第1章虚拟现实概论97

虚拟现实教学重点：1、虚拟现实定义与组成；2、虚拟现实的特征；3、虚拟现实的应用研究现状；4、虚拟现实的应用前景；5、虚拟现实的技术研究。本章内容：1、虚拟现实技术的由来及发展；2、了解虚拟现实的概念；3、虚拟现实的基本特征；4、虚拟现实分类；5、虚拟现实系统的主要技术构成；6、硬件构成；7、VR系统的体系结构8、VR的研究内容9、虚拟现实的应用领域10、国内外虚拟现实技术的研究现状美国1995年出品的科幻片《钟尼记忆术》中的一个片断前言虚拟现实（VirtualReality，简称VR）是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，由于它生成的视觉环境是立体的、音效是立体的，人机交互是和谐友好的，因此虚拟现实技术将可以改变人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，即计算机创造的环境将人们陶醉在流连忘返的工作环境之中。虚拟现实（VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，它集多媒体、网络技术、传感技术等多种先进技术为一体，是当今前景昀好的计算机技术之一。几种虚拟现实虚拟环境虚拟房间虚拟汽车虚拟人本章内容：1、虚拟现实技术的由来及发展；2、虚拟现实的定义；3、虚拟现实的概念模型；4、虚拟现实的基本特征；5、虚拟现实分类6、虚拟现实系统的主要技术构成；7、硬件构成；8、VR系统的体系结构9、VR的研究内容10、增强现实11、虚拟现实的应用领域12、国内外虚拟现实技术的研究现状虚拟现实技术的由来•虚拟现实技术的提出1965年计算机图形学的奠基者IvanSutherland发表了“TheUltimateDisplay”论文，提出了一种全新的图形显示技术。他在论文中提出使观察者直接沉浸在计算机生成的三维世界中，而不是通过窗户（计算机屏幕）来观察。１）观察者自然地转动头部和身体，他看到的场景就实时地发生变化。２）观察者能够以自然的方式直接与虚拟世界中的对象进行交互操作，触摸它们，感觉它们，并能听到虚拟世界的三维空间声音。虚拟现实技术的由来VR技术的前身可以说是军事模拟技术。70年代，美军认为在飞行员的初级飞行课程中（起飞和降落）。如果使用实机训练将会有较大的危险，同时效费比太低，因而希望能用一些模拟装置来代替昂贵的实机训练，为此美国几大航空工业公司开始了模拟飞行器的研究。这渐渐地形成了一种习惯，那就是向美军提供新式战斗机的同时，还提供这种飞机的模拟训练器材。后来这项技术也被民用航空所采用，并得到了迅速的发展，现在几乎每个航空公司都有自己所配机种的模拟训练器材，可见其应用的广泛程度。一个典型的虚拟现实系统虚拟现实技术的发展1965年，Sutherland在篇名为《终极的显示》（TheUltimateDisplay）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。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JaronLanier在80年代初正式提出了“VirtualReality”一词。80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年，NASAAmes研究中心虚拟行星探测实验室组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，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环境。虚拟现实技术的发展90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。例如1993年的11月，宇航员利用虚拟现实系统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，而用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来引起科技界瞩目的又一件工作。本章内容：1、虚拟现实技术的由来及发展；2、虚拟现实的定义；3、虚拟现实的概念模型；4、虚拟现实的基本特征；5、虚拟现实分类6、虚拟现实系统的主要技术构成；7、硬件构成；8、VR系统的体系结构9、VR的研究内容10、增强现实11、虚拟现实的应用领域12、国内外虚拟现实技术的研究现状虚拟现实的定义虚拟现实（VirtualReality，简称VR）又称临境技术，是指用立体眼镜和传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三维显示，人们通过这些设备以自然的方式（如头的转动、手的运动等）向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉及触觉等感觉世界。随着人们动作的改变，这些感觉也随之改变。两个方面含义：第一是计算机生成的虚拟环境必须是能给人提供多种感觉的感官刺激的环境，能让人有“沉浸”的感觉，现在的技术水平，虚拟现实通常由视觉、听觉和触觉构成。其二是虚拟现实系统是一种高级的人机交互系统，因此人机交互是虚拟现实的核心。本章内容：1、虚拟现实技术的由来及发展；2、虚拟现实的定义；3、虚拟现实的概念模型；4、虚拟现实的基本特征；5、虚拟现实分类6、虚拟现实系统的主要技术构成；7、硬件构成；8、VR系统的体系结构9、VR的研究内容10、增强现实11、虚拟现实的应用领域12、国内外虚拟现实技术的研究现状虚拟现实的概念模型虚拟环境系统提供的各种感官刺激♦视觉♦听觉♦嗅觉♦味觉♦触觉（触觉，力觉）♦身体感觉虚拟现实概述本章内容：1、虚拟现实技术的由来及发展；2、虚拟现实的定义；3、虚拟现实的概念模型；4、虚拟现实的基本特征；5、虚拟现实分类6、虚拟现实系统的主要技术构成；7、硬件构成；8、VR系统的体系结构9、VR的研究内容10、增强现实11、虚拟现实的应用领域12、国内外虚拟现实技术的研究现状虚拟现实的基本特征(1)多感知性:所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。(2)沉浸性:又称临场感，让用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度，沉浸被通俗地解释为“身临其境”。(3)交互性:交互性指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。(4)构想性:虚拟现实技术中人与虚拟环境的交互作用，在本质上意味着它不是预成性的而是生成性的，不是因循的而是创造的，虚拟技术三角形虚拟技术三角形本章内容：1、虚拟现实技术的由来及发展；2、虚拟现实的定义；3、虚拟现实的概念模型；4、虚拟现实的基本特征；5、虚拟现实分类6、虚拟现实系统的主要技术构成；7、硬件构成；8、VR系统的体系结构9、VR的研究内容10、增强现实11、虚拟现实的应用领域12、国内外虚拟现实技术的研究现状虚拟现实分类（1/4）按照虚拟现实系统功能和实现方式的不同，可以分为四种类型：（1）沉浸型虚拟现实系统（“可穿戴的”VR系统）沉浸型虚拟现实系统提供完全沉浸的体验。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。例如，在消防仿真演习系统中，消防员会沉浸于极度真实的火灾场景并做出不同反应。这种系统的优点是用户可完全沉浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备尤其是硬件价格相对较高，难以大规则普及推广。虚拟现实分类（2/4）（2）简易型虚拟现实系统（桌面VR系统）桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部设备包括立体眼镜、3D控制器使监视器或者鼠标，追踪球，力矩球等。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实昀大特点是缺乏真实的现实体验，但这种系统的特点是结构简单、价格低廉，组成灵活，易于普及推广，是一套经济实用的系统。虚拟现实分类（3/4）（3）共享型虚拟现实系统（网络虚拟现实，又称为分布式虚拟环境）是一种基于网络连接的虚拟现实系统，它是多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，把虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。例如，异地的医科学生，可以通过网络，对虚拟手术室中的病人进行外科手术。又如风靡因特网的网络游戏，其实就是共享型虚拟现实系统的有力表现。众多玩家可以在同一个虚拟环境中交互式的进行交流、打斗、组织甚至生存，让虚拟的情节持续发展。洽谈讨论设计虚拟现实分类（3/4）（4）增强现实型虚拟现实增强现实型虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。例如：战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。本章内容：1、虚拟现实技术的由来及发展；2、虚拟现实的定义；3、虚拟现实的概念模型；4、虚拟现实的基本特征；5、虚拟现实分类6、虚拟现实系统的主要技术构成；7、硬件构成；8、VR系统的体系结构9、VR的研究内容10、增强现实11、虚拟现实的应用领域12、国内外虚拟现实技术的研究现状虚拟现实系统的主要技术构成（1/2）实时三维图形生成技术、多传感交互技术、高分辨率显示技术.(1)动态环境建模动态环境建模技术的目的就是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要建立相应的虚拟环境模型。(2)实时三维图形生成技术三维图形的生成技术已经较为成熟，为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新频率不低于15帧/秒，昀好高于30帧/秒。提高刷新频率是该技术的主要内容。(3)立体显示和传感器技术虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展，设备过重、分辨率低、延迟大、有线、跟踪精度低、视场不够宽、眼睛容易疲劳等，因此有必要开发新的三维显示技术。虚拟现实系统的主要技术构成（2/2）(4)应用系统开发工具虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想像力和创造性。选择适当的应用对象可以大幅度提高生产效率，减轻劳动强度，提高产品质量。(5)系统集成技术由于VR系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等等。本章内容：1、虚拟现实技术的由来及发展；2、虚拟现实的定义；3、虚拟现实的概念模型；4、虚拟现实的基本特征；5、虚拟现实分类6、虚拟现实系统的主要技术构成；7、硬件构成；8、VR系统的体系结构9、VR的研究内容10、增强现实11、虚拟现实的应用领域12、国内外虚拟现实技术的研究现状硬件构成（1）虚拟现实生成设备：是一台或多台高性能计算机，是带有图形加速器和多条图形输出流水线的高性能图形计算机。（2）感知设备：感知设备是指将虚拟世界各类感知模型转变为人能接受的多通道刺激信号的设备。然而，相对成熟的感知信息和生产和检测技术仅有视觉、听觉和力觉三种通道。（3）跟踪设备：跟踪设备用于跟踪并检测位置和方位，实现虚拟现实系统中人机交互操作。（4）基于自然方式的人机交互设备：应用手势、体势、眼神以及自然语言的人机交互设备，常见的有数据手套、数据衣服、眼球跟踪器及语音综合识别装置。虚拟现实系统硬件配置示意图：几种常用的虚拟现实设备：高性能图形计算机环形屏幕头盔眼镜三维显示器三维鼠标手套本章内容：1、虚拟现实技术的由来及发展；2、虚拟现实的定义；3、虚拟现实的概念模型；4、虚拟现实的基本特征；5、虚拟现实分类6、虚拟现实系统