虛擬現(xiàn)實的計算機技術：計算機體系結構

虛擬現(xiàn)實對計算機系統(tǒng)的要求

　　虛擬現(xiàn)實對計算機系統(tǒng)的要求，只包括了視覺顯示對計算機系統(tǒng)的要求。位姿傳感器的數(shù)據(jù)處理，一般不在主計算機上進行，而是由專用的電子設備完成。聽覺顯示，力覺觸覺顯示，研究工作和實際應用還較少，對其計算要求的認識還較少。聽覺顯示和力覺觸覺顯示的計算，往往由專用計算機完成。所以，當前的虛擬現(xiàn)實計算機，主要完成視覺顯示的計算任務。

　　1．幀頻和延遲時間的要求

　　VR要求高幀頻和快速響應，這是由于其內在的交互性質。

　　要求的幀頻和延遲一般取決于環(huán)境特性。只有慢速運動物體的較靜的環(huán)境，可以用幀頻每秒8至10，和0.1秒延遲。如果環(huán)境有高速運動的物體，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。

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

　　對計算機硬件，幀頻有幾個含義。它們大致分類為：圖形的幀頻，計算的幀頻，數(shù)據(jù)存取的幀頻。為了維持在VR中的臨場和沉浸感，圖形幀頻是關鍵的。這些幀頻可能是獨立的，圖像場景可能變化，而沒有來自用戶視點運動的計算和數(shù)據(jù)存取。這時，圖形的幀頻大于計算的幀頻和數(shù)據(jù)存取的幀頻。經驗表明，圖形幀頻率應盡可能高，低于每秒10幀的幀頻嚴重降低臨場的幻覺。如果圖形顯示依靠計算和數(shù)據(jù)存取，則計算和數(shù)據(jù)存取幀頻必須為8到10幀/秒，維持用戶看到時間演化的幻覺。

　　如果應用允許交互控制，也要求快速響應。已知，長響應時間（滯后時間，延遲時間）嚴重降低用戶性能。延遲時間是從用戶的動作開始（如用戶轉動頭部），經過位姿傳感器感知用戶位姿，把位姿信號傳送給計算機，計算機計算新的顯示場景，把新的場景傳送給視覺顯示設備，直到視覺顯示設備顯示出新的場景為止。這些延遲在計算機系統(tǒng)中來自很多因素，如數(shù)據(jù)存取時間、計算時間、繪制時間以及輸入設備數(shù)據(jù)處理時間。類似幀頻的情況，延遲的來源分成：數(shù)據(jù)存取、計算、圖形。雖然延遲與幀頻有關，但它們不同。系統(tǒng)可能有高幀頻，但有較大的延遲時間，顯示的圖像和提供的計算結果是幾幀以前的。研究表明，多于幾毫秒的延遲會影響用戶性能，而多于0.1秒的延遲有嚴重影響。

　2．計算能力和場景復雜性

　　虛擬現(xiàn)實仿真的計算問題，是一種時間受限的計算。這是因為顯示的幀頻必須大于8到10幀/秒。于是，在0.1秒內，必須完成一次場景的計算。如果一個顯示的場景中有10,000個三角形（或多邊形），這個數(shù)量就反映了場景復雜性。這樣，在每秒進行的10次計算中，就應該計算100,000個三角形（或多邊形）。這表示了計算能力。
　若要求更加逼真的仿真效果，就要增加場景復雜性。顯示的場景中有更多的三角形（或多邊形），顯示的效果就更逼真。這就要求更強的計算能力，每秒計算更多的三角形（或多邊形）。反之，如果只能使用能力有限的指定的計算機，則限定了計算能力，也就限定了場景復雜性。每個場景，只能用較少的三角形（或多邊形），產生較粗糙的顯示。這種考慮就是，計算能力和場景復雜性的折衷。

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

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

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

　3．對計算機系統(tǒng)的要求

　　圖形學和計算機硬件的進展對全真實的VR是關鍵因素。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用的希望。由于廣泛的興趣和有不同性能要求的大量應用，所以需要在幾個層次繼續(xù)進行硬件開發(fā)，由高檔多模式工作站到低檔的只有適當三維視覺能力的個人工作站。

　　將來的高檔VE系統(tǒng)有幾個硬件要求。我們始終需要為應用提供高計算要求的計算機結構。這些機器必須有很大的物理存儲（>15Gbytes），多個高性能向量處理機，高帶寬(>500Mbytes/s)，低延遲(<0.03s)，巨型存儲設備，和對各種輸入輸出設備的高速接口。磁盤帶寬不可能在近幾年大大改進。對錄象和超媒體集成，磁盤帶寬和大小是限制因素。也需要巨大的計算和數(shù)據(jù)管理能力。物理建模和可視化計算將是計算需求的推動力。現(xiàn)在某些問題要求40Mflops機器能力。如果希望加入更多數(shù)據(jù)或開發(fā)更細分辨率的模型，就會使用這一層次的計算能力。重要的是鼓勵實際生產VR要求的機器。