CN113485851A - 面向仿真三维引擎便捷开发的虚拟现实适配器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）、计算机科学领域，用于为仿真三维引擎如OGRE（O‑O Graphics Rendering Engine）、VEGA（Visualization Grammar）提供虚拟现实连接支持。本发明提出了一个面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器，规范了仿真三维引擎VR化的标准流程和接口设计，快速实现VR场景的部署及VR交互的开发，支持不同设备不同仿真三维引擎的动态扩展。虚拟现实可视化过程可划分为五个典型流程，适配器核心接口类型可划分为初始化、设备信息和引擎信息接口三类，接口定义灵活，支持不同设备不同仿真三维引擎的动态扩展；通过对底层图形接口封装，简化了引擎信息接口以适应各种引擎。该适配器解决了仿真三维引擎接入虚拟现实设备的快速性和便捷性问题。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）、计算机科学、计算机图形学领域，用于为仿真三维引擎如OGRE（O-O Graphics Rendering Engine）、VEGA（VisualizationGrammar）提供虚拟现实连接支持，能够在短时间内方便快捷的部署VR场景和VR交互，提供极具沉浸感的虚拟现实体验。
背景技术
虚拟现实技术飞速发展，消费级VR头显成为大众体验VR世界的主要载体，因此，基于VR头显进行的VR开发成为一个巨大的机遇。其中HTC VIVE和Oculus是目前而言体验比较好的VR头显。带上VIVE VR虚拟现实头盔，现实世界即在眼前消散，取而代之的是奇幻无限的体验，头显定位技术能够提供令人惊讶的图像、110°广角视野、直觉操作和高清触觉反馈系统能为您带来无与伦比的沉浸感体验。
目前VR开发主要基于两大开发引擎Unity3D和虚幻引擎，Valve公司提供了专用的开发工具，SteamVR Plugin，使用这两个工具开发只需要直接使用这个插件就能轻松的将场景在眼镜中显示，非常方便和简单。但是，对于仿真三维引擎，比如OGRE和VEGA，没有提供方便易用的插件。Valve公司提供了基于C++语言的通用接口OpenVR SDK，需要使用者具有较高的编程基础和数学基础，使得开发过程变得漫长而复杂，有较高的使用门槛。因此，一个方便快捷的方法使得仿真三维引擎开发用户能够像使用SteamVR Plugin插件一样轻松简单的将场景显示到VR眼镜非常有意义。
发明内容
为了解决上述问题，提出了面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器。本发明提出了一个面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器，可以通过适配器核心接口快速实现VR场景的部署及VR交互的开发，支持不同设备不同仿真三维引擎的动态扩展。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：本发明提供了一个面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器，包括适配器核心接口、适配器核心用户接口说明及使用流程、适配器核心用户接口实现方式及接口功能、适配器引擎信息接口优化方法及使用流程和仿真三维引擎VR化的规范化流程：
（1）面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器包括适配器核心接口，核心接口分为内部接口和用户接口；
（2）适配器核心用户接口模块包括初始化接口、设备信息接口及引擎信息接口。初始化接口主要用于设备的识别及引擎的初始化参数设置；设备信息接口主要用于传递VR设备信息，包括位置、姿态、状态等参数；引擎信息接口主要用于传递引擎信息，包括渲染图像、声音、交互等信息，通过对三个接口的调用实现虚拟信息可视化；
（3）适配器核心用户接口通过适配器通过父子继承关系实现扩展功能，构建统一的父类Adapter，该父类提供了初始化接口，引擎信息接口和设备信息接口，定义方式为虚函数，在不同的子类进行接口实现以支持不同引擎及不同设备的数据扩展；
（4）适配器引擎信息接口对底层图形渲染接口（OpenGL和D3D）进行封装实现了优化，简化渲染流程为开辟帧缓冲区、绘制图像、渲染贴图三个步骤，并通过两个接口BeginRender、EndRender完成渲染可视化流程；
（5）仿真三维引擎VR化的规范化流程为初始适配流程、交互信息反馈流程、图像信息标定流程、图像信息渲染流程、图像信息输出流程五个流程。
本发明的有益效果是：
（1）提出了一种支持多种仿真三维引擎通用的核心接口设计方法，该方法把接口类型分为初始化、引擎信息接口和设备信息接口三类，分别解决适配器与VR设备、适配器与仿真三维引擎的交互关系，在不改变VR设备端接口和仿真引擎端接口的情况下，实现VR设备及引擎开发；
（2）提出了一种支持多种仿真三维引擎、多种VR设备动态扩展的适配器方法，该方法提供统一的外部接口，在不改变接口的情况下，能够实现多种仿真三维引擎、多种VR设备动态扩展及适配，同时对外部隐藏了实现细节，让用户不需要关注技术实现，把重点放到设备和引擎；
（3）提出的基于面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器简化了引擎信息接口，从底层图形接口OpenGL和D3D出发，简化每帧图像生成及渲染到纹理的过程，用户只需要负责场景和动画渲染，提高适配器的实用性和通用性。
（4）提出了一种仿真三维引擎VR化的规范化流程，将VR适配流程拆解为初始适配流程、交互信息反馈流程、图像信息标定流程、图像信息渲染流程、图像信息输出流程五个流程，每个流程有明确的功能界定和数据接口定义，帮助用户快速便捷创建VR内容并显示到VR设备；
附图说明
图 1 是根据本发明的面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器的仿真三维引擎VR化流程图。
图 2 是根据本发明的面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器的接口调用方式图。
图 3 是根据本发明的面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器的通用接口关系图。
具体实施方式
将结合附图1、图2、图3 对本发明的技术方案进行细致、完整、准确的描述。所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，并非全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例的面向仿真三维引擎便捷开发的虚拟现实适配器将仿真三维引擎VR化过程划分为五个典型流程，分别为初始适配流程、交互信息反馈流程、图像信息标定流程、图像信息渲染流程、图像信息输出流程；根据五个典型流程，将适配器核心用户接口类型划分为初始化、设备信息接口和引擎信息接口三类，分别解决适配器与VR设备、适配器与仿真三维引擎的交互关系，仅向用户开放用户接口，简化接口使用；提供了较为灵活的接口定义，支持不同设备不同仿真三维引擎的动态扩展；通过对底层图形接口封装，简化了引擎信息接口以适应各种引擎。
本实施例的面向仿真三维引擎便捷开发的虚拟现实适配器的仿真三维引擎VR化过程如图1所示，流程如下：
（1）初始适配阶段：该阶段负责进行设备检测、引擎适配及接口适配工作。设备检测通过USB接口和驱动程序获取硬件信息，根据硬件信息判断当前适配器的支持情况，如果支持，则调用对应的设备接口，如果不支持，则返回提示信息扩展适配器；引擎适配主要由用户选择虚拟现实可视化的开发引擎，该阶段主要确认引擎类型及图像接口；接口适配根据设备信息及引擎信息，选择合适的接口处理可视化业务；
（2）交互信息反馈阶段：该阶段属于循环渲染解决，在每一次渲染开始前都需要进行，主要负责设备的头盔显示器和交互手柄的信息获取。头盔显示器信息主要用于空间定位，提供当前头盔显示器的位置和姿态；手柄信息及用于空间定位，也用于交互，提供当前手柄的位置、姿态及按钮触发状态；
（3）图像信息标定阶段：该阶段根据设备交互信息，计算渲染图像需要的相机参数及图像参数。相机外参描述了拍摄图像的位姿关系，该参数由头盔显示的位置和姿态及双眼间距确定，在三维空间有唯一矩阵描述；相机内参描述了拍摄图像的投影关系，决定了当前图像所拍摄的视场大小和距离基准；图像参数描述了所需图像的分辨率信息；
（4）图像信息渲染阶段：该阶段根据相机参数、图像参数及三维场景信息，进行输出纹理渲染，图像渲染过程包括：创建帧缓存、顶点计算、片段着色、渲染到纹理等流程。创建帧缓存的目的是为纹理提供存储空间，虚拟现实通常为双目渲染，故需要申请两份帧缓存；顶点计算根据相机外参及相机内参，把三维场景的顶点信息转换到屏幕坐标系；片段着色把屏幕坐标系下的顶点进行光栅化，得到每个顶点的像素颜色，经过深度测试、混合测试，最终输出到帧缓存中；帧缓存中的数据存储在显存，为了能够输出到设备中进行显示，需要纹理这个载体，最后把帧缓存的数据渲染到纹理；
（5）图像信息输出阶段：该阶段为引擎与设备的交互阶段，将引擎渲染的图像数据输出到设备进行可视化显示。虚拟现实设备为了保障三维沉浸式体验，分别对双眼的图像进行渲染，然后通过双目立体视觉技术融合图像，因此，引擎渲染的图像需要根据设备左右眼信息进行通道绑定；绑定通道后，图像数据能够根据通道传输到设备的正确位置进行可视化显示，形成沉浸式的体验。
根据上述的虚拟现实可视化过程描述，明确适配器的核心功能是将引擎渲染的图像接入虚拟现实设备进行可视化显示。为了实现适配器开发，将适配器核心接口分为两种类型，一种是适配器核心内部接口，主要面向适配器开发者，一种是适配器核心用户接口，主要面向使用适配器的用户。为了使适配器功能简单和方便，给用户提供核心接口，调用核心接口能解决核心问题。适配器核心用户接口主要为三类：适配器接口模块包括初始化接口、引擎信息接口及输出接口。初始化接口主要用于设备的识别及引擎的初始化参数设置；设备信息接口主要用于传递VR设备信息，包括位置、姿态、状态等参数；引擎信息接口主要用于传递引擎信息，包括渲染图像、声音、交互等信息。
适配器核心用户接口的调用方式如图2所示，其中初始化接口为接口1，设备信息接口为接口2，引擎信息接口为接口3。主要流程如下：
（1）初始化，适配器通过初始化接口获取引擎信息和设备信息，初始化设备及引擎；
（2）适配器通过接口2获取虚拟现实设备图像信息及交互信息，解算出相机参数、图像参数传输到引擎进行可视化渲染；
（3）引擎根据底层图形接口渲染出图像，把图像传输到适配器，适配器将图像传输到左右眼通道，最终到虚拟现实设备进行可视化演示。
面向仿真三维引擎便捷开发的虚拟现实适配器主要根据适配器核心用户接口解决虚拟现实可视化，为了接口的灵活性与扩展性以不同设备不同仿真三维引擎的动态扩展，采用继承的方式对接口进行设计，接口关系如图3所示。适配器接口有一个公共的父类Adapter，该父类提供了初始化接口，引擎信息接口和设备信息接口，定义方式为虚函数，需要在不同的子类进行接口实现。初始化接口主要实现引擎信息和设备信息的获取，并进行相关初始化，初始化接口定义了引擎初始化接口和设备初始化接口解决上述问题；设备信息接口解决虚拟现实设备信息传输问题，主要包括设备位置、姿态、瞳距、分辨率等参数，通过内参矩阵和外参矩阵、图像矩阵进行统一描述；引擎信息接口解决引擎信息传输问题，把渲染好的双通道图像信息通过接口传输到虚拟现实设备进行可视化显示，提供渲染开始结束接口。
目前虚拟现实设备的设备信息已经明确的规范，在接口设计阶段基于当前规范能传输完整的设备数据。而图形渲染引擎有多种渲染方式，为了保证接口统一，选择对底层图形渲染接口进行封装，分别为OpenGL和D3D，这样渲染过程能够简化为三步：
（1）引擎在显存开辟帧缓冲区；
（2）执行渲染语句，绘制图像；
（3）图像保存在帧缓冲区，渲染到贴图。
帧缓冲区可以分配多块绘制区域，各个区域的图像不相互影响，通过分配两个帧缓冲区实现虚拟现实的双通道数据渲染。分配帧缓冲区的方法是根据需求开辟对应的空间，给每个空间设定编号，引擎通过编号来确定当前使用哪个缓冲区。同一个编号，在同一种底层图形接口之间是通用的，只要底层图形接口是OpenGL绘图，那么，你生成的新的帧缓冲空间在没释放前可以被多种引擎调用，调用方法就是通过编号，它能自动定位到该缓冲区的位置。
渲染过程简化后，引擎信息接口主要通过两个接口实现。首先是BeginRender，作用为做纹理渲染的主要准备工作；最后是EndRender，作用为获取到渲染好的纹理，然后传输到虚拟现实设备。在这两个接口之间，用户开始渲染场景。具体流程如下：
（1）调用BeginRender接口创建帧缓冲区，将纹理对象与当前缓冲区绑定。当在渲染前指定当前缓冲区后，接下来的渲染操作都会直接在帧缓冲区上执行，能直接操作这个帧缓冲区得到纹理对象；
（2）用户开始渲染图像，并将图像信息存储到帧缓冲区；
（3）调用EndRender接口实现从指定缓冲区提取纹理贴图，根据不同纹理对应的通道将图像信息传输到虚拟现实设备。
这样的渲染过程简化了用户获取头显信息及每帧数据更新的过程，同时也不需要去考虑渲染到纹理的过程，只需要负责场景和动画的渲染就好，大大简化了开发者的操作，提高适配器的实用性和通用性。
Claims (10)
1.一种面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器，其特征在于：包括适配器核心接口。
2.根据权利要求 1 所述的面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器，其特征在于：所述配器核心接口分为两种类型：一种是适配器核心内部接口，主要面向适配器开发者，一种是适配器核心用户接口，主要面向使用适配器的用户。
3.根据权利要求 2 所述的面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器，其特征在于：所述适配器核心用户接口包括三类：初始化接口、设备信息接口及引擎信息接口。
4.根据权利要求 3 所述的面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器，其特征在于：所述初始化接口为接口1，主要用于设备的识别及引擎的初始化参数设置；设备信息接口为接口2，主要用于传递VR设备信息，包括位置、姿态、状态等参数；所述引擎信息接口为接口3，主要用于传递引擎信息，包括渲染图像、声音、交互等信息。
5.根据权利要求 4 所述的面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器，其特征在于：所述的适配器核心用户接口使用流程包括：
（1）初始化，适配器通过初始化接口获取引擎信息和设备信息，初始化设备及引擎；
（2）适配器通过接口2获取虚拟现实设备图像信息及交互信息，解算出相机参数、图像参数传输到引擎进行可视化渲染；
（3）引擎根据底层图形接口渲染出图像，把图像传输到适配器，适配器将图像传输到左右眼通道，最终到虚拟现实设备进行可视化演示。
6.根据权利要求 4 所述的面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器，其特征在于：适配器核心用户接口有一个公共的父类Adapter，该父类提供了初始化接口，引擎信息接口和设备信息接口，定义方式为虚函数，需要在不同的子类进行接口实现。
7.根据权利要求 4 所述的面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器，其特征在于：初始化接口主要实现引擎信息和设备信息的获取，并进行相关初始化，初始化接口定义了引擎初始化接口和设备初始化接口解决上述问题；设备信息接口解决虚拟现实设备信息传输问题，主要包括设备位置、姿态、瞳距、分辨率等参数，通过内参矩阵和外参矩阵、图像矩阵进行统一描述；引擎信息接口解决引擎信息传输问题，把渲染好的双通道图像信息通过接口传输到虚拟现实设备进行可视化显示，提供渲染开始结束接口。
8.根据权利要求 1 - 7 任一项所述的面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器的适配器引擎信息接口优化方法，其特征在于：为了保证接口统一，对底层图形渲染接口进行封装，分别为OpenGL和D3D，由此将渲染过程简化为三步：
（1）引擎在显存开辟帧缓冲区；
（2）执行渲染语句，绘制图像；
（3）图像保存在帧缓冲区，渲染到贴图；
渲染过程简化后，引擎信息接口主要通过两个接口实现：首先是BeginRender，作用为做纹理渲染的主要准备工作；最后是EndRender，作用为获取到渲染好的纹理，然后传输到虚拟现实设备。
9.根据权利要求 8 所述的适配器引擎信息接口优化方法，其特征在于：在所述两个接口之间，用户开始渲染场景，具体流程如下：
（1）调用BeginRender接口创建帧缓冲区，将纹理对象与当前缓冲区绑定；
当在渲染前指定当前缓冲区后，接下来的渲染操作都会直接在帧缓冲区上执行，能直接操作这个帧缓冲区得到纹理对象；
（2）用户开始渲染图像，并将图像信息存储到帧缓冲区；
（3）调用EndRender接口实现从指定缓冲区提取纹理贴图，根据不同纹理对应的通道将图像信息传输到虚拟现实设备。
10.根据权利要求 1 - 7 任一项所述的面向仿真三维引擎便捷式开发的虚拟现实适配器的仿真三维引擎VR化的规范化流程，其特征在于：将仿真三维引擎VR化流程划分为初始适配流程、交互信息反馈流程、图像信息标定流程、图像信息渲染流程、图像信息输出流程五个典型流程，流程如下：
（1）初始适配阶段：该阶段负责进行设备检测、引擎适配及接口适配工作；设备检测通过USB接口和
驱动程序获取硬件信息，根据硬件信息判断当前适配器的支持情况，如果支持，则调用对应的设备接口，如果不支持，则返回提示信息扩展适配器；引擎适配主要由用户选择虚拟现实可视化的开发引擎，该阶段主要确认引擎类型及图像接口；接口适配根据设备信息及引擎信息，选择合适的接口处理可视化业务；
（2）交互信息反馈阶段：该阶段属于循环渲染解决，在每一次渲染开始前都需要进行，主要负责设备的头盔显示器和交互手柄的信息获取；头盔显示器信息主要用于空间定位，提供当前头盔显示器的位置和姿态；手柄信息及用于空间定位，也用于交互，提供当前手柄的位置、姿态及按钮触发状态；
（3）图像信息标定阶段：该阶段根据设备交互信息，计算渲染图像需要的相机参数及图像参数；相机外参描述了拍摄图像的位姿关系，该参数由头盔显示的位置和姿态及双眼间距确定，在三维空间有唯一矩阵描述；相机内参描述了拍摄图像的投影关系，决定了当前图像所拍摄的视场大小和距离基准；图像参数描述了所需图像的分辨率信息；
（4）图像信息渲染阶段：该阶段根据相机参数、图像参数及三维场景信息，进行输出纹理渲染，图像渲染过程包括：创建帧缓存、顶点计算、片段着色、渲染到纹理等流程；创建帧缓存的目的是为纹理提供存储空间，虚拟现实通常为双目渲染，故需要申请两份帧缓存；顶点计算根据相机外参及相机内参，把三维场景的顶点信息转换到屏幕坐标系；片段着色把屏幕坐标系下的顶点进行光栅化，得到每个顶点的像素颜色，经过深度测试、混合测试，最终输出到帧缓存中；帧缓存中的数据存储在显存，为了能够输出到设备中进行显示，需要纹理这个载体，最后把帧缓存的数据渲染到纹理；
（5）图像信息输出阶段：该阶段为引擎与设备的交互阶段，将引擎渲染的图像数据输出到设备进行可视化显示；虚拟现实设备为了保障三维沉浸式体验，分别对双眼的图像进行渲染，然后通过双目立体视觉技术融合图像，因此，引擎渲染的图像需要根据设备左右眼信息进行通道绑定；绑定通道后，图像数据能够根据通道传输到设备的正确位置进行可视化显示，形成沉浸式的体验。
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