计算机虚拟技术104

计算机虚拟技术太原科技大学机电工程学院史青录1.本课程的教学目的和要求计算机虚拟样机的设计技术了解虚拟现实技术的意义、作用及概念了解虚拟现实技术的原理、国内外的研究现状及发展前景结合一种软件掌握一种计算机虚拟样机设计技术课堂教学与课后实践相结合课堂教学实践26小时、课后实践10小时随堂测验平时作业期末考试2.教学重点3.教学方法4.成绩评定计算机虚拟技术虚拟现实（VirtualReality，简称VR），是利用计算机生成的能给人多种感官刺激的人机交互系统——一种亲身感受到的虚假。虚拟现实是在计算机图形学、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，它将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，利用计算机创造的虚拟世界将人们陶醉在流连忘返的工作环境之中。虚拟现实（VR）技术又称灵境技术是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，是前景最好的计算机技术之一。第1章概述计算机虚拟技术1.1虚拟现实（技术）的定义及发展历史两个方面：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。第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。第1章概述计算机虚拟技术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（头盔显示器）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。头盔显示器第1章概述计算机虚拟技术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，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，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。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。第1章概述计算机虚拟技术第1章概述计算机虚拟技术电影阿凡达中的部分场景第1章概述计算机虚拟技术虚拟样机技术魔幻森林游戏虚拟场景第1章概述计算机虚拟技术网上虚拟环境系统：VirtualRaleigh，版权所有©IBMCanada第1章概述计算机虚拟技术开采仿真器第1章概述计算机虚拟技术侏罗纪公园第1章概述计算机虚拟技术虚拟战场第1章概述计算机虚拟技术虚拟环境虚拟房间虚拟汽车虚拟人第1章概述计算机虚拟技术虚拟现实系统的研究现状主要涉及到以下三个研究领域：第1章概述计算机虚拟技术通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果；建立对虚拟世界的观察界面；使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。(1)多感知性:具有的视觉、听觉、力觉、触觉、运动感知，甚至包括味觉、嗅觉等。(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——“身临其境”。(3)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)自主性:是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度，即人与虚拟环境的交互作用程度。例如，当受到力的推动时，物体会沿力的作用方向移动。虚拟技术三角形第1章概述计算机虚拟技术1.2虚拟现实的基本特征1.2虚拟现实（技术）分类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。第1章概述计算机虚拟技术按系统功能和实现方式的不同分为以下三种类型：优点：真实感强，具有身临其境的感觉。缺点：系统设备尤其是硬件价格相对较高，难以大规模普及推广。（1）沉浸型虚拟现实系统（“可穿戴的”VR系统）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。第1章概述计算机虚拟技术（2）简易型虚拟现实系统（桌面VR系统）优点：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。缺点：参与者会受到周围现实环境的干扰，缺乏真实的现实体验和沉浸感。是一种基于网络的虚拟现实系统。通过计算机网络将多个用户连接在一起，同时参加一个虚拟空间，对其进行观察和操作，协同工作，共同体验虚拟经历。洽谈讨论设计第1章概述计算机虚拟技术（3）共享型虚拟现实系统（分布式虚拟现实系统）第1章概述计算机虚拟技术检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反溃。传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。显示模块：将虚拟场景实时生成并显示为三维图像。1.3虚拟现实系统的主要技术1）构成虚拟现实系统六个主要模块(1)动态环境建模实时获取实际环境的三维数据，并根据需要实时建立相应的虚拟环境模型。(2)实时三维图形生成技术实时生成三维图形，并保证图形的刷新频率不低于15帧/秒至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，必须开发新的三维显示技术以克服当今设备过重、分辨率低、延迟大、有线、跟踪精度低、视场不够宽、眼睛容易疲劳等缺点。(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。第1章概述计算机虚拟技术2）虚拟现实系统的关键技术3）虚拟现实技术的硬件构成（2）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通道刺激信号的设备（视觉、听觉和力觉等设备）。第1章概述计算机虚拟技术（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。（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。（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。虚拟现实系统硬件配置示意图第1章概述计算机虚拟技术力反馈器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第1章概述计算机虚拟技术4）虚拟现实建模语言及相关软件第1章概述计算机虚拟技术VRML虚拟现实建模语言：可创建基本几何造型、虚拟造型中的群节点、构建虚拟现实的环境、实现动画效果，可编辑与浏览VRML场景，可与3DSMAX进行数据及图形交换。ADMAS软件包VPG(VIRTUALPROVINGGROUND)——虚拟试验场技术3DSMAXVR工具集•WTK（worldtoolkit)•MRT(minimalrealitytoolkit)•DVS(DistributrvirtualEnvironmentSystem)•VRT(Virtualrealitytoolkit)•SuperVRTSolidWorks软件包PRO/E软件包Matlab软件包虚拟样机技术是上世纪80年逐渐兴起、基于计算机技术的一个新概念。目前还处于发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义。美国国防部对虚拟样机技术有关概念的建设性意见为：（1）虚拟样机定义，虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。（2）虚拟样机设计，利用虚拟样机代替物理样机来对其候选设计的各种特性进行测试和评价。（3）虚拟样机设计环境，是模型、仿真和仿真者的一个集合，它主要用于引导产品从思想到样机的设计，强调子系统的优化与组合，而不是实际的硬件系统。5）虚拟样机技术（VirtualPrototyping,VP）第1章概述计算机虚拟技术国内外学者对虚拟样机技术的定义大同小异，下面是几种有代表性的论述：（1）虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法。（2）虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发(IntegratedProductandProcessDevelopment,简称IPPD)是分不开的。IPPD是一个管理过程，这个过程将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起，对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性能和费用目标。IPPD的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术必须依赖IPPD才能实现。（3）虚拟样机技术就是在建立第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数学模型，进行仿真分析并从图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。第1章概述计算机虚拟技术在建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公室（DMSO）的定义。DMSO将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物理样机，对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。（4）虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简和优化系统。（5）虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。第1章概述计算机虚拟技术第1章概述计算机虚拟技术虚拟设计系统解决方案虚拟设计在机械行业有广泛的应用前景，如虚拟设计对传统设计方法的革命性影响已经逐渐显现出来。由于虚拟设计系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发和加工过程和制造相比较，它具有高度集成、快速成型、分布合作等特征。汽车虚拟样机1.4虚拟现实的应用领域（1）用于遥控机器人的遥现技术：遥现技术是指当实际上在某一个地方时，可以产生在另一个地方的感觉。例如，在宇宙空间站的开发计划中，受各种因素的制约，机器人的遥控遥现技术起了至关重要的作用。（2）仿真技术计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。例如：飞行仿真系统、与虚拟生物对话、作战仿真系统等。（3）对象可视化技术：在科学研究中对研究数据生成可视化效果以便观察和研究。（4）虚拟实验室