基于虚拟现实技术的三维虚拟环境研究

摘要：虚拟现实是近年来十分活跃的技术研究领域，是一系列高新技术的汇集，它能给用户更为逼真的体验。文章通过分析研究三维虚拟环境框架的体系结构，对软件模块进行分层，比较筛选多种三维图形引擎，最终选择通过OpenSceneGraph（OSG）作为虚拟场景图形引擎，实现绘制三维虚拟环境。分析研究如何操作和改造虚拟环境中的对象，实现虚拟环境中的人机交互。

关键词：虚拟现实技术；三维虚拟环境；人机交互；三维图形引擎；沉浸式

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）33-8066-03

伴随着制造企业信息化进程的不断发展，仿真建模在产品制造中的应用也由分散到集成，由局部到全局，并且更加注重可视化技术的应用和与用户之间的交互[1]。采用虚拟现实技术为相关装置构造虚拟环境可以摆脱传统仿真培训系统中所存在的一些不足，例如在软件仿真中，主要以图、图表、照片和现场录像等传统多媒体方式为表现手段，真实感和临场感都较为欠缺；而在物理仿真中，系统复杂、庞大难于实现，虚拟现实技术可以在很大程度上提高场景的沉浸感和真实感。

1　三维虚拟环境框架

虚拟环境的开发涉及了网络技术、并行处理技术、人工智能、高性能计算技术、模式识别、传感技术、计算机图形学、图像处理等技术，还涉及社会学、美学、气象、通信、物理、数学等学科，复杂程度可想而知。虚拟现实要达到实现自然实时交互和逼真的多种感觉的要求，其组成主要应包括几方面：虚拟环境生成系统，产生实时的图像；用以确定参与者位置和动作的定位跟踪系统；提供虚拟空间多用户协同交互功能的网络接口；含有CAVE、PowerWall、立体显示设备的沉浸式显示系统；提供立体声源和判定空间位置的音效系统；提供参与者感知力与压力的反馈的触觉和力反馈系统。

虚拟环境[2]框架的功能主要体现在：首先支持对象的属性和交互的订购，同时提供回调和事件的通知机制，支持HLA的各种时间管理策略，从而达到在全部联邦范围内的对象可以根据已给定的时序和消息传递关系来工作；其次是提供与各种对象定位、创建、删除等相关的服务，并且分类、统一组织管理不同功能和不同性质的仿真实体，即是对虚拟场景的结构和组织管理；最后还可以通过事件驱动和回调函数机制和场景对象组织、仿真对象管理功能集成，沉浸式人机交互设备和接口的集成。

根据软件模块[3]的分层结构，我们把系统分为三个层次，如图2所示，即用户界面层、交互层和数据服务，虚拟环境和仿真管理层。

界面层提供的用户界面输入可以接收用户对数据的访问请求，然后经环境和仿真层的相关转换成为对数据服务层的访问请求，然后数据服务层将其处理后通过中间层传送给界面层进行最终的输出。

实现虚拟场景的基础是三维图形引擎。现在，开发者较多使用可以提供功能强大模块的较为流行的绘制引擎，例如OpenGVS、CG2公司的Vtree和Multigen公司的Vega等，但是它们也存在很多不足：商业引擎开发缺乏灵活性，因为其一般都不提供底层开发接口，从而限制功能的扩展；商业引擎无法渲染出较为逼真的场景效果，浪费GPU的处理能力从而影响系统实时性；由于其功能繁多，产生冗余代码也多，影响其运行效率。

介于以上图形引擎的诸多不足，OpenSceneGraph（OSG）作为虚拟场景图形引擎，是一个跨平台的、开放源码的、高效的三维图形引擎，目前应用于高性能图形设计领域中，例如虚拟现实、游戏、仿真、科学可视化等。OSG不仅提供基于OpenGL的面向对象的框架，还有加快图形应用开发的附加功能模块和可扩展接口库。

2　基于情景上下文的虚拟交互

随着虚拟现实技术的不断发展以及人机交互在其中所占有的重要地位，虚拟环境和其参与者的人机交互作用赋予了新的内涵。沉浸式虚拟环境[4-5]让用户有一种“身临其境”的感觉，这也正是用户与对象之间进行交互的过程，其归根结底要解决如何操作和改造虚拟环境中的对象。

2.1　语义对象与交互行为

“信息透镜”概念指的是界面对象通过视图的不同缩放比例来显示相对应的外观信息，这是Jazz在可伸缩用户界面中提出的早期语义对象的概念；再如“按需提供细节（the　mantra　of　detail.on.demand）”的技术[6]是Ben　Shneiderman在信息可视化系统中提出的。

语义对象的定义可以从实现面向语义的高层交互隐喻的目标这个角度来诠释，一个语义对象由交互构件（interaction　component）、图形构件（graphics　component）、规则构件（rule　component）、和应用构件（application　component）　行为构件（behavior　componen0构成.在虚拟环境中的虚拟对象，它的语义一般包括一系列行为状态和规则事件。换句话说，存在于虚拟环境中为用户所感知的对象或者物体（包含其交互上下文的语义信息和外观几何信息）按照相应的规则反馈和相应所发生的交互事件，继而完成相应任务。

通过我们分析观察的上文所提及的事件，　在人机交互中多由用户所触发，一般分为虚拟场景中用户化身的位置变化即化身位置感应（PositionRps）和用户在虚拟对象[7]上进行各种交互操作的用户手势操作（GestOpt）。语义模型可以很好的解决场景图处理不好交互语义的问题，它是具有特定应用含义和组织形式的场景构成模式，达到易于操作处理用户界面的目的。

在实际操作中，我们一般会遇到的例如对象在化身可操作范围内时处于“可操作”状态，离开操作范围后变为“不可操作”状态，或者鼠标的各项操作和三维手势等。

1）规则构件[8]：在我们的现实世界里，有很多操作都会有特定的先后顺序，比如先倒水再喝水，在虚拟世界中我们把它看作是是否响应事件和如何响应事件，规则构件则表达了虚拟对象的交互规则和约束。另外，在现实世界里某些对象具有特定的供给属性，比方说人可以在水里游泳却不可以在陆地上，这就说明了水具有可以游泳的供给，而陆地不具备，所以规则构件还含有某些特定的供给属性，这也同时决定了某些对象的交互特性。

2）图形构件：在某些情况下，当我们需要对图形构件进行更进一步的抽象来实现高层交互语义时，接收的输入内容含有复杂的交互行为指令，这时图形构件就发挥了作用。它包含了虚拟对象的诸如纹理、颜色、材质、形状等属性、语音信息以及动态特征等，方便同一层次中的交互行为。

3）应用构件：当用户和虚拟环境发生交互时，当图形构件提供相应的视听觉方面的线索于反馈时，应用构件表达与之相关的应用任务，并由交互构件触发执行。

4）交互构件：交互构件可以处理基本的交互事件如点击和拖拽等，还可以处理完成给复杂的例如三维手势的交互性操作。它主要做了处理接收和交互分发的工作，处理接收转化用户的交互操作以及语义对象能够相应的交互事件，将其发送给行为构件来执行。为实现复杂的交互操作，分析和推理交互事件通过调用规则构件来进行。

5）行为构件：行为构件反应了虚拟环境中相应对象的各种行为，在人机交互的过程当中，通过调用图形构件的功能来实现执行对象的行为。这些行为描述了语义对象对对象状态变化和语义对象对用户交互动作的响应。行为构件接收交互构件所发来的查询命令，将反馈状态的信息发送给交互构件，交互构件因此来分析判断最终决定执行何种交互行为。

语义对象体系结构[9]中的各个构件之间通过查询规则状态、反馈对象的行为规则及状态或者功能调用来实现它们之间的通信，实现从输入“事件”到输出“反馈”的流程。在虚拟环境中，通过加入交互语义IS=来识别虚拟对象需要执行的交互任务。交互对象为Object，用谓词逻辑演算表达式来描述的触发交互行为的规则为rule，参与者和相应的交互对象所产生的动作为action，交互结果即所执行的交互任务为task，交互产后后的多感知通道级视听觉和触觉等的反馈为feedback。

综上所述，我们通过一张图来说明语义对象解析和响应交互事件的过程：首先，经过系统的分析整合，用户的实际操作封装成交互事件传递给正在交互的虚拟对象；其次，语义动作的生成，通过查询该虚拟对象的语义规则然后将交互事件附上特定的语义属性；最后，系统判断做动作反馈还是进行导航，还是选择、操作或者控制任务，如果是反馈，则包括纹理、材质或颜色等可视化表达信息和旋转平移等几何变换。

如何让用户根据实际感知来和虚拟环境进行交互？通过人机接口系统将虚拟环境中的压力、音响、图像等信息传送到这个封闭回路系统中的重要角色用户的感官，并及时的将用户的行为反应通过传感器进行测试来调整生成的序列。

所以，随着技术的日益完善，人已不再是被动的接受者于虚拟现实系统相对立，而是一个不可或缺的关键角色，这种观念引导着更加和谐的人与虚拟环境的关系，也让人机交互更加的人性化、真实化。

3　结束语

虚拟现实主要通过使用计算机及其外部设备生成虚拟环境，并且能够实现对其中的实体进行控制和交互操作。操作者能够很好地融入到虚拟环境中，达到一种身临其境的感觉。

它是集传感器技术、计算机图形学、计算机仿真、人工智能、人机接口等多种高科技为一体的人机交互技术。作为一种高级的人机交互技术，虚拟现实的研究主要围绕着提高系统的构想性、沉浸感、交互性来进行。随着对人类感知系统的不断深入研究，三维图形技术和多传感器技术的不断发展，虚拟现实作为一项实用技术，广泛的应用于很多领域，例如娱乐、训练、产品原型设计、教育、医疗、遥控操作等。

虚拟现实研究的热点也是重要的研究领域为虚拟环境，它是通过计算机生成听、视、触觉等感觉作用于用户，使用户产生“身临其境”感觉的交互式视景仿真系统。该文所构建的仿真虚拟环境的沉浸感还不足，可以通过结合虚拟现实技术中的传感器技术、人工智能等技术来加强，考虑逐步增加其它交互通道。

参考文献：

[1]　王晓伟.虚拟环境及其应用[J].计算机工程与应用，　1994，16（4）：60-63.

[2]　王红兵.虚拟现实技术——回顾与展望[J].计算机工程与应用，2001，37（1）.

[3]　薛晓明，敬万钧，刘锦德.虚拟环境交互技术研究[J].系统仿真学报，2001（S2）：549-552.

[4]　雷超，戴国忠.三维交互体系结构的研究与实现[J].计算机研究与发展，2001，38（5）：557-562.

[5]　李自力.虚拟现实中基于图形与图象的混合建模技术[J].中国图象图形学报，2001（1）..

[6]　刘贤梅.虚拟现实技术及其应用[J].大庆石油学院学报，2002（2）.

[7]　王炜，包卫东.虚拟仿真系统导论[M].长沙：国防大学出版社，2007.

[8]　吴旭光，杨慧珍，王新民.计算机仿真技术[M].北京：化学工业出版社，2005

[9]　马登武，孙隆和.虚拟现实技术研究综述[C]//中国体视学学会图像分析专业、中国体视学学会仿真与虚拟现实专业、中国航空学会信号与信息处理专业第一届联合学术会议论文集，2000.