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当前,以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的虚拟现实技术是一个热点研究领域,其应用越来越广泛。和其他计算机系统不同的是,虚拟现实系统利用计算机模拟产生一个三维空间虚拟世界,提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟,可以使得用户实时地与虚拟世界交互,获得身临其境的感觉。
多通道虚拟现实系统是一种沉浸式虚拟仿真环境,一般采用环形的投影屏幕作为投射载体。可为用户提供团体式参与,集体观看具有高度临场感的沉浸型虚拟空间环境,让所要交互的虚拟三维世界高度逼真地浮现于参与者的眼前,再结合数据手套、6自由度位置跟踪系统或其他交互设备,用户可从不同的角度和方位自由地交互、操纵,实现三维虚拟世界的实时交互和漫游。此类系统通常用于一些大型的虚拟仿真应用,比如数字城市规划、虚拟战场环境等。
然而,其多通道环幕显示特征导致了它的技术复杂性,通常一个完整的环幕投影系统需要有以下几项强有力的核心技术做支撑:数字几何矫正(即非线性失真矫正)技术、多通道视景同步控制技术、数字图像边缘融合技术、实时渲染技术。
本文是结合由国土资源部中国地质调查局与上海市人民政府合作项目“上海市三维城市地质调查”专题项目之一,名称为“上海市三维可视化城市地质基础信息与咨询服务系统研发”,其中的多通道虚拟现实子系统完成的。
本文首先介绍了课题来源、研究意义以及多通道虚拟现实技术的概况。
在第二章,以三通道为例,介绍了多通道被动式立体的硬件结构,结合系统的硬件结构图和原理图,分析了其工作原理。在此基础之上,介绍网络模型、网络协议和通信协议的选择和设计,详细介绍了多通道虚拟现实插件(VR-Plugin)的设计与实现。该插件由三层构成,即通信层、功能层和插件层。通信层采用面向对象的原则,对TCP和UDP网络协议进行封装,所有信息的传输统一以消息的形式进行。功能层实现了多种通信协议,主要包括联结管理协议、漫游控制协议、图层协议、交互协议、数据传输协议等。插件层提供用户交互的界面。
在第三章对多通道虚拟现实关键技术进行了研究。介绍了立体显示的原理与实现、视差和视深度调节、几何校正、网络同步以及几个性能优化策略:并行绘制、基于图像的渲染技术和场景管理。
在第四章我们介绍了网络立体环境下的应用开发,以及在城市地质领域的应用。在VR-Plugin的支撑之下,建立城市地质相关的钻孔实体、工程地质、河口海岸、地表曲面、地下管线和地下构筑物等地质体进行三维建模,进而实现对含水层结构、地面沉降等地质问题进行三维空间分析。在文章的最后,作者得出结论,并指出了一些关键问题和未来工作的发展趋势。