虚拟现实技术概述(PPT 7)

1、虚拟现实技术,2019/10/3,2,虚拟现实技术,虚拟现实技术概述,2019/10/3,3,第1章 虚拟现实技术概述,本章主要包含的内容： 虚拟现实的概念； 虚拟现实的本质特征； 虚拟现实系统的组成； 虚拟现实的分类； 虚拟现实的应用； 虚拟现实的发展和现状；,2019/10/3,4,计算机应用的发展阶段,2019/10/3,5,1.1 虚拟现实的基本概念,2019/10/3,6,虚拟现实的提出,虚拟现实，英文名为Virtual Reality，简称VR技术，这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔(Jaron Lanier)在80年代初提出的，但在二十世纪末才兴起的的综合性信息技术。 作为一项尖端科技，虚拟现实融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术、网络并行处理等多个信息技术分支，是一种由计算机生成的高技术模拟系统，从而大大推进了计算机技术的发展。由于虚拟现实生成的视觉环境是立体的、音效是立体的，人机交互是和谐友好的，改掉人与计算机之间鼠标键盘，枯燥、生硬和被动的交互方式的现状。因此，目前虚拟现实技术已经成为计算机相关领域中继多媒体技术、网

2、络技术及人工智能之后关注及研究、开发与应用的热点。也是目前发展最快的一项多学科综合技术。,2019/10/3,7,1.1.1 虚拟现实的概念,1989年，美国VPL Research公司创始人Jaron Lanier提出了“Virtual Reality”（虚拟现实）的概念。 “Reality”的含义是现实的世界，或现实的环境。 “Virtual Reality”（虚拟现实）=“Virtual Environment”（虚拟环境） “Virtual”说明，世界或环境是虚拟的，不是真实的。这个世界或环境是人工构造的，是存在于计算机内部的。用户应该能够“进入”这个虚拟的环境中。 “进入“这个虚拟的环境中，是指用户以自然的方式与这个环境交互（包括感知环境并干预环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，身临其境的感觉。,2019/10/3,8,概念： “Virtual Reality“（虚拟现实）或“Virtual Environment“（虚拟环境）是人工构造的，存在于计算机内部的环境。用户应该能够以自然的方式与这个环境交互（包括感知环境并干预环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚

3、幻感，沉浸感，身临其境的感觉。,1.1.1 虚拟现实的概念,要点： 1. 环境：人造的，计算机内部的 2.自然的方式交互：人类感知周围环境的听觉，视觉，触觉等方式来感知环境。人以自然的不停的身体运动来干预环境。 3. 效果：虚假的，沉浸的，身临其境的感觉。,2019/10/3,9,1.1.1 虚拟现实的概念,虚拟现实系统中的“虚拟环境”，可能有下列几种情况： 第一种情况是完全对真实世界中的环境进行再现。如虚拟小区对现实小区的虚拟再现、军队中的虚拟战场、虚拟实验室中的各种仪器等，这种真实环境，可能已经存在，如下图所示，也可能是已经设计好但是尚未建成，也可能是原来完好，现在被破坏。,2019/10/3,10,1.1.1 虚拟现实的概念,虚拟现实系统中的虚拟环境，可能有下列几种情况。 第二种情况是完全虚拟的，人类主观构造的环境。如影视制作或电子游戏中，三维动画设计的虚拟世界。此环境完全是虚构的，用户也可以参与，并与之进行交互的非真实世界。但它的交互性和参与性不是很明显，,2019/10/3,11,1.1.1 虚拟现实的概念,虚拟现实系统中的虚拟环境，可能有下列几种情况。 第三种情况是对真实世

4、界中人类不可见的现象或环境进行仿真。如分子结构、各种物理现象等。这种环境是真实环境，客观存在的，但是受到人类视觉、听觉器官的限制不能感应到。一般情况是以特殊的方式（如放大尺度的形式）进行模仿和仿真，使人能够看到，听到，或者感受到，体现科学可视化。,2019/10/3,12,虚拟现实概念包含三层含义： 1环境 虚拟现实强调环境，而不是数据和信息。 2主动式交互 虚拟现实强调的交互方式是通过专业的传感设备来实现的，改进了传统的人机接口形式。虚拟现实人机接口是完全面向用户来设计，用户可以通过在真实世界中的行为干预虚拟环境。 3沉浸感 通过相关的设备，采用逼真的感知和自然的动作，使人仿佛置身于真实世界，消除了人的枯燥、生硬和被动的感觉，大大提高工作效率。,1.1.1 虚拟现实的概念,2019/10/3,13,虚拟现实的概念中有三个I： （1）Immersion(沉浸)，是指逼真的，身临其境的感觉。 （2）Interaction(交互)，是指用户感知与操作环境。 （3）Imagination(想象)，是指创造性。,1.1.2 虚拟现实的本质特征,I3,2019/10/3,14,沉浸感(Immer

5、sion)又称临场感，是虚拟现实最重要的技术特征，是指用户借助交互设备和自身感知觉系统，置身于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中一样。,1.1.2 虚拟现实的本质特征,2019/10/3,15,交互性（Interaction)是用户通过使用专门输入和输出设备，用人类的自然技能对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。虚拟现实系统强调人与虚拟世界之间以近乎自然的方式进行交互。即不仅用户通过传统设备(键盘和鼠标等)和传感设备（特殊头盔、数据手套等），使用自身的语言、身体的运动等自然技能，对虚拟环境中的对象进行操作。而且计算机能够根据用户的头、手、眼、语言及身体的运动来调整系统呈现的图像及声音。(手握东西),1.1.2 虚拟现实的本质特征,2019/10/3,16,想象性（Imagination)又称创造性，是虚拟世界的起点。想象力使设计者构思和设计虚拟世界，并体现出设计者的创造思想。所以，虚拟现

6、实系统是设计者借助虚拟现实技术，发挥其想象力和创造性而设计的。比如建造一座现代化的桥梁之前，设计师要对其结构做细致的构思。,1.1.2 虚拟现实的本质特征,2019/10/3,17,一般的虚拟现实系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入输出设备和数据库来组成。,1.1.3 虚拟现实的组成,2019/10/3,18,计算机：是系统的心脏，也称之为虚拟世界的发动机。负责虚拟世界的生成、人与虚拟世界的自然交互等功能的实现。由于其复杂性，计算量极大，对计算机的配置提出了极高的要求。 输入与输出设备(接口)：特殊的设备，用以识别用户各种形式的输入，并实时生成相应反馈信息。常用的设备有用于手势输入的数据手套，用于语音交互的三维声音系统等。 应用软件：虚拟世界中物体的几何模型、物理模型、运动模型的建立；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。 数据库：存放整个虚拟世界中所有物体的各方面信息。,1.3 虚拟现实系统的组成,2019/10/3,19,2019/10/3,20,2019/10/3,21,1.2 虚拟现实的分类,2019/10/3,22,根据虚

7、拟现实技术对“沉浸性”程度的高低和交互程度的不同划为四种典型的类型： （1）桌面式虚拟现实系统。 （2）沉浸式虚拟现实系统。 （3）增强式虚拟现实系统。 （4）分布式虚拟现实系统。,1.2 虚拟现实系统分类,2019/10/3,23,它是利用个人计算机或初级图形工作站等设备，以计算机屏幕作为用户观察虚拟世界的一个窗口，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，通过包括键盘、鼠标和力矩球等各种输入设备操纵虚拟世界，实现与虚拟世界的交互。其特点： 1)用户处于不完全沉浸的环境，缺少完全沉浸、身临其境的感觉，即使戴上立体眼镜，仍能感受到周围现实世界的干扰。 2)对硬件设备要求极低，简单型的只需要计算机，或增加数据手套，空间跟踪设置等。 3)成本相对较低，应用相对比较普遍，也具备了沉浸式虚拟现实系统的一些技术要求。,1.2.1 桌面虚拟现实系统,2019/10/3,24,2019/10/3,25,2019/10/3,26,它是一种高级的、较理想的虚拟现实系统，较复杂。提供一个完全沉浸的体验，使用户有一种仿佛置身于真实世界之中的感觉。 操作过程：用户的视觉、听觉和其他感觉首先被封

8、闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，利用空间位置跟踪器、数据手套、三维鼠标等输入设备和视觉、听觉等设备，使用户产生一种身临其境、完全投入和沉浸于其中的感觉。 例如，在消防仿真演习系统中，消防员会沉浸于极度真实的火灾场景并做出不同反应。这种系统的优点是用户可完全沉浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备尤其是硬件价格相对较高，难以大规则普及推广。,1.2.2 沉浸式虚拟现实系统,2019/10/3,27,1.2.2 沉浸式虚拟现实系统,结构图,2019/10/3,28,常见的沉浸式虚拟现实系统有基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统等。 (1)头盔式虚拟现实系统。采用头盔显示器来实现单用户的立体视觉、听觉的输出，使人完全沉浸其中。 (2)洞穴式虚拟现实系统(CAVE)。该系统是一种基于多通道视景同步技术和立体显示技术的房间式投影可视协同环境，该系统可提供一个房间大小的四面（或六面）立方体投影显示空间，供多人参与。,1.2.2 沉浸式虚拟现实系统,2019/10/3,29,2019/10/3,30,常见的沉浸式虚拟现实系统有基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在

9、系统等。 (3)座舱式虚拟现实系统。座舱是一种最为古老的虚拟现实模拟器。当用户进入座舱后，不用佩戴任何现实设备，就可以通过座舱的窗口观看一个虚拟境界。 (4)投影式虚拟现实系统。该系统是采用一个或多个大屏幕投影来实现大画面的立体视觉和听觉效果，是多个用户同时具有完全投入的感觉。,1.2.2 沉浸式虚拟现实系统,2019/10/3,31,常见的沉浸式虚拟现实系统有基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统等。 (5)远程存在。远程存在是一种远程控制形式，用户虽与某个真实现场相隔遥远，但可以通过计算机和电子装置获得足够的感觉现实和交互反馈，恰似身临其境，并可以介入对现场进行遥操作。此系统需要一个立体显示器和两台摄像机生成三维图像，这种图像使得操作员有一种深度的感觉，观看的虚拟境界更清晰。,1.2.2 沉浸式虚拟现实系统,2019/10/3,32,增强式虚拟现实系统：既可以允许用户看到真实世界，同时也可以看到叠加在真实世界上的虚拟对象，它是把真实环境和虚拟环境组合在一起的一种系统，既可减少构成复杂真实环境的计算，又可对实际物体进行操作，真正达到了亦真亦幻的境界。其特点： 1)真实世界和虚拟世界融为一体； 2)具有实时人机交互功能； 3)真实世界和虚拟世界在三维空间中整合。,1.2.3 增强式虚拟现实系统,2019/10/3,33,（3）增强式虚拟现实系统 常见的增强式虚拟现实系统有： 1)基于台式图形显示器系统； 2)基于单眼显示器的系统； 3)基于光学透视式头盔显示器的系统； 4)基于视频透视式头盔显示器的系统。,使用场所： 医学可视化、军用飞机导航、设备维护与维修、娱乐、文物古迹的复原等。,1.2.3 增强式虚拟现实系统,2019/10/3,34,（4）分布式虚拟现实系统 分布式虚拟现实系统是一个基于网络的可供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境。在这个环境中，位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接，或者多个用户同时参加一个虚拟现实环境，通过计算机与其他用户进行交互，并共享信息。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。 分布式虚拟现实系统的特征： 1)共享的虚拟工作空间； 2)伪实体的行为真实感； 3)支持实时交互，共享时钟； 4)多个用户以多种方式相

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