虚拟现实技术之图形生成加速技术

摘要：虚拟现实技术，英文Virtual Reality，简称VR。是一种理想的人机通信的技术。这项技术有沉浸感、交互性、思维构想性三个最本质的特点。而图形生成技术是虚拟现实中的核心技术之一，本文对面向虚拟现实的实时图形生成技术及其发展情况作了详细的介绍和综述。其主要内容是图形生成的硬件体系结构以及在虚拟现实的真实感图形生成中用于加速的各种有效技术。

关键词：虚拟现实技术，图形生成，图形加速

1虚拟现实技术的概念

虚拟现实技术中最本质的特点可以用三个I来概括，即Immersion沉浸感、Interaction交互性、Imagination思维构想性。沉浸感是指用户感到存在于虚拟世界中的真实程度。交互性是指用户对虚拟世界内物体的可操作程度和从虚拟世界中得到反馈的真实程度。虚拟现实技术作为一种新型的人机通信技术，区别于键盘鼠标的传统模式，利用数字头盔、数字手套等复杂的传感器设备，三维交互技术与语音识别、语音输入技术成为重要的人机交互手段。而近年来，虚拟现实技术取得了快速发展，表现出一些新的特点和发展趋势，主要是：虚拟现实建模技术、实时三维图形生成和触觉交互技术、大型网络分布式虚拟现实的研究。

2 3D图形生成技术

身临其境特征要求计算机所创建的三维虚拟环境看起来、听起来和感觉起来是真的。无疑，使用户对虚拟环境产生犹如身临其境的可行性技术的应用是虚拟现实走向成功的必要条件。这其中包括先进的交互、视频等技术的发展和应用。而对于虚拟现实的虚拟环境而言，实时动态的图形视觉效果是产生现实感觉的首要条件，舍此便无“现实”可言。因而图形快速生成技术便成为虚拟现实的关键技术。

2.1几何建模的种类

在VR虚拟环境中物体的几何建模与传统的CAD和动画建模有本质的区别后者以造型为主为了提高逼真度必须增加几何造型的复杂度而VR的3D图形生成需要兼顾实时性与真实感故采用了降低造型复杂度与增强纹理显示的方法它包括规则物体的几何建模、不规则物体的几何建模以及不规则模糊物体的几何建模。

2.2物体的几何描述

物体形状和几何属性的建模是一个巨大、丰富的研究领域。一些方法追求建模的精确性，以便确切地描述现实世界中物体的几何形状；另外一些方法则追求表达的简洁。考虑到描绘

速度，多数VR系统通过牺牲细节和精确的方法来达到描述简洁的目的。

最简单的物体是一维的点，其次是二维向量。很多CAD系统在二维视图中生成和交换数据。除了在虚拟世界中的二维平面上进行显示，2D信息对VR系统的用处不大。利用给定的两个或多个二维视图，一些程序能重构物体的三维模型。建模方法的选择与所选用的描绘方法密切相关，有些描绘器可处理多种类型的模型，但多数只能处理一种，特别是针对 VR 的描绘器更是如此。模型的复杂程度和描绘速度一般成反比，建模越复杂，细节越多，帧速度就越慢[1]。

3图形生成加速

3D图形生成技术发展较为迅速，而且人们所掌握的经验也较为丰富，主要是能够实时地根据要求形成相应的图形。针对这种情况，人们在研究过程中就需要保证该技术的图形刷新率需要保证在30帧/s，在保证图形完整、质量合格的基础上，让刷新速度变快是该技术的主要研究目的。

3.1可见性的判定

由于视线的方向性、视角的局限性以及物体相互遮挡，人眼所看到的往往只是场景中的一部分,而图形的生成是物体空间到图象空间的转换。为充分利用绘制硬件的有限资源,就必须充分利用物体空间的相关性。图象空间的相关性和时间空间的相关性可以加快可见性的判定，减小绘制深度。

对一个非常复杂的场景，物体的细节描述包含大量的多边形，这就需要一个有效的数据结构来组成场景以加快可见性的判定[2]。70年代末发展起来的物体分层次表示大大地加快了可见性的判定。层次表示的主要方法是包围盒技术和八叉树技术。这两种方法的主要特点是将场景组织成为一棵树，充分利用空间连贯性以加速场景的遍历，从而大大地减少了画面绘制过程的空间复杂度。在实时漫游时，算法利用预计算的结果实施内存与外存的调度管理，并从所得的超集计算视点对物体的可见性集合，从而有效地加速了可见性的计算。但本算法的预计算比较复杂，且目前局限于轴向的建筑模型。

3.2细节层次模型

为物体提供不同的细节层次描述是控制场景复杂度的一个非常有效的方法。在生活中我们知道，当物体离得越来越远时，人们不再能辨清该物体上的许多细节结构，如光滑的曲面。因此，绘制一个远处的物体时，用该物体细节描述非常复杂的模型是完全没有必要的，也势必白白浪费图形处理资源和处理时间[3]。在1987年，有人指出当物体仅覆盖屏幕较小区域时，可以用该物体描述较粗的模型进行绘制，以便达到快速、有效的复杂场景绘制。同时，算法根据用户定义的误差给出种子面片的近似面片集合，并根据不断合并的种子面片修改近似面片集合，直到集合为空。有了物体的细节层次模型之后，如何选择物体当前的层次描述呢。根据人的视觉特征，主要依据以下标准:①根据物体与视点的距离及物体在投影平面所占空间的大小来选择，这是最常用的方法；②根据物体与视线方向的夹角来选择，因为视网膜中心的成象看得更清楚，而周围视觉则更易觉察物体的动感；③根据人与物体是否存在相对运动来决定物体的精细程度的描述。由于运动的突发性，如何作到不同精细模型的光滑过渡仍有待于进一步解决。现行较为有效的方法是利用改进的分形空间位移插值法，实现局部区域进一步的细化，以此解决地表模型的细节层次模型的建立和实时显示问题。

3.3预测计算

预测计算是一种减少系统延迟的方法。该方法根据各种运动的速率和加速度，如人体头部转动速度，用预测、外推法在下一帧画面绘制之前估算出头部跟踪系统及其它输入设备的输入，从而减少由输入设备所带来的延迟。对人体测试表明，人体头部转动的最大速率为100度/秒，那么可以预测,到下一帧画面,人的视线方向变化大小不超过3~5度[4]。虽然预测方法根据实时所测数据可以有效地解决延迟问题，但系统对用户动作的正确反应依赖于正确的预测，据此在实际应用中，人们往往利用外插法所得的各种模拟数据的变化，如观察者的视点位置、凝视方向、各种运动问题的位置及方向来减少延迟。如系统根据预测猜定用户视点位置和视线方向，但在依据视见体判定可见面时，系统依据人体头部转动速率的测试结果将通常的视见体角度左右加大5度。在依此加大视角的视见体的可见性判定后，系统才根据这时外设输入的较精确视点位置和方向绘制图形。这一方法不仅克服了输入设备所带来的延迟问题，而且解决了由预测所引起的错误。在分布式网络虚拟现实系统中，系统根据预测估算原理来减轻网络传输负载并减少由网络传输带来的延迟。

3.4脱机计算

脱机计算是减轻计算机实时计算负载的常用方法之一。由于VR系统是一个多任务的模拟系统，所以有必要尽可能地将一些可预先计算好的结果预先计算并贮存在相应的结构中，其中包括全局光照模型、动态模型的计算等。特性处理的硬件能力尚远远满足不了VR的需求，因而在现今的条件下，实时的真实感特性生成几乎是完全不可能的。对于大多数的VR应用来说，仍是采用简单的局部光照模型，且在硬件部件的支持下实现质量并不高的特性显示。但从将来的发展来看，使用全局光照模型和显示具有复杂场景的真实感图形必然是VR所应追求的目标。就全局光照模型来说,光线跟踪技术由于其计算量大，且因其生成结果固有地与视点相关而很难进行预计算，因而这一技术几乎很难应用于VR。[5]与此相对，辐射度技术却因其计算结果与视点无关，大量计算可作预计算，因而最有希望成为用于真实感图形生成的工具。

4图形生成技术的现状

硬件基础的限制，一个高质量的虚拟现实系统，必须要求规格较高的外部设备，设备的精度和舒适度必须提高。图形生成技术还不成熟，在虚拟现实场景中图形的变化必须要跟人的动作变化相一致，而目前我们的图形生成技术还较为落后，转换的速率还不够高，图形转换不太理想。三维数据量较大，虚拟现实技术需要很多模型，因此占用的空间较大，传输的数据较多。目前的宽带速度极难跟上，可能会加大计算机的负载。

4结束语

图形生成问题很好的解决了物体建模的问题，图形生成加速又加快了建模的速度，提高了建模效率，让环境更真实。作为虚拟现实技术中的核心技术之一，契合了虚拟现实技术要求的真实感，它也可以应用于许多其他的领域。正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。我们必须清楚的认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但是仍存在许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术保障。虽然如此，但它独特的优势特长为各个领域的发展提供了一个全新的突破口。同时我相信随着网络技术的飞速发展，虚拟现实技术会得到更为长足的发展，必将会广泛的应用到人类日常生活中，为人们的生活带来全新的面貌。

参考文献

[1] 于洪川,吴福朝,阮宗才,等.VR环境图像生成中几项关键技术研究[J].计算机研究与发展, 1999(11):1349-1357.

[2] 左志强,胡世云,梁建奇,等.基于计算机图形学及VR技术的新型场景再现系统的研究[J].电脑与信息技术, 2019, 27(02):24-26.

[3] 曹硕. VR系统中图形渲染和视觉传达研究设计[J].消费导刊, 2019, 000(033):45.

[4] 陈云海. VR全景图像处理技术研究[J].广东通信技术, 2018, v.38;No.308(08):42-47.

[5]饶成,李勋祥,陈定方.细节层次技术在VR视景系统中的应用[J].湖北工业大学学报, 2005, 20(003):52-54.