VR虚拟现实 虚拟现实技术概述

VR 虚拟现实 虚拟现实技术概述VR 虚拟现实 虚拟现实技术概述 第一章虚拟现实技术概述 1什么是虚拟现实技术1什么是虚拟现实技术 虚拟现实（VirtualReality，简称 VR）技术是 20 世纪 90 年代以 来兴起的一种新型信息技术，它与多媒体、网络技术并称为三大前景 最好的计算机技术。它以计算机技术为主，利用并综合三维图形动技 术、多媒体技术、仿真技术、传感技术、显示技术、伺服技术等多种 高科技的最新发展成果， 利用计算机等设备来产生一个逼真的三维视 觉、触觉、嗅觉等多种感官体验的虚拟世界，从而使处于虚拟世界中 的人产生一种身临其境的感觉。在这个虚拟世界中，人们可直接观察 周围世界及物体的内在变化，与其中的物体之间进行自然的交互，并 能实时产生与真实世界相同的感觉，使人与计算机融为一体。与传统 的模拟技术相比，VR 技术的主要特征是：用户能够进入到一个由计 算机系统生成的交互式的三维虚拟环境中，可以与之进行交互。通过 参与者与仿真环境的相互作用， 并利用人类本身对所接触事物的感知 和认知能力，帮助启发参与者的思维，全方位地获取事物的各种空间 信息和逻辑信息。 2虚拟现实技术与三维动画技术的异同2虚拟现实技术与三维动画技术的异同 VR 技术和三维动画技术有本质的区别：三维动画技术是依靠计算 机预先处理好的路径上所能看见的静止照片连续播放而形成的， 不具 有任何交互性，即不是用户想看什么地方就能看到什么地方，用户只 能按照设计师预先固定好的一条线路去看某些场景， 它给用户提供的 信息很少或不是所需的，用户是被动的；而 VR 技术则截然不同，它 通过计算机实时计算场景， 根据用户的需要把整个空间中所有的信息 真实地提供给用户，用户可依自己的路线行走，计算机会产生相应的 场景，真正做到“想得到，就看得到” 。所以说交互性是两者最大的 不同。 下面来看一个应用的实例。房地产展示是这两个技术最常用的领域。 在现在的应用中，很多房地产公司采用三维动画技术来展示楼盘，其 设计周期长，模式固定，制作费用高；而同时在国内也已经有多家公 司采用 VR 技术来进行设计，其展示效果好，设计周期短，更重要的 是，它是基于真实数据的科学仿真，不仅可达到一般展示的功能，而 且还可以把业主带入到未来的建筑物里参观，还可展示如门的高度、 窗户朝向、某时间的日照、采光的多少、样板房的自我设计、与周围 环境的相互影响等。这些都是三维动画技术所无法比拟的。有关 VR 技术与三维动画技术的比较见表 1-1。 表 1-1 比 较 项 目 VR 技术三维动画技术 科学性 及场景 的选择 性 虚拟世界基于真实数据建立的 模型组合而成，属于科学仿真 系统。操纵者亲身体验三维空 间，可自由选择观察路径，有 身临其境的感觉 场景画面根据材料或想像 直接绘制而与真实的世界 和数据有较大的差距，属 于演示类艺术作品。只能 按预先假定的观察路径观 看。 实时交 互性 操纵者可以实时感受到运动带 来的场景变化，具有双向互动 的功能 只能单向演示，场景变化 的画面需要事先制作生成 空间立 体感 支持立体显示和三维立体声， 具有三维空间真实感 不支持 演示时 间 没有时间限制，可真实详尽的 展示，性价比高 受动画制作时间限制，无 法详尽展示，性价比低 方案应 用 的灵活 性 支持方案调整、评估、管理、 信息查询等功能，同时又具有 更真实直观的演示功能 只具有简单的演示功能 3虚拟现实技术的发展简史3虚拟现实技术的发展简史 VR 技术的发展大致分为 3 个阶段： 20 世纪 50 年代到 70 年代末，是 VR 技术的探索阶段； 20 世纪 80 年代初期到 80 年代中期，是 VR 技术系统化、从实验室 走向实用的阶段； 20 世纪 80 年代末期到达 21 世纪初，是 VR 技术高速发展的阶段。 第一套具有 VR 思想的装置是莫顿。海利希在 1962 年研制的称为 Senorama 的具有多种感官刺激的立体电影系统，它是一套只能供个 人观看立体的设备， 采用模拟电子技术与娱乐技术相结合的全新技术， 能产生立体声音效果，并能有不同的气味，座位也能根据剧情的变化 摇摆或振动，观看时还能感觉到有风在吹动。 在随后几年中， 艾凡.萨瑟兰在麻省理工学院开始头盔式显示器的 研制工作，人们戴上这个头盔式显示器，就会产生身临其境的感觉。 研制者们于 1970 年研制出了第一个功能较齐全的 HMD 系统。 美 国 的 JaronLanier 在 20 世 纪 律 80 年 代 初 正 式 提 出 了 VirtualReality 一词。 20 世纪 80 年代,美国国家航空航天局(NASA)及美国国防部组织了 一系列有关 VR 技术的研究,并取得了令人瞩目的研究成果。 进入20世纪90年代后,迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的 计算机软件系统相匹配， 使得基于大型数据集合的声音和图像的实时 动画制作成为可能，人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输 入输出设备不断地涌入市场。 4虚拟现实系统的构成4虚拟现实系统的构成 典型的 VR 系统主要由计算机、应用软件系统、输入输出设备、用 户和数据库等组成，如图 1-1 所示。 图 1-1 虚拟现实系统的一般构成 1.计算机 在 VR 系统中，计算机负责虚拟世界的生成和人机交互的实现。由 于虚拟世界本身具有高度复杂性，尤其在某些应用中，如航空航天世 界的模拟、大型建筑物的立体显示、复杂场景的建模等，使得生成虚 拟世界所需的计算量极为巨大，因此对 VR 系统中计算机的配置提出 了极高的要求。 2.输入输出设备 在 VR 系统中，为了实现人与虚拟世界的自然交互，必须采用特殊 的输入输出设备，以识别用户各种形式的输入，并实时生成相应的反 馈信息。 3.VR 的应用软件系统及数据库 VR 的应用软件系统可完成的功能包括：虚拟世界中物体的几何模型、 物理模型、行为模型的建立，三维虚拟立体声的生成，模型管理技术 及实时显示技术，虚拟世界数据库的建立与管理等几部分。虚拟世界 数据库主要用于存放整个虚拟世界中所有物体的各个方面的信息。 图 1-2 典型虚拟现实系统的结构框图 5虚拟现实技术的特征5虚拟现实技术的特征 VR 技 术 有 3 个 主 要 特 征 ： 沉 浸 性 （ Immersion） 、 交 互 性 （Interactivity）和想像性（Imagination） ，如图 1-3 所示。 图 1-3 （1）沉浸性 沉浸性（Immersion）是指用户感受到被虚拟世界所包围，好像完全 置身于虚拟世界中一样。VR 技术最主要的技术特征是让用户觉得自 己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分， 使用户由观察者变成 参与者，沉浸其中并参与虚拟世界的活动。理想的虚拟世界应该达到 使用户难以分辨真假的程度，甚至超越真实，实现比现实更逼真的照 明和音响效果。 （2）交互性 交互性（Interactivity）的产生，主要借助于 VR 系统中的特殊 硬件设备（如数据手套、力反馈装置等） ，使用户能通过自然的方式， 产生同在真实世界中一样的感觉。 （3） 想像性 想像性（Imagination）指虚拟的环境是人想像出来的，同时这种 想像体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。所以 说 VR 技术不仅仅是一个媒体或一个高级用户界面，同时它还是为解 决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件。 6VR 技术的意义 正是由于 VR 技术的广泛应用， 并能够实现人与自然之间的和谐交 互，扩大对信息空间的感知通道，提高人类对跨越时空事物和复杂动 态事件的感知能力，把计算机应用提高到一个崭新的水平，其作用和 意义是十分重要的。 首先是在观念上的转变，它使人们对计算机的应用从“以计算机为主 体”变成“以人为主体” 。 传统的信息处理环境一直强调的是“人适应计算机” ，人与计算机通 常通过键盘与鼠标进行交互， 这种交互是间接的， 非直觉的和有限的。 而 VR 技术的目标或理念是要逐步使“计算机适应人” ，人们要通过视 觉、听觉、触觉、嗅觉以及形体、手势或语言，参与到信息处理的环 境中去，并获得身临其境的体验。人们不必意识到自己在同计算机打 交道，而可以像在现实世界中处理事情一样同计算机交流，这就把人 从操作计算机的复杂工作中解放出来，使用计算机无需学习，操作也 异常简单而方便。 第二个转变发生在哲学中人们对“虚”和“实”之间的辩证关系 的理解上。 虚和实的关系是一个古老的哲学话题。 我们是处于真实的客观世界中， 还是只处于自己的感知世界中，一直是唯物论和唯心论争论的焦点。 以视觉为例，我们所看到的世界，不过是视网膜上的影像。过去，视 网膜上的影像都是真实世界的反映， 因此客观的真实世界同主观的感 知世界是一致的。现在，VR 导致了二重性，VR 的景物对人的感官来 说是实实在在存在的，但它又的的确确是虚构的东西，而且按照虚构 的东西行事，往往又会得出正确的结果。因此这就引发了哲学上要重 新认识“虚”和“实”之间的关系的研究。 7虚拟现实系统的分类7虚拟现实系统的分类 在实际应用中， 根据VR技术对沉浸程度的高低和交互程度的不同， 将 VR 系统划分了解 4 种类型：沉浸式 VR 系统、桌面式 VR 系统、增 强式 VR 系统、分布式 VR 系统。其中桌面式 VR 系统因其技术非常简 单，需投入的成本也不高，在实际应用中较广泛。 （1）桌面式 VR 系统 桌面式 VR 系统也称窗口 VR，见图 1-4 所示，它是利用个人计算 机或图形工作站等设备，采用立体图形、自然交互等技术，产生三维 立体空间的交互场景， 利用计算机的屏幕作为观察虚拟世界的一个窗 口，通过各种输入设备实现与虚拟世界的交互。 桌面式 VR 系统一般要求参与者使用空间位置跟踪定位设备和其他输 入设备，如数据手套和 6 个自由度的三维空间鼠标，使用户虽然坐在 监视器前，却可以通过计算机屏幕观察 360范围内的虚拟世界。 在桌面式 VR 系统中， 计算机的屏幕是用户观察虚拟世界的一个窗 口，在一些 VR 工具软件的帮助下，参与者可以在仿真过程中进行各 种设计。使用的硬件设备主要是立体眼镜和一些交互设备（如数据手 套、空间位置跟踪定位设备等） 。立体眼镜观看计算机屏幕中虚拟三 维场景的立体效果， 它所带来的立体视觉能使用户产生一定程度的沉 浸感。有时为了增强桌面式 VR 系统的效果，在桌面式 VR 系统中还可 以加入专业的投影设备，以达到增大屏幕观看范围的目的。 桌面式 VR 系统具有以下主要特点： 对硬件要求极低，有时只需要计算机或是增加数据手套、空间位 置跟踪定位设备等。 缺少完全沉浸感，参与者不完全沉浸，因为即使戴上立体眼镜， 仍然会受到周围现实世界的干扰。 应用比较普遍， 因为它的成本相对较低， 而且它也具备了沉浸式 VR 系统的一些技术要求。 作为开发者和应用者来说，从成本角度考虑，采用桌面式 VR 技术 往往被认为是从事 VR 研究工作的必经阶段。 图 1-4 桌面式 VR 系统 （2）沉浸式 VR 系统 沉浸式 VR 系统利用头盔显示器和数据手套等各种交互设备把用 户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为 VR 系统内 部的一个参与者，并能利用这些交互设备操作和驾驭虚拟环境，产生 一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉（见图 1-5） 。沉浸式 VR 系统的基本组成如图 1-6 所示。 图 1-5 沉浸式 VR 系统演示实例 沉浸式 VR 系统的特点 高度的沉浸感。沉浸式 VR 系统采用多种输入与输出设备来营造一 个虚拟的世界，并使用户沉浸于其中，同时还可以使用户与真实 世界完全隔离，不受外面真实世界的影响。 高度实时性。在虚拟世界中要达到与真实世界相同的感觉，如当 人运动时，空间位置跟踪定位设备需及时检测到，并且经过计算 机运算，输出相应的场景变化，并且这个变化必需是及时的，延 迟时间要很小。 图 1-6 沉浸式 VR 系统的基本组成