第8章多媒体技术与应用虚拟现实技术教程

8.1虚拟现实技术概述8.1.1虚拟现实技术的概念8.1.2虚拟现实技术的特征8.1.3虚拟现实系统的分类8.1.4虚拟现实技术的应用8.2虚拟现实系统的组成8.2.1虚拟现实系统的硬件设备8.2.2虚拟现实系统的开发软件8.3虚拟现实系统的开发8.3.1Virtools软件特点及工作流程8.3.2Virtools软件的界面与工具简介8.3.3建模与模型导入8.3.4角色动作与移动控制8.3.5场景属性设定8.3.6系统的输出学习目标1.掌握虚拟现实技术的相关概念和关键特性；2.了解虚拟现实系统的组成；3.了解虚拟现实系统的开发流程；4.掌握Virtools虚拟现实软件的基本操作。8.1.1虚拟现实技术虚拟现实技术就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围内虚拟的环境（如飞机驾驶舱、分子结构世界）。6.虚拟现实技术(VirtualReality)从本质上讲,虚拟现实技术是一种崭新的人机界面,是三维的,对物理现实的仿真.虚拟现实系统实际上是一种多媒体计算机系统,它利用多种传感器输入信息仿真人的各种感觉,经过计算机高速处理,再由头盔显示器,声音输出装置,触觉输出装置及语音合成装置等输出设备,以人类感官易于接受的形式表现给用户.虚拟现实技术能实现人与环境的统一,仿真人在自然环境之中.人的感觉是多方面的,要想使处于虚拟现实中的人在各种感觉上都能仿真是很困难的,要达到智能就更困难了.但是,虚拟现实技术提供了一种崭新的人机界面设计的方向,在国民经济许多领域都会有重要应用,是多媒体系统重要的发展方向.虚拟现实技术它综合集成了计算机图形学,人机交互技术,传感与测量技术,仿真,人工智能,微电子等科学技术虚拟现实技术主要应用于工程设计,数据可视化,飞行模拟,模拟实验,多媒体远程教育,远程医疗,旅游娱乐等方面网络通讯与虚拟现实技术的结合具有诱人的前景和巨大的潜在应用价值,它将在某种程度上改变人类的思维方式和时空观,实现真正意义上的远程交互式教育虚拟现实技术的发展必须有大容量的数据存储,快速的数据处理和宽频信息通道的技术支撑虚拟现实技术所谓虚拟现实,就是采用计算机技术生成一个逼真的视觉,听觉,触觉及嗅觉的感觉世界,用户可以用人的自然技能对这个生成的虚拟实体进行交互考察.这个概念包含三层含义:-虚拟实体用计算机来生成的一个逼真的实体;-用户可以通过人的自然技能(人的头部转动,眼动,手势或其它的身体动作)与这个环境交互;-要借助于一些三维传感设备来完成交互动作,常用的如头盔立体显示器,数据手套,数据服装,三维鼠标等.虚拟现实技术它综合集成了计算机图形学,人机交互技术,传感与测量技术,仿真,人工智能,微电子等科学技术虚拟现实技术主要应用于工程设计,数据可视化,飞行模拟,模拟实验,多媒体远程教育,远程医疗,旅游娱乐等方面网络通讯与虚拟现实技术的结合具有诱人的前景和巨大的潜在应用价值,它将在某种程度上改变人类的思维方式和时空观,实现真正意义上的远程交互式教育虚拟现实技术的发展必须有大容量的数据存储,快速的数据处理和宽频信息通道的技术支撑8.1.2虚拟现实技术的特征沉浸性（Immersion）3I想象性（Imagination）交互性（Interactivity）沉浸性交互性想象性8.1.3虚拟现实系统的分类1．按虚拟世界模型的建立方式分类（1）影像式虚拟现实影像式虚拟现实又分为针对环境的全景虚拟现实和针对物体的环物虚拟现实两类全景虚拟现实环物虚拟现实8.1.3虚拟现实系统的分类（2）3D/VR虚拟现实3D/VR虚拟现实（PolygonbaseVirtualReality）是使用三维模型设计软件，通过多个多边形组合成一个三维模型，再给模型增加上纹理、材质、贴图等完成虚拟场景及人物的三维呈现。图8-43D/VR虚拟现实2．按虚拟现实系统的功能和实现方式分类（1）桌面式虚拟现实3D/VR虚拟现实（2）沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统（ImmersiveVR）是一种高级的、较理想的虚拟现实系统，它提供一个完全沉浸的体验，使用户有一种仿佛置身于真实世界之中的感觉。它通常采用洞穴式立体显示装置（CAVE系统）或头盔式显示器（HMD）等设备，首先把用户的时间、听觉和其他感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，利用三维鼠标、数据手套、空间位置跟踪器等输入设备和视觉、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图8-6沉浸式虚拟现实系统（3）增强现实系统增强现实（ARAugmentedReality）是一个较新的研究领域，是一种利用计算机对使用者所看到的真实世界产生的附加信息进行景象增强或扩张的技术.增强现实系统是利用附加的图形或文字信息，对周围真实世界的场景动态地进行增强。在增强现实的环境中，使用者可以在看到周围真实环境的同时，看到计算机产生的增强信息。图8-7增强现实头盔显示器（4）分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统（DVR）是指一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，通过计算机与其它用户进行交互，并共享信息。8.1.4虚拟现实技术的应用军事模拟数字城市工业仿真数字教学数字娱乐电子商务8.2虚拟现实系统的组成一个典型的虚拟现实系统主要由计算机、输入输出设备、虚拟现实设计/浏览软件（应用软件系统）等组成。用户以计算机为核心，通过输入输出设备与应用软件设计的虚拟世界进行交互。8.2虚拟现实系统构成计算机头盔显示器3D立体显示器3D立体眼镜CAVE展示系统影象分离器力反馈系统虚拟现实设计/浏览软件游戏手柄/摇杆3D鼠标器3D数据手套位置追踪器动作捕捉器输出设备输入设备虚拟世界虚拟现实设计/浏览软件8.2.1虚拟现实系统的硬件设备1．输入设备（1）3D鼠标器（2）数据手套8.2.1虚拟现实系统的硬件设备（3）位置追踪器三维定位跟踪设备是虚拟现实系统中关键传感设备之一。它的任务是检测位置与方位，并将其数据报告给虚拟现实系统。8.2.1虚拟现实系统的硬件设备（4）3D扫描仪三维扫描仪是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具，能快速方便地将真实世界的立体彩色的物体转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。8.2.1虚拟现实系统的硬件设备（5）动作采集器运动采集系统利用网络连接的运动捕捉摄像机和其它相应设备来进行实时运动捕捉和分析8.2.1虚拟现实系统的硬件设备2．输出设备（1）头盔显示器（2）3D立体眼镜8.2.1虚拟现实系统的硬件设备（3）3D立体显示器使用特殊的光学元件改变显示器和人眼的成像系统。利用通用的TFTLCD液晶显示器作为图像显示部件，通过科学设计符合立体显示照明原理的照明板部件，与液晶盒精密装配在一起组成裸眼立体显示屏，配合电路系统和显示软件完成裸眼立体显示器的系统结构设计。8.2.1虚拟现实系统的硬件设备（4）CAVE展示系统CAVE（洞穴式）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最小三面或最大七十六面（2004年）立方体投影显示空间，供多人参与，所有参与者均完全沉浸在一个被立体投影画面包围的高级虚拟仿真环境中，借助相应虚拟现实交互设备（如数据手套、力反馈装置、位置跟踪器等），从而获得一种身临其境的高分辨率三维立体视听影像和6自由度交互感受。8.2.2虚拟现实系统的开发软件1．建模工具软件在建筑设计、游戏场景及角色设计和动画设计等数字娱乐领域比较通用的有Autodesk公司的3DSMax和Maya，Avid公司的SoftimageXSI及NewTek公司的Lightwave等；在飞机设计、船舶设计、汽车设计等工业机械设计领域主要被法国达索公司（DassaultSystemes）的Catia，美国PTC（ParametricTechnologyCorporation）公司的Pro/E（Pro/Engineer）和美国UGS公司的UG（Unigraphics）三大厂商的产品占据主流市场。8.2.2虚拟现实系统的开发软件2．虚拟现实交互设计工具软件虚拟现实技术的迅猛发展，从美国Sende8公司开发的WTK（WorldToolKit），到在军事仿真领域占据统治地位的美国MultiGen-Paradigm公司的Vega及发展到后来的VegaPrime，另外包括Virtools、Cult3D、EONStudio、Quest3D、Anark等Web3D技术。8.3虚拟现实系统的开发虚拟现实系统的开发三个步骤:第一步：虚拟现实作品三维模型建立，包括设计3D型、3D场景、贴图、骨骼系统、角色动作等等。第二步：虚拟现实作品交互设计，对第一步建立的三维模型进行整合、加入互动、物体行为、镜头特效、光影效果、粒子效果等。第三步：系统集成，即将输入输出设备与虚拟现实作品内容整合起来，完成读取虚拟世界资料、接收输入设备信号、送交计算机运算、将结果传到输出设备等功能，形成一套完整的系统，以供用户使用。三维建模辅助硬件设备三维扫描仪动作捕捉器三维建模软件3DSMaxMayaLightwaveSoftimageAutoCadCatiaPro/EUG……输入设备数据手套运动跟踪器摄像头……三维鼠标输出设备数字头盔影分离器CAVE系统力反馈系统立体显示器……应用领域虚拟现实软件作品内容VegaVirtools工业仿真军事模拟数字城市数字娱乐数字教学电子商务8.3.1Virtools软件特点及工作流程Virtools是一套整合软件，可以将现有常用的文件格式整合在一起，如3D的模型、2D图形或是音效等。Virtools不是3DEngine，Virtools是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件，可以制作出许多不同用途的3D产品.Virtools软件的特点Virtools软件开发流程Virtools4基本平台部分就拥有超过500个以上的互动模块可供运用，经由编辑后的互动模块群可以组合成一个新的单一互动模块以方便重复使用、编辑，甚至可以交换或卖给需要的使用者。8.3.2Virtools软件的界面8.3.2Virtools软件的界面Virtools的编辑界面以许多的Tab所组成，每一个编辑器、设定界面等都放在Tab中。1．3DLayoutVirtools3D场景编辑区域8.3.2Virtools软件的界面2．BuildingBlocks行为模块组库8.3.2Virtools软件的界面3．VirtoolsResourcesVirtools外部资源库8.3.2Virtools软件的界面4．LevelManagerVirtools内部资源管理器8.3.2Virtools软件的界面5．SchematicVirtools脚本编辑区域8.3.2Virtools软件的界面6．3DLayout工具形变工具.对象建立工具.场景浏览工具8.3.3建模与模型导入1．静态场景输出（1）安装Plug-inFor3DSMAX。（2）执行File/Open命令8.3.3建模与模型导入（3）执行File/Expor命令。（Step1）选择存档类型，并输入文件名称8.3.3建模与模型导入（Step2）在VirtoolsExport对话框中，选择“ExportasObjects”，然后按“确定”即可完成场景的输出。8.3.3建模与模型导入2．动态主角与动作（1）执行File/Open命令8.3.3建模与模型导入（2）执行File/Export命令（Step1）在图8-34中选择存档类型，并输入文件名称。8.3.3建模与模型导入（Step2）选择“ExportasaCharacter”，并输入“CharacterName”的名称，按“OK”确定。3．输入场景与人物至Virtools中测试。8.3.4角色动作与移动控制1．开启资源文件（Resources）8.3.4角色动作与移动控制2．加入场景、人物8.3.4角色动作与移动控制3．加入人物动作，将所有的动作全选后