杨亚琴1) 戴树岭2) 王涛2)
(1.北京航空航天大学体育部, 北京 100083; 2.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院 )

摘要:本文以与北京2008年奥运会8-9月份的气候,环境,饮食,场馆相近地区的资料为背景,建立虚拟体育场馆的门户网站,以便早日为来京参赛的运动队提供适应场地服务.介绍了虚拟现实技术及分布式系统的概念.提出基于这两项技术设计的虚拟奥运场馆辅助2008年北京奥运会赛前训练服务系统的解决方案.在局域网解决方案中,通过实时视景仿真及多信道同步技术,借助3D头盔及立体鼠标等外设实现了具有很强沉浸感的虚拟现实系统.在广域网解决方案中,运用VRML语言实现了Internet上的虚拟场景浏览.
    关键词:虚拟现实;奥运会;赛前服务
    2008年奥运会的成功申办,向世界证明了我国的强大.为了实现向世界的承诺,我们有必要做好各项服务工作,向世界展现我国人的风貌,而提供训练营地就是其中的一项服务工作.奥运会举办前,有许多国家的运动队都要提前到我国来进行适应性的训练,为了向他们提供详细的资料,有必要建立一个全国性的虚拟体育场馆的门户网站,将与北京八月份气候,环境,场馆条件等相适应的体育场馆以虚拟现实的方式展现给世界,让各国运动队采用单点登录的方式,找到理想的体育场馆,为外国运动队提供个性化服务,这样不仅有利于外国的运动队选择到我国适合他们进行适应性训练的地方进行训练,而且可以为这些体育场馆赢得较大的利润,获取经济效益.

1 虚拟现实技术和分布式系统简介

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术简称VR(Virtual Reality)技术(又称"灵境技术"[1]),它是一种由计算机生成的高级人机交互系统,即构成一个以视觉感受为主,也包括听觉,触觉,嗅觉的可感知环境,操作者通过专门的设备(如头盔,触觉手套,计算机等)触摸,操作,检验等试验,有"身临其境"之感,从而有效地扩大了自己的认知领域.VR技术的最大特点表现为:操作者可以用"自然"的方式与虚拟环境进行交互操作,改变了过去人类除了亲历(现场游览)就只能被动(文字,图画,电影,电视等)了解环境的模式.具备这一交互或称引导的功能,能使操作者在虚拟现实中按自己的思路从不同角度(方位)观察环境,抓住时机,掌握主动.VR技术有三个基本特征[2]:沉浸感(immersion),交互感(interaction)和构想感(imagination).

一个人认识环境95%以上是通过视觉来实现的,所以视觉模拟最重要,它可用特殊的头盔装置来实现.头盔显示是实现操作者的眼睛,大脑与计算机创造的虚拟现实连通的输入/输出装置,包括立体视屏眼镜是安装在眼前的两个小电视屏幕,用立体观察法生成三维图像.跟踪系统量测操作者的眼睛注视方向及其与虚拟场景的相对位置.这样,当操作者在虚拟环境中"行走",并不断改变目视方向时,头盔显示器产生的方位信号就传入计算机,使虚拟图像实时更新.视觉模拟是虚拟现实技术中的重点和难点.视觉模拟除用头盔的交互方式外,还可采用布景或立体显示器和组合大屏幕等多种办法[3].

体育场馆可视化系统是虚拟现实的一种具体应用形式,其基本目的在于利用计算机实时三维图像生成技术,将希望观察的场景实时生成并显示,使用人员借助于一定的交互设备任意"穿行"场景之中,随意观察场景的实时变化情况,重现当时系统的运行过程,并可对任意时间点,任意环节的细节过程"慢放",定格,放大,变角度观察等;对于建立的系统场景,用户可以在任意的观察点,以任意观察角度进行观察,同时也可以变换观察细节程度;可以与实时数据对接.可视化系统可以与实际系统实时产生的资料对接,实时反映.

1.2 分布式系统

分布式结构克服了Client/Server结构中客户端业务处理负担重,缺乏集中安全控制,要求配置高等缺点.分布式系统将一个应用划分成三个有机的组成部分: 客户端,应用服务器及数据库服务器,即所谓三层模式.客户机实现交互接口及通过操作向应用服务器发出请求并显示操作结果;应用服务器则封装了各种业务逻辑(对象函数)为客户机提供服务;数据库服务器则为应用服务器存储,处理和传送资料.

由此看出, 在三层模型中由于用户接口与应用服务器上存储的业务逻辑分开,因此,业务逻辑的内部改动不会影响到用户接口.同样,客户应用接口的修改也不会影响到业务逻辑,这样有利于系统的开发和维护.同时,客户机与数据库在逻辑上是分开的,数据库只能由应用服务器来访问,因而保证了资料的安全性.

2 虚拟奥运场馆赛前训练服务系统的结构及功能

2.1系统目标

本系统是为了在奥运会比赛前给各国运动队提供一个选择赛前训练场馆的途径.它不仅利用分布式系统的技术向用户提供了与奥运场馆及赛前训练场馆有关的信息,而且利用先进的虚拟现实技术,使世界各地的用户在足不出户的情况下都能够"身临其境"地领略到我国各个体育场馆的真实场景.相信它必将扩大各体育场馆的影响,并成为用户查询我国体育场馆信息的必经"门户".

2.2体系结构

虚拟奥运场馆赛前训练服务系统由以下几个子系统组成:

场馆信息数据库:用来存储与各个体育场馆有关的信息,以便用户根据不同的需要从各子系统进行查询.
场景演示子系统:它由两部分组成.在定点局域网内利用虚拟现实技术通过3D头盔及立体鼠标等设备向用户展示一个三维立体的场景.在Internet上通过有限的带宽,利用VRML语言编程实现各个场馆内外的三维场景浏览.

检索引擎子系统:提供到达各个场馆网站的链接,为用户提供一个方便的检索途径.

场馆管理子系统:实现Internet上的场馆预定,比赛训练日程安排及信息咨询等功能.

各场馆门户网站:详细介绍各个场馆的硬件设施,外围环境等方面的信息.

3 虚拟奥运场馆场景演示子系统概述

3.1 系统目标

本场景演示子系统是为了方便各国运动队在奥运会比赛前选择合适场馆进行适应性训练而设计的,它不仅可以帮助用户了解各个场馆的相关信息,而且可以利用虚拟现实技术把用户带进虚拟场馆中漫游,以便更好地选择训练场馆.

3.2 局域网内虚拟场馆漫游系统的结构及功能

沉浸感和交互性是虚拟现实系统设计时所追求的重要目标.由于人的感知是多方面的,要想全面实现沉浸感和交互性,系统的造价将十分昂贵,技术上也困难,有些方面甚至是不可能的,需要根据具体系统应用领域的要求,具体确定沉浸感与交互性的重点.对于虚拟漫游系统来说,视觉无疑是沉浸感的重点,而参与者所处的位置与方向则是交互的主要依据.为此,本系统采用头盔显示器作为双目立体图像的输出设备,位置跟踪器作为系统的输入设备.

头盔选用Virtual System公司的V8,它有两个独立的显示器 ,分别用于双目显示.头盔工作时 ,接入两路独立的视频信号提供给两个显示器 ,使用户左右眼可以同时看到同一物体不同视角的图像 ,以便比较自然地合成立体场景.为实现头盔的立体显示 ,关键是要同步输出一个场景的两个不同视点的图像 ,为此采用双机双显卡结构.这种方式需要两台性能相同的计算机 ,其显卡,CPU,内存,硬盘等部件都应该是同一型号的产品 ,系统工作时 ,两台计算机各自负责一路视频信号的产生和输出.这两台计算机运行的程序是相同的 ,只是图像数据按不同视角有所区别 .本系统是用一台计算机接收控制信号并结算位置参量,然后通过多信道同步技术向两台渲染场景的计算机发送同步位置信号,这样就保证了两个信道图像的同步,增强了三维效果.

系统采用Ascension公司出品的Flock of Birds(FOB)跟踪器 ,它是一种六自由度的测量设备 ,使用一个发射器可同时跟踪多达30个传感器的位置和方向.每个传感器在距离发射器 4英尺半径空间内每秒可进行高达144次测量.FOB发射器发送脉冲电磁场 ,该电磁场被所有的传感器接收 ,根据接收信号的方向和大小判断传感器相对于发送器的位置和方向.本系统使用一个跟踪器,固定在头盔上,这样在操作者戴着头盔的头运动时,该跟踪器就能给出头盔运动的角度和位置信息,并传给计算机以便更新视点.

考虑到3D头盔是有线连接的,人戴着头盔运动不是太方便.我们这个系统中可以增加一个立体鼠标,以使视点的位置,角度等变换可在更大范围内方便地进行,也使操作者更加舒服地沉浸在虚拟奥运场馆的环境中.

局域网内虚拟场馆漫游系统的软件部分是在Windows2000平台上,用Visal C++ 6.0及OpenGL, Vtree等软件开发工具实现,场馆模型用MultiGen Creater创建.如图3.1所示,系统中共有三台计算机,第一台计算机用来接受来自头盔上的位置跟踪器及立体鼠标的位置信号,然后解算出当前视点及场景状态参数,再通过本实验室自主开发的多信道同步软件库将相同的视点及场景状态信息同步地发送给第二和第三台计算机.后两台计算机计算出当前图像信号并分别输出给头盔上的左右显示器.

3.3 广域网上虚拟场馆浏览系统设计

由于在上述局域网实现方案中要用到3D头盔,立体鼠标等外设,其造价较高,而且对网络带宽要求较高.虽然它能够提供很强的沉浸感和交互感,但它只能在有限的一些地点设置.或者是利用奥运会前在世界各地进行的宣传展览进行定点演示.这样,它的使用者数量就会受到很大的限制.

于是我们针对广域网上对奥运场馆宣传的要求,设计了另外一套对带宽要求不高,简洁快速的虚拟场馆演示方案.这就是用VRML语言实现的虚拟场馆在线浏览.

VRML(Virtual Reality Modeling Language)是一种用于定义虚拟现实世界的语言,虚拟世界的显示,交互,网际互连等各个方面可用VRML来规定.VRML是HTML的3D模拟,它使用VRML浏览器能解释的ASCII文本格式来描述世界和链接,是虚拟现实的软件实现方法之一.VRML使用场景图数据结构来建立3D实境,这种数据结构是以SGI开发的Open Inventor 3D工具包为基础的一种资料格式.VRML场景图是一种代表所有3D世界静态特征的节点等级:几何关系,质材,纹理,几何转换,光线,视点以及嵌套结构.用VRML标准写出来的文件(其文件名后缀一般为wrl)可以用浏览器 Internet Explore和Netscape Navigator来浏览,只要浏览器中有支持解释VRML的功能,或者有可插入的第三方解释程序(例如Cosmo Player)即可.对VRML的操作不同的解释程序有着大同小异的操作方法,基本上都是要考虑对三维世界的操作,主要是有前后,左右,上下的移动,转动,碰撞,光线等问题.

VRML是面向网络的,它有3个明显特征[6]:

平台独立性:VRML是基于文件的运行机制.用该语言编制的程序不必进行任何的编译连接等处理.当要进入虚拟现实场景时,文件从网络上传输过来,由浏览器对该文件进行分析显示.所以VRML可以在Internet这种异构型网络上得到广泛应用.

可扩展性:VRML支持已定义的结点,从而使VRML的描述世界的能力得到很大的增强,新结点可直接创建,也可在已有的结点基础上增加新的内容来创建.

低带宽要求:VRML充分考虑了网络的优化问题,一般大的场景被分解为许多文件(可以细到一个物体一个文件),因此一般来说文件较小,并且可以只在使用时去取,免去不必要的网络传输 ,也使访问时间减到最小.

用VRML语言实现的广域网上场馆演示系统,可以链接到各个场馆的门户网站上.操作者可以利用普通的鼠标,键盘进行浏览控制.

4 结论

选择不同的策略来建立相应的门户网站,是展示体育场馆信息资源和提供各种各样服务的最方便,最快捷的方式.同时,体育场馆作为一个动态的信息资源体系,其资源体系的连续性和累积性是其它信息机构无法比拟的,可以说建立一个用户首选的门户网站是体育场馆与其它场馆进行竞争的重要手段和方式.而虚拟现实技术的应用无疑将会吸引更多的用户.
参考文献:
[1] 汪成为,高文,王行仁.灵境 (虚拟现实 )技术的理论,实现及应用.北京:清华大学出版社, 1996
[2] Burdea G."Virtual Reality System and Applications",Electro' 93 International Conference
[3] 刘宇,张成洪.企业门户中的信息与应用整合方法[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2003,Vol.26(S1):928-932
[4] 张智雄,沈英.中国科学院Internet学科信息资源门户网站系统的建设[C].第二届海峡两岸科技信息暨第十三届全国计算机情报管理学术研讨会论文集.北京:中国科学院文献情报中心,1999:172-175
[5] 北京科瑞斯特计算机技术有限公司网页 http://www.krystal.com.cn/vrt/vrt.htm
[6] 吴杰. 联机虚拟现实与VRML,计算机工程,1996年特刊,265～270
1作者简介:杨亚琴,女,1965年生,副教授,2000-2001在罗马尼亚国家体育运动学院作访问学者
工作单位:北京航空航天大学体育部(100083) 通信地址:北京市学院路37号33住宅514号
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