拟现实,要,要求的,新,新功能,。,。利用PC平台的,优,优点是,价,价格低,最初的PC平台的,虚,虚拟现,实,实机器,：,：,在1992年推出,了,了低级,的,的基于486的虚拟,现,现实机,器,器,它有头,部,部跟踪,器,器、HMD、3-D声音、,图,图形加,速,速器和,手,手柄，,价,价格少,于,于20000美元。1994年，低,级,级的基,于,于PC的系统,价,价格约3300美元（,跟,跟踪球200美元，Cyberscope200美元，,软,软件工,具,具盒900美元，486,-,-PC2000美元）,。,。,图形硬,件,件,图形硬,件,件指的,是,是什么,？,？,是那些,使,使图形,绘,绘制加,速,速的硬,件,件设备,。,。,图形硬,件,件涉及,到,到哪些,？,？,图形流,水,水线,图形卡,的,的AGP和PCI,图形加,速,速器,Add,-,-ons,图形流,水,水线,图形流,水,水线的,作,作用：,包括把,三,三维物,体,体由其,自,自身坐,标,标系变,换,换到用,于,于显示,的,的二维,屏,屏幕空,间,间所需,要,要的计,算,算器。,这个过,程,程涉及,到,到的步,骤,骤,第一步,是,是把物,体,体由其,自,自身坐,标,标系变,换,换到描,述,述整个,场,场景的,世,世界坐,标,标系。,第二步,是,是剔除,在,在场景,中,中不必,显,显示的,物,物体，,减,减少计,算,算量，,这,这是计,算,算过程,优,优化。,第三步,是,是在模,型,型中引,入,入颜色,和,和明暗,等,等性质,。,。,第四步,，,， 场,景,景再作,另,另一个,变,变换到,屏,屏幕空,间,间。最,后,后光栅,化,化为象,素,素，并,且,且显示,。,。,在这个,过,过程中,，,， 计,算,算是在,多,多个区,域,域内进,行,行。很,多,多计算,在,在CPU进行，,但,但是多,数,数矩阵,运,运算是,在,在图形,加,加速器,中,中进行,。,。,图形卡,的,的AGP和PCI,图形卡,的,的AGP和PCI是总线,。,。,数据总,线,线会影,响,响到图,形,形卡的,性,性能。,PCI是标准,的,的计算,机,机内部,总,总线。,总,总线把,计,计算机,的,的插入,卡,卡（网,络,络卡，,图,图形卡,等,等）连,接,接到CPU。,PCI总线的,传,传输速,度,度是有,限,限制的,。,。插入,的,的卡越,多,多，每,个,个卡得,到,到的传,输,输速度,越,越小，,图,图形卡,与,与CPU只能以,较,较小的,带,带宽通,讯,讯。,AGP是专用,总,总线，,它,它只能,连,连接一,个,个卡（,图,图形卡,）,）。它,的,的通过,量,量全部,用,用于图,形,形卡。,他,他还允,许,许直接,把,把纹理,传,传送到,图,图形卡,，,，不必,通,通过系,统,统存储,器,器。可,以,以想象,，,，这将,大,大大增,加,加系统,性,性能。,图形加,速,速器,图形加,速,速器是,图,图形计,算,算的另,一,一个重,要,要部分,。,。,这是图,形,形卡上,的,的处理,器,器，它,完,完成所,有,有繁重,的,的计算,。,。,这些繁,重,重计算,主,主要包,括,括：,加纹理,反走样,计算密,集,集的函,数,数,例如：NVidia推出芯,片,片，完,成,成光照,及,及其变,换,换。它,取,取代CPU的工作,，,，大大,加,加速显,示,示过程,，,，允许,实,实时的,照,照明和,明,明暗变,化,化。3Dfx制造了,图,图形卡,的,的Voodoo和Banshee芯片。,它,它也利,用,用自己,的,的T-缓冲技,术,术，把,实,实时明,暗,暗加在,其,其Voodoo芯片上,。,。,ActionMedia图形加,速,速器,有SPEA“Fire,”,”图形加,速,速器,Stride图形加,速,速器,Add,-,-ons,Add,-,-ons适用于,只,只有2D加速器,，,，但没,有,有3D加速器,的,的计算,机,机。,它提供,用,用于显,示,示3D物体的,计,计算，,极,极大地,改,改进性,能,能。,3Dfx是add,-,-ons的主要,制,制造商,。,。,它的Voodoo就是一,种,种初等,的,的add,-,-ons。,它还为,其,其图形,卡,卡开发,了,了API（称为Glide）。Glide提供了,软,软件微,层,层次，,使,使开发,者,者免于,直,直接处,理,理硬件,寄,寄存器,和,和存储,器,器。这,减,减少了,调,调试时,间,间，加,快,快了开,发,发过程,。,。它基,本,本上是OpenGLAPI的缩减,版,版本，,类,类似于OpenGL。,GlideUtility Library提供Glide的更高,层,层次的,实,实现。,关于3D显示卡,3dfx Voodoo3,-,-3500,它使用8片HY5.5ns，提供128bit带宽，,显,显存和,芯,芯片内,核,核速率,在,在183MHz，多边,形,形处理,能,能力是800万/秒，像,素,素填充,率,率是366万/秒。他,拥,拥有3dfx独有的3DAPI,:,:GLIDE，拥有,简,简洁的,代,代码和,较,较高的,效,效率，,针,针对GLIDE优化的,游,游戏效,果,果比一,般,般针对D3D优化的,游,游戏效,果,果更出,色,色，所,以,以他是,最,最好的3D游戏卡,。,。价格1500元。,耕宇TNT2 Ultra +,它使用232的SEC,-,-GC显存。,其,其核心,频,频率和,显,显存频,率,率分别,为,为175MHz和200MHz。多边,形,形处理,能,能力是800万/秒，像,素,素填充,率,率是350万/秒。快,是,是它的,最,最大特,点,点。价,格,格1650元。,帝盟Stealth IIIS540,它使用MT的8ns显存。,其,其核心,频,频率和,显,显存频,率,率分别,为,为125MHz和143MHz。它使,用,用416的32MB显存，,所,所以其,显,显示带,宽,宽只有64bit。它的S3TC纹理压,缩,缩技术,效,效果出,众,众。它,是,是最慢,但,但最经,济,济的3D显示卡,。,。价格900元。,ATIRageFury,他是最,大,大的OEM显示卡,生,生产商,。,。但是,其,其产品,的,的速度,无,无法与,其,其他显,示,示卡相,比,比。它,使,使用SEC的5nsSGRAM。其核,心,心频率,和,和显存,频,频率只,有,有100MHz和110MHz。ATIRage128芯片的,性,性能很,均,均衡。,画,画面质,量,量和D3D,/,/OPENGL性能都,不,不错。,特,特别出,色,色的是,其,其DVD解压能,力,力。他,是,是很均,衡,衡的显,示,示卡。,价,价格1300元。,MatroxG400MAX,它使用232的SEC,-,-GC显存。,其,其核心,频,频率和,显,显存频,率,率分别,为,为166MHz和200MHz。多边,形,形处理,能,能力是800万/秒，像,素,素填充,率,率是333万/秒。他,拥,拥有双128bit总线，,双,双频头,显,显示技,术,术(同时联,结,结两个,显,显示器)，环境,映,映射凹,凸,凸贴图,等,等先进,技,技术。,它,它的功,能,能最多,，,，性能,很,很优秀,。,。价格2500元。,3基于工,作,作站的,虚,虚拟现,实,实机器,就数量,来,来讲，,仅,仅次于PC的最大,的,的计算,基,基础是工作站,它们比PC的优点,：,：,是有更,强,强的计,算,算能力,更大的,磁,磁盘空,间,间,更快的,通,通讯方,式,式。,基于工,作,作站的,虚,虚拟现,实,实机器,的,的两种,发,发展途,径,径,Sun和SGI采用的,一,一种途,径,径是用,虚,虚拟现,实,实工具,改,改进现,有,有的工,作,作站，,象,象基于PC的系统,那,那样。,DivisionLtd,.,.采用的,另,另一个,途,途径是,设,设计虚,拟,拟现实,专,专用的总承包系统，,如,如Provision100。,1Sun公司的,“,“Virtual Holographic”工作站,1992年，Sun推出VirtualHolographicWorkstation。这个,系,系统最,初,初使用SUNSparcstationII，并配,置,置GT图形加,速,速器（10万个多,边,边形/秒）。1994年，它,升,升级到Sun10,-,-51，配置ZX加速器,（,（12.5万个多,边,边形/秒）。,在立体,方,方式下,，,，速度,下,下降到,约,约6万个多,边,边形/秒，且左右眼,图,图像交,替,替显示,在,在立体,监,监视器,上,上。,它采用StereoGraphicsCo.的CrystalEyesVR和Logitech跟踪器，给用,户,户部分,沉,沉浸感,。,。,头部和3-D鼠标的,跟,跟踪是,用,用Logitech的超声,跟,跟踪器,，,，它连,到,到工作,站,站串行,口,口。3-D鼠标的,使,使用象2-D鼠标那,样,样，用,于,于与虚,拟,拟对象,以,以3-D交互。,集成这,些,些I/O工具和SUN工作站,的,的软件（运行,在,在Solaris 2,.,.3操作系,统,统上）,是,是Sense8WorldToolKit的新版,本,本，在1994年春推,出,出。整,个,个系统,价,价格约46000美元，,再,再加上Sense8软件的,另,另外价,格,格约6000美元。,2,Division公司的Provision100工作站,Provision100的并行,结,结构有,多,多个处,理,理器：,称为“Director,”,”（用于碰撞检,测,测和时,间,间同步的处理,器,器）,用于立,体,体视频,显,显示的“actors”（视频处,理,理器）,3-D声音的“actors”（声音处理器,）,）,手跟踪,与,与手姿,识,识别的“actors”（手套处理,器,器）。,允许增,加,加附加的I/O处理器。与主,计,计算机,的,的连接,允,允许基,于,于UNIX的Provision100用于仿,真,真中的,高,高级终,端,端。,6.使用两个图,形,形板，每个,眼,眼一个,，,，直接,输,输出NTSC/PAL信号。,每,每个图,形,形板有,一,一个Inteli860处理器,和,和两个T425 transputers。i860利用常,用,用的多,边,边形加,速,速器作,几,几何处,理,理，提,供,供35000个Gouraud明暗的Z-缓冲的,多,多边形/秒。,7.Provision100VRX模型有,一,一个附加的,纹,纹理模,块,块，在象,素,素处理,器,器和两,个,个视频,存,存储器,之,之间。,它,它可以加,纹,纹理，,但,但不损,失,失绘制,速,速度。对256个texel单元（,纹,纹理元,）,），24-bit彩色纹,理,理图存,在,在高速,静,静态RAM中。这,个,个RAM可以布,局,局为256,256的4个图，128,128的16个图，,或,或者它,们,们的组,合,合（如256,256的1个图加,上,上128,128的4个图和6464的32个图）,。,。,4高度并,行,行的虚,拟,拟现实,机,机器,问题：,作,作为为VR系统提,供,供计算,的,的设备,的,的瓶颈,？,？,因为计,算,算能力,成,成为VR系统计,算,算设备,的,的瓶颈,之,之一，,所,所以各,个,个工作,站,站厂商,都,都在发,展,展高度,并,并行的,虚,虚拟现,实,实机器,，,，以便,提,提高计,算,算能力,。,。,1Division公司的“SuperVision,”,”机器,2SGI公司的IRIS-1400到RealityEngine 2,3Evans,&,& Sutherland公司的Freedom 3000,4北卡,大,大学的PixelPlanes4,5和PixelFlow,5Sun公司的Elite3Dm3和m6,6更强,大,大的机,器,器RedMountain和Blue Mountain,7其他,设,设备,1Division公司的“SuperVision,”,”机器,Provision一开始,可,可以绘,制,制3.5万个多,边,边形/秒，1992年，Division宣布了“SuperVision,”,”机器，,它,它用高,性,性能的,并,并行结,构,构增加,绘,绘制能,力,力到28万个多,边,边形/秒。这,些,些多边,形,形是纹,理,理的，Gouraud明暗的,和,和Z-缓冲的,。,。,SuperVision结构有,标,标准的Provision,“,“前端”和多处,理,理器组,。,。,多组结,构,构包括,一,一个画,面,面缓冲,器,器，它,与,与一个,立,立体视,频,频画面,获,获取器,一,一起，,允,允许图,形,形实时,覆,覆盖在,实,实况视,频,频图像,上,上。,此外，SuperVision有一个,多,多通道,图,图像生,成,成组，,一,一个处,理,理组，,一,一个I/O组，一,个,个声音,组,组，以,及,及可能,的,的附加,组,组。所,有,有的组,都,都连到,同,同样的,通,通讯线,路,路。这,个,个通讯,线,线路的,通,通讯是,通,通过点到点的通信,路,路线。,它,它可以,用,用于任,何,何数据,类,类型，,由,由实况,视,视频，,到,到对象,几,几何修,改,改和象,素,素信息,。,。所有,数,数据包,都,都可以,由,由环上,任,任意的,处,处理器,送,送到另,一,一个处,理,理器。,可,可以选,择,择不同,的,的分布,方,方式，,使,使得对,不,不同问,题,题的性,能,能最优,。,。,2SGI公司的IRIS-1400到RealityEngine 2,SGI（Silicon Graphics Incorporated）公司,制,制造的,图,图形系,统,统具有,某,某种更,灵,灵活更,强,强的数,字,字媒体,能,能力，,它,它在一,个,个包中,组,组合了,先,先进的三维图,形,形，数,字,字多通,道,道声频,，,，以及,录,录象。,SGI系统用,作,作许多VR系统的,核,核心，,它,它完成仿真、,可,可视化,、,、通讯等任务,。,。,关键在,于,于,系统支,持,持强大,的,的计算,多通道,视,视觉输,出,出,以及连,接,接到传,感,感器、,控,控制设,备,备和网,络,络的快,速,速输入,输,输出。,纹,纹理化,多,多边形,、,、填充,能,能力也,3Evans,&,& Sutherland公司的Freedom 3000,Evans,&,& Sutherland,(,(E,&,&S)原来是,飞,飞行仿,真,真器公,司,司，它,发,发布了Freedom序列图,形,形加速,器,器，用于SunSparc10工作站,。,。它提,供,供大范,围,围的性,能,能水平,：,：,由Freedom 1000的每秒50万多边,形,形，到Freedom 3000的每秒3百万多,边,边形。,它用标,准,准硬件,软,软件接,口,口与Sun环境无,缝,缝地连,接,接。Freedom加速器,可,可以用Sun标准接,口,口编程,，,，并与,当,当前的E&S和Sun工作站,软,软件兼,容,容。,Freedom 3000有12801024，15361280和高分,辨,辨率TV显示格,式,式。它,支,支持硬,件,件纹理,映,映射，,包,包括MIP映射，,分,分辨率,达,达20002000。,其它特,性,性是线,、,、点、,多,多边形,的,的反走,样,样，a缓冲区,，,，累积,缓,缓冲，,每,每个象,素,素128位，和,动,动态象,素,素定位,。,。,Freedom 3000包括下,列,列技术,：,：,用0.8,CMOS的五个,专,专有的VLSI ASIC芯片,可编程,高,高速微,处,处理机,的,的并行,阵,阵列(DSP)，,很快的,专,专有的,图,图形总,线,线(G-bus,),)(速度超,过,过每秒3百万多,边,边形),高速象,素,素发送,互,互联,用于图,像,像处理,的,的高速,存,存取帧,缓,缓冲区(达每秒1亿象素),高象素,填,填充率950万/秒。,4北卡,大,大学的PixelPlanes4,5和PixelFlow,北卡大,学,学是最,早,早开发图,形,形硬件的大学,之,之一。,他,他的工,作,作不同,于,于商界,的,的工作,，,，因为,工,工作中基础研,究,究多于,制,制造机,器,器产品，所以,他,他们的,机,机器总,是,是处于,图,图形硬,件,件的前,沿,沿。,PixelFlow和其图,形,形性能,是,是将来,高,高性能,三,三维VR的重要,部,部分。,它克服,了,了传统,硬,硬件绘,制,制结构,的,的变换,和,和帧缓,冲,冲存取,的,的瓶颈,。,。,它利用,图,图像合,成,成技术,，,，分配,绘,绘制任,务,务在同,样,样的绘,制,制器阵,列,列，其,中,中每个,绘,绘制器,计,计算部,分,分基元,的,的全屏,幕,幕图像,。,。,高性能,图,图像合,成,成网络,实,实时组,合,合这些,图,图像，,产,产生全,屏,屏图像,。,。,图像合,成,成结构,的,的性能,与,与绘制,器,器数目,成,成线性,关,关系。,一个PixelFlow绘制器,扫,扫描达,每,每秒140万三角,形,形，几,个,个绘制,器,器系统,可,可以扫,描,描达这,个,个速率,几,几倍。,予,予计128个绘制,器,器的系,统,统可以,达,达到多,边,边形速,率,率每秒1亿三角,形,形。,PixelFlow由超级,采,采样实,现,现反走,样,样。,它以几,个,个硬件明,暗,暗器支持延,迟,迟的明,暗,暗，它,在,在包含,中,中间象,素,素数据,的,的合成,图,图像上,工,工作。,PixelFlow明暗器,计,计算复,杂,杂的明,暗,暗算法,，,，以及,基,基于图,像,像的纹,理,理，明,暗,暗速率,与,与图像,复,复杂性,无,无关。,PiexlFlow可以连,到,到并行,超,超级计,算,算机，,用,用作中间模,式,式图形,服,服务器，或者,可,可以为,保,保持方,式,式绘制,维,维持显,示,示表。,5Sun公司的Elite3Dm3和m6,Elite3D是Sun公司的,高,高性能,图,图形系,统,统系列,，,，用于,实,实时交,互,互的3D可视化,，,，绘制,和,和动画,。,。,实际上,，,，这只,是,是视频,卡,卡，不,是,是整个,系,系统。,它是与SunUltra10工作站,一,一起工,作,作的。,该系统,比,比SGI的系统,便,便宜，,但,但性能,也,也较低,。,。,m6是较高,性,性能的,选,选项，,有,有6个板上,的,的FPU运算器,。,。它有,串,串口连,接,接其他,接,接口设,备,备，如,头,头部跟,踪,踪，HMD，3D鼠标。,他的用,户,户类似SGI系统，,有,有：CAD,/,/CAE，石油,工,工业，,医,医疗专,业,业，HAZMAT，实时,动,动画。,6RedMountain和Blue Mountain,1996年12月16日，Intel公司与USDOE合作发,布,布了世界上,第,第一台,每,每秒1万亿次,的,的计算,机,机(teraflops)。全美,国,国人不,停,停地手,算,算125年，才,相,相当于,该,该机器,工,工作1秒钟。,该,该机,器,器称为RedMountain（红山,）,）。,AcceleratedStrategicComputing initiative,(,(ASCI,),)正在开,发,发仿真,技,技术，,不,不经过,地,地下核,试,试验就,确,确保美,国,国核武,器,器的安,全,全可靠,。,。在新,墨,墨西哥,州,州的SandiaNationalLaboratories（桑迪,亚,亚国家,实,实验室,）,） 正,在,在安装5500万美元,的,的RedMountain机器，,新,新墨西,哥,哥州的LosAlamos National Laboratory（洛斯,阿,阿拉莫,斯,斯国家,实,实验室,）,） 和,加,加州的theLawrenceLivermore National Laboratory也使用,该,该机器,。,。该机,器,器仿真,核,核武器,的,的各个,方,方面，,由,由激励,问,问题（,如,如起爆,仿,仿真）,，,，到静,态,态仿真,（,（如核,武,武器储,存,存的老,化,化效果,）,）。RedMountain也用于,医,医疗和,药,药物研,究,究，天,气,气预报,，,，飞机,和,和汽车,设,设计，,工,工业生,产,产的改,进,进，疾,病,病演化,的,的仿真,，,，治理,环,环境等,。,。,RedMountain的主要指标为：,价格$55百万，,占,占地1000平方英,尺,尺，系,统,统RAM,:,: 584Gbytes，双向,交,交叉带,宽,宽51.6 Gbytes/sec，Pentium Pro处理器9,216，峰值,性,性能1.8TFLOPS。,LosAlamos National Laboratory不满足,借,借用RedMountain，就开,始,始建造Blue Mountain。,该机器,有,有比较RedMountain更强的,图,图形能,力,力，增加,了,了16台SGIInfiniteReality机器。Blue Mountain组织成48个128处理器,的,的共享,存,存储器,多,多处理,机,机（SMP）。48个SMP可以彼,此,此通讯,，,，速度,为,为每秒650Gigabits。它有76万亿bytes的光纤,通,通道的,盘,盘空间,。,。1998年11月12日建成,，,，5年内将,超,超过100TFLOPS。,7其他,设,设备TAN是高级的,沉,沉浸的,投,投影显,示,示，HP提供Kayak,Visualize Workstations，nVision DatavisorHMD，E&STornado和3DLabs OxygenGMX。,小结,VR用计算,机,机的技,术,术要求,是,是帧频,和,和延迟,时,时间的,要,要求，,以,以及计,算,算能力,和,和场景,复,复杂性,。,。基于PC的虚拟,现,现实机,器,器包括,：,：有ActionMedia图形加,速,速器的486,-,-PC；有SPEAFire,图形加,速,速器的486,-,-PC；Stride图形加,速,速器等,。,。基于工,作,作站的,虚,虚拟现,实,实机器,包,包括：Sun的VirtualHolographicWorkstation；Division的Provision100工作站,。,。高度并,行,行的虚,拟,拟现实,机,机器包,括,括：Division的SuperVision；SGI的RealityEngine 2，ONYX2；Evans,&,& Sutherland的Freedom 3000；北卡,大,大学的PixelPlanes4,5和PixelFlow，Sun的Elite3Dm3和m6；以及,更,更强大,的,的机器RedMountain和Blue Mountain。,2虚拟现,实,实软件,系,系统,虚拟现,实,实对工,具,具软件,系,系统的,要,要求,虚拟现,实,实常用,的,的工具,软,软件系,统,统,虚拟现,实,实工具,软,软件的,功,功能,1虚拟现,实,实对工,具,具软件,系,系统的,要,要求,虚拟现,实,实程序,设,设计,需要有,关,关实时,系,系统、,面,面向对,象,象语言,、,、网络,、,、物理,建,建模、,多,多任务,等,等方面,的,的知识,。,。,好的计,算,算机程,序,序员精,通,通这些,技,技巧。,但,但他们,不,不可能,熟,熟悉各,种,种虚拟,现,现实应,用,用的专,业,业领域,。,。,反之，,医,医生、,建,建筑师,、,、或经,济,济分析,家,家也不,可,可能具,有,有必要,的,的程序,设,设计技,巧,巧。,虚拟现,实,实厂家,认,认识到,需,需要解,决,决这种,知,知识缺,口,口，并,创,创造出,这,这种产,品,品的市,场,场。这要求,稳,稳定的,平,平台和,软,软件，,这,这使现,有,有的软,件,件厂家,轻,轻松地,虚,虚拟化,他,他们的,产,产品，,并,并促进,新,新一代,软,软件开,发,发者去,创,创造先,进,进的虚,拟,拟现实,产,产品。,虚拟现,实,实应用,的,的工具,软,软件系,统,统应该,满,满足下,列,列要求,：,：,工具软,件,件,是为虚,拟,拟现实,技,技术要,求,求设计,的,的面向,对,对象函,数,数的可,扩,扩充的,库,库,一个仿,真,真对象,就,就是一,个,个“类”的部件,，,，并继,承,承它默,认,认的属,性,性。这,大,大大简,化,化了复,杂,杂对象,编,编程的,任,任务。,由,由于库,是,是可扩,充,充的，,开,开发者,可,可能写,专,专用模,块,块，并,利,利用同,样,样的仿,真,真核心,。,。,虚拟现,实,实工具,盒,盒具有,的,的另一,个,个重要,特,特征是硬件独,立,立性。写的,函,函数用,于,于各种,平,平台，,实,实质上,是,是一般,的,的。实,现,现这一,点,点是因,为,为高层,的,的函数“不知道”它在特,定,定的硬,件,件上运,行,行。低,层,层的“转换器”在运行,时,时识别,特,特定的I/O工具。,在,在把应,用,用由一,个,个平台,移,移到另,一,一平台,时,时，这,很,很有帮,助,助。,所有的,工,工具盒,都,都支持某,种,种形式,的,的网络（内部,的,的或任,选,选的）,。,。这允,许,许并行或,分,分布处,理,理，以及,重,重要的多用户,交,交互。这使,得,得在一,个,个应用,中,中可能,进,进行合,作,作，以,提,提高效,率,率。,这里讨,论,论的所,有,有的工,具,具盒都,接,接受CAD3-D文件（DXF等）。,这,这说明,通,通过引入现,有,有的3-D对象数,据,据库，极大,地,地减少,了,了开发,时,时间。,2虚拟现,实,实常用,的,的工具,软,软件系,统,统,1常用,的,的工具,软,软件工业界,制,制造了,很,很多用,于,于虚拟,现,现实的,先,先进软,件,件工具,，,，虚拟,现,现实工,具,具盒（toolkits）。这,包,包括,WorldToolKit-WTK,“,“,VCToolkit-VCT,“,“,CyberspaceDeveloperKit-CDK,“,“,VirtualReality Toolkit,-,-VRT3,“,“,Mercury“,“VirtualReality Distributed Environment andConstructionKit (VR-DECK)”,2VRML,VRML是Virtual RealityModelingLanguage的缩写,。,。,VRML是描述三维造,型,型与交互环,境,境的简单,的,的文本语言。,VRML是在Internet上建立3D多媒体,和,和共享,虚,虚拟世,界,界的一,个,个开放标准。,从以下,几,几个方,面,面简单,介,介绍这,种,种语言,。,。,（1）VRML的特点,（2）VRML的概念,与,与实例,（3）VRML的语言,结,结构,（4）VRML的动画,技,技术,（5）VRML的使用,与,与开发,条,条件,（6）VRML的站点,和,和教程,（1）VRML的特点,(a)是造型,语,语言,可描述3D场景。,(b)用户可,进,进入VRML建立的,世,世界，,去,去探索,它,它,(c)VRML建立的,世,世界是,交,交互的,，,，受用,户,户控制,。,。,(d)把2D，3D物体、,动,动画、,多,多媒体,效,效果混,合,合于一,体,体,(e)平台无,关,关，可,在,在PC或SGI上浏览,。,。,(f)基于Web，可建,立,立三维,可,可视化,服,服务器,。,。,(g)着色不,如,如OpenGL快。,(h)没有底,层,层控制,。,。,(j)有限的,界,界面。,（2）VRML的概念,与,与实例,VR世界中,的,的坐标,系,系：,X轴指向,屏,屏幕右,侧,侧，Y轴指向,屏,屏幕上,方,方，Z轴指向,观,观察者,。,。,VRML程序是,解,解释执,行,行，实,时,时建模,着,着色的,文,文本程,序,序。它,的,的两个,要,要点是,：,：,节点(node),:,:构成虚,拟,拟世界,的,的基本,要,要素，,路由(route,),)：节点,间,间传送,信,信息的,途,途径。,VRML文件都,是,是扩展,名,名WRL的文本,文,文件，,或,或扩展,名,名WRZ（压缩,格,格式）,的,的二进,制,制文件,。,。它一,般,般包括,如,如下四,部,部分：,文件,头,头：位,于,于首行,，,，提供,版,版本信,息,息。如,：,：# VRMLV2,.,.0utf8。,注释,：,：以#开始的,一,一段文,字,字。,节点,：,：场景,信,信息的,单,单位。,可,可以描,述,述造型,，,，灯光,，,，声音,等,等。如,：,：Cylinder,描述一,个,个圆柱,体,体。,域值,：,：域用,于,于描述,及,及改变,节,节点的,属,属性，,值,值反映,域,域的大,小,小。如,：,：Cylinderheight 2,.,.0radius1.5 中，height（高度,）,）和radius（半径,）,）是域,，,，2.0和1.5是值。,（3）VRML的语言,结,结构,VRML的基础,是,是什么,？,？,是一个,利,利用HTTP协议传,输,输数据,的,的全球,网,网,以及一,个,个SGI设计的Open Inventor文件格,式,式。,由此，,它,它的特,点,点在于,：,：,VRML是标准,语,语言,与平台,无,无关,易扩展,基于低,带,带宽的,网,网络连,接,接,用户可,在,在虚拟,场,场景中,漫,漫游，,还,还可用,超,超链接,（,（hyperlink）到达,新,新的三,维,维世界,。,。,(a)节点（node）,是描述,三,三维场,景,景的图,形,形对象,。,。,一个场,景,景由具,有,有层次结,构,构的多,个,个节点,组,组成。,共有50多个节,点,点，定,义,义三维,场,场景。,一个节,点,点有多,个,个域(field,),)，它具,有,有域名,、,、类型,及,及缺省,值,值等属,性,性。,如圆柱,体,体节点,。,。Cylinder,fieldSFBoolbottom TRUEfieldSFFLoat height2fieldSFFLoat radius1fieldSFBoolsideTRUEfieldSFBooltop TRUE定义的,圆,圆柱体,，,，高度,为,为2，半径,为,为1，具有,下,下底面,，,，有圆,柱,柱侧面,，,，有上,顶,顶面。,(c)传感器(Sensor)节点,是一类,特,特殊的,节,节点。,包括以,下,下节点,：,：,CylinderSensor,PlaneSensor,Time Sensor,TouchSensor,Visibility Sensor,ProximitySensor,ProximitySensorProximitySensorexposed Field SFVec3fcenter 0，0，0exposed Field SFVee3fsize0，0，0exposed Field SFBoolenabled TRUEeventoutSFBoolisActiveeventou SFVec3fposition,-,-changedeventoutSFRotation orientation-changedeventoutSFTimeenterTimeeventoutSFTimeexitTime,这时接近传,感,感器节点。,当,当用户,接,接近、,退,退出空,间,间，或,在,在空间,移,移动时,，,，会产,生,生事件,。,。Center和Size定义长,方,方体，,分,分别用,三,三个数,字,字定义,长,长方体,的,的中心,点,点三维,坐,坐标和,三,三维尺,寸,寸。Enabled域的值,为,为TRUE表示允,许,许工作,。,。进入,退,退出长,方,方体空,间,间时发,生,生isActive,enterTime和exit Time事件。,这,这些事,件,件应该,为,为对于接近的响应,行,行为，进入时间和退出时间。,也,也可以,利,利用position-changed和orientation-changed，改变,位,位置和,方,方向。,(d)描述符,（,（Script）节点,，,，内插,器,器(Interpolator)节点,Script是Java描述符,语,语言的,子,子集，,同,同时由Java的内置,对,对象所,支,支持的VRML数据