仿真技术在促进虚拟网络交流中的关键突破

  仿真技术在促进虚拟网络交流中的关键突破

  张福泉

  (北京理工大学软件学院,北京100081)

  摘要:在信息时代,网络交流无论在深度还是在广度上都颠覆了传统意义上的交流,成为人们生活的重要组成部分,它不但满足了人们的内在需要,扩大了人们的社交范围,而且改变了人们的生活方式。计算机仿真技术作为一门专门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术,为促进网络社会的交流提供了较好的技术基础。本文通过对计算机仿真技术和网络虚拟交流平台的研究,对仿真技术在促进网络交流方面的技术突破点进行了详细的介绍。

  教育期刊网 http://www.jyqkw.com关键词:仿真技术;网络交流;虚拟;关键突破

  DOI:10.16083/j.cnki.-1296/G4.2015.02.066

  中图分类号:O245文献标识码:A文章编号:1671—1580(2015)02—0151—02

  本文受国家科技支撑计划项目(2012BAH38F01-05)资助。

  收稿日期:2014—09—12

  作者简介:张福泉(1975— ),男,福建福州人。北京理工大学软件学院在读博士,闽江学院计算机科学系,副教授,研究方向:流媒体智能存取技术,智能化数字表演与仿真技术。

  一、虚拟网络交流的重要平台及其发展趋势

  随着网络技术的发展,人们的交流方式发生了巨大的变化,低效率的传统交流方式逐渐被网络交流方式所取代。网络交流以网络作为信息的载体,将互联网作为交流分享的平台,极大地提升了交流的即时性和效率。

  当前,网络交流平台主要包括即时通信交流平台、信息发布互动平台、网络商品交易平台和在线交流平台。无论人们在哪一个平台进行网络交流,对交流过程的快速、真实、便利的追求都永无止境,这极大地推动了仿真技术等计算机网络技术的进一步发展,也为仿真技术的发展指明了方向。首先,虽然网络交流平台的种类越来越多,网络交流的方式越来越繁杂,但是,单一的网络交流平台无法满足人们的需要,未来网络交流平台不仅能实现“现实人”与“虚拟人”的交流,还将实现“现实人”、“虚拟人”以及“虚拟物”之间的交流。其次,网络交流平台毕竟都是虚拟环境下的交流,无法满足人们相互之间真实的精神情感交流的需要。随着计算机网络技术的发展,网络交流的可视化、智慧化以及无障碍交流必将成为新的发展趋势,追求虚拟现实世界成为计算机仿真技术的发展方向。

  二、可视化仿真技术在虚拟网络交流中的技术突破

  可视化仿真技术指的是将仿真中的数字信息变为直观的、以图形图像形式表示的、随时间和空间变化的仿真过程呈现的技术手段。可视化仿真技术是仿真领域的重要研究分支,包括了可视化算法、实时绘制、图像生成、多通道及多视点显示、人机交互、分布式与并行计算、软件工程学、效果评估等理论技术以及各行业相关的建模技术,等等。

  (一)可视化仿真软件的智能化、自动化。随着网络交流的不断深化和发展,实体动态、智能视点选取成为可视化软件的发展潮流。1.实体动态生成。在仿真开始前先在想定仿真节点编制好态势变化的想定文件,在仿真过程中通过节点的仿真软件对想定文件进行动态解析,从而实现对不同仿真节点的动态匹配。实体动态生成技术的优点在于将网络交流的不同需求进行分散化建模,简化了仿真建模的复杂性。2.视点智能选取。Vega是可视化视点选取使用较为广泛的工具,带有静止、运动模式等多种视点方式,但是,Vega等工具的固定观看模式无法充分体现复杂系统仿真过程中各个实体、事件、环境、场景、系统的实时运动变化情况,要实现对虚拟环境的实时、动态的视点管理,就需要全局漫游、俯视以及智能眼视点等模式。

  (二)可视化仿真建模的三维实体柔性技术。智能视点实现了对具有固定实体的动态实时仿真,对于没有固定形状,并且随着时间和过程不断变化的实体,例如云、风、烟雾弹等柔性体,则需要采用柔性仿真技术,通过对物体的运动特性、机理以及作用建立起这些柔性体特殊的动力学和运动学模型,进行可视化绘制,实现对柔性体的三维仿真。

  (三)可视化仿真实时性和逼真度的技术实现。实时和逼真是虚拟网络交流追求的两个重点,在技术进步的基础上实现两者的最大突破成为可视化仿真技术不断进步的动力。在硬件方面,通过提升计算机运行芯片的计算性能和处理模式来实现快速绘制;在软件方面,借助网络技术以及网格技术的并行计算、分布式计算,可以逐步优化软件结构和代码,减少计算量,从而提升绘制速度。

  (四)非视觉物理量的可视化技术。在现实社会中不仅存在看得见、摸得到的实体,还存在不可见的非视觉物理量

  (例如磁场、温度场、水声场、电场等)

  。要实现虚拟社会交流的真实性,非视觉物理量的可视化技术也是非常重要的突破。非视觉物理量可视化仿真的关键技术是三维数据场仿真,一般通过两个途径来实现:1.对三维数据生成的等值面进行绘制,这是基于面的可视化,主要方法有切片技术、几何变形曲面法以及网格划分法等。2.将三维数据投影到计算机,再通过体绘制技术进行绘制,这是基于投影的可视化。

  三、虚拟现实技术在促进虚拟网络交流中的关键突破

  虚拟现实(VR)技术通过虚拟的“现实人”体验来表达、获取信息,集合了多种计算机技术,例如人工智能、控制论、数据库、计算机图形学、实时计算技术、人机接口技术、电子传感技术、机器人、多媒体以及遥现技术,等等,是一种最有效模拟“现实人”在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。通过VR技术,创造出一个“现实人”可以与虚拟世界进行对话、虚拟世界对“现实人”的行为作出反应的人机交互环境,同时,表现出虚拟世界的自律、临场感,使得“现实人”具有身临其境的感觉,这也正是人们在进行虚拟网络社会交流时所极力追求的体验。

  (一)VR的视觉表现技术。真实感以及图形图像实时绘制是实现VR视觉感知的重要手段之一,也是构造虚拟环境的核心,更高、更强的真实感和实时性不但保证了VR系统的沉浸感和交互性,而且也是VR视觉表现技术所追逐的重要目标。图形图像绘制是VR视觉表现的基础,一般可以分为:1.图形绘制技术,主要研究真实感光照计算、自然景物绘制以及纹理映射等;2.场景绘制技术,包括全光函数、光场计算、同心拼图、全景拼图等研究内容;3.图像与图像相结合的绘制技术,包括几何一致性以及光照一致性等方面的内容。

  (二)VR的听觉表现技术。听觉是人类感知世界的重要信息来源,虚拟社会中的每一个发声体都是“现实人”感知虚拟社会信息的一个重要来源。事实上,我们在网络上感知的声音素材大部分都是数字化音频,由于不具有空间信息,无法体现虚拟社会听觉空间的真实感和立体感,而通过描述人的听觉系统对不同方位声音的不同频谱特性(头部相关传输函数:HRTF),例如双耳时间差、声级差等,可以建立起虚拟听觉空间(VAS),其中的声音定位技术是实现三维逼真音效的关键技术。

  (三)VR的力/触觉表现技术。VR通过力/触觉设备对力/触觉信息(主要包括碰撞检测和碰撞响应)进行高效处理,在客户操作力/触觉设备时,碰撞检测算法对“现实人”与虚拟对象的碰撞情况进行检测,并在发生碰撞后运行碰撞响应策略。

  (四)VR的嗅/味觉表现技术。在现实社会,人的嗅觉是由化学刺激产生的,而且气味间细微的差别都会引发不同人的不同反应,显然,要对虚拟社会的嗅/味觉进行高仿真,现在还存在一定的困难,这也将成为未来VR技术研究的重要方向,现阶段有许多科学家进行了有益的探索。例如:Amoore J.E就曾想用基本的七种气味来进行合成,但真实度不高。

  虽然仿真技术为促进虚拟网络交流进行了各种关键技术的突破,实现了虚拟社会的可视化和可交流,但离现实社会中人与人的真实交往还存在一定的差距,而且虚拟社会中“现实人”、“虚拟人”以及“虚拟物”的相互交流还存在一定的障碍,需要进行进一步的仿真技术研究才能更好地实现。

  [教育期刊网 http://www.jyqkw.com参考文献]

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