2．VR的计算机系统
3．VR的建模和仿真
1．VR的人机接口
VR的人机接口有两个作用：其一是给人类操作者提供环境信息（视觉、听觉和触觉），其二是感觉人类操作者的动作和响应（位置跟踪和映射）。前者包括：视觉通道、听觉通道、触觉通道、运动接口和其他接口。后者包括：位置跟踪和映射，语音识别等。
（1）位置跟踪和映射
位置跟踪和映射用于测量人体各部位的位置和姿态，分析判断人面部的表情。它的目的是了解人的身体行为。这是为了实现人机交互所必需的系统功能。VR系统由此了解人的行为，然后做出适当的响应，实现交互。
常用的技术包括：机械链接、磁传感器、声传感器、光传感器和惯性传感器。基本目标是精确完成位置和姿态的测量。三个主要的要求：大范围的线性响应，高带宽（1kHz），以及允许头和身体的运动。
（2）视觉通道
视觉通道给人的视觉系统提供图形显示。为了提供身临其境的逼真感觉，视觉通道应该满足一些要求。显示的像素应该足够小，使人不至感觉到像素的不连续。显示的频率应该足够高，使人不至感觉到画面的不连续。给两眼提供具有双目视差的图形，形成立体视觉。应该具有足够大的视场，理想情况是显示画面充满整个视场。
视觉通道的显示表面分为：基于CRT和基于LCD。视觉通道的光学系统分为：头盔显示(HMD)和非头盔显示(OHD)。
D1-1-5-1专用头盔图
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听觉通道给人的听觉系统提供声音显示。为了提供身临其境的逼真感觉，听觉通道应该满足一些要求，使人感觉置身于立体的声场之中，能识别声音的类型和强度，能判定声源的位置。
听觉通道的关键技术包括：合成由接口提供的虚拟声音信号，声音在虚拟空间定位问题，以及发声设备。
（4） 触觉通道
触觉通道给人体表面提供触觉和力觉。当人体在虚拟空间中运动时，如果接触到虚拟物体，虚拟显示系统应该给人提供这种触觉和力觉。
触觉通道涉及操作以及感觉，包括触觉反馈和力觉反馈。触觉通道的结构分为：安在身体上和安在地面的设备。
（5） 运动接口
人体在环境中的运动包括：身体的被动运动(被动移动，如在车上的运动)，身体主动运动（漫游，如散步）。人在运动中，人体内部的运动感觉器官可以感知运动信息。
感知运动信息的器官包含：前庭系统，运动系统，视觉听觉系统，本体感受，动觉和触觉。运动接口应该给这些器官提供运动信息。
（6） 其它类型接口
其它类型接口包括：嗅觉、味觉通道，以及感觉热、风及湿度的接口。还包括语音通讯（语音识别与合成）以及直接心理感觉和控制。这些接口还缺乏研究，以下将不介绍。
2．VR的计算机系统
现有的虚拟显示系统主要考虑视觉通道。听觉通道和触觉通道还处于研究阶段。所以，VR的计算机系统主要考虑视觉通道的要求。
（1） 硬件
视觉通道对计算机系统的要求，首先是要求维持足够的图形帧速率。于是要求在指定的时间内（约为0.1秒）计算出两眼的两幅图像。同时要求提供足够好质量的图像，这一般体现在图像中显示的多边形或三角形的树木。因此，往往需要专用硬件。图形硬件应提供快速几何变换、截取、消隐、多边形填充和表面纹理。
（2） 软件
VR系统中的软件主要包括下列几种。交互软件利用人机控制设备的输出去修改VE。视觉漫游软件控制用户在VE中运动时看到的场景。建模软件定义虚拟物体形状、外观和属性的模型。操作系统支持VE的实时多模态要求。
（3） 网络
分布式交互仿真已经成为现代仿真技术，特别是军事仿真的潮流。通讯网络可以把VE转换成共享的分布式计算环境。
3．VR的建模和仿真
（1）建模
建模包括：几何建模和物理建模。一般的VR工具软件都具有几何建模功能。利用现有的CAD建模工具也是常用的方法。市场上已有商业模型库出售。对实际物体的建模，则采用激光扫描等专用设备。物理建模是基于物理方程的建模。一般考虑刚体建模，链接物体的建模，以及非刚体的建模。智能体的建模不是基于物理方程，而是基于人为的物体智能。
人工建模技术在图形学和CAD领域，已有成熟的成果。自动建模采用激光扫描建立几何模型，也已经有相关产品。自动建立物理模型的研究还不多。
（2）仿真
仿真包括：图形绘制和三维动画。
图形绘制是把三维环境，相对于虚拟摄像机（虚拟视点）投影，形成图像的过程。为了提供连续运动的错觉，帧速率必须大于每秒8到10帧。为了保持瞬间交互控制的错觉，响应时间的延迟必须小于0.1秒。为了绘制人眼可分辨的所有细节，这要求有8千万个多边形。这是对于图形绘制的要求。
然而，用今天的硬件，每个画面8千万多边形的系统对真正的实时交互是太慢了，于是存在真实图像与实时交互间的折衷。某些应用（如建筑和艺术）可能要求照片一样真实的绘制。制造和医疗应用要求更高层次的实时交互。
三维动画可以用两种途径实现。基于物理模型的数值计算是一种方法。军事和工业等应用，往往要求这种满足物理规律的仿真技术。数学插值则是另一种实现动画的方法。这种技术在三维动画电影中获得了巨大的成功。
下图表示，虚拟现实开发系统的方块图。用户通过输入输出设备与输入输出软件交互。输入软件通过形状编辑器完成几何建模，通过声音编辑器完成虚拟声音系统建模。然后，在世界编辑器完成虚拟环境的建模。其中的虚拟剪切器，用于模型的剪切。建立的模型，保存在虚拟世界中。整个工作在计算机系统中完成。
图 1-1-02
