在虚拟现实中一儿科行走的低成本实现.doc

1、在虚拟现实中一儿科行走的低成本实现摘要虚拟现实技术在现在已经显示了极大的优势，随着可供用户叫交互开发的虚拟现实开发环境的软件工具的开发成功。这些工具在培训与训练上已经有很都得应用。论文研究了利用以虚拟现实软件工具研究儿童在面对现实道路安全时的境况。在美国5-9岁儿童中步行受伤是一大致死因素，这也使得这个研究有非常必要进行。被选中的虚拟现实工具包括虚拟现实软件和硬件，它们被用来仿真一个典型步行者在横过马路时所面对的的现实环境。虚拟现实工具提供一个街道环境来仿真交通图和一具体化代表步行者。研究的目的是训练儿童安全的通过街道避免交通事故。虚拟现实环境允许使用者进行横过街道的行为在一可控的环境下1.导

2、言VR已经成为一学科并且在最近的几十年中技术逐渐成熟， 随着软件和硬件技术在这几年的发展此技术的成本正逐步降低 。如此迅速的发展已经是VR成为许多应用领域的首选技术。将计算机作为一个工具，在许多领域中整合3D仿真具有普遍的适应性。不但国防，汽车，航空等工业在现在一大量受益于VR的发展，而且其他行业也正逐渐地应用VR技术获益。论文讨论利用VR技术是现在儿童步行安全中的应用。据FARSi的国家高速公路交通安全委员会的年度报告，在美国至少超过308个市县高于90%的儿童致死率是由于公路交通造成的，.这使得研究儿童安全行走是非常必要的，这也就使得应用VR技术作为一个经济的有实践意义的选择，这给研究儿童

3、安全行走提供了一个良好的基础，以及需要采取VR技术作为一种经济实用的选择2. 理论框架VR技术为训练儿童安全地行走马路提供了基础的工具手段。2.1. VR软件虚拟现实技术在很大程度上依赖于计算机以硬件以及软件形式提供的提供的资源。该软件需要包括建模 工具，应用程序接口（API）以及驱动程序/引擎2.2. VR硬件VR技术一直代表着独特的和昂贵的硬件随着技术的发展现在市场上已经有很多不同的适合的硬件设备。许多通用的硬件包括HMD CAVE和虚拟手套2.3. VR环境虚拟环境是VR技术最为重要的一部分之一。现实世界的对象实体，以及场景被描述成环境中的逼真的可视对象。虚拟环境为一个VR系统提供了渲染

4、或者增加必须的基础。这些环境视应用情况可以是平面2D的也可以使空间三维的。2.4.理论模型模型如图片1所示。项目S引入一虚拟环境。虚拟环境给项目提供了音频及视频效果。根据音频及视频提供的反馈，对象决定是否横过虚拟环境的马路 。对象的判断通过传感器传到系统。系统以动画的形式通过传感器输出场景，如果与虚拟化环境中的汽车发生冲突则表示行为是成功的，如果与虚拟现实中的一个汽车发生冲突则表示行为操作失败，将通过输出提供给用户对象。图片1 VR工具的理论模型3.方法本节讨论解决问题的不同的方法和实现虚拟环境最适合的工具集。这些步骤包括考虑基于REAL关于效率的理论，态度以及学习能力。3.1.场景的选择场景

5、的选择是重要的，因为如果用户能根据提供场景由实际地址的辨认出那么将对应用更加有帮助。相关性是REAL设计方法的第一因素。作者实际访问啦伯明翰及其附近的一些地方，经过仔细筛选根据图片及实际考察选择了一理想的场景，尽管如此 为了这个研究目的，假想和设计出一个虚假的场景。3.2. 3D模型软件的选择适合的3D模型设计软件的选择是此项目最为苛刻的任务的一部分。先列出了3D模型工具清单然后根据适合性在实施中选择最为实用的一个。学习能力及效率作为REAL理论方法的一部分变得更为重要。Maya, 3D Studio Max, Lightwave, and Blender是其中考虑选择的工具。表1 3D模型软

6、件的比较软件制造商：1 Maya Alias Inc.2 3D Studio Max Discreet Inc.3 Lightwave 3D NewTek Inc.4 Blender Open Source3.3.驱动引擎的选择从动画角度来看驱动或者引擎的选择是非常重要的。使用驱动可以利用所选择的3D模型软件给模型设计带来非常生动的动画效果在选择驱动的时候效率及易用性或可学习性是首要考虑因素。驱动的选择比较如下表表2 驱动/引擎的比较选择驱动制造商：1 OGRE Open Source2 Crystal Space Open Source3 Genesis 3D Open Source4 3D

7、 Game Maker Game Makers Inc.3.4.硬件的选择硬件是一个VR系统最为关键的组件。硬件能够在提供完美的音频 视频，动画的输出的处理能力是非常重要的。表3 给出了一些普通VR工具中典型硬件。表3 硬件和说明4.设计设计初步定为虚拟世界模型设计及动画输出部分的模型设计4.1设计建议的配置此设计的主要目标是设计一有用的的成本的VR技术给训练儿童行走安全提供帮助此节为阐述对这个工具的设计。图2数目了这个设计的原理图，此图基于CAVE设计解决方案。在图2中，A代表五个屏幕设置，将模拟的180 视场，将目前的虚拟环境按不同视角提供给用户D .这个解决方案类似于CAVE早期的设计理

8、念。尽管如此，如图8所示安装应跟实际地考虑作为CAVE设计的一部分，因为它并位提供给用户D一个完整的视图。B是压力传感器垫，表示遏制。音频效果将提供环绕立体声扬声器C。图 2. VR工具的建议设计4.2.设计的测试模型基本特征和玛雅人工具被用来 建立房屋和树木模型为背景。 该模型的不同部分的建造利用合并组成以完整的模型。将不同部分分别建造被认为是一个很好的方法 。一旦这些组件的创建，它们可以导入到一个文件，并放在一起组成一整体。房子的模型如图3所示。 图3。三维模型提供一所房子。该树提供的模型见图4。 该模型数量巨大的多边形使渲染时间相应增加。而对该书和房屋进行复制只要进行较小的改动就可以作为

9、额外的模型。图4 提供的3D模型树图5 汽车模型的纹理图6 提供汽车模型4.3.头像的设计像许多3D模型软件包一样提供了众多种类的人物设计模型实例。这允许将身体不同部分联合在一起组合。这主要的优势尤其体现在人物的设计上。图7 显示了一个伸出手的女孩人物模型。这种模式是不是质感粗糙的，以显示多边形的复杂性。最有趣的部分在依据人体运动学设计的头骨头像设计 。4.4.虚拟环境的设计所有这些独立组件将导入到文件显示一个完整的虚拟环境。图8 显示了用于研究的简单虚拟环境图7 3D人物模型5.应用虚拟环境中，如图8所示的 获得作为一个上一节描述在设计过程中的结果。房子和树代表在虚拟世界背景。将增加书面语房

10、子作为背景一是场景更加真实和完整。一旦这个实现，下一个重要任务是要引入交互式动画。图8 虚拟环境模型5.1.硬件配置计算机的配置如下： 3.2GHz的处理器 2GB RAM NVIDIA GeForce 6600 GT 显卡 40GB硬盘。在压力传感垫也定义了立体声频系统，尽管如此在研究过程中对硬件一些必要的修改和对设备进行设置。当初未提供给用户的180视角的5个对象将变化一降低系统设计的复杂性。. 取而代之的方案是用一个大的角度来显示。这样将提供一个桌面版的VR视图系统。而且 ，设计者同时也建议用鼠标的点击来取代压力传感垫。普通的用户使用音频系统无需有损压缩的类型。5.2. 结构安排图9显示

11、了最后的原理图 实现基于成本，便利因素， 复杂性和可用性。A是三个大组 平板显示器，B是电脑鼠标，C是音响系统，D是用户/主题，E是计算机与所需的配置。这一步是 简单却在相关性，效率方面的成效， 可学习性和可用性。布置三维位置的环绕声音响系统是为了关键 为用户提供真正的音频效果图9。为实验测试修改的设置用户D从看屏幕上的一个虚拟世界， 在视觉和音响效果的基础，使用鼠标b触发使人物模型行走 。同时也设置啦最小数量的障碍和使用户分心的视听系统。此外，一个无线鼠标的使用能帮助以消除用户的视图，并允许任何电线 在条件更灵活的用户到用户定位。 5.3. 动画驱动程序三维动画驱动使用三维游戏制造商提供的预

12、编译的驱动程序，此程序可以纳入到一个现有的3D环境中。该动画和驱动程序最后被成功应用于该实验装置。6.讨论在项目中对不同的3D模型软件进行分析通过对他们的性能价格，功能特性接口等比较分析。特别注意了成本，在此专业领域工具的普及性和开源开发者社区。 根据作者的经验，与各 建模软件，可以很有把握地说，模型可以很有效的适用于个模型建构工具。这些建模工具大部分都没有为交互式动画提供内置的驱动程序或引擎，这使就本研究而言所有的工具处于同一水平。对于这个项目来说没有哪一个软件在建模领域具有明显的优势。MAYA工作运行稳定，而Blender作为开源的免费软件同样实现了基本的功能同样可以胜任工作。虚拟世界并没

13、有清除描述一个适合的场景。原因是显而易见的，实现一个现实世界在如此短的渲染是非常困难的。所以为现实场景虚拟一个虚假的场景。使用显卡公司自带的经济易用的驱动来实现动画交互。整个设计使用的方法是基于REAL方法的。相关性 是重要是因为在这样的项目中它很容易偏离它的的核心功能。模型的建立与设备的选择应该密切相关这个研究的主题目标。对于任何项目来说效率都是一个重要的部分。需要选择工具和方法以使时间人力等得到最有效的利用。计划定义确定的属性达到最佳的方案。最后可学习性及易用性对于这个用于培训的项目来说非常重要。研究利用一个VR工具为研究儿童行走安全性提供一适合的设计。.尽力使在项目的各个阶段里的各个要素

14、整合融入设计之中。在解决这个难题采取了一个现实的解决方案， 这对于后续的类似的问题有借鉴意义。所以，这个研究的目标就是要为选择软件和硬件以及利用所有组件构建VR环境系统提供一个指导性的原则，和对人物的建模提供建议。这其中要考虑VR工具的可用性和效率。这个想法更多在于理论层面在现实中测试还是有很多起点与不足的。此外，关键要注意之歌项目的对象是5-9岁的儿童7. 结论VR工具确实可以作为儿童道路行走安全的培训工具在此设计中实现，应用了一个低成本的解决发难此经济解决方法是通过使用市场上现有的硬件与最少软件来构建的虽然高端的硬件也可应用已获得跟好的效果但显然或增加预算。此外，虚拟现实工具可以在受控环境中对实体收集统计信息以研究其有效性，可靠性和效率8.建议与下一步工作在此类研究中三维建模工具是非常重要的一部分。所以选择最佳的是非常重要的。另一个可行选择是一个三维扫描，以便使用激光装置轻易扫描任何真实的世界环境这个过程将产生真实的三维背景而不是像这个研究中的虚拟现实背景。项目中只给用户提供了一个3面视图显示。这样的设置是一渲染程度很低的桌面2D虚拟现实系统。所以作为未来研究的一部分 提供一个5视图的立体环绕的解决时必须的，理想的是实现一个纯CAVE环境的3603D现实环境实现 .