基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的自行車漫游系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

當(dāng)參與者騎在自行車上運(yùn)動(dòng)時(shí)，自行車的速度、方向、籠頭往上提的時(shí)間和力度以及騎車人自身重量等數(shù)據(jù)，通過傳感器實(shí)時(shí)采集，然后經(jīng)由dsp控制電路傳送到上位機(jī)中，經(jīng)過分析處理，使其在屏幕的虛擬場(chǎng)景得到仿真和展示，在虛擬場(chǎng)景里達(dá)到表演的效果；同時(shí)，當(dāng)屏幕中的場(chǎng)景變化時(shí)，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(dòng)力，使騎車人有上述場(chǎng)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(jī)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(shí)時(shí)地捕捉人體作用于自行車而產(chǎn)生的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)，輸入到計(jì)算機(jī)，作用于虛擬環(huán)境，實(shí)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(duì)應(yīng)的脈沖，然后將檢測(cè)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(duì)于某一參考點(diǎn)的瞬時(shí)位置；vr-bws中使用了角位移傳感器檢測(cè)車把轉(zhuǎn)角，控制場(chǎng)景中視點(diǎn)和視線的方向；在場(chǎng)景中設(shè)計(jì)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(cè)量提力和人體重量的力傳感器。

2.2 dsp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(jī)和下位機(jī)之間傳感器數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)雙向傳遞的實(shí)時(shí)性，減少運(yùn)動(dòng)跟蹤和信息反饋環(huán)節(jié)的延時(shí)。

2.2.1 傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集

在dsp的事件管理器ev模塊中，有一個(gè)正交編碼脈沖電路qep。該電路使能后，可以在編碼和計(jì)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(shí)器提供，在程序中通用定時(shí)器設(shè)置成定向增計(jì)數(shù)模式，并以正交編碼脈沖電路作為時(shí)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(hào)，通過dsp的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（adc）將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)時(shí)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(jī)進(jìn)行異步通信。因?yàn)橛蓚鞲衅鲗?shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)通過dsp的sci串口傳給上位機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)虛擬場(chǎng)景中的地形數(shù)據(jù)需要下傳來達(dá)到控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩的目的，模擬人騎自行車上、下坡時(shí)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(chǎng)景漫游的視點(diǎn)跟蹤傳感器時(shí)，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(duì)視點(diǎn)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(shí)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(jī)傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此為定時(shí)器選擇適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)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(shí)器函數(shù)，因此三維場(chǎng)景的繪制速度必然會(huì)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)漫游框架，在輔助線程中監(jiān)視串口，有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)依靠事件驅(qū)動(dòng)，讀入數(shù)據(jù)并向主線程報(bào)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(tái)運(yùn)行。每當(dāng)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(duì)它進(jìn)行判斷，只有在它相對(duì)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(chǎng)景顯示，從而避免由于參與者的微小運(yùn)動(dòng)而引起的不必要的場(chǎng)景重繪。

2.3 虛擬場(chǎng)景的構(gòu)造及其實(shí)時(shí)顯示技術(shù)

目前，從技術(shù)角度上講，漫游的最大難點(diǎn)在于建模和實(shí)時(shí)繪制，需要在模型的精細(xì)程度和繪制速度方面取一個(gè)折衷，既要保證一定的繪制質(zhì)量，又不能造成用戶的運(yùn)動(dòng)不適感。在建模和實(shí)時(shí)顯示方面采用了各種技術(shù)，以保證實(shí)時(shí)性。

2.3.1 虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建

虛擬環(huán)境中的每個(gè)物體包含形狀和外觀兩個(gè)方面，用于存儲(chǔ)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(shí)還要滿足虛擬建模技術(shù)的三個(gè)常用指標(biāo)——交互顯示能力、交互操縱能力、易于構(gòu)造的能力對(duì)虛擬對(duì)象模型的要求。open gl中很容易實(shí)現(xiàn)模型的各種變換、著色、光照、紋理、交互操作和動(dòng)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(duì)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(jìn)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open gl中實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(shí)時(shí)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(chǔ)。考慮到open gl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(chǔ)。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(chǎng)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(duì)象方法對(duì)open gl函數(shù)進(jìn)行封裝（如圖3所示），軟件的各個(gè)組成模塊使用ocx控件和com作為標(biāo)準(zhǔn)接口。這樣既可以大大節(jié)省開發(fā)時(shí)間，又能提高渲染速度。

虛擬現(xiàn)實(shí)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(chǎng)景的動(dòng)態(tài)特性。而提高顯示性能的技術(shù)包括硬件和軟件兩個(gè)方面。在硬件方面，采用了高速的dsp芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(chǎng)景畫面的刷新速度。

（1）雙緩存機(jī)制。也為顯示器建立兩個(gè)視頻緩沖區(qū)，一個(gè)用于后臺(tái)刷新屏幕，一個(gè)用于前臺(tái)繪制。當(dāng)需要更新時(shí)，切換這兩個(gè)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(shí)將原來作繪制用的緩沖區(qū)用于刷新顯示。場(chǎng)景越復(fù)雜，采用雙緩存機(jī)制時(shí)間優(yōu)越性就越能得到體現(xiàn)。而且采用雙緩沖機(jī)制可以解決畫面演示過程中嚴(yán)重的“閃屏”現(xiàn)象。

（2）lod（level of detail）細(xì)節(jié)層次技術(shù)。根據(jù)兩種不同的判斷來選取細(xì)節(jié)層次不同的模型：一是距離遠(yuǎn)近，離視點(diǎn)近的物體采用較高精度繪制，離視點(diǎn)遠(yuǎn)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(shí)例技術(shù)。場(chǎng)景中經(jīng)常需要多個(gè)相同的虛擬物體，如完全相同的樹木等。對(duì)于這類需重復(fù)出現(xiàn)的特體，利用open gl庫中的顯示列表功能，將其分別定義為單獨(dú)的顯示列表，預(yù)先生成三維實(shí)體；再通過幾何變換得到其它位置的特體。在圖形顯示時(shí)，只需調(diào)用所需的顯示列表即可顯示相應(yīng)的三維實(shí)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(duì)一些復(fù)雜的場(chǎng)景模型，如路兩旁的高層建筑等，在預(yù)處理階段，只計(jì)算出顯示在觀察者視野范圍內(nèi)的場(chǎng)景并存放起來，在動(dòng)態(tài)顯示時(shí)就無需對(duì)不可見的物體及落在所定義的觀察空間之外的物體進(jìn)行繪制，從而大大減少在動(dòng)態(tài)顯示時(shí)對(duì)可見性的測(cè)試和計(jì)算。

（5）用二維紋理代替三維模型。對(duì)漫游場(chǎng)景中非常復(fù)雜的細(xì)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(shí)際動(dòng)態(tài)顯示時(shí)，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(gè)平面上并放置在場(chǎng)景中，在三維復(fù)雜場(chǎng)景的實(shí)時(shí)顯示時(shí)，令該平面的法向始終指向觀察點(diǎn)。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(dòng)，提高了場(chǎng)景顯示的實(shí)時(shí)性。

3 立體顯示技術(shù)

三維立體顯示技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)之一。要實(shí)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(duì)。左右片對(duì)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(jì)算左右眼的視點(diǎn)向量，并分別進(jìn)行視點(diǎn)變換及首色處理，可取得左右眼的圖像。但由于左右片對(duì)圖像的相關(guān)性很強(qiáng)，物體在左右圖上通常只有一個(gè)視差d，而其色彩與亮度值相差很小，可以利用這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)立體片對(duì)生成的快速算法。

假設(shè)場(chǎng)景中任意點(diǎn)f(x,y,z)在左右片對(duì)中分別成像為p1（xl,yl）、pr(xr,yr)，則可得：

其中l(wèi)代表左右焦點(diǎn)之間的間距，f代表焦距，d代表兩眼的視差。首先分別計(jì)算得到左右眼的視點(diǎn)向量及其變換矩陣，而后在生成右眼圖的同時(shí)，利用式（2）計(jì)算左眼圖。在這一過程中，對(duì)離視點(diǎn)近的特體不采用式（2）計(jì)算，而用分別計(jì)算方法生成。這樣可以使生成的左右片對(duì)既不失真實(shí)性，又具有快速性。

采用幅分割法進(jìn)行立體顯示。當(dāng)顯示器進(jìn)行逐行掃描時(shí)，將左右圖像按幅序交替顯示，在計(jì)算機(jī)屏幕前用液晶方式實(shí)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(huì)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(shí)時(shí)顯示是通過軟件控制實(shí)現(xiàn)的。

4 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)硬件配置為pentium iiii 2.4ghz cpu，內(nèi)存2gb，硬盤80gb，立體顯示卡為quadro4 750xgl128mb，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windows 2000。立體圖像生成軟件和立體顯示接口軟件用visual c++ 6.0編寫，三維圖像標(biāo)準(zhǔn)采用open gl,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(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于微機(jī)平臺(tái)的自行車三維景觀立體漫游系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)能較好地模擬人在實(shí)際環(huán)境中騎車的感受。上述設(shè)計(jì)的原理和方法可以用于跑步機(jī)、劃船機(jī)等許多方面。