[科普中国]-图形生成

图形生成是虚拟现实的重要瓶颈

虚拟现实技术是人可以在随意变化的交互式控制下感受到场景的动态特性。换句话说，虚拟现实系统要求随着人的活动即时生成相应的图形画面。有两种重要指标衡量用户所以沉浸于虚拟环境的效果和程度。其一是动态特性，其二是交互性延迟。自然的动态特性要求每秒生成和显示30帧图形画面，至少不能少于10帧，否则将会产生严重的不连续和跳动感。交互延迟是影响用户感觉的另一个重要指标。对于人产生的交互动作，如fixing模拟时飞行位置、方向的控制，系统的图形生成必须能立即作出反应产生相应的环境和场景。其余的时间延迟不应大于0.1秒，最多不能大于0.25秒。否则在长期的工作中，人会产生疲劳、严重地影响“现实”的效果，以上指标均依赖于系统生成图形的速度。

对于动态图形的效果而言，每图形生成时间局限于30-50毫秒；而对于交互延迟，除包含对于交互输入及其处理时间外，图形生成速度是虚拟现实的重要瓶颈。

图形生成的额速度主要取决于图形处理技术的软件体系结构，特别是硬件加速器的与图形处理能力，以及图形生成所采用的各种加速技术。除此之外，还依赖于应用的因素，虚拟场景的复杂程度和图形生成所需要的真实感程度。

图形生成的加速方法虽然得益于告诉发展的CPU和专用图形处理器，使得现今的图形工作站性能得到很大的提高。但距离VR的需求仍然相当遥远。换句话来说，当前图像生成的速度相当于通常VR环境的规模来说仍然存在很大的差距。下面就一些实时图形生成加速方法作一些介绍与分析。

可见性的判定由于视线视觉的方向性、视觉的局限性以及物体想互遮挡，人眼所看到的往往只是场景中的一部反，而绘制图形的生成是物体空间到图像空间的转换。为充分利用绘制软件的有限资源，就必须充分利用物体空间的相关性。图像空间的相关性和时间空间的相关性可以加快可见性的判断、减小绘制深度。

细节层次模型为物体提供不同的细节层次描述是控制场景复杂程度的一个非常有效的方法。在生活中我们知道，当物体离得越来越远时，人民不再能辨清该物体上的许多细节结构。如光滑的曲面。因此，绘制一个远处的物体时，用该物体细节描述非常复杂的模型是完全没有必要的。

预测计算预测计算一种减少系统延迟的方法。该方法根据各种运动的速率和加速度。如人体头部转动速度，用预测外推法在下一 帧画面绘制之前估算出头部跟踪系统及其他设备的输入，从而减少由输入设备所带来的延迟。在分布式网络虚拟现实系统中，系统根据预测估算原理来减轻网络传输负载并减少由网络传输带来的延迟。

脱机计算脱机计算是减轻计算机实时计算负载的常用方法之一。由于VR 系统是一个多任务的模拟系统，所以有必要尽可能的将一些可预先计算好的结果预先计算并贮存在相应的结果中，其中包括全局光照模型、动态模型的计算等。

结束语以上介绍的是各种常用的图形生成加速技术。当然，图形生成的速度还赖于其他一些因素，如数据库的结构等。数据库不仅是虚拟现实技术对虚拟环境的描述所在。而且它的数据结构还关系到1VR系统的真实效果。就图形描述而言，为实时的数据库遍历提供良好的结构，减少实时可见性计算等亦是VR系统成功的关键因素。为充分利用图形硬件资源，避开图形处理的瓶颈。数据库将尽量三角面片组织为共顶点的三角面片串。同时，为减少图形属性的改变，如光照特性等的变化，有些VR系统将面片按其属性进行组织，以减少特性属性变化所带来的时间耗费。为减少图形硬件的矩阵计算，数据库应尽量预计算好各静态物体的矩阵变化。