虚拟现实(1)

1、第五章 虚拟现实基础,目 录,5.2 虚拟现实的历史发展,5.1 虚拟现实的基本概念,5.3 虚拟现实的关键技术,5.4 虚拟现实的制作与应用,5.5 虚拟现实的主要设备与产品,5.6 虚拟现实的主要应用,5.1 虚拟现实的基本概念,5.1.1 虚拟现实的定义,5.1.2 虚拟现实的特征,5.1.3 虚拟现实的类型,返回,5.1.1 虚拟现实的定义,Virtual Reality（VR） (J.Lanier,1989) 译为: 虚拟现实、灵境、幻真. 定义：1 让使用者在人工合成的环境里获得“进入角色”的体验。这涉及到三维立体显示跟踪头盔、立体声耳机、数据手套等2 是计算机生成的一种模拟环境（如飞机驾驶舱、分子结 构世界等），通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。“模拟环境”：计算机生成的有立体感的图形；“传感设备”：穿戴在用户身上的装置，如立体头盔、数据手套；“投入”：用户有身临其境的感觉；“自然交互”：指日常使用的方式对环境内进行操作。,涉及计算机图形学、人机接口技术、图像处理与模式识别、多传感器技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处

2、理技术、高性能计算机系统、人工智能技术.,需要计算机专家、人类工程学(Ergonomics) 专家、 心理学专家等共同开发研究。,虚拟现实是一项综合技术,5.1.2 虚拟现实的特征,沉浸感（Immersion）: 能给人们以真实世界的感 觉，让人感觉全方位地沉浸在这个虚幻的世界中， 难以分辨真假。交互性（Interaction）: 虚拟现实与通常CAD系统所产生的模型是不一样的，它不是一个静态的世界，而是可以对使用者的输入作出反应。虚拟现实环境可以通过控制与监视装置影响或被使用者影响。想象 （Imagination）: 它的应用能解决在工程、医学、军事等方面的一些问题,这些应用是与设计者并行操作,为发挥它们的创造性而设计的,这极大地依赖于人类的想象力。,5.1.3 虚拟现实的类型,(1)桌面级虚拟现实：成本低，应用面比较广，但缺乏完全投入 基于静态图像的虚拟现实技术：将连续拍摄的图像和视频在计算机中拼接以建立的实景化虚拟空间。 VRML（虚拟现实造型语言）：采用描述性的文本语言描述基本的三维物体的造型，通过一定的控制，将这些基本的三维造型组合成虚拟场景，当浏览器浏览这些文本描述信息时，

3、在本地进行解释执行，生成虚拟的三维场景。,（2）投入的虚拟现实：完全投入，利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身在虚拟环境中、并能全心投入和沉浸其中的感觉。 常用的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。 （3）增强现实性的虚拟现实：模拟现实世界、仿真现实世界，增强参与者对真实环境的感受，例如,战机飞行员的平视显示器。 （4）分布式虚拟现实：多个用户同时参与一个虚拟空间。,利用计算机构造的一个真实世界的模拟，地理上分布的用户可以通过网络共享该环境，并与周围的环境以及在相互之间进行交互。共享虚拟环境涉及到虚拟现实、分布对象、网络、人机交互、智能代理等领域。,（Distributed Virtual Environment),其他同义词包括: Networked VE (VR), Shared VE (VR), Multi-User VE, etc. 其实质是一种人机交互界面,分布式虚拟现实,因特网技术的广泛使用: Internet已经成

4、为娱乐、商业等的重要媒体 硬件基础：网络带宽的提高（宽带网的逐渐普及），个人计算机图形处理能力的增强 软件基础： 虚拟现实技术和网络技术的结合 日益复杂的数据使得原来的界面不能满足需要，人们希望更加直观的表达信息，使用更加自然的方式进行人机交互以及通过网络实现人与人之间实时、形象的交流,分布式虚拟环境发展的原动力,各用户具有共享的虚拟工作空间； 伪实体的行为真实感； 支持实时交互，共享时钟； 多个用户可以各自不同的方式相互通信； 资源信息共享以及允许用户自然操纵虚拟世界中的对象。,分布式虚拟现实的特点,军事训练 美国 SIMNET系统 网络会议与远程协作 Sony公司基于DIVE的一个系统 娱乐和虚拟社区 Cybertown (使用Blaxxun） 电子商务 VR commerce of IBM,分布式虚拟现实的应用,Blaxxun Interactive Inc http:/ 1995年成立，总部在德国慕尼黑 Vnet http:/ VRML+Java DeepMatrix http:/ VRML+Java,基于Web和VRML的分布式虚拟环境,军队被布置在与实际车辆和指挥中心相同的

5、位置，他们可以看到一个有山、树、云彩、硝烟、道路、建筑以及由其他部队操纵的车辆的模拟现场。这些由实际人员操纵的车辆可以相互射击，系统利用无线电通讯和声音效果来加强真实感。系统的每个用户可以通过环境视点来观察别人的举动。炮火的显示极为逼真，用户可以看到被攻击部队被炸毁的情况。从直升机上看到的场景也非常逼真。SIMNET系统可将多大1000个部队用网络连接起来，因此可以训练作战部队的战斗以及试验新的战术思想。 SIMNET被称为第一个廉价而又实用的模拟网络系统。它可以用来训练坦克、直升机以及战斗演习，并训练部队之间的协同作战能力。,美国 SIMNET军事训练系统 减小军费开支,虚拟现实和其他技术一样，也是在前人大量 工作的基础上发展起来的：(1).立体电影，立体声技术(2).飞行模拟器，最早实际使用的仿真技术(3).“星际旅行”,“宇宙飞船”的演示(4).机械手、机器人 危险场合进行各类“遥控操作”(5).游戏,驾驶汽车、潜艇航行,5.2 虚拟现实的历史发展,1962年，美国电影摄影师Morton Heilig研制出一套称为Sensorama的立体电影系统。这套系统供一个人观看，具有多种感

6、官刺激的立体显示设备。 1965年，计算机图形学的奠基人美国科学家Ivan Sutherland首次提出了一种全新的、富有挑战性的图形显示技术，即能不通过计算机屏幕这个窗口来观看虚拟世界，而是观察者可以直接沉浸在计算机生成的虚拟世界中。随着观察者随意地转动头部或身体，他所看到的场景就会随之发生变化。同时，观察者还可以用手、脚等部位以自然的方式与虚拟世界进行交互，虚拟世界会产生相应的反应，从而使观察者有一种身临其境的感觉。因此，也称Ivan Sutherland为“虚拟现实技术”之父。,重 要 事 件,1968年，Ivan Sutherland在麻省理工学院研制出了第一个头盔式显示器，并发表了“A Head-Mounted 3D Display”的论文，对头盔式显示器装置的设计要求、构造原理进行了深入的分析，并描绘出这个装置的设计原型，成为三维立体显示技术的奠基性成果。 20世纪80年代初，美国的VPL公司的创始人Jaron Lanier正式提出了“Virtual Reality”一词。 1985年，Krueger正式发表无障碍的人工现实。 1984年，美国宇航局Ames研究中心虚拟行星

7、探测实验室的M. McGreevy和J.Humphries组织开发了用于火星探测的虚拟世界视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟世界。在随后的虚拟交互世界工作站（VIEW）项目中，他们又开发了通用多传感器和遥控设备。,1993年11月，宇航员利用虚拟现实系统的训练成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作。 1996年10月31日，世界第一个虚拟现实技术博览会在伦敦开幕。 1996年12月，世界上第一个虚拟现实环球网在英国投入运行。 进入21世纪以来，虚拟现实技术的研究在中国开始迅速发展，在国家高科技“八六三”计划的支持下，有关虚拟现实技术的研究取得了巨大的成就，开始在不同领域得到了应用。,5.3 虚拟现实的关键技术,5.3.1 视觉技术,5.3.2 听觉技术,5.3.3 触觉技术,返回,大规模数据的场景建模技术； 动态实时的立体视觉、听觉等生成技术; 三维定位、方向跟踪、触觉反馈等传感技术和设备； 符合人类认知心理的三维自然交互技术; 三维交互软件及系统集成技术。,关 键 技 术,5.3.1 视觉技术,影响（沉浸感）立体 视

8、觉因素宽视野（） 立体显示 彩色 高分辨率 头部跟踪,红蓝滤色眼镜 液晶开关的体视眼镜 三维头盔显示器（HMD） 双筒全方位监视器（BOOM） 墙式显示屏自动声象虚拟环境（CAVE） 类型： 透明/不透明；佩戴/不佩戴；液晶/CRT/LED/投影,视 觉 设 备,5.3.2 听觉技术,听觉： 3D & Stereo声源定位：强度（高频）和时差（低频） 问题：声音从头里发出，随强度差而偏左或偏右 原因：与耳朵形状有关 解决：Convolvotron($15,000) 耳内录音 + 计算,5.3.3 触觉技术,触觉（Haptic)Haptic: 机械感受器（压力与纹理）与本体感受器 (proprioceptor)（重量、形状、大小）机械臂，空气囊，记忆金属，小马达，小探针。Sandpaper (Minsky,1990) 将小马达连到游戏杆；搅动,三维操纵棍,力反馈原理图,适当的（简单的）触觉和/或听觉提示与反馈能极大地改善人机交互质量两个基本的性能指标:帧 频16fps ， 响应时间 0.1s,5.4 虚拟现实的制作与应用,5.4.1 虚拟现实的制作方法,5.4.2 虚拟现实的制作工具,返

9、回,5.4.1虚拟现实的制作方法,第一步是选择世界的外表、声音和感觉， 建立模型； 第二步是使用软件工具制作虚拟现实的表达； 第三步是将软件系统与硬件（虚拟现实的各种装置）结合，实现最终的虚拟世界。,5.4.2虚拟现实的制作工具,Virtual Reality Modeling Language (VRML) World Tool Kit (WTK) Java 3D,Virtual Reality Modeling Language (VRML)这是一种用于描述三维造型与交互环境的简单的文本语言,是在Internet上建立3D多媒体和共享虚拟世界的一个开放标准。它的优点是： 与平台无关：无论你的平台是PC还是SGI，都可以浏览VRML世界 基于Web，能够建立三维可视化服务器 大量的可用资源：越来越多的Internet站点含有与VRML有关的内容它的缺点是： 渲染速度较慢 没有底层控制 有限的界面,World Tool Kit (WTK)WTK是在20世纪90年代初开发的，是用来创建虚拟世界的工具包。它是一个用于开发可实时交互的三维图形程序的，跨平台的开发环境，包括1000多个C语言函数的函数库，用函数库中的这些函数我们可以方便的创建虚拟世界。由于它支持大多数商业I/O商业（例如跟踪器、立体眼镜、传感手套等），具有多平台的可移植性（从运行Windows操作系统的PC机，到运行某种版本Unix的SGI，HP和Sun平台），包含丰富的代码实例，可以很方便地建立一个新仿真程序，因此在虚拟现实非常普及。尽管许多早期的工具包都已经消失了，但是WTK无论从功能还是大小都得到了很大发展。（从1994年的400个函数发展到最新版本的1000多个函数）。WTK函数使用面向对象的命名惯例，并且被组织成类。,Java 3DJava是由Sun Microsystems公司在20世纪90年代中期开发的，目前已成为一种开发与平台无关的分布式应用程序的编程环境。Java 3D是Java API中的一种，用于开发面向对象的交互式三维图形应用程序。与WTK类似，Java 3D在实现中也使用了OpenGL和Direct3D底层图形库函数以及图形加速卡。但是，与WTK不同的是，Java 3D 1.3可以从网上免费下载。,

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