被動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)研究

張春明 楊天鴻 鄭東純

摘要：闡述了相較于主動(dòng)立體技術(shù)，被動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)在立體展現(xiàn)方面的獨(dú)到優(yōu)勢，并針對構(gòu)建基于被動(dòng)立體技術(shù)的多通道虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)過程中的各種問題進(jìn)行研究，最后給出了相應(yīng)的解決方案，包括多通道被動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用軟件的開發(fā)要點(diǎn)與需要特別注意的事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);被動(dòng)立體;應(yīng)用系統(tǒng);開發(fā)

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方法綜述

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）是指將現(xiàn)實(shí)和虛擬相互結(jié)合，把現(xiàn)實(shí)中真實(shí)存在的物體和現(xiàn)實(shí)中不存在或肉眼看不到的物體（虛擬）用三維模型表現(xiàn)出來，再通過計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)模擬出來一個(gè)虛擬的世界，人通過顯示設(shè)備或帶有頭部跟蹤器的立體顯示器（HMD頭盔）可在其中漫游，并與之互動(dòng)，使人有一種身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)是指將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域所構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)。目前市面上有專為開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)仿真、計(jì)算可視化等高性能圖形應(yīng)用程序而設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)平臺，能夠方便快速地創(chuàng)建跨平臺的高性能交互式虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序（系統(tǒng)），如OSG、Vizard和U3D等可視化虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺。利用此類可視化開發(fā)平臺可減少在編寫源代碼上花費(fèi)的時(shí)間，以便集中精力解決專業(yè)問題。筆者最終采用傳統(tǒng)編程語言與中視典數(shù)字科技有限公司的VRP虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)平臺相結(jié)合的方法，發(fā)揮其各自優(yōu)勢，是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的一次有益嘗試。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)采用被動(dòng)立體技術(shù)的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺支持主動(dòng)立體技術(shù)和被動(dòng)立體技術(shù)，兩種立體顯示技術(shù)比各有優(yōu)缺點(diǎn)。偏光式被動(dòng)立體是電影院放映3D電影普遍采用的技術(shù)，除了要求特制的金屬幕外，只需普通投影機(jī)加上偏振片即可。而之所以最終采用被動(dòng)立體顯示模式，一個(gè)重要因素就是在二次開發(fā)等特殊場合，被動(dòng)立體技術(shù)也有著主動(dòng)立體技術(shù)無法匹敵的一些優(yōu)勢，比如：現(xiàn)階段主動(dòng)立體顯示模式仍存在一些固有的弊端，如Windows對話框和其他界面元素被信號刷新頻率達(dá)120Hz的立體視頻畫面所遮擋而無法正常顯示，也就無法實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互等。盡管立體模式下可以正常使用VRP平臺本身的界面元素，但VRP平臺除立體功能以外，在數(shù)據(jù)庫和報(bào)表等功能上十分有限。因此，筆者采用C#等通用程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)VRP平臺本身不具備的與行業(yè)應(yīng)用有關(guān)的軟件功能，再通過VRP-SDK二次開發(fā)包提供的C#開發(fā)接口，在C#語言程序中調(diào)用VRP功能，以實(shí)現(xiàn)更為逼真的立體效果（目前只支持被動(dòng)立體模式）。正是考慮上面談到的幾個(gè)因素，才促使筆者采用一種變通方法，即采用被動(dòng)立體技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用軟件的立體顯示，而且所有Windows對話框和界面元素均可正常顯示。

3 關(guān)于基于被動(dòng)立體技術(shù)開發(fā)多通道虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的研究

不失一般性，本文以雙通道為例介紹了多通道被動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程。

3.1 多通道被動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件構(gòu)成及配置方法

硬件組成：架設(shè)的被動(dòng)立體系統(tǒng)硬件包括一塊金屬大屏幕、兩臺VRP工作站 （配置完全相同的主機(jī)）、一臺視頻矩陣、兩臺融合機(jī)和四臺被動(dòng)立體投影機(jī)和兩臺監(jiān)視器，并通過交換機(jī)連接成一個(gè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。矩陣切換器的輸入與VRP工作站相連，輸出與融合機(jī)相連，最后將經(jīng)融合機(jī)融合后的立體信號輸出到對應(yīng)的投影機(jī)。

融合機(jī)設(shè)置：融合機(jī)采用上海交大的Media Master融合機(jī)產(chǎn)品，左右通道畫面在融合機(jī)內(nèi)部融合后分別輸出到相應(yīng)的投影機(jī)上，供左眼或右眼觀看。兩臺融合機(jī)的IP地址分別為192.168.0.160/161（分別用于控制上方/下方的2臺投影機(jī)），其上運(yùn)行的Media Master播放端軟件顯示的內(nèi)容即是兩臺VRP工作站輸出的畫面經(jīng)過融合后的結(jié)果。廠家約定從IP地址為192.168.0.100/101的任一電腦上啟動(dòng)Media Master融合機(jī)控制端軟件可以設(shè)置和控制IP地址為192.168.0.160/161的融合機(jī)上運(yùn)行的Media Master融合機(jī)播放端軟件。

多通道設(shè)置：把運(yùn)行VRP 多通道管理器netmanserver程序的一臺VRP工作站（IP地址設(shè)為192.168.20.1）作為多通道被動(dòng)立體系統(tǒng)的服務(wù)器端，而把運(yùn)行netmanclient程序的另一臺VRP工作站（IP地址設(shè)為192.168.20.2）作為多通道被動(dòng)立體系統(tǒng)的客戶端。在VRP工作站上啟動(dòng)VRP編輯器或播放器后，按F4鍵進(jìn)入多通道設(shè)置，如圖2所示。注：工作站上必須插入VRP立體加密狗才會(huì)顯示出多通道設(shè)置對話框。服務(wù)器端多通道設(shè)置對話框中的客戶機(jī)列表將顯示所有正在運(yùn)行服務(wù)端程序和客戶端程序的工作站IP地址列表，其中標(biāo)注（S）的客戶機(jī)為多通道服務(wù)端，余下的為客戶端;M和S分別表示主屏和副屏。選擇相應(yīng)的客戶機(jī)后，“融合系數(shù)”區(qū)將分別會(huì)顯示出其對應(yīng)的融合系數(shù)設(shè)置，如192.168.20.1（S） M對應(yīng)的融合寬度為224和128，192.168.20.1（S） S 對應(yīng)的融合寬度為224和224，以此類推。將設(shè)置好的參數(shù)保存到指定的多通道配置文件中，供用戶在自己的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序中通過代碼調(diào)用。Netman客戶端的VRP多通道設(shè)置對話框僅用于建立與服務(wù)端的連接。

3.2多通道被動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用軟件開發(fā)要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

在VRP-SDK 12.0虛擬現(xiàn)實(shí)二次開發(fā)平臺的基礎(chǔ)上，使用C#語言開發(fā)了井下定位和微震監(jiān)測等多通道被動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用軟件。所開發(fā)的程序可以根據(jù)傳入?yún)?shù)自動(dòng)適應(yīng)各種不同的場合，如立體和非立體（常規(guī)）環(huán)境，以及分別作為服務(wù)端和客戶端運(yùn)行等。被動(dòng)立體軟件的制作不同于普通程序，特別要注意生成左右眼圖像都必須使用全屏模式，而且要重點(diǎn)考慮左右眼同一幀畫面的同步問題。經(jīng)過手工同步后，進(jìn)入偏光眼鏡的左右眼圖像才能在大腦中形成正確的立體視覺。這也是制作被動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用軟件的難點(diǎn)所在。

開發(fā)多通道被動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)時(shí)，要求所有通道的交互操作必須使用同步鼠標(biāo)完成，以便各VRP工作站可以同步工作。這就要求所有通道的屏幕設(shè)置完全相同，如1號顯示器和2號顯示器分辨率分別為2048 * 768和 1920 * 1080。Windows底部任務(wù)欄設(shè)置也必須完全相同，如自動(dòng)隱藏等。否則，當(dāng)用同步鼠標(biāo)選擇同一控件時(shí)由于屏幕設(shè)置存在差異而導(dǎo)致完全不同的操作結(jié)果，如不同的工作站選擇了不同的記錄等。

為避免出現(xiàn)上述問題，可以對虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用軟件進(jìn)行特殊處理，即通過在程序中禁止在客戶端程序里顯示交互界面（包括鼠標(biāo)鍵盤操作）來解決這一問題。

此外，在多通道方案中服務(wù)端和客戶端軟件之間不可避免存在同步差異，導(dǎo)致服務(wù)端角色的動(dòng)作與客戶端角色的步調(diào)相差很大。這些都需要在軟件中采取一定的措施和技巧加以避免，如先讓客戶端執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作，然后服務(wù)器端再執(zhí)行同一個(gè)動(dòng)作，這是因?yàn)橄蚩蛻舳税l(fā)出指令以及客戶端執(zhí)行指令都需要一定的時(shí)間可能會(huì)造成一些延遲，通過這樣處理以后便可以最大限度地保持同步。所有單步動(dòng)作都要參照上述步驟進(jìn)行處理。

3.3多通道被動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用軟件的安裝和調(diào)用方法

由于開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用軟件是作為多通道管理器NetMan程序的子進(jìn)程使用，因此，程序的啟動(dòng)調(diào)用及參數(shù)設(shè)置均需要通過NetMan讀寫位于服務(wù)器端config子目錄中的腳本文件Command.txt實(shí)現(xiàn)。該文件中包括用[]分隔的很多節(jié)，例如：[0-0]表示其后為位于第一行第一列（行和列均從0開始計(jì)算）按鈕所對應(yīng)的VRP應(yīng)用程序的參數(shù)。

假設(shè)已完成虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)“基于被動(dòng)立體技術(shù)的井下人員定位軟件”的開發(fā)，下面分別在兩臺VRP工作站上安裝該軟件，即拷貝到兩臺主機(jī)的相同文件夾當(dāng)中，如D：＼demo文件夾。然后在服務(wù)器端VRP工作站上設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，并將結(jié)果也保存在上述腳本文件中。要將NetMan程序第二行第一列的按鈕設(shè)為井下人員定位軟件的快捷按鈕，需要在command.txt文件中增加[1-0]一節(jié)。先將caption設(shè)置為“井下人員定位”，即顯示在該按鈕上的文本，再設(shè)置分別在兩臺工作站上運(yùn)行的動(dòng)作act1和act2。由于用VRP開發(fā)出的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用軟件為可執(zhí)行文件，因此需要對兩行命令做大幅度的修改。修改前，需分別將事先拷貝到兩臺VRP工作站“D：＼demo文件夾＼人員定位”文件夾下的VRP二次開發(fā)程序可執(zhí)行文件gp.exe重命名為VRP-Player.EXE，這樣做的好處是netman服務(wù)端程序在最大化、關(guān)閉本軟件的窗口時(shí)會(huì)與其管理其他VRP程序的方法一視同仁，省去了額外編寫程序的麻煩。下一步是設(shè)置動(dòng)作act1和act2的命令行及參數(shù)，用該軟件自己的命令行參數(shù)/S和/C（分別代表作為多通道被動(dòng)立體系統(tǒng)服務(wù)端程序運(yùn)行和作為客戶端程序運(yùn)行）替換掉原來的VRP播放器命令行參數(shù)/server和/client。另外，命令行參數(shù)后面的帶路徑文件名（如：D：＼VRP＼aaa.多通道配置）為上述調(diào)試好的多通道配置文件。

設(shè)置完后，點(diǎn)擊多通道管理器NetMan服務(wù)端程序的“井下人員定位”快捷程序圖標(biāo)，將分別在兩臺VRP工作站上自動(dòng)啟動(dòng)井下人員定位程序的服務(wù)端和客戶端程序。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】