虚拟现实技术及其应用1.ppt

Virtual Reality 虚拟现实技术及其应用,北京邮电大学,,虚拟现实系统典型硬件装置,虚拟现实的图形学基础,真实感图形的实时绘制技术,碰撞检测与三维真实感声音,主要内容,虚拟现实技术概述,目录,2,示例教学,北京邮电大学,产 生 背 景,虚拟现实概述,北京邮电大学,计算机科学发展的一个重要推动力 —如何让计算机更容易被人使用,操作人员可以以更为自然的方式使用计算机 将结果以更易被操作人员接受的方式尽快地表现出来 计算机能够更准确地理解人的意图,北京邮电大学,从60年代末起 在计算机技术的支持下已对各种计算提出“可视”的要求,在计算数据的基础上要解释数据、理解数据，把计算得到的数字信息转换为直观的、用视频或声频信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或模拟的物理现象 先进的科学计算将能洞察到传统科学计算所不可能看见的结果（To see the unseen），可视化是把某些不可见对象或抽象事物转化为可见的、可感知的结果 “ The purpose of computing is insight, not number ” ---Richard Hamming,北京邮电大学,人机和谐、定性定量结合是创造性研究的源泉，要求在观察计算所得的数据的基础上，能感受计算所得的形象结果和全局观念 研究人员甚至还希望能沉浸在计算所得、计算所创建的三维空间中，能交互地控制、驾驭和修改所“看见和感受到”的计算结果,自90年代初起 在高性能计算的支持下要求实现沉浸式的可视计算,北京邮电大学,解决复杂问题，必须跨领域合作集体攻关 网络技术已基本成熟，基于网络计算可实现资源共享 基于统一的开放体系框架结构、应用程序接口和面向对象的中间件，已能实现“优势互补”、“即插即用”的协同式的可视化计算,自90年代中旬以来在网络计算技术的支持下要求实现协同式的可视化计算,北京邮电大学,总之：沉浸式、协同式的可视化计算促进高性能计算机的发展, 高性能计算机为沉浸式、协同式的可视化计算提供基础,关键技术 高性能计算机和高性能网络技术 大量的、快速的、分布的、基于网络的数值计算 开放体系结构、中间件、人机接口和经验模型的建立 把数据映射成可视化的、具有某种物理属性的对象（虚物实化） 把实物转化为可融入虚拟环境的虚拟对象（实物虚化） 美国各个国家计算中心和有关部门都提出迎接21世纪技术发展的相应规划，如：DOE 2000和NSF的PACI等,北京邮电大学,,,传统计算机 的处理空间 串行的 单维的 封闭的 预定程序,人思考问题 的认知空间 并行的 多维的 开放的 归纳演绎,前30年计算机技术的发展 减小人的认知空间和计算机的处理空间的差异,努力建立和 谐人机环境 M大规模并行 M多媒体 O开放系统 O面向对象 N网络计算 逐步减小人和 机器间的隔阂,北京邮电大学,和谐的人机环境,MMOON,A,K,,v,后20年计算机技术的发展 从MMOON到AKV 有望实现和谐的人机环境,在继续发展MMOON的基础上，突破以下关键技术，逐步构建和谐的人机环境 Archive Storage and Processing -- 海量信息存储与处理 Knowledge Processing -- 知识处理 Visualized Computing & Virtual Reality -- 可视化计算与虚拟现实,北京邮电大学,虚拟现实的发展里程碑,1965年，Sutherland在篇名为《终极的显示》的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。

第一阶段－产生,随后的1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作在这第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词北京邮电大学,第二阶段－发展,80年代为虚拟现实的发展与集成阶段出现了若干个典型的、有代表性的应用系统，如：美国NASA的View系统，它是第一个进入实际应用的虚拟现实系统，给出了VR系统普遍采用的基本硬件体系结构，装备了数据手套、头部跟踪器，提供了语音、手势等交互手段；1986年美国空军基地设计的虚拟工作台系统（SuperCockpit），把视觉、听觉、触觉等感觉系统集成起来，为飞行员提供头部、眼睛、语言及手部控制输入等多种交互控制方式，用于全面开发飞行员的感知、认知及心理活动等各方面的能力；VPL公司开发了用于生成虚拟现实的PB2软件和DataGlove数据手套，为虚拟现实提供了开发工具；,虚拟现实技术的发展(续),VIEW 在虚拟现实技术发展史上的地位举足轻重。

当1985年VIEW系统的雏形在美国NASA Ames 研究中心完成时，该系统以低廉的造价、让参与者有“真实体验”的效果引起有关专家的注目该系统的雏形是在Michael McGreevy领导下完成的VIEW系统有以下特点： 保持了低造价的优势 装备了数据手套、头部跟踪器等硬件设备 提供了语音、手势等交互式手段北京邮电大学,第三阶段－全面应用,第三阶段90年代至今为虚拟现实的全面发展阶段随着传感器技术、机器视觉技术、图形图像技术的发展，世界范围内致力于人机和谐环境研究的专家、学者及工程技术人员，在虚拟现实基础理论研究、关键技术攻关以及应用系统推广方面做了大量工作，兴起了虚拟现实的研究热潮，并且广泛应用于训练、医疗、娱乐、教育、产品设计等诸多领域中北京邮电大学,虚拟现实的概念,15,虚拟现实效果展示,北京邮电大学,概述,虚拟现实 (virtual reality) 虚拟现实 (virtual reality) 简称 VR， 是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统虚拟世界是全体虚拟环境或给定仿真对象的全体，虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听及触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真。

虚拟现实技术是结合了计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术多种技术发展而成的一门新技术16,北京邮电大学,虚拟现实的概念,,虚拟现实是一种基于可计算信息的沉浸式人机交互 环境 虚拟现实是利用计算机构造一个视景真实、动作真 实、声音真实、感觉真实的虚拟环境的技术北京邮电大学,虚拟现实就是采用以计算机技术为核心的现代高技术生成逼真的视、听、触觉一体化的一定范围的虚拟环境，用户可以借助必要的装备以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响，从而获得亲临等同真实环境的感受和体验虚拟现实是一个高端的人机接口，包括通过视觉、听觉、触觉和味觉等多种感觉通道的实时模拟和实时交互,北京邮电大学,虚拟现实（Virtual Reality VR）是一种可以创建和体验虚拟环境（Virtual Environment VE）的计算机系统，利用它可以使人以更为自然和谐的方式使用计算机北京邮电大学,虚拟现实系统的技术特征（3I图）,沉浸 （Immersion） VR系统的核心，表示用户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力，用户在虚拟场景中有身临其境之感 交互性 （Interaction）用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力，它是人机和谐的关键性因素。

交互性包含对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度，以及虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等VR 是自主参考系，即以用户的视点变化进行虚拟交换互 构想 （Imagination） VR不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思因此 ，VR是启发人的创造性思维的活动20,概述,北京邮电大学,,,虚拟现实 系统,,分布式 虚拟现实,,,,,,,,增强现实性虚拟现实,,,桌面式 虚拟现实,,,,,沉浸式 虚拟现实,,,,概述,21,北京邮电大学,,,桌面虚拟现实系统,桌面虚拟现实（PCVR）系统，基本上是一套基于普通PC平台的小型桌面虚拟现实系统 桌面虚拟现实的参与者是不完全沉浸的，他要求参与者使用标准的显示器和立体显示设备，数据手套和六个自由度的三维空间鼠标器，戴上立体眼镜坐在监视器前，在一些专业软件的帮助下，可以通过计算机屏幕观察虚拟境界虚拟现实系统的分类,22,概述,北京邮电大学,,,,,23,,,沉浸式虚拟现实系统,沉浸式虚拟现实系统是一种高级的虚拟现实系统，它提供一个完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。

它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临其境、全心投入和沉浸其中的感觉虚拟现实系统的分类,概述,多用户虚拟现实系统,一次允许多个用户参与 典型的系统有：mWorld, CAVE，DIVE等 主要应用：虚拟研讨环境(聊天室), 虚拟社区 主要问题：保证多个用户对虚拟环境有一致的感受,,王兆其《虚拟环境中物体运动逼真性的研究》博士论文，北京航空航天大学，1999.6.,北京邮电大学,,,增强式虚拟现实系统,增强式虚拟现实系统是把真实环境和虚拟环境组合在一起的一种系统，它既允许用户看到真实世界，同时也可以看到叠加在真实世界的虚拟对象，这种系统既可减少对构成复杂真实环境的计算，又可对实际物体进行操作，真正达到亦真亦幻的境界虚拟现实系统的分类,概述,,,,,25,Augmented Reality,应用领域：维修，医学检查，培训等 主要问题：虚实一致性,,,王兆其《虚拟环境中物体运动逼真性的研究》博士论文，北京航空航天大学，1999.6.,R. T. Azuma,A Survey of Augmented Reality, Presence: Teleoperators and Virtual Environments, 1997, 6(4):355~385,北京邮电大学,,,分布式虚拟现实系统,分布式虚拟现实系统是利用远程网络，将异地的不同用户联结起来，多个用户通过网络同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协同工作的目的，从而将虚拟现实的应用提升到了一个更高的境界。

概述,虚拟现实系统的分类,,,,,27,分布式虚拟现实系统,分布于不同地理位置的多台计算机通过网络互联 主要应用：军事仿真，多用户虚拟环境 典型系统：SIMNET ，NPSNET，STOW， DVENET 主要问题：系统的一致性(由数据分布与网络延迟引起),,王兆其《虚拟环境中物体运动逼真性的研究》博士论文，北京航空航天大学，1999.6.,(4) 遥存在(Tele-Presence),真实世界与操作人员相隔两地 主要应用：远程手术，远程探测等,,王兆其《虚拟环境中物体运动逼真性的研究》博士论文，北京航空航天大学，1999.6.,虚拟现实系统的构成,,http://www.reflex.lth.se/reflex/whatisVR/,北京邮电大学,虚拟现实系统的构成 无论哪种 VR系统，其系统构成都可以划分为以下 6个功能模块：,概述,31,北京邮电大学,概述,虚拟现实系统的构成,32,北京邮电大学,概述,虚拟现实系统的硬件 在虚拟现实系统中，为了使人与计算机能够融洽的交互，让人沉浸到计算机所创造的虚拟环境中去，必须配备相应的硬件设备常用的交互设备包括： 跟踪系统 跟踪系统的任务是要实时检测出虚拟现实系统中人的头、身体和手的位置与指向，以便把这些数据反馈给控制系统，生成随视线变化的图象。

实现方式：电磁跟踪 声学跟踪 光学跟踪,33,北京邮电大学,触觉（力觉）系统 在虚拟现实系统中，产生“沉浸”效果的关键因素是用户能用手或身体的其他能动部分去操作虚拟物体，并在操作同时能够感觉到虚拟物。