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基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的自行車漫游系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)
摘要：一種實時自行車漫游系統(tǒng)（VR-BWS）。該系統(tǒng)以健身車作為人機交互的工具，綜合運用了虛擬現(xiàn)實、傳感器、DPS控制等技術(shù)，并通過立體顯示等多通道交互技術(shù)實現(xiàn)了人在虛擬環(huán)境中的漫游，使參與者在由計算機構(gòu)造的虛擬場景中獲得了如同在真實環(huán)境中騎車的體驗。關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實人機交互DSP傳感器立體顯示
虛擬現(xiàn)實是計算機生成的、給人多種感官刺激的虛擬世界（環(huán)境），是一種高級的人機交互系統(tǒng)。理想的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)當讓使用者在與虛擬環(huán)境產(chǎn)生交互行為時的感受與真實環(huán)境中的感受完全一樣。而現(xiàn)有的漫游系統(tǒng)大多采用二維交互界面，即采用鼠標（二維輸入）和鍵盤（線性輸入）作為交互設(shè)備，遵循著“窗口-圖標-菜單-指定”（Windows-Icon-Menu-Pointer,簡稱WIMP）操作范式，交互方式不合諧，不自然。本文以健身作為人機交互的工具，設(shè)計了一種實時自行車漫游系統(tǒng)VR-BWS。該系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運用了傳感器技術(shù)、DSP控制技術(shù)，采用了多線程、非阻塞的數(shù)據(jù)實時通信技術(shù)，并通過立體顯示等多通道交互技術(shù)實現(xiàn)了人在虛擬環(huán)境中的漫游，使參與者在由計算機構(gòu)造的虛擬場景中獲得了如同在真實環(huán)境中騎車的體驗，是把虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實際的一個有益嘗試，應(yīng)用前景十分廣闊。
1系統(tǒng)構(gòu)成及原理
當參與者騎在自行車上運動時，自行車的速度、方向、籠頭往上提的時間和力度以及騎車人自身重量等數(shù)據(jù)，通過傳感器實時采集，然后經(jīng)由DSP控制電路傳送到上位機中，經(jīng)過分析處理，使其在屏幕的虛擬場景得到仿真和展示，在虛擬場景里達到表演的效果；同時，當屏幕中的場景變化時，如上坡、下坡等，也可以通過控制軟件反饋到自行車的控制器上，產(chǎn)生阻尼/驅(qū)動力，使騎車人有上述場景產(chǎn)生的上、下坡的感覺，從而獲得好的沉浸感。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
2關(guān)鍵技術(shù)
2.1人機交互傳感器技術(shù)
在本自行車漫游系統(tǒng)中，主要是借助各種傳感器實時地捕捉人體作用于自行車而產(chǎn)生的各種運動參數(shù)，輸入到計算機，作用于虛擬環(huán)境，實現(xiàn)人與虛擬環(huán)境的交互。
VR-BWS中使用的傳感器有光電編碼器、角位移傳感器和力傳感器。與車輪同步施轉(zhuǎn)，并以增量式編碼方式記錄自行車車輪旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的脈沖，然后將檢測到的脈沖數(shù)據(jù)換成車輪的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，即自行車相對于某一參考點的瞬時位置；VR-BWS中使用了角位移傳感器檢測車把轉(zhuǎn)角，控制場景中視點和視線的方向；在場景中設(shè)計有沒寬度的溝壑和天塹，根據(jù)騎車人的體重和速度來判斷能否沖過去，仿真飛越長城和黃河等，因此在自行車的車把和座位處安裝了用來測量提力和人體重量的力傳感器。
2.2DSP控制技術(shù)
底層控制均由DSP系統(tǒng)完成。DSP處理系統(tǒng)的CPU采用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A，使用該芯片是為了保證上位機和下位機之間傳感器數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)雙向傳遞的實時性，減少運動跟蹤和信息反饋環(huán)節(jié)的延時。
2.2.1傳感器數(shù)據(jù)的實時采集
在DSP的事件管理器EV模塊中，有一個正交編碼脈沖電路QEP。該電路使能后，可以在編碼和計數(shù)引腳上輸入由光電編碼器產(chǎn)生的正交編碼脈沖。正交編碼脈沖電路的基可由通用定時器提供，在程序中通用定時器設(shè)置成定向增計數(shù)模式，并以正交編碼脈沖電路作為時鐘源。由角位移傳感器和力傳感器采集到的角度數(shù)據(jù)和力數(shù)據(jù)是模擬信號，通過DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）將采集到的數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后存入的結(jié)果寄存器中。
2.2.2多線程、非阻塞的實時通信技術(shù)
TMS320LF2407A的串行通信接口SCI模塊可以通過RS232轉(zhuǎn)換芯片與PC機進行異步通信。因為由傳感器實時采集到的數(shù)據(jù)通過DSP的SCI串口傳給上位機進行處理，同時虛擬場景中的地形數(shù)據(jù)需要下傳來達到控制執(zhí)行機構(gòu)輸出力矩的目的，模擬人騎自行車上、下坡時的感覺，在程序中把它設(shè)置成全雙工方式。
使用多路傳感器作為三維場景漫游的視點跟蹤傳感器時，必須不斷地從串口采集各路傳感器的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以跟蹤觀察者對視點位置和視線方向的改變。通常有兩種方式：（1）在應(yīng)用程序中創(chuàng)建定時器；（2）采用多線程的應(yīng)用程序框架。第一種方法由于控制單元是以固定的頻率向主機傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此為定時器選擇適當?shù)亩〞r周期是關(guān)鍵，否則很容易造成數(shù)據(jù)丟失。另外，由于應(yīng)用程序需要不斷地響應(yīng)定時器函數(shù)，因此三維場景的繪制速度必然會受到影響。筆者采用了第二種方法，具體如下：
在VC環(huán)境下開發(fā)了基于RS232協(xié)議的實時通信軟件，可以與虛擬環(huán)境軟件部分直接相連，并采用了多線程、非阻塞的實時漫游框架，在輔助線程中監(jiān)視串口，有數(shù)據(jù)到達時依靠事件驅(qū)動，讀入數(shù)據(jù)并向主線
程報告；并且WaitCommEvent（）、ReadFile()、WriteFile()都使用了非阻塞通信技術(shù)，依靠重疊（overlapped）讀寫操作，讓串口讀寫操作在后臺運行。每當主線程收到由輔助線程傳過來的新一幀數(shù)據(jù)后，首先對它進行判斷，只有在它相對于上一幀狀態(tài)數(shù)據(jù)的變化超過規(guī)定閾值的情況下，才能開始更新用戶視口內(nèi)的場景顯示，從而避免由于參與者的微小運動而引起的不必要的場景重繪。
2.3虛擬場景的構(gòu)造及其實時顯示技術(shù)
目前，從技術(shù)角度上講，漫游的最大難點在于建模和實時繪制，需要在模型的精細程度和繪制速度方面取一個折衷，既要保證一定的繪制質(zhì)量，又不能造成用戶的運動不適感。在建模和實時顯示方面采用了各種技術(shù)，以保證實時性。
2.3.1虛擬場景的構(gòu)建
虛擬環(huán)境中的每個物體包含形狀和外觀兩個方面，用于存儲虛擬環(huán)境中幾何模型的模型文件應(yīng)該能夠提供這兩方面的信息。同時還要滿足虛擬建模技術(shù)的三個常用指標——交互顯示能力、交互操縱能力、易于構(gòu)造的能力對虛擬對象模型的要求。OpenGL中很容易實現(xiàn)模型的各種變換、著色、光照、紋理、交互操作和動畫，但是它只能提供基本幾何元素的造型函數(shù)，使得復(fù)雜模型的建模相對困難。3DMAX等三維圖形建模工具能方便建立各種復(fù)雜特體模型，但是很難進行程序控制。因此，筆者在3DMAX等工具中建立好復(fù)雜模型后，在OpenGL中實現(xiàn)對其方便控制和變換。
本系統(tǒng)（VR-BWS）軟件部分需要享用多種公開三維格式文件數(shù)據(jù)，同時還要與數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)，VR-BWS數(shù)據(jù)流圖如圖2示。
2.3.2三維模型的實時顯示
在3DMAX等建模工具中建立好復(fù)雜模型后，可以用多種文件格式存儲。考慮到OpenGL提供了最基本的由多邊形構(gòu)造三維模型的方法，故以三角形網(wǎng)絡(luò)方式存儲。VR-BWS的軟件部分是基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)。三維圖形類、渲染場景必不可少的屬性類如：顏色類、紋理類、材質(zhì)類、光源光等均采用面對象方法對OpenGL函數(shù)進行封裝（如圖3所示），軟件的各個組成模塊使用OCX控件和COM作為標準接口。這樣既可以大大節(jié)省開發(fā)時間，又能提高渲染速度。
虛擬現(xiàn)實最重要的特性是人可以在隨意變化的交互控制下感受到場景的動態(tài)特性。而提高顯示性能的技術(shù)包括硬件和軟件兩個方面。在硬件方面，采用了高速的DSP芯片進行數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸；軟件方面建立了多線程、非阻塞的漫游框架，并采用了以下方法來提高場景畫面的刷新速度。
（1）雙緩存機制。也為顯示器建立兩個視頻緩沖區(qū)，一個用于后臺刷新屏幕，一個用于前臺繪制。當需要更新時，切換這兩個緩沖區(qū)，將原來作刷新用的緩部區(qū)用于繪制新的幀，同時將原來作繪制用的緩沖區(qū)用于刷新顯示。場景越復(fù)雜，采用雙緩存機制時間優(yōu)越性就越能得到體現(xiàn)。而且采用雙緩沖機制可以解決畫面演示過程中嚴重的“閃屏”現(xiàn)象。
（2）LOD（LevelofDetail）細節(jié)層次技術(shù)。根據(jù)兩種不同的判斷來選取細節(jié)層次不同的模型：一是距離遠近，離視點近的物體采用較高精度繪制，離視點遠的物體則用較低精度繪制；二是通過自行車的速度設(shè)定不同的閾值，根據(jù)閾值選取不同精度的模型，然后通過平滑過渡技術(shù)來顯示。
�。�3）實例技術(shù)。場景中經(jīng)常需要多個相同的虛擬物體，如完全相同的樹木等。對于這類需重復(fù)出現(xiàn)的特體，利用OpenGL庫中的顯示列表功能，將其分別定義為單獨的顯示列表，預(yù)先生成三維實體；再通過幾何變換得到其它位置的特體。在圖形顯示時，只需調(diào)用所需的顯示列表即可顯示相應(yīng)的三維實體，大大節(jié)約內(nèi)存從而提高圖形顯示速度。
�。�4）預(yù)處理技術(shù)。對一些復(fù)雜的場景模型，如路兩旁的高層建筑等，在預(yù)處理階段，只計算出顯示在觀察者視野范圍內(nèi)的場景并存放起來，在動態(tài)顯示時就無需對不可見的物體及落在所定義的觀察空間之外的物體進行繪制，從而大大減少在動態(tài)顯示時對可見性的測試和計算。
�。�5）用二維紋理代替三維模型。對漫游場景中非常復(fù)雜的細節(jié)上的物體如山坡上的植被等，若用三維模型表示，將需要大量的多邊形，但實際動態(tài)顯示時，沒必要把它們表現(xiàn)得十分精確，所以使用二維紋理代替三維模型。其方法是將復(fù)雜特體的圖像粘貼在一個平面上并放置在場景中，在三維復(fù)雜場景的實時顯示時，令該平面的法向始終指向觀察點。這樣，就形成了這些復(fù)雜物體隨著觀察方向的改變而轉(zhuǎn)動，提高了場景顯示的實時性。
3立體顯示技術(shù)
三維立體顯示技術(shù)虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)之一。要實現(xiàn)三維景觀的立體顯示，首先必須得到符合三維特征的立體圖像對。左右片對的生成可以按照以往傳統(tǒng)的單目三維圖形生成方法分別生成，即先計算左右眼的視點向量，并分別進行視點變換及首色處理，可取得左右眼的圖像。但由于左右片對圖像的相關(guān)性很強，物體在左右圖上通常只有一個視差d，而其色彩與亮度值相差很小，可以利用這一點實現(xiàn)立體片對生成的快速算法。
假設(shè)場景中任意點F(x,y,z)在左右片對中分別成像為P1（xl,yl）、Pr(xr,yr)，則可得：
其中L代表左右焦點之間的間距，f代表焦距，d代表兩眼的視差。首先分別計算得到左右眼的視點向量及其變換矩陣，而后在生成右眼圖的同時，利用式（2）計算左眼圖。在這一過程中，對離視點近的特體不采用式（2）計算，而用分別計算方法生成。這樣可以使生成的左右片對既不失真實性，又具有快速性。
采用幅分割法進行立體顯示。當顯示器進行逐行掃描時，將左右圖像按幅序交替顯示，在計算機屏幕前用液晶方式實現(xiàn)圖像分像，通過使用液晶眼鏡并利用人眼的視覺延遲就可以獲得立體視覺。立體監(jiān)視器顯示圖像的刷新頻率的高低直接關(guān)系到圖像的穩(wěn)定性，即所顯示圖像是否會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。采用刷新頻率為120Hz的監(jiān)視器，使左、右眼視圖的刷新頻率保持60Hz。在本文中，水平方向采用不同視線參數(shù)的兩幅透視圖像的實時顯示是通過軟件控制實現(xiàn)的。
4試驗結(jié)果及結(jié)論
本文實驗硬件配置為PentiumIIII2.4GHzCPU，內(nèi)存2GB，硬盤80GB，立體顯示卡為Quadro4750XGL128MB，健身車選用豪華避震式大飛輪，采用刷新頻率為120Hz的優(yōu)派21寸純平顯示器，配備裝有紅外線發(fā)射器的有源立體眼鏡。操作系統(tǒng)為Windows2000。立體圖像生成軟件和立體顯示接口軟件用VisualC++6.0編寫，三維圖像標準采用OpenGL,三維建模工具采用3Dmax和ArcInfo8.0.2。根據(jù)本文所論述的原理和方法。成功設(shè)計并實現(xiàn)了基于微機平臺的自行車三維景觀立體漫游系統(tǒng)。實驗表明，本系統(tǒng)能較好地模擬人在實際環(huán)境中騎車的感受。上述設(shè)計的原理和方法可以用于跑步機、劃船機等許多方面。
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