基于中古原子概念的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）建模

陳輝

摘要：本文主要探討了一種虛擬現(xiàn)實(shí)模型設(shè)計(jì)，本文以中古單原子（無極性）物理模型為基礎(chǔ)，模擬現(xiàn)實(shí)中物質(zhì)組成及原子間相互作用，使用極坐標(biāo)表達(dá)力矢量，以Lennard-Jones（LJ）勢模型為原子間力相互作用建立聯(lián)系，設(shè)計(jì)出一種原子級的虛擬現(xiàn)實(shí)模型體系。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）； 原子；極坐標(biāo)；原子引力函數(shù)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）05-0213-02

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)多媒體技術(shù)傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。模擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的、實(shí)時(shí)動態(tài)的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應(yīng)該具有一切人所具有的感知。除計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)所生成的視覺感知外，還有聽覺、觸覺、力覺、運(yùn)動等感知，甚至還包括嗅覺和味覺等，也稱為多感知。自然技能是指人的頭部轉(zhuǎn)動，眼睛、手勢、或其他人體行為動作，由計(jì)算機(jī)來處理與參與者的動作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對用戶的輸入做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，并分別反饋到用戶的五官。傳感設(shè)備是指三維交互設(shè)備。

本文重點(diǎn)論述如何以面向?qū)ο蟮木幊谭绞浇⒁粋€(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）模型體系。

1虛擬現(xiàn)實(shí)建模思路

在自然界中，物質(zhì)具體的存在形態(tài)多種多樣。但是，經(jīng)過物理學(xué)的研究，千姿百態(tài)的物質(zhì)都可以初步歸納為兩種基本的存在形態(tài)：“實(shí)物”和“場”。

“實(shí)物”具有的共同特點(diǎn)是：質(zhì)量集中在某一空間，一般有比較確定的界面（氣體的界面雖然模糊，但它又是由一個(gè)個(gè)實(shí)物粒子構(gòu)成）。本文開頭所舉的各例都屬于實(shí)物。

“場”則是看不見摸不著的物質(zhì)，它可以充滿全部空間，它具有“可入性”。例如大家熟知的電磁波，它可以將電臺天線發(fā)射的信號通過空間傳送到千家萬戶的收音機(jī)或電視機(jī)?？梢愿爬ǖ卣f，“場”是實(shí)物之間進(jìn)行相互作用的物質(zhì)形態(tài)。

日常生活中最常見的物質(zhì)形態(tài)是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，從構(gòu)成來說這類狀態(tài)都是由分子或原子的集合形式?jīng)Q定的。由于分子或原子在這三種物態(tài)中運(yùn)動狀況不同，而使我們看到了不同的特征。

本文所談的建模思路就是以此為基礎(chǔ)，在粒子程度中場的相互作用下實(shí)現(xiàn)更貼近現(xiàn)實(shí)物理世界的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）。

2原子對象建模

自然哲學(xué)中的原子論[1]在許多文化中都有記述。中國的墨子曾提出物質(zhì)分割到一定程度就不能再分割下去了。而在西方，關(guān)于原子的哲學(xué)概念可以追溯至古希臘的哲學(xué)家，如德謨克利特、留基伯、伊壁鳩魯。

原子論者認(rèn)為世界是由兩個(gè)基本部分，原子和虛空，組成。原子是不可破壞并且不會變化的，并且存在有無數(shù)種具有不同形狀和大小的原子。它們在虛空中運(yùn)動，互相碰撞。有時(shí)多個(gè)原子可能會形成一個(gè)集群，而宏觀世界物質(zhì)的多樣性來源于集群內(nèi)部原子的種類及排列方式不同。

基于人類的認(rèn)知特征，本文所談的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）原子模型并非完全模擬現(xiàn)代意義的原子概念，而更貼近于中古時(shí)代原子論的認(rèn)知。

由此可知，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）中原子屬性至少包含如下內(nèi)容：

1）質(zhì)量；

2）運(yùn)動方向；

3）運(yùn)動速率；

4）坐標(biāo)；

5）受力情況（可能包含多個(gè)方向受力）；

6）直徑；

7）原子種類；

8）引力/斥力函數(shù)。

對于化合物（包括有機(jī)物）由于具有極性，則不能簡單地把其當(dāng)成原子看待，基于分子級VR建模我們將在下一篇文章中進(jìn)行討論。

由于計(jì)算機(jī)的處理能力所限，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）中原子的屬性均視需求而定：人眼的分辨力是有限的，在一定條件下，人眼只能區(qū)分出小到一定程度的點(diǎn)。根據(jù)人眼的分辨力，決定了采用物體像素的合理值。

人眼分辨物體細(xì)節(jié)的能力在中等亮度和中等對比度的條件下，觀察靜止物體時(shí)，對正常視力的人來說，其視敏角在1～1.5分之間，觀察運(yùn)動物體時(shí)，視敏角更大一些。

因此，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）中原子的直徑屬性則是根據(jù)需求而定，如普通的VR場景建?？砂?00原子/inch設(shè)計(jì)原子直徑。對于風(fēng)洞試驗(yàn)等科學(xué)模擬則可以使用更高分辨率的原子直徑進(jìn)行建模。

3場相互作用影響

基本相互作用（fundamental interaction），為物質(zhì)間最基本的相互作用，常稱為自然界四力或宇宙基本力。迄今為止觀察到的所有關(guān)于物質(zhì)的物理現(xiàn)象，在物理學(xué)中都可借助這四種基本相互作用的機(jī)制得到描述和解釋。

大統(tǒng)一理論認(rèn)為：強(qiáng)相互作用、弱相互作用和電磁相互作用可以統(tǒng)一成一種相互作用，目前統(tǒng)一弱相互作用和電磁相互作用的電弱統(tǒng)一理論已經(jīng)獲得實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

重力相互作用，簡稱重力或引力，是四個(gè)基本相互作用中最弱的，但是重力可以廣泛地作用于所有的物質(zhì)。由于其廣泛的作用范圍，當(dāng)物質(zhì)質(zhì)量為極大，物質(zhì)有關(guān)的屬性以及與物質(zhì)的帶電量有時(shí)可以相對地忽略。

當(dāng)分子間距離等于平衡距離時(shí)，引力等于斥力，分子間作用力為零；當(dāng)分子間距離小于平衡距離時(shí)，斥力、引力隨分子間距離減小而增大，但斥力增加得快，所以表現(xiàn)出斥力；當(dāng)分子間距離大于平衡距離時(shí)，斥力、引力隨分子間距離增大而減小，但斥力減小得快，所以表現(xiàn)出引力。

當(dāng)原子間距離約10^-10米時(shí)，原子間的引力和斥力相平衡，原子力為零，此位置叫做平衡位置；其引力和斥力隨距離變化趨勢如下圖：

基于上述原理，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）中我們在視覺上分離的物體之間我們默認(rèn)不存在引力和斥力，物體只具有重力（即物體與地球之間的引力）。只有在聚合體和碰撞中才引入原子引力和原子斥力相互作用概念。本文重點(diǎn)描述原子引力和拆力相互作用。