基于中古原子概念的虚拟现实（VR）建模

摘要：本文主要探讨了一种虚拟现实模型设计，本文以中古单原子（无极性）物理模型为基础，模拟现实中物质组成及原子间相互作用，使用极坐标表达力矢量，以Lennard-Jones（LJ）势模型为原子间力相互作用建立联系，设计出一种原子级的虚拟现实模型体系。

关键词：虚拟现实（VR）； 原子；极坐标；原子引力函数

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）05-0213-02

虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术（VR）主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。

本文重点论述如何以面向对象的编程方式建立一个虚拟现实（VR）模型体系。

1虚拟现实建模思路

在自然界中，物质具体的存在形态多种多样。但是，经过物理学的研究，千姿百态的物质都可以初步归纳为两种基本的存在形态：“实物”和“场”。

“实物”具有的共同特点是：质量集中在某一空间，一般有比较确定的界面（气体的界面虽然模糊，但它又是由一个个实物粒子构成）。本文开头所举的各例都属于实物。

“场”则是看不见摸不着的物质，它可以充满全部空间，它具有“可入性”。例如大家熟知的电磁波，它可以将电台天线发射的信号通过空间传送到千家万户的收音机或电视机。可以概括地说，“场”是实物之间进行相互作用的物质形态。

日常生活中最常见的物质形态是固态、液态和气态，从构成来说这类状态都是由分子或原子的集合形式决定的。由于分子或原子在这三种物态中运动状况不同，而使我们看到了不同的特征。

本文所谈的建模思路就是以此为基础，在粒子程度中场的相互作用下实现更贴近现实物理世界的虚拟现实技术（VR）。

2原子对象建模

自然哲学中的原子论[1]在许多文化中都有记述。中国的墨子曾提出物质分割到一定程度就不能再分割下去了。而在西方，关于原子的哲学概念可以追溯至古希腊的哲学家，如德谟克利特、留基伯、伊壁鸠鲁。

原子论者认为世界是由两个基本部分，原子和虚空，组成。原子是不可破坏并且不会变化的，并且存在有无数种具有不同形状和大小的原子。它们在虚空中运动，互相碰撞。有时多个原子可能会形成一个集群，而宏观世界物质的多样性来源于集群内部原子的种类及排列方式不同。

基于人类的认知特征，本文所谈的虚拟现实（VR）原子模型并非完全模拟现代意义的原子概念，而更贴近于中古时代原子论的认知。

由此可知，虚拟现实（VR）中原子属性至少包含如下内容：

1）质量；

2）运动方向；

3）运动速率；

4）坐标；

5）受力情况（可能包含多个方向受力）；

6）直径；

7）原子种类；

8）引力/斥力函数。

对于化合物（包括有机物）由于具有极性，则不能简单地把其当成原子看待，基于分子级VR建模我们将在下一篇文章中进行讨论。

由于计算机的处理能力所限，虚拟现实（VR）中原子的属性均视需求而定：人眼的分辨力是有限的，在一定條件下，人眼只能区分出小到一定程度的点。根据人眼的分辨力，决定了采用物体像素的合理值。

人眼分辨物体细节的能力在中等亮度和中等对比度的条件下，观察静止物体时，对正常视力的人来说，其视敏角在1～1.5分之间，观察运动物体时，视敏角更大一些。

因此，虚拟现实（VR）中原子的直径属性则是根据需求而定，如普通的VR场景建模可按300原子/inch设计原子直径。对于风洞试验等科学模拟则可以使用更高分辨率的原子直径进行建模。

3场相互作用影响

基本相互作用（fundamental interaction），为物质间最基本的相互作用，常称为自然界四力或宇宙基本力。迄今为止观察到的所有关于物质的物理现象，在物理学中都可借助这四种基本相互作用的机制得到描述和解释。

大统一理论认为：强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用可以统一成一种相互作用，目前统一弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一理论已经获得实验证实。

重力相互作用，简称重力或引力，是四个基本相互作用中最弱的，但是重力可以广泛地作用于所有的物质。由于其广泛的作用范围，当物质质量为极大，物质有关的属性以及与物质的带电量有时可以相对地忽略。

当分子间距离等于平衡距离时，引力等于斥力，分子间作用力为零；当分子间距离小于平衡距离时，斥力、引力随分子间距离减小而增大，但斥力增加得快，所以表现出斥力；当分子间距离大于平衡距离时，斥力、引力随分子间距离增大而减小，但斥力减小得快，所以表现出引力。

当原子间距离约10^-10米时，原子间的引力和斥力相平衡，原子力为零，此位置叫做平衡位置；其引力和斥力随距离变化趋势如下图：

基于上述原理，虚拟现实（VR）中我们在视觉上分离的物体之间我们默认不存在引力和斥力，物体只具有重力（即物体与地球之间的引力）。只有在聚合体和碰撞中才引入原子引力和原子斥力相互作用概念。本文重点描述原子引力和拆力相互作用。

在20世纪80年代以前，分子动力学模拟一般都采用对势模型，对势可以比较好地描述除金属和半导体以外的几乎所有无机化合物，有些对势是经过一定的理论分析而得到的—，但其中一些参数则需要根据宏观实验参数用经验方法来确定，这些宏观实验参数主要有弹性常数、平衡点阵常数以及内聚能、空位形成能和层错能等，这些称为半经验势。后来，为了拟合的方便，人们在选择势函数时并不一定要求有确切的理论依据，而是出于经验和拟合方便的需要，相对自由地选择势函数形式。考虑到本文虚拟现实（VR）模型中的计算机计算及人类体验特征，原子引力函数我们暂时采用Lennard-Jones（LJ）[2]势模型：

V（r）=[V0/（n-m）]{m（r0/r）n-n（r0/r）m}

其中，V0反映了相互作用的强度，r0反映了原子（分子）的大小，根据量子力学二次微扰论的偶极子-偶极子相互作用[3]可导出n=12，前后两项分别为引力的拆力，实际应用中我们可采用如下计算公式：

V（r）=V0{（r0/r）12-2（r0/r）6}

其中v0根原子种类有关。假设某原子周围有n个原子，以该原子为极坐标原点，该原子受力后的加速度計算公式如下所示：

a[=k=0nn0Vr（k）ik]/m

其中i为极坐标中受力单位向量。这样就对模拟现实中物体从原子级别上进行了准确的表达，较好的描述了物体的状态及其运动特性。

4结语

以中古单原子（无极性）物理模型为基础，模拟现实中物质组成及原子间相互作用，使用极坐标表达力矢量，以Lennard-Jones（LJ）势模型为原子间力相互作用建立联系，这种原子级的虚拟现实模型体系基于人类体验，又从现代物理角度对虚拟现实模型进行描述，较好的表达了现实与虚拟世界的关系，对虚拟现实模型设计具有十分重要的意义。该模型可广泛应用于虚拟现实场景再现、科学实验模拟等场合。

参考文献：

[1] N.波尔.原子论和自然的描述[M].商务印书馆，1964.

[2] 文玉华，朱如曾，周富信，等.分子动力学模拟的主要技术[J].力学进展，2003，33（1）：65-73.

[3] 邹文栋，王立法.偶极子-偶极子库仑相互作用能及其电动力学特性[J].南昌航空大学学报（自然科学版）， 2008， 22（4）：32-35.

【通联编辑：光文玲】

推荐访问： 虚拟现实 中古 建模 原子 概念

---