第一章 虚拟现实概述

Web3D技术基础电信系．计科教研室．王海荣EMAIL:[e-mail]第一章虚拟现实概述电信系．计科教研室．王海荣EMAIL:[e-mail]WEB3D概述什么是虚拟现实？虚拟现实软件技术虚拟现实主要应用领域Web3D概述Web3D称为网络三维，是一种带有交互性能实时渲染的网络上的三维，其本质是一种基于Web的三维交互及渲染技术。web3D协会（前身为VRML协会）——最先使用“web3D”术语。目前为止未有严格定义，可理解为互联网上的3D图形技术，其在互联网上占有重要地位。WEB3D技术基础课程教案王海荣发展历程：Web3D最早VRML(VirtualRealityModelingLanguage)即虚拟现实建模语言虚拟现实？虚拟现实的基本含义虚拟现实（VirtualReality,VR）VirtualReality——虚拟现实灵境幻境1989年由美国J.Lanier(VPL)发明出来的一个词初期的概念：表达借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段。虚拟现实技术：20世纪末兴起的综合性信息技术。VR定义：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。虚拟故宫的一角坦泰尼克号一角慕尼黑机场西藏达孜县三维信息虚拟查询系统三维漫游系统（宁夏理工学院漫游系统）3公里街道，200栋建筑物有树、路灯、绿地、庭院数字城市、三维规划等（相关网站）3公里街道，200栋建筑物有树、路灯、绿地、庭院虚拟现实技术公司VR系统？本质上虚拟现实系统是一种先进的计算机用户接口，它通过同时给用户提供视、听、触等各种直观自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户操作，从而减轻用户的负担，提高工作效率。交互性(Interactivity)沉浸感（Immersion)构想性（Imagination)做到：沉浸其中、超越其上、进出自如、交互自由虚拟技术虚拟现实硬件技术数字手套、头盔、眼镜等，价格昂贵虚拟现实软件技术以传统计算机为依托，以虚拟现实软件为基础，构造出立体场景，实现硬伯零投入，达到交互动态效果。虚拟现实软件的典型代表：1.Web3D图形开放标准：VRML、X3D;2.Web3D建模工具：3DSMax、Cult3D;3.Web3D开发工具：VRML、Java3D、GL4Java等。WEB3D技术基础课程教案王海荣VRML概述虚拟现实构造语言(VirtualRealityModelingLanguage,VRML)是以虚拟现实为特征的3DWeb技术的核心，是一种与互联网结合，用来编写三维交互式网页的程序语言。它允许将一个现实中的景物放入虚拟的三维网页环境中，可以添加图像、声音、视频、制作动画，并允许使用者与虚拟现实进行交互，构造一种基于网页的三维环境。VRML概述VrmlPad是ParallelGraphics公司开发的专业设计和开发VRML的一个软件，使用它可以轻松地创造VRML虚拟网页。VRML浏览器插件支持在IE中的显示，目前常用的插件很多，本课程将使用CORTVRMLVRML概述文件名:*.wrl文件结构：（1）VRML文件头：VRML的文件头是每一个VRML文件必需的开头。而且必须放在第一行，它的语法格式如下：#VRMLV2.0utf8（2）原型：原型是一种用户定义的新节点类型，定义原型相当于扩充了VRML的标准节点集。（3）造型：造型在VRML中应用比较广泛，各种场景中的实体都是造型。包括几何造型、文本造型、挤压造型等。（4）脚本：脚本相当于用其他高级语言编写的用来控制VRML语言的高级语言，它提供了与VRML语言进行交互的接口，通过它可以创建生动的空间效果和良好的人机交互。（5）路由：路由相当于一个连接各个场景的“流程图”，它定义了整个场景的运行过程，使两个节点之间产生关联，从而将事件通过路由从一个节点传递到另一个节点。VRML概述关键词：（1）节点：节点是VRML文件中的基本要素，通过它的层层嵌套来构成VRML文件。节点可以表示几何对象；节点可以把其他节点组成新的组合节点；还有一些特殊功能的节点。（2）域：域是组成节点的基本要素，每一个域由域名称和域值组成，域值有各自的默认值。例：Box{size2002010000}节点类型，表示一个长方体节点域名称域值，表示长宽高VRML概述VRML文件可以为节点定义一个名称，然后在程序中对节点进行反复调用和控制。定义节点的语法：DEF节点名称节点{域名称域值…}调用节点的语法USE节点名称（3）事件：VRML中一般只有两个事件，即一个输入事件eventIn，一个输出事件eventOut，入事件请求节点改变自己某个域的域值，出事件请求别的节点并改变它的某个域值。VRML概述源码结构与规则：（1）主编组节点：在文件头下是主编组节点，它是把其他节点组合起来的节点，它一般的节点结构如下：Group{children[Backgroud{…},Shape{…}]}Group节点下由children节点引出成员节点，节点之间用逗号隔开。Backgroud、Shape都是Group节点的成员节点。VRML概述（2）成员节点：成员节点主要包括环境节点、实物节点、编组节点和控制节点。环境节点用来描述虚拟场景的环境信息，有以下借个节点：Backgroud：空间背景节点，描述空间背景的相关信息。Fog：大气效果节点，描述空间背景的相关信息。Sound：声音效果节点，描述环境中的声音。PointLight、DirectionLight、SpotLight：光照效果节点，显示场景中的光照效果信息。VRML概述实物节点Shape：几何造型和文字外形节点，简称外形节点，它是用来封装几何造型和文字造型的节点。它有两个域，分别是appearance域与geomerty域，分别封装外形与造型。例：Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor0.69020.69020.6902}}geometryBox{size102030}}VRML概述编组节点：编组节点下有三个节点。Transform：坐标变换节点，主要完成场景内实物的坐标旋转、平移等操作。Anchor：链接物节点，相当于HTML的链接。Billboard：朝向节点，说明虚拟物与观察者的方向。控制节点:NavigationInfo：浏览者信息节点。ViewPoint：视点设置节点。Inline：内联节点。（3）域节点一级域节点：用于表示成员节点的节点称为一级域节点。二级域节点：用于表示一级域节点域的节点称为二级域节点VRML概述VRML网页文件使用VrmlPad来编辑。第一个程序用“HelloVRML”来演示。实例hellovrml本章思考WEB3D应用？请查阅相关资料，分类举出具体应用系统实例虚拟现实发展史？查阅相关资料了解VR国内、外研究现状。思考:我们为什么需要VR?根据课堂实例，编写一个简单的VRML程序。发展1965年，美国的IvanSutherland在篇名为终极的显示的论文中提出虚拟现实概念的雏形。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。随后的1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。虚拟现实的诞生、1968年，IvanSutherland使用CRT显示研制出第一台头盔式立体显示器（HMD)。1972年，NolanBushnell开发了第一个交互式电子游戏Pong。1975年，MyronKrueger提出“人工实现”的思想，展示了“并非存在的概念化环境”1981年，开始进行一个叫做“空间理解和高级显示”的项目研究。之后就有基于LCD技术的虚拟可视环境头盔系统。1985年，ScottFisher等研制出称为VIEW的“数据手套”（DataGlove）。并研制成功第一套商用VR硬件——Intel386，第一套商用VR软件——Supercockpit飞行模拟器。1986年，研制成功第一套基于HMD及数据手套的VR系统VIEW。1987年，美国“VPL研究公司”发明了数据服。1988年，VPL建立了一套完整的VR系统。1989年，JaronLanier提出“VirtualReality”名词。1990年，在美国召开的Siggraph会议上，提出VR技术的主要内容是：实时三维图形生成技术、多传感器交互技术、高分辨率技术。1992年，在法国召开VR的第一节国际会议“真实世界和虚拟世界的接口”。以后的十多年，VR技术高速发展并普及应用。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。其原因：需求牵引，技术推动。国外VR研究现状计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具，并因此导致了许多解决问题的新方法的产生。虚拟现实技术的产生与发展也同样如此，就虚拟现实本身而言，它主要涉及到三个研究领域：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。国外VR研究现状美国在VR领域的基础研究主要集中在：感知、用户界面、后台软件、硬件参加研究的部门与成果：美国宇航局（NASA）完成了对哈勃太空望远镜的仿真。正进行“虚拟行星探索”的试验计划，第一个目标是火星。目前已建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学：该校的计算机系是最早研究VR技术，主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真。麻省理工学院（MIT）成立了专门研究不同图形仿真技术的实验室，建立了虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中，远程协作的分布式VR系统，可通过网络在异地实时协作进行设计。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统，该系统在分布交互式仿真系统中进行，主要仿真复杂流体的物理特性。SRI研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有VR的进一步发展。德国：在计算机图形学研究所开发了一种名为“虚拟设计”的VR组合工具，可以实时遍历地生成实时景物，允许生成多达5万个以上的三角形的复杂景物。英国：主要研究VR软件与整体综合技术，也生产出VR游戏机等产品。日本：主要致力于建立大规模知识库的研究。东京技术学院研究了一个用于建立三维模型的人性化界面；京都电子通信研究所正在开发一套系统，它可用图像处理来识别手势和面部表情，提供了一个更自然的接口。国内VR研究现状在我国九五规划、十五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都列入了VR研究项目。国防科技大学：主要研究虚拟环境的构造、算法、分布式虚拟环境。浙江大学：CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，实现了立体视觉；还研制了快速漫游算法和一种快速递进网格的快速生成算法。哈工大：虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成、唇动的合成等合成技术，正在研究人说话时的头部和手势动作、语音和语调的同步等。北理工：研制出虚拟现实开发平台、坦克模拟训练器、虚拟乐队、虚拟战场等。北航、清华、西安交通大学、西北工业大学、中国科技开发院、仿真中心、总装备部等都有研究成功。造型：即将各种复杂的数据进行三维化、可视化、使人更易于理解、操作或修改等。通信：帮助克服由于语言、文化障碍而产生的交流困难；另一种是实现遥远通信，通过网络形成虚拟环境，使相距遥远的人们容易交流。操作：一是利用造型结果，使人们易于控制和理解复杂的数据；二是实现遥控；三是实现帮助残疾人生活的控制系统。虚拟现实技术的