0-虚拟现实技术(1)概述-0224-黄海39

1虚拟现实技术黄海信箱：[e-mail]北京邮电大学信息与通信工程学院2成绩构成n平时成绩：60％n作业、课堂表现n两次随机点名n期末成绩：40％n考核方式：考查n理论学时：32n学分：260%40%平时成绩期末成绩注：学校若有新规定，按学校规定执行。3教材与参考书n教材n随堂课件n参考书n胡小强,虚拟现实技术,北京邮电大学出版社,2005.7n(美)GRIGOREC.BURDEA(法)PHILIPPECOIFFET著,魏迎梅栾悉道等译,虚拟现实技术（第二版）,电子工业出版社,2005.84“虚”与“实”n昔者庄周梦为蝴蝶，栩栩然蝴蝶也，自喻适志与！不知周也。俄然觉，则蘧蘧然周也。不知周之梦为蝴蝶与，蝴蝶之梦为周与？——《庄子·齐物论》5“IthinkthereforeIam”n柏拉图：真正的世界只是存在于我们的想象中。n笛卡尔：我思故我在！（我在故我思？）n“倘若要颁发“最佳矛盾奖”，那么“虚拟现实”一词榜上有名。”－《数字化生存》作者尼葛洛庞帝戏言。6n记忆裂痕n虚拟偶像（SIMONE，又名虚拟情人、西蒙妮）10’11”、14’、21’40”、13’、22’、12’40”n逃出克隆岛（TheIsland）n时空悍将（Virtuosity）7’、15’30”、20’、17’n异次元骇客（TheThirteenthFloor，又名十三阶梯、十三度凶间）n黑客帝国n……2一、问题的提出89交互的需要n计算机已成为信息时代信息处理的主要工具，成为人类与信息空间交流的主要通道。而在这其中，人机交互的界面是一个主要的障碍，特别是非计算机专业人员如何来克服这个障碍，轻松自如地操作计算机，应对信息时代的挑战，是近几年研究的一项热门课题。n从计算机发明到现在，人机界面主要还是通过窗口，基于键盘、鼠标的WIMP(Windows、Icon、Menu、Pointing、Device)模式，这种模式是问接的、非直觉的、有限的，这极大地影响了用户对计算机的使用，甚至影响到人们的工作与生活。10科学计算可视化的需要n从60年代末起，在计算机技术的支持下已对科学计算提出可视化的要求n不仅仅是获得和计算数据，并且要解释数据、理解数据。即把计算所得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n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（Toseetheunsee），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n“Thepurposeofcomputingisinsight,notnumber”---RichardHamming,NumericalMethodsforScientistsandEngineers11n自90年代初起，在高性能计算的支持下要求实现沉浸式、协同式的可视化计算n人机和谐、定性定量结合是创造性研究的源泉，要求不仅仅是观察计算所得的数据，希望还能感受计算所得的形象结果和全局观念n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n为研究人员在认识世界和改造世界时，提供了有效的、定性和定量相结合的研究手段，为创建和谐的人机环境提供基础12n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n解决复杂问题，必须跨领域合作集体攻关n网络技术已基本成熟，基于网络计算可实现资源共享n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313n如今每天面对着大量的信息资讯n如何智能处理和高效利用这些来自于客观世界的海量信息?n如何扩展人类的感知通道，提高人类对跨越时空事物和复杂动态事件的感知能力，实现人与信息空间的自然、和谐的交互?n这些都已渐渐成为人类面临的一个新挑战，而虚拟现实技术是解决这个挑战最有效的方法途径，如图所示。14人海量信息客观世界虚拟现实技术WIMP界面信息社会中虚拟现实技术的应用15n目前，虚拟现实技术已成为计算机相关领域中继多媒体技术、Internet网络技术之后关注及研究、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。n虚拟现实从英文“VirtualReality”一词翻译过来，“Virtual的含义即这个世界或环境是虚拟的，不是真实的，是由计算机生成的，存在于计算机内部的世界，“Reality”的含义是现实的世界或现实的环境，这里的“现实”实际上是泛指在物理意义上或功能上存在于世界的任何事物与环境，它可以是客观存在的，也可以是在客观世界难以实现或根本无法实现的，把两者结合起来就称为虚拟现实，也就是说本来不存在的事物和环境，通过各种技术虚拟出来，感觉到如同处在真实世界的一样。16n虚拟现实技术，又称“灵境技术”、“虚拟环境”、“赛伯空间”等，这项技术原来是美国军方开发研究出来的一项计算机技术，主要用于军事上的仿真，一直到20世纪80年代末，虚拟现实技术才开始作为一个较完整的体系而受到人们的极大关注。n是20世纪以来科学技术进步的结晶，集中体现了计算机技术、计算机图形学、传感技术、人体工程学、人机交互理论等多个领域的最新成果。n以计算机技术为主，利用计算机等设备来产生一个看起来像真的，听起来像真的，摸起来像真的三维虚拟世界，这个虚拟世界是人工建造的，存在于计算机内部的环境。在这个虚拟世界中，能实时产生与真实世界相同的感觉，使人与虚拟世界融为一体，人们可以直接观察周围世界及物体的内在变化，与虚拟世界中的物体之间进行自然的交互(包括感知环境并干预环境)。17n虚拟现实技术的发展与普及，对我们有十分重大的意义。它改变了过去人与计算机之间枯燥、生硬、被动的交流方式，使人机之问的交互变得更加人性化，为人机交互界面开创了新的研究领域，为智能工程的应用提供了新的界面平台，为各类工程的大规模数据可视化提供了新的描述方法，也同时改变了人们的工作方式和生活方式，改变了人们的思想观念。n虚拟现实技术已成为一门艺术，是一种文化，深入我们的生活中。据有关权威人士断言，在21世纪，人类将进入虚拟现实的科技新时代，虚拟现实技术将是信息技术的代表，与多媒体技术、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。n同时，虚拟现实技术已成为继科学实验和理论分析之后人类认识和改造客观世界第三种手段。18n在20世纪的最后十年中，哪些信息技术对未来信息社会产生深刻影响n信息资源环境的普适化：信息技术的全面嵌入和普适应用n信息资源环境的智能化：基于面向对象方法发展，发展面向Agent技术n信息资源环境的协同化：人在网络中基于网格和海量信息的处理n信息资源环境的沉浸化：可视化计算和虚拟现实技术419OriginalFoodChainPicture示例201980sComputerFoodChainMainframeVectorSupercomputerMiniComputerWorkstationPC示例21MainframeVectorSupercomputerMPPWorkstationPC1990sComputerFoodChainMiniComputer(hittingwallsoon)(futureisbleak)示例22ComputerFoodChain(NowandFuture)示例23EuropeanOrganizationforNuclearResearch示例24示例525虚拟现实概念n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。n虚拟现实（VirtualReality,VR）技术是近年来计算机领域的又一个研究热点。虚拟现实技术充分利用计算机硬件和软件的集成技术，提供一种实时、三维的虚拟环境，用户借助必要的设备（如头盔，手套等）以自然方式与虚拟环境中的物体进行交互，从而沉浸于虚拟环境中，产生接近真实环境的感受和体验。虚拟环境是由计算机生成的实时动态的三维立体逼真图像，它可以是某一现实世界的再现，也可以是虚拟构想的世界。虚拟现实的发展对科学进步和社会发展产生了深远的影响。26n关于虚拟现实的定义，可以从狭义和广义两个层面来理解n所谓狭义的，被认为是一种先进的人机界面(人机交互方式)，在这种情况下，虚拟现实技术被称之为“基于自然的人机界面”，在此环境中，用户看到的是彩色的、立体的景象，听到的是虚拟环境中的声响，手、脚等可以感受到虚拟环境反馈给他的作用力，由此使用户产生一种身临其境的感觉。换言之，人以与感受真实世界一样的(自然的)方式来感受计算机生成的虚拟世界，具有与在真实世界中一样的感觉。n广义的，即对虚拟想象(三维可视化的)或真实三维世界的模拟。它不仅仅是一种界面，更主要的部分是内部的模拟。人机交互界面采用虚拟现实的方式界面，对某个特定环境真实再现后，用户通过自然的方式接受和响应模拟环境的各种感官刺激，与虚拟世界中的人及物体进行思想和行为等方面的交流，使用户产生身临其境的感觉。27n虚拟现实系统产生的虚拟世界不同于一般的虚拟世界，虚拟现实产生的虚拟世界可以称作“三维的、由计算机生成的、存在于计算机内部的虚拟世界”，这个世界或环境是人工构造的，是存在于计算机内部的。这种虚拟的世界，通常有两种情况。n一种情况是真实世界的再现。如文物保护中真实建筑物的虚拟重建。这种真实建筑物可能是已经建好的，或是已经设计好但尚未建成的，也可能是原来完好的，现在被破坏了的。n另一种情况是完全虚拟的人造世界。如在虚拟风洞中，借助可视化技术构造的虚拟风洞世界或在三维动画设计中形成的，人工构造的虚拟世界。如果涉及界面，则称之为“具有虚拟现实界面的由计算机生成的三维虚拟世界”。n而一般虚拟世界的定义，也就成了“使人有参与感、可与之交互的非真实的世界”，这种世界并不一定是由计算机生成的，人的参与感、沉浸性也不一定要像虚拟现实系统那样强烈。28n综上所述，虚拟现实技术的定义可以归纳如下：n虚拟现实技术是指采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互，相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验。这里所谓虚拟环境指计算机生成的具有色彩鲜明的立体图形，它可以是某一特定现实世界的真实体现，也可以是纯粹构想的虚拟世界。必要的设备指包括立体头盔式显示器、数据手套、数据衣等穿戴于用户身上的设备和设置于现实环境中的传感设备(不直接穿戴在身上)。自然交互是指用日常使用的方式对虚拟环境内的物体进行操作并得到实时立体反馈，如手的移动、头的转动、人的走动等。29n虚拟现实系统中的虚拟环境，可能有下列几种情况：n第一种情况是模仿真实世界中的环境。例如，建筑物，武器系统，或战场环境。这种真实环境，可能是已经存在的，也可能是已经设计好但还没有建成的。为了逼真地模仿真实世界中的环境，要求逼真地建立几何模型和物理模型。环境的动态应符合物理规律。这一类虚拟现实系统的功能，实际是系统仿真。n演示：居室环境的仿真和漫游306313233n第二种情况是人类主观构造的环境。例如，用于影视制作或电子游戏的三维动画。环境是虚构的，几何模型和物理模型也可以完全虚构。这时，系统的动画技术常用插值方法。n演示：三维动画场景34n第三种情况是模仿真实世界中的人类不可见的环境。例如，分子的结构，空气中速度、温度、压力的分布等。这种真实环境，是客观存在的，但是人类的视觉和听觉不能感觉到。对于分子结构这类微观环境，进行放大尺度的模仿，使人能看到。对于空气中速度这类不可见的物理量，可以用流线显示速度（流线方向表示速度方向，流线密度表示速度大小）。这一类虚拟现实系统的功能，实际是科学可视化。n演示：三维环型分子结构、ParticleWorld35n从虚拟现实技术的相关概念可以看出，在人机交互的方面有了很大的改进：n人机接口形式的改进：传统的计算机常