1第1章虚拟现实(VR)基本概念

第1章虚拟现实（VR）基本概念前言VRML是虚拟现实建模语言的简称，它的任务是在Internet上实现虚拟的三维环境，并且能让浏览者与虚拟环境进行交互。近些年来，虚拟现实技术和网络技术以及其他相关的计算机技术的迅速发展和互相融合，给VRML技术的发展和深入应用提供了广泛的空间。了解和掌握VRML技术从而在Internet上构建虚拟的三维世界是许多人乃至许多行业的需要。本书旨在把VRML知识和技术介绍给有志于学习掌握VRML，从而在网络3D领域中进一步深入发展的人员。本书比较全面地介绍了VRML的知识和基本使用，包括所有节点的基本概念和使用方法，路由和事件的使用，VRMLScript脚本语言的使用。同时，图解介绍了VRML可视化创作工具InternetSpaceBuilder软件的基本使用，内容涵盖了VRML创建场景的各个方面。在内容编排上，力求由浅入深，节点按照使用的方法分类介绍，有助于更好的学习掌握使用VRML创建虚拟场景的方法的技巧。从发展的观点来看，单纯使用VRML节点而不借助于编程语言的强大的控制能力是有局限的，在Internet上创建实现真正的人机交互的场景也会有困难。VRMLScript作为一种脚本语言，很好地支持VRML的对象和事件，所以对该内容本书也给予适当的篇幅加以介绍。全书以节点的介绍、分析为主线，并辅以大量的例题，目的在于加强对介绍内容的理解，同时强化训练创建场景的技能和技巧。随着问题的深入，逐渐加强例题对于节点使用的覆盖，并配有相应的习题以巩固学习内容和检查对于章节内容掌握的程度。为了加强学习中的可操作性和从实践练习中逐渐掌握所学习的内容，书中除可视化操作一节外，所有范例均用编辑器完成，使学习者在不断的练习中熟悉VRML的节点、事件接口等核心内容，有助于将来的深入发展。本书范例全部使用ParallelGraphics公司的VrmlPad编辑器完成，浏览器使用该公司的Cortona4.0，如果读者使用另外的浏览器，效果难免会有些差异。在随书光盘中附有本书的全部例题和运行效果的图片，以供参照。感谢受首钢工学院的牛平副教授在百忙中审阅此书。由于编者水平有限，本书可能还有不足之处，希望读者提出宝贵意见。作者2004年3月本章各小节目录1.1虚拟现实的基本概念1.2虚拟现实的实现1.3虚拟现实技术的基本特征1.4虚拟现实技术的主要应用领域本章小结虚拟现实技术是近几年来兴起的一门新技术，并且得到了迅速的发展。同其他许多新兴技术一样，虚拟现实技术综合了许多相关学科领域的成就，诸如计算机图形学、数字图像处理技术、多媒体技术、网络技术、人工智能等等。这个领域的发展潜力非常巨大，应用前景也十分广阔。1.1虚拟现实的基本概念1.虚拟现实的基本概念虚拟现实是对真实世界的模拟，一方面它能对现实环境作逼真的描述，另一方面还能使得人们在观察虚拟环境的时候犹如身临其境，可以与之进行交互。虚拟现实技术是利用计算机模拟真实世界从而形成模拟环境的技术。是通过计算机对各种复杂的信息加工处理、进行可视化操作并且与之交互的一种方式。一方面，虚拟现实技术借助于多种技术的融合实现对现实的逼真描述，另一方面使人们能与描述出的虚拟环境进行交互。由于综合了许多相关学科领域的技术，虚拟现实技术有望得到更大的发展，即利用该技术所创建的虚拟现实环境既能逼真地再现客观世界，同时还能超越客观世界，使得介入者不仅仅能够融合其中，并且还能够驾驭和操纵这个虚拟环境。因而，虚拟现实不仅仅是真实环境在计算机中的再现，也是人们借助于飞速发展的计算机技术对我们生活世界的真实体验的方法和技术，是人机交互的一种全新模式。综上所述，利用虚拟现实技术实现的虚拟现实能够给人身临其境的感觉，同时参与者和虚拟环境能够实现交互，再有参与者能够在虚拟环境中具有自己的视点并且环境能够迅速反映参与者视点的变化。2．虚拟现实技术的发展1965年，美国科学家Sutherland在他发表的《终极的显示》论文中首次提出了对于虚拟现实发展极有意义的诸如交互图形显示以及力回馈设备的基本概念，这些概念在现在已经得以实现并且还在不断发展。可以说，从那个时候起，人们开始了对于虚拟现实的有目的性的研究和探索，而不再仅仅是幻想。此后不久，美国麻省理工学院的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。这可以算是虚拟现实技术在硬件技术上的探索和发展，因为此后，人们不断地在完善和改进虚拟现实的实现设备。直到现今，形形色色的如数据手套、头盔式显示器等已经在许多场合有了具体的应用。正是由于许多人卓越努力和相关技术的飞速发展，虚拟现实领域里的研究取得了很大的进展，1980年正式提出了“VirtualReality”这个使用至今的名词。20世纪80年代，许多部门和组织都在从事虚拟现实的研究，其中，美国宇航员（NASA）及美国国防部组织的一系列有关虚拟现实技术的研究取得了令人振奋的研究成果，从而激发了人们对虚拟现实研究的更大热情以及对虚拟现实技术的广泛关注。尤其在1984年，美国宇航局Ames研究中心虚拟行星探测实验室组织开发的用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，取得了成功，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环境。该研究中心在随后的虚拟交互环境工作站的项目中又开发了通用多传感个人仿真器和遥控设备。可以说，在那个时候，虚拟现实技术已经进入到了科学研究领域，并且取得了鼓舞人心的进展。同许多其他学科一样，相关技术的发展对虚拟现实起了极大的促进作用。特别是计算机技术、网络技术、图形学技术等的飞速发展，使得虚拟现实技术也获得了长足的进步。进入90年代，随着计算机硬件技术、电子技术飞速发展，计算机软件系统日趋完善，计算机已经有能力承担基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作，同时，基于虚拟现实技术、人工智能技术的人机交互系统的设计也不断涌现，输入输出设备不断创新，都使得以往难于实现的设想成为现实。利用虚拟现实系统宇航员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、采用虚拟现实技术设计波音777获得成功等就是近年来在科技界引起较大反响的虚拟现实技术的成就。在90年代，虚拟现实技术还不断向许多领域拓展，由于计算机技术、网络技术、三维图像技术的发展，虚拟现实在因特上也取得了进展。作为因特网三维技术的VRML建模语言正是90年代起步并且逐步发展起来的。虚拟现实系统具有身临其境的虚拟环境以及图形交互等突出的特点使得它不再仅仅是某些尖端领域、特殊行业的专业技术，除上述的军事、航天领域外，虚拟现实技术在医疗、教育培训、娱乐、工业设计、生产制造、信息管理、商业贸易、建筑行业等都有相应的发展，理论研究和应用实践使得虚拟现实技术更加趋于完善，发展也更加迅速。1.2虚拟现实的实现虚拟现实由于应用的不同，实现方法也不同，一般说来，作为高级应用的虚拟现实系统离不开满足虚拟现实要求的硬件设备。而作为桌面计算机系统实现虚拟现实则往往无需特别硬件设备的支持，随着因特网的普及和发展，出现了很多在因特网上实现虚拟现实环境的方法。有些是纯粹用软件技术实现的。1.虚拟现实的硬件设备虚拟现实系统由于应用和目的不同，需要的硬件设备也不同，一般常见的虚拟现实系统应该包括下述几个方面的硬件设备。虚拟现实跟踪传感设备：获得人在虚拟环境中的动作、感知等信息；虚拟现实显示设备：用于观察者观看虚拟场景时增加真实的效果从而产生真实的感受。虚拟现实的虚拟手设备：用于在虚拟场景中模拟人手对周围环境的感知、操纵和控制。此外，根据不同的需要，还应该有满足虚拟要求的声音设备以及模拟一些触觉和感知度的设备如力回馈、触觉回馈装置等。目前常见的也较普及的设备有头盔屏幕显示器、数据手套等。头盔屏幕显示器（HeadMountedDisplay，简称HMD）（图1-1）是虚拟现实系统中十分重要的硬件设备，也是虚拟现实中最早使用的硬件设备。它属于虚拟现实的显示设备。数据头盔按照人的视觉原理放大了图像，使得人的整个视野都包容在虚拟场景之内。同时，还把人的头部动作和虚拟环境的变化相结合。动作和情景变化的协调一致，产生了逼真的视觉感受。HMD的基本原理是将小型二维显示器所产生的图像借助于光学系统放大。小型二维显示器所发出的光线经过凸透镜使图像因折射产生类似远方效果，从而将近处物体放大至远处观赏而达到一种虚拟的全像视觉。目前，头盔显示器的光学技术设计和制造技术日趋完善，除了在许多虚拟显示系统中得到普遍应用以外，还拓展到一般的应用中。例如有些电脑游戏已经利用头盔屏幕显示器增加游戏的真实感。另外一个在虚拟现实系统中经常出现的硬件设备就是数据手套（DateGlove）（图1-2），属于虚拟显示系统的虚拟手设备。它的基本原理是借助于光学识别的方法。附在手套上每根手指的光纤连接附于手套指尖部分的发光二极管，光纤的另一端连接光学识别晶片，光信号由光学识别晶片转换为电信号被处理。数据手套是虚拟现实系统中的主要交互设备，它作为一只虚拟的手和三维虚拟场景交互，可以模拟人手在虚拟场景中进行抓取物体、移动物体甚至装配物体从而实现虚拟环境中的操纵、控制等。2.虚拟现实的实现技术简单说来，虚拟现实的实现可以分为两类：高级的虚拟现实系统以及桌面虚拟现实系统。作为虚拟现实的高级应用，其特征是借助于前面提到的各种硬件设备，利用诸如虚拟现实的视觉三维显示技术、听觉三维还原技术、触觉感知技术以及虚拟现实的交互技术实现。例如虚拟现实在航天、军事、医疗，工业设计与制造等方面的应用。这些应用要求很高，参与性强，完全沉浸，实时交互并且使得参与者对环境力求有真实的控制。系统本身技术复杂，造价也高，用于专门的应用。如我国研制的飞机牵引与加油模拟训练器、特种车辆牵引仿真器就是这样的一个系统。这里谈及的桌面虚拟现实指的是强调虚拟现实体验的虚拟环境，其特征是无需借助于特别的硬件设备，甚至可以仅用软件实现，实现的费用低，但是不能实现完全的参与，复杂的感知也很难体现。目前，这类系统往往应用在各种虚拟的演示上，大多借助于网络传播。譬如，一些虚拟城市、虚拟校园等，给人以逼近真实的感观。本书介绍的VRML建模语言是实现虚拟环境体验的一个很优秀的建模工具，往往应用于构建各种虚拟场景。它能够提供交互性，使浏览者有较强的参与性。此外，基于图像处理的全景摄影技术也是这样的一个虚拟体验，在虚拟公园、虚拟旅游方面有较好的应用。当然它还不能算得上是真正意义上的虚拟现实技术，也未能实现真正的3D效果，但是和别的相关技术结合，对于实现虚拟的体验很有帮助。1.3虚拟现实技术的基本特征从计算机技术的角度而言，虚拟现实技术是一种更为先进的人机接口的方式。不同于以往意义上的可视化操作界面、图形用户界面等。虚拟现实技术给用户提供了视听、接触甚至操纵控制等直观方便的实时交互方法。虚拟现实具有下述几个方面的特征。1．交互性(Interaction)虚拟现实不是简单的对周围环境的模拟，更为重要的是人们可以与这个虚拟环境进行交互，从而把人在自然环境中同周围事物的联系带入到虚拟的世界中来。在虚拟环境中，介入者不是被动的接受所提供的信息，能够操纵、控制虚拟场景中所感兴趣的对象的形态、运动状况等。例如，中国科技大学已经有了基于局域网的大学物理仿真实验、几何光学设计实验平台，实现了实验者的交互和控制。2．沉浸度(Immersion)无论计算机所创建的虚拟环境是真实世界的再现，还是来自人们的幻想构建的超越自然环境的世界，都能够让人不是简单的浏览，而是虚拟环境中参与者，是它的一部分，这就是沉浸的含义。在这里，参与者能够体验到自然世界中的各种感知，如视觉、听觉、触觉等，进而在虚拟环境中达到一种忘我的境界。许多虚拟城市、虚拟校园虽然由于网络条件、硬件环境等原因，目前还只是一种感受和体验，但是给浏览者的那种身临其境的感觉是常规的文本、图片信息所不能代替的。3．幻想性(Imagination)人类的想像力是创造的源泉，虚拟现实提供了人们发挥想像力的空间。它即能再现我们周围的世界，使得各种各样的虚拟系统在各行各业发挥重要的作用。同时，还能够按照人们的想像构建超越现实的环境，拓宽了人们认知事物