虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)論 課件 第2章 虛擬現(xiàn)實(shí)常用軟硬件

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)論第2章虛擬現(xiàn)實(shí)常用軟硬件本講大綱2.1典型輸入設(shè)備2.2典型輸出設(shè)備2.3常用軟件2.4習(xí)題2.1典型輸入設(shè)備用戶位姿獲取設(shè)備電磁跟蹤設(shè)備（電磁發(fā)射、接收）聲學(xué)跟蹤設(shè)備（超聲等發(fā)射、接收）光學(xué)跟蹤設(shè)備（光學(xué)傳感器、攝像頭）光波、有標(biāo)志點(diǎn)、無標(biāo)識點(diǎn)、深度圖通過攝像機(jī)獲取二維圖像標(biāo)志點(diǎn)，進(jìn)而獲得三維位置慣性跟蹤設(shè)備（加速度計(jì)、陀螺儀）眼球跟蹤設(shè)備混合方式用戶位姿獲取設(shè)備——電磁跟蹤設(shè)備現(xiàn)有電磁跟蹤設(shè)備一般由控制部件、信號發(fā)射器（transmitter）和接收器（receiver）組成發(fā)射器與接收器均包括3個相互垂直（正交）的電磁感應(yīng)圈；發(fā)射器通過電磁感應(yīng)圈產(chǎn)生磁場，接收器接收到磁場，并在感應(yīng)圈上產(chǎn)生相應(yīng)的電流；根據(jù)接收到的電流信號，通過控制部件預(yù)先設(shè)定的算法計(jì)算，就能得到跟蹤目標(biāo)相對于接收器的位置和方向。根據(jù)所發(fā)射磁場的不同，又可分為交流電發(fā)射器型和直流電發(fā)射器型。用戶位姿獲取設(shè)備——電磁跟蹤設(shè)備目前使用較為廣泛的直流電跟蹤系統(tǒng)，如AscensionTechnology公司的FlockofBirds系統(tǒng)，其刷新率可達(dá)100Hz，系統(tǒng)延遲在沒有噪聲濾波器的情況下，最小可到17ms。FlockofBirds系統(tǒng)用戶位姿獲取設(shè)備——聲學(xué)跟蹤設(shè)備聲學(xué)跟蹤技術(shù)利用超聲波的特性來達(dá)到目標(biāo)的位置跟蹤。不過從理論上講，聽覺波也是可以使用的。聲學(xué)跟蹤系統(tǒng)根據(jù)其跟蹤方法可以分為兩類：飛行時間（TimeofFlight，ToF）測量法相位差（Phase-Coherent，PC）測量法為了更好地確定目標(biāo)位置和方向，在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用多個超聲波發(fā)射/接收傳感器。Logitech跟蹤設(shè)備用戶位姿獲取設(shè)備——光學(xué)跟蹤設(shè)備光學(xué)跟蹤系統(tǒng)的感光設(shè)備種類很多，如普通攝像機(jī)、光敏二極管等。光源也是多種多樣的，可以是環(huán)境光，也可以是受跟蹤器控制發(fā)出的光。為了防止可見光的干擾，有時也使用紅外線作為光源。光學(xué)跟蹤系統(tǒng)使用的技術(shù)主要可分為：標(biāo)志系統(tǒng)模式識別系統(tǒng)激光測距系統(tǒng)光學(xué)跟蹤設(shè)備用戶位姿獲取設(shè)備——標(biāo)志系統(tǒng)標(biāo)志系統(tǒng)（markersystem）也稱為信號燈系統(tǒng)或固定傳感器系統(tǒng)，是當(dāng)前使用最多的光學(xué)跟蹤技術(shù)。它有兩種結(jié)構(gòu)：自外而內(nèi)（out-inside）結(jié)構(gòu)，例如圖a以及結(jié)構(gòu)自內(nèi)而外（inside-out）結(jié)構(gòu)，例如圖b。用戶位姿獲取設(shè)備——模式識別系統(tǒng)模式識別系統(tǒng)的原理是通過比較已知的樣本模式與傳感器得到的模式而得出物體位置的，它其實(shí)是前面介紹的標(biāo)志系統(tǒng)的一個改進(jìn)。把幾個LED那樣的發(fā)光器件按某一固定陣列（即樣本模式排列），并將其固定在被跟蹤對象的身上。然后由攝像機(jī)跟蹤拍攝運(yùn)動的LED陣列，記錄整個LED陣列模式的變化。這實(shí)際上是將人的運(yùn)動抽象為固定模式的LED點(diǎn)陣運(yùn)動，從而避免從圖像中直接識別被跟蹤物體所帶來的復(fù)雜性。用戶位姿獲取設(shè)備——激光測距系統(tǒng)激光測距系統(tǒng)將激光發(fā)射到被測物體，然后接收從物體上反射回來的光測量出位置。激光通過一個衍射光柵射到被跟蹤物體上，然后接收經(jīng)物體表面反射的2D衍射圖的傳感器記錄。這種經(jīng)反射的衍射圈帶有一定的畸變，而這一畸變是與距離有關(guān)的，作為測量距離的一種量度。HTCViveLighthouseHTCViveLighthouse使用雙基站定位系統(tǒng)。Valve在頭顯和控制器上安裝了很多光敏傳感器。在基站的LED閃光之后就會同步信號，然后光敏傳感器可以測量出軸激光和軸激光分別到達(dá)傳感器的時間。這個時間就正好是軸和軸激光轉(zhuǎn)到這個特定的，點(diǎn)亮傳感器的角度的時間，于是傳感器相對于基站的軸和軸角度也就已知了；分布在頭顯和控制器上的光敏傳感器位置也是已知的，于是通過各個傳感器的位置差，就可以計(jì)算出頭顯位置和運(yùn)動軌跡。用戶位姿獲取設(shè)備——慣性跟蹤設(shè)備慣性跟蹤技術(shù)使用慣性傳感器進(jìn)行跟蹤，主要包括陀螺儀（gyroscope）傳感器從原理上，高速旋轉(zhuǎn)的陀螺有保持其旋轉(zhuǎn)軸朝向不變的能力，可以測量被跟蹤物體的3自由度選擇運(yùn)動（yaw、roll、pitch），從而達(dá)到對頭部方向運(yùn)動的跟蹤。加速器（accelerator）傳感器加速計(jì)用來測量頭部運(yùn)動的加速度或者是環(huán)境中運(yùn)動物體的加速度，達(dá)到對頭部位置運(yùn)動的跟蹤。慣性跟蹤設(shè)備用戶位姿獲取設(shè)備——眼球跟蹤設(shè)備ASL的MobileEye是可移動的眼球軌跡追蹤系統(tǒng)，專為需要自由移動應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可以用在室內(nèi)也可以在戶外，它緊湊、堅(jiān)固，能應(yīng)用到體育方面。該系統(tǒng)重量輕，用于記錄的設(shè)備也很小，能別在一條皮帶上。眼睛圖像和場景圖像交錯地保存在特制的DVCR磁帶里，以確保足夠高分辨率。其采樣率為25/30Hz。ASLModel504用戶運(yùn)動數(shù)據(jù)獲取設(shè)備運(yùn)動捕獲是記錄人體運(yùn)動信息以供分析和回放的技術(shù)。捕捉的數(shù)據(jù)既可簡單到記錄軀體部件的空間位置，也可復(fù)雜到記錄臉部和肌肉群的細(xì)致運(yùn)動。應(yīng)用在計(jì)算機(jī)角色動畫的運(yùn)動捕捉則涉及到如何把真人動作轉(zhuǎn)換為虛擬角色的動作，直接轉(zhuǎn)換映射，用真人演員的手臂運(yùn)動控制虛擬角色的手臂動作間接轉(zhuǎn)換映射，用真人演員的手臂和手指動作來控制虛擬角色的皮膚顏色和情緒等。影視特效動畫制作虛擬現(xiàn)實(shí)游戲人體工程學(xué)模擬訓(xùn)練生物力學(xué)用戶運(yùn)動數(shù)據(jù)獲取設(shè)備運(yùn)動數(shù)據(jù)獲取裝備全身運(yùn)動捕捉系統(tǒng)機(jī)械電子式運(yùn)動捕捉系統(tǒng)光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)臉部表情捕捉系統(tǒng)數(shù)據(jù)手套用戶運(yùn)動數(shù)據(jù)獲取設(shè)備——機(jī)械電子式運(yùn)動捕捉系統(tǒng)ME4是ME電子機(jī)械式運(yùn)動捕獲系統(tǒng)的最新產(chǎn)品ME4更貼身、重量更輕、操作更簡單，其設(shè)計(jì)最大程度滿足用戶動作的自由度和舒適度，由安放于人體17處關(guān)節(jié)的43只運(yùn)動傳感器精確記錄運(yùn)動者骨骼的轉(zhuǎn)動ME4價格低，同時可最多捕獲16人的運(yùn)動信息，沒有光學(xué)運(yùn)動捕獲常見的測量死角和標(biāo)記點(diǎn)混淆，沒有電磁跟蹤系統(tǒng)常見的外界干擾產(chǎn)生的誤差增加傳感器錨點(diǎn)數(shù)量、位置（頭、肘、膝蓋、臀部）可配合完成諸如頭手倒立、四肢匍匐、就座等復(fù)雜動作捕獲。用戶運(yùn)動數(shù)據(jù)獲取設(shè)備——光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)廣泛用于運(yùn)動、人體工程學(xué)、實(shí)時動畫制作、工業(yè)測量、臨床運(yùn)動分析、知覺動作技能研究。它可用于各種環(huán)境包括醫(yī)院、工廠大學(xué)、運(yùn)動場、動畫制作攝影棚和國際空間站等。PS光學(xué)式人體運(yùn)動捕捉系統(tǒng)是目前光學(xué)式系統(tǒng)中價格最便宜、性能最好的系統(tǒng)。它依靠主動方式的、一元硬幣大小的LED，可以快速、高精度、方便地獲取人體各個部位的運(yùn)動數(shù)據(jù)。不同于被動式的光學(xué)反射標(biāo)志，其能夠?qū)崟r獲取多達(dá)120個LED主動方式標(biāo)志點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。用戶運(yùn)動數(shù)據(jù)獲取設(shè)備——臉部表情捕捉系統(tǒng)FT45臉部表情跟蹤系統(tǒng)是廣泛使用的人體臉部表情跟蹤系統(tǒng)。通過臉部的36個不同標(biāo)記，F(xiàn)T45系統(tǒng)可以實(shí)時捕獲臉部運(yùn)動數(shù)據(jù)。研究者可以在不同的場合多次重復(fù)使用這些數(shù)據(jù)文件。這些數(shù)據(jù)可以反映到其他虛擬角色的3D臉部模型上，從而獲得和表演者相似的表情，也可以進(jìn)行表情變化。用戶運(yùn)動數(shù)據(jù)獲取設(shè)備——數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的主要交互設(shè)備，它作為一只虛擬的手或控件用于3DVR場景的模擬交互，可進(jìn)行物體抓取、移動、裝配、操縱、控制，有有線和無線、左手和右手之分，可用于視景仿真軟件環(huán)境中。Material:BlackstretchlycraFlexureresolution:12-bitA/D.Minimumdynamicrangeis8bits.Flexuresensors:Proprietaryfiberopticbasedflexortechnology.2Sensorsperfinger(1stjoint[knuckle],2ndjoint).Abductionsensorsbetweenfingers.Computerinterface:RS232(2-wire:GND,TX)

8databits,1stopbit,noparity

19200bps(transmitonly)[9600bpsforwirelessglove]Powersupply:9VDCcenterpostive(150mA)Samplingrate:Thefullhand(14sensors)maybesampledatupto100samplespersecond.Transmissionfrequency:Right-handedwirelessglove:418MHz

Left-handedwirelessglove:433.92MHzWirelessrange:Upto30m真實(shí)物體幾何材質(zhì)屬性獲取設(shè)備3D掃描儀接觸式掃描儀非接觸式掃描儀激光掃描儀結(jié)構(gòu)式3D掃描儀3D照相機(jī)真實(shí)物體幾何材質(zhì)屬性獲取設(shè)備——3D掃描儀利用光學(xué)、機(jī)械等方法，獲取三維物體的表面幾何屬性，分為接觸式和非接觸式。真實(shí)物體幾何材質(zhì)屬性獲取設(shè)備——接觸式掃描儀接觸式掃描儀通過內(nèi)置高精度位置和方向傳感器感知探頭所處位置。主要產(chǎn)品有MS接觸式數(shù)據(jù)化儀。MS接觸式數(shù)據(jù)化儀是由三段碳纖維臂構(gòu)成，臂與臂之間由球狀連接器相連，內(nèi)置高精度位置和方向傳感器，以感知探頭所處位置。真實(shí)物體幾何材質(zhì)屬性獲取設(shè)備——非接觸式掃描儀激光掃描儀使用條狀激光對輸入對象進(jìn)行掃描，使用CCD相機(jī)接受其反射光束。根據(jù)三角測距原理獲得與拍攝物體之間的距離，進(jìn)行3D數(shù)據(jù)化處理。目前已成形的產(chǎn)品有DeltaSphere-3000、FastSCANCobra、ModelMaker以及VIVID系列等。結(jié)構(gòu)光式3D掃描儀有別于傳統(tǒng)的激光點(diǎn)掃描和線掃描方式，該掃描系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)光照相式原理對物體進(jìn)行快速面掃描。目前成型的產(chǎn)品有3DREALSCAN和北京天遠(yuǎn)的3D掃描系統(tǒng)。3D照相機(jī)美能達(dá)公司1999年推出3D1500數(shù)碼照相機(jī)可將現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)物實(shí)景拍攝為3D影像。3D數(shù)碼照相機(jī)在逼真再現(xiàn)立體世界方面還存在著不足，比如，目前只能通過3D技術(shù)再現(xiàn)小實(shí)物，拍攝后在計(jì)算機(jī)中處理的時間也較長。目前的3D照相機(jī)主要有Komamura的Horseman3Dcamera，它采用了雙鏡頭組，但雙鏡頭是同時工作的，因此不需要額外地處理就可以直接拍攝出紅藍(lán)立體眼鏡能夠觀看的立體照片。2.2典型輸出設(shè)備典型輸出設(shè)備視覺輸出

3D立體眼鏡頭盔式顯示器3D環(huán)幕儀全息顯示真3D立體顯示器力/觸覺輸出力覺/動感反饋設(shè)備觸覺反饋典型輸出設(shè)備——3D立體眼鏡一般由立體圖形加速卡、紅外控制發(fā)射盒、有線或線立體眼鏡，支持高分辨率、高場頻、逐行立體顯示。具有全面、小型、經(jīng)濟(jì)、適用的特點(diǎn)，適于基于PC機(jī)的小型VR系統(tǒng)，具有較好的性能價格比。典型輸出設(shè)備——頭盔式顯示器headmounteddisplay（HMD），分為遮擋型和透視型典型輸出設(shè)備——3D環(huán)幕儀利用投影、液晶屏構(gòu)造的大范圍視景空間典型輸出設(shè)備——全息顯示伽伯通過記錄3D物體信息的物光波的振幅和位相分布，并將記錄結(jié)果稱為“全息圖”。通常可以將全息圖理解為一個大容量的存儲器件，存儲或“凍結(jié)”了3D物體的全部信息。為了從全息圖中提取物光波的信息，還必須采用適當(dāng)?shù)墓獠ㄕ丈淙D，“解凍”或恢復(fù)原來的物光波，人眼朝向再現(xiàn)物光波進(jìn)行觀察時，就如同通過全息圖去觀察原來的真實(shí)物體一樣。典型輸出設(shè)備——真3D立體顯示器基于人眼立體視覺的3D成像受到觀察角度、輔助儀器、眼睛觀察時間等限制。由于焦距固定，使得眼睛在場景中無法像觀看一個真實(shí)物體那樣收縮或改變焦距，所以沒有真正意義上實(shí)現(xiàn)物體的全面3D顯示。全息成像無法顯示動態(tài)立體圖像，很大程度上限制了全息顯示技術(shù)在現(xiàn)代信息顯示中的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖形圖像技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了直接在3D數(shù)據(jù)場中生成體素點(diǎn)，不需佩戴任何輔助設(shè)備，可全視角、多人同時觀察立體圖像且具有物理景深的3D顯示器，即真3D立體顯示器，其相關(guān)技術(shù)稱為真3D立體顯示技術(shù)。真3D立體顯示技術(shù)，按成像原理不同可分為：靜態(tài)成像技術(shù)動態(tài)成像技術(shù)把兩束激光束照到一個由特殊材料制造的透明圖像空間上，經(jīng)過折射，兩束光相交到一點(diǎn)，激發(fā)圖像空間材料發(fā)光，便產(chǎn)生了組成立體圖像最小單位—體素，每個體素對應(yīng)真實(shí)物體的一個實(shí)際的點(diǎn)，當(dāng)這兩束激光束快速移動時，在圖像空間中就形成許許多多個交叉點(diǎn)，無數(shù)個體素點(diǎn)就構(gòu)成了真3D的物體圖像。動態(tài)成像技術(shù)將顯示的圖像用2D切片的方式投影到一個旋轉(zhuǎn)或平移的屏幕上，同時該屏幕以觀察者無法察覺的速度在運(yùn)動，由于人眼的視覺暫留，從而在人眼中形成3D物體，實(shí)現(xiàn)圖像的真3D顯示。典型輸出設(shè)備——真3D立體顯示器當(dāng)前幾種先進(jìn)的真3D立體顯示器包括Felix3D以及Perspecta3D等。典型輸出設(shè)備——真3D立體顯示器力覺/動感反饋（force/kinestheticfeedback）觸覺反饋（tactilefeedback）典型輸出設(shè)備——力/觸覺輸出力覺反饋設(shè)備是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的一種重要的設(shè)備，能使參與者實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中除視覺、聽覺之外的第三感覺——觸覺和力感。它可提供高度逼真的3D力（觸覺）反饋能力，在辦公室/桌面環(huán)境下進(jìn)行操作，并與標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)兼容。它能進(jìn)一步增強(qiáng)虛擬環(huán)境的交互性，從而真正體會到虛擬世界中的交互真實(shí)感。相對力反饋，觸覺反饋還處于初級階段。日本岐阜大學(xué)工學(xué)系元島棲二教授的研究小組成功開發(fā)出世界最小的超敏感觸覺傳感器，在醫(yī)療器械領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。傳感器在約0.1mm3的合成樹脂中埋入了直徑1~10μm、長300~500μm、像彈簧一樣的螺旋狀微細(xì)碳線圈元件。碳線圈接觸物體之后，會將微小的壓力和溫度變化轉(zhuǎn)換成電信號。此外，傳感器還可以感知“擰”、"摩擦"等信號。2.3常用軟件構(gòu)建具有逼真感和交互性的VR系統(tǒng)，首先面臨的就是建?！，F(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)建模軟件主要集中在支持虛擬景物的幾何和物理建模方面。前者又可分為面向動畫制作與面向?qū)崟r繪制的建模軟件兩類。建模軟件面向動畫制作的建模，也稱為3D幾何造型設(shè)計(jì)，是3D動畫制作工具的基本功能。動畫制作中的建模一般包括基本幾何形體繪制、復(fù)雜模型組合等?，F(xiàn)有一些公開的3D模型庫可供使用，以提高開發(fā)效率。目前流行的3D動畫制作工具包括Alias公司的Maya，Avid公司的SoftimageXSI，SideEffectsSoftware公司的Houdini，Discreet公司的3DStudioMax，Newtek公司的Lightwave3D，Pixar公司的PhotorealisticRenderman等。建模軟件——面向動畫制作的建模軟件Maya主界面Houdini主界面3D模型的數(shù)據(jù)組織合適對實(shí)時繪制有重要影響。在面向?qū)崟r繪制3D模型格式中，最有代表性的是Multigen的OpenFlight格式。該數(shù)據(jù)格式已成為視景仿真領(lǐng)域公認(rèn)的模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，大部分VR開發(fā)軟件，如VEGA，OpenGVS等都支持這種格式MultigenCreator是美國MultiGen-Paradigm公司推出的一個交互式3D建模軟件，支持建立優(yōu)化的3D模型，具有多邊形建模、矢量建模、大規(guī)模地形精確生成等功能。建模軟件——面向?qū)崟r繪制的建模軟件Multigencreator主界面地形模型相比其他模型規(guī)模更大，手工建模工作量巨大。因此，出現(xiàn)了一系列專為地形制作開發(fā)的工具，如CreatorTerrainStudio，TerraVista等。為提高建模效率，出現(xiàn)了一些特定功能的輔助工具，如格式轉(zhuǎn)換工具Polytrans，Deep-Exploration等，可將面向動畫制作的3D模型數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，適用于實(shí)時VR系統(tǒng)；三維模型化簡工具GeomagicDecimate、Action3DReducer、RationalReducer等，可對較為復(fù)雜的面向動畫制作的3D模型進(jìn)行簡化，以滿足實(shí)時繪制的需要。建模軟件——面向?qū)崟r繪制的建模軟件Terravista主界面此外，還有一些面向深度圖像的建模工具，如攝像采集裝置和激光掃描儀附帶的軟件系統(tǒng)。這些軟件系統(tǒng)專門處理通過相應(yīng)設(shè)備采集到的深度圖像，并生成幾何模型。例如微軟公司的Kinect配套的KinectforwindowsSDK的界面。在SDK中專門集成了KinectFusion等算法，實(shí)現(xiàn)從深度相機(jī)的標(biāo)定、3D點(diǎn)云建模、表面網(wǎng)格生成以及骨架標(biāo)定等。建模軟件——面向?qū)崟r繪制的建模軟件Kinect

SDK主界面最初的Web3D標(biāo)準(zhǔn)是VRML（VirtualRealityMarkupLanguage），它描述了3D景物的幾何尺寸、形狀、色彩、材質(zhì)、光照等。但是由于標(biāo)準(zhǔn)過于龐大，VRML處理效率低下，很多公司并沒有完全遵循VRML標(biāo)準(zhǔn)，而是推出自己的制作工具，使用專用的文件格式和瀏覽器插件。Web3D標(biāo)準(zhǔn)與建模工具VRML

Editor主界面1998年，VRML組織改名Web3D聯(lián)盟，同時制定了一個新標(biāo)準(zhǔn)Extensible3D（X3D）。X3D整個新出現(xiàn)的XML，Java和流傳輸?shù)燃夹g(shù)，希望提高處理能力、繪制質(zhì)量和傳輸速度。2004年8月，X3D規(guī)范被ISO批準(zhǔn)為ISO/IEC19775國際標(biāo)準(zhǔn)。但到目前為止，X3D標(biāo)準(zhǔn)仍未完全統(tǒng)一Web3D格式，面臨一些有力的競爭，如由Intel，微軟，Macromedia，Adobe，波音等公司聯(lián)合組建的3DIF（3DIndustryForum）聯(lián)盟支持的U3D（Universal3D）標(biāo)準(zhǔn)。在面向Web應(yīng)用方面也有一些基于圖像的建模工具，如Canoma、Photo3D、PhotoModeler、ImageModeler。Web3D標(biāo)準(zhǔn)與建模工具虛擬環(huán)境和對象的逼真性取決于外觀建模水平，也有賴于虛擬對象的物理建模，也就是物理引擎的實(shí)現(xiàn)。物理引擎計(jì)算虛擬環(huán)境中物體運(yùn)動、場景變化、物體與場景之間、物體與物體之間的交互作用和動力學(xué)特性效果。它通常以程序庫的形式提供，其中包括若干功能模塊，各模塊為應(yīng)用程序留出接口。它定義了一個高層的API集合，封裝了底層的物理計(jì)算細(xì)節(jié)，使得開發(fā)人員可以專注于高層應(yīng)用程序開發(fā)，大幅度縮短開發(fā)周期。物理引擎HavokPhysics是Havok公司開發(fā)的物理引擎，基于剛體動力學(xué)，能模擬多關(guān)節(jié)剛體的約束和連接，開發(fā)者可以指定對象的物理性質(zhì)，如質(zhì)量、密度、摩擦系數(shù)等。HavokPhysics引入連續(xù)碰撞檢測技術(shù)，包含RagDoll人體模型系統(tǒng)，可以表現(xiàn)車輛在虛擬環(huán)境中的各種動態(tài)效果，包括車輛間的相互碰撞和各種操作的模擬。HavokPhysics是目前應(yīng)用最為廣泛的物理引擎之一，但計(jì)算量大，對CPU等硬件要求高。物理引擎為解決物理運(yùn)算計(jì)算量大的問題，美國AGEIA公司研制了專門的物理加速硬件。該公司在2005年提出PPU（PhysicsProcessingUnit）的概念。PPU是繼GPU以后的又一次處理器功能專門化。2006年3月GDC06（GameDeveloperConference），游戲開發(fā)者會議），第一塊物理加速卡正式發(fā)布，命名為PhysX。在PPU的支持下，PhysX每秒可處理32000~50000個剛體，效率有了大幅度提高。物理引擎VR應(yīng)用中的渲染軟件主要來源于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。從圖形學(xué)發(fā)展的角度，基本可分為3層：最下層是基礎(chǔ)3D圖形繪制庫，提供一系列圖形繪制標(biāo)準(zhǔn)API；中間層是3D圖形引擎；最上層是可視化開發(fā)平臺或?qū)嶋H應(yīng)用。渲染軟件基礎(chǔ)3D圖形繪制庫主要有OpenGL、Direct3D、Java3D、Vulcan等，它們直接操作圖形硬件，提供了3D圖形繪制的底層基礎(chǔ)API。渲染軟件——基礎(chǔ)3D圖形繪制庫OpenGL是一個開放的3D圖形軟件包，具有建模、變換、顏色模式設(shè)置、光照和材質(zhì)設(shè)置、紋理映射、位圖顯示和圖像增強(qiáng)、雙緩存動畫等功能。OpenGL獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺間移植。Direct3D是微軟提供的基于COM接口標(biāo)準(zhǔn)的3D圖形API，具有良好的硬件兼容性，支持很多最新的圖形學(xué)技術(shù)成果?，F(xiàn)在幾乎所有具有3D圖形加速的顯卡都支持Direct3D。但其接口較為復(fù)雜，且只能在Windows平臺上使用。Java3DAPI是Sun定義的用來開發(fā)3D圖形和Web3D應(yīng)用程序的編程接口。除提供OpenGL，Direct3D定義的一部分底層繪制功能外，還提供了一些建造3D物體的高層構(gòu)造函數(shù)。從所處層次看，Java3D兼有基礎(chǔ)3D圖形繪制庫和3D圖形引擎的一些功能。3D圖形引擎提供面向?qū)崟rVR應(yīng)用的完整軟件開發(fā)支持，負(fù)責(zé)底層3D圖形繪制的數(shù)據(jù)組織和處理，發(fā)揮硬件的加速特性，為上層應(yīng)用程序提供有效的圖形繪制支持。圖形引擎一般包括真實(shí)感渲染、3D場景管理、聲音管理、碰撞檢測、地形匹配以及實(shí)時對象維護(hù)等功能，并提供與3D虛擬環(huán)境繪制相關(guān)的高層API渲染軟件——3D圖形引擎渲染軟件——常見的圖形引擎OpenGLPerformer是一個可擴(kuò)展的實(shí)時3D視景開發(fā)軟件包，在OpenGL圖形庫基礎(chǔ)上構(gòu)建，提供了一組標(biāo)準(zhǔn)C/C++語言綁定的編程接口，通過一個靈活的3D圖形工具集提供高性能繪制能力。OpenGVS直接架構(gòu)于OpenGL，Direct3D等3D圖形API上，包含一組面向?qū)ο蟮腃++API，封裝了繁雜的底層圖形驅(qū)動函數(shù)。這些API分為相機(jī)、通道、幀緩沖、煙霧、光源、對象、場景、特效、工具等各組資源，開發(fā)人員可以根據(jù)需要調(diào)用這些資源來驅(qū)動硬件實(shí)時產(chǎn)生所需的圖形。Vega支持多種3D模型，提供了許多可選模塊，支持導(dǎo)航、照明、動畫、人物、大規(guī)模地形、CAD數(shù)據(jù)輸入和DIS/HLA分布式應(yīng)用等需求。OpenSceneGraph（OSG）是一個基于OpenGL的開源3D圖形開發(fā)庫，提供了一套C++API，具有較完整的3D圖形開發(fā)功能，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)化、繪圖管道和自定制等操作，還可以進(jìn)行繪制性能優(yōu)化。OSG主要包括場景圖形核心、Producer庫、OpenThread庫以及用戶插件等4個部分。VTree是一個面向?qū)ο蟮?D圖形開發(fā)庫，包括一系列C++類和有關(guān)函數(shù)。VTree生成并連接不同節(jié)點(diǎn)到一個附屬于景物實(shí)體的可視化樹結(jié)構(gòu)，該樹結(jié)構(gòu)定義了對實(shí)體進(jìn)行繪制和處理的方法。VTK是一個開源庫，主要用于3D繪制、圖像處理與科學(xué)計(jì)算可視化。VTK基于面向?qū)ο笏枷?，提供一系列C++API。VTK也是基于OpenGLAPI實(shí)現(xiàn)的。渲染軟件——可視化平臺早期流行的可視化開發(fā)平臺法國達(dá)索公司的VirtoolsDevEON公司的EONStudioAct3D公司的Quest3D等近年來，一些游戲公司開發(fā)的游戲開發(fā)編輯器，也具備類似可視化開發(fā)平臺的特征，其中代表性的游戲開發(fā)編輯器有Unity3D，Unreal等渲染軟件——可視化平臺Unity3DUnity3D由丹麥Unity公司開發(fā)，是一款讓玩家輕松創(chuàng)建諸如3D視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時3D動畫等互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，也是一個全