虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求

　　虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求，只包括了視覺(jué)顯示對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求。位姿傳感器的數(shù)據(jù)處理，一般不在主計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，而是由專用的電子設(shè)備完成。聽(tīng)覺(jué)顯示，力覺(jué)觸覺(jué)顯示，研究工作和實(shí)際應(yīng)用還較少，對(duì)其計(jì)算要求的認(rèn)識(shí)還較少。聽(tīng)覺(jué)顯示和力覺(jué)觸覺(jué)顯示的計(jì)算，往往由專用計(jì)算機(jī)完成。所以，當(dāng)前的虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)，主要完成視覺(jué)顯示的計(jì)算任務(wù)。

　　1．幀頻和延遲時(shí)間的要求

　　VR要求高幀頻和快速響應(yīng)，這是由于其內(nèi)在的交互性質(zhì)。

　　要求的幀頻和延遲一般取決于環(huán)境特性。只有慢速運(yùn)動(dòng)物體的較靜的環(huán)境，可以用幀頻每秒8至10，和0.1秒延遲。如果環(huán)境有高速運(yùn)動(dòng)的物體，則要求高幀頻（>60Hz）和短延遲。所有情況下，若幀頻低于每秒8幀，則失去三維環(huán)境的生動(dòng)感，若延遲大于0.1秒，則很難操作環(huán)境。因此，幀頻必須大于8到10幀/秒,總延遲必須小于0.1秒。

　　幀頻概念來(lái)自動(dòng)圖像技術(shù)。在動(dòng)圖像顯示中，每一幀實(shí)際上是靜止照片。如果新照片快速接替舊照片，就產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)動(dòng)的幻覺(jué)。修改率是在屏幕上的顯示改變的速率。為符合基本的動(dòng)圖像技術(shù)，理想的修改率是每秒20幀（新圖像）。

　　對(duì)計(jì)算機(jī)硬件，幀頻有幾個(gè)含義。它們大致分類為：圖形的幀頻，計(jì)算的幀頻，數(shù)據(jù)存取的幀頻。為了維持在VR中的臨場(chǎng)和沉浸感，圖形幀頻是關(guān)鍵的。這些幀頻可能是獨(dú)立的，圖像場(chǎng)景可能變化，而沒(méi)有來(lái)自用戶視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算和數(shù)據(jù)存取。這時(shí)，圖形的幀頻大于計(jì)算的幀頻和數(shù)據(jù)存取的幀頻。經(jīng)驗(yàn)表明，圖形幀頻率應(yīng)盡可能高，低于每秒10幀的幀頻嚴(yán)重降低臨場(chǎng)的幻覺(jué)。如果圖形顯示依靠計(jì)算和數(shù)據(jù)存取，則計(jì)算和數(shù)據(jù)存取幀頻必須為8到10幀/秒，維持用戶看到時(shí)間演化的幻覺(jué)。

　　如果應(yīng)用允許交互控制，也要求快速響應(yīng)。已知，長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間（滯后時(shí)間，延遲時(shí)間）嚴(yán)重降低用戶性能。延遲時(shí)間是從用戶的動(dòng)作開(kāi)始（如用戶轉(zhuǎn)動(dòng)頭部），經(jīng)過(guò)位姿傳感器感知用戶位姿，把位姿信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)計(jì)算新的顯示場(chǎng)景，把新的場(chǎng)景傳送給視覺(jué)顯示設(shè)備，直到視覺(jué)顯示設(shè)備顯示出新的場(chǎng)景為止。這些延遲在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中來(lái)自很多因素，如數(shù)據(jù)存取時(shí)間、計(jì)算時(shí)間、繪制時(shí)間以及輸入設(shè)備數(shù)據(jù)處理時(shí)間。類似幀頻的情況，延遲的來(lái)源分成：數(shù)據(jù)存取、計(jì)算、圖形。雖然延遲與幀頻有關(guān)，但它們不同。系統(tǒng)可能有高幀頻，但有較大的延遲時(shí)間，顯示的圖像和提供的計(jì)算結(jié)果是幾幀以前的。研究表明，多于幾毫秒的延遲會(huì)影響用戶性能，而多于0.1秒的延遲有嚴(yán)重影響。

　2．計(jì)算能力和場(chǎng)景復(fù)雜性

　　虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的計(jì)算問(wèn)題，是一種時(shí)間受限的計(jì)算。這是因?yàn)轱@示的幀頻必須大于8到10幀/秒。于是，在0.1秒內(nèi)，必須完成一次場(chǎng)景的計(jì)算。如果一個(gè)顯示的場(chǎng)景中有10,000個(gè)三角形（或多邊形），這個(gè)數(shù)量就反映了場(chǎng)景復(fù)雜性。這樣，在每秒進(jìn)行的10次計(jì)算中，就應(yīng)該計(jì)算100,000個(gè)三角形（或多邊形）。這表示了計(jì)算能力。
　若要求更加逼真的仿真效果，就要增加場(chǎng)景復(fù)雜性。顯示的場(chǎng)景中有更多的三角形（或多邊形），顯示的效果就更逼真。這就要求更強(qiáng)的計(jì)算能力，每秒計(jì)算更多的三角形（或多邊形）。反之，如果只能使用能力有限的指定的計(jì)算機(jī)，則限定了計(jì)算能力，也就限定了場(chǎng)景復(fù)雜性。每個(gè)場(chǎng)景，只能用較少的三角形（或多邊形），產(chǎn)生較粗糙的顯示。這種考慮就是，計(jì)算能力和場(chǎng)景復(fù)雜性的折衷。

　　下面幾節(jié)將介紹用于VR的各類計(jì)算機(jī)。對(duì)這些計(jì)算機(jī)，主要的技術(shù)指標(biāo)就是其計(jì)算能力，也就是每秒計(jì)算的三角形（或多邊形）的數(shù)目。應(yīng)該注意，是否加紋理，是否反走樣，采用哪一種明暗模型，都會(huì)影響到計(jì)算能力。加入這些復(fù)雜的功能，就會(huì)增加計(jì)算復(fù)雜性，從而減少每秒計(jì)算的三角形（或多邊形）的數(shù)目。

　　下圖表示，波音747-400飛機(jī)的兩種復(fù)雜性不同的三維模型。（a）中的模型有520個(gè)頂點(diǎn)，406個(gè)多邊形。（b）中的模型有7694個(gè)頂點(diǎn)，7556個(gè)多邊形。效果圖說(shuō)明了明顯的逼真度差別。

　　下圖表示，人體骨骼的兩種復(fù)雜性不同的三維模型。（a）中的模型有8979個(gè)多邊形。（b）中的模型有131275個(gè)多邊形。效果圖說(shuō)明了明顯的逼真度差別。

　3．對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求

　　圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)硬件的進(jìn)展對(duì)全真實(shí)的VR是關(guān)鍵因素。今天的硬件能力只能給研究者、廠家和用戶提供虛擬世界的嘗試和應(yīng)用的希望。由于廣泛的興趣和有不同性能要求的大量應(yīng)用，所以需要在幾個(gè)層次繼續(xù)進(jìn)行硬件開(kāi)發(fā)，由高檔多模式工作站到低檔的只有適當(dāng)三維視覺(jué)能力的個(gè)人工作站。

　　將來(lái)的高檔VE系統(tǒng)有幾個(gè)硬件要求。我們始終需要為應(yīng)用提供高計(jì)算要求的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。這些機(jī)器必須有很大的物理存儲(chǔ)（>15Gbytes），多個(gè)高性能向量處理機(jī)，高帶寬(>500Mbytes/s)，低延遲(<0.03s)，巨型存儲(chǔ)設(shè)備，和對(duì)各種輸入輸出設(shè)備的高速接口。磁盤(pán)帶寬不可能在近幾年大大改進(jìn)。對(duì)錄象和超媒體集成，磁盤(pán)帶寬和大小是限制因素。也需要巨大的計(jì)算和數(shù)據(jù)管理能力。物理建模和可視化計(jì)算將是計(jì)算需求的推動(dòng)力�，F(xiàn)在某些問(wèn)題要求40Mflops機(jī)器能力。如果希望加入更多數(shù)據(jù)或開(kāi)發(fā)更細(xì)分辨率的模型，就會(huì)使用這一層次的計(jì)算能力。重要的是鼓勵(lì)實(shí)際生產(chǎn)VR要求的機(jī)器。