人机交互接口技术专题研究-虚拟现实技术解读

北京交通大学人机交互接口技术专题研究虚拟现实技术的研究2014/12/4Thursday1目录1虚拟现实技术概述...................................................................................................................22虚拟现实技术研究现状...........................................................................................................22.1虚拟现实技术分类.......................................................................................................22.2虚拟现实系统组成.......................................................................................................22.2.1虚拟现实系统硬件组成...................................................................................22.2.2虚拟现实系统软件组成...................................................................................32.3虚拟现实技术基本特征...............................................................................................43虚拟现实技术的应用...............................................................................................................43.1城镇规划与建筑设计...................................................................................................43.2流域水资源管理...........................................................................................................53.3产品设计与性能评价...................................................................................................53.4电子商务.......................................................................................................................53.5军事模拟训练...............................................................................................................53.6虚拟外科技术...............................................................................................................63.7教育与娱乐...................................................................................................................64虚拟现实技术发展展望...........................................................................................................6参考文献：.......................................................................................................................................721虚拟现实技术概述虚拟现实技术（VirtualReality，简称VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的人机交互技术，它是利用计算机生成一个模拟三维空间的虚拟环境，借助传感头盔、数据手套等专业设备，让用户进入虚拟空间，感知和操作虚拟世界中的事物，从而通过视觉、触觉和听觉等获得身临其境的感受。虚拟现实技术从根本上改变人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，为人机交互技术开创一个全新的研究领域。2虚拟现实技术研究现状虚拟现实技术是门新兴的科学技术，其集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的最新发展成果，是一门崭新的综合性信息技术。2.1虚拟现实技术分类虚拟现实系统根据用户参与形式的不同一般分为4种模式：桌面式、沉浸式、增强式和分布式。桌面式使用普通显示器或立体显示器作为用户观察虚拟境界的一个窗口；沉浸式可以利用头盔式显示器、位置跟踪器、数据手套和其他设备，使得参与者获得置身真实情景的感觉；增强式是把真实环境和虚拟环境组合在一起，使用户既可以看到真实世界，又可以看到叠加在真实世界的虚拟对象；分布式是将异地不同用户联结起来，对同一虚拟世界进行观察和操作，共同体验虚拟经历，如用于部队联合训练的作战仿真互联网。2.2虚拟现实系统组成典型的VR系统主要由计算机软、硬件系统（包括VR软件和VR环境数据库）和VR输入、输出设备等组成，如图1所示。2.2.1虚拟现实系统硬件组成1.数据手套数据手套是数字内容交互展示系统常用的一种人机交互设备，通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向，3从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操控。2.数字头盔头盔显示器固定在用户的头部，用两个显示器分别向两只眼睛显示两幅图像。这两个显示屏中的图像由计算机分别驱动，有细小差别，类似于人的双眼视差。头盔显示器所能提供的沉浸感要比立体眼镜好得多。3.头部跟踪实时头部跟踪使用现成的HMD（头盔显示器）、三维空间传感器。4.动作捕捉英文Motioncapture，简称Mocap。技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计算机直接理解处理的数据。在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motioncapture系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后向得到三维空间坐标的数据。当数据被计算机识别后，可以应用在动画制作，步态分析，生物力学，人机工程等领域。5.位置追踪器位置追踪器又称位置跟踪器，是指作用于空间跟踪与定位的装置，一般与其他VR设备结合使用，如：数据头盔、立体眼镜、数据手套等，使参与者在空间上能够自由移动、旋转，不局限于固定的空间位置。操作更加灵活、自如、随意。产品有六个自由度和三个自由度之分。2.2.2虚拟现实系统软件组成VRP虚拟现实平台（英文全称VirtualRealityPlatform，简称VR-Platform或VRP）是一款由中视典数字科技有限公司独立研发的，具有完全自主知识产权的虚拟现实软件，也是目前国内市场占有率最高的一款虚拟现实软件。作为中国最早一批自主知识产权的虚拟现实软件，它以纯中文界面、简单易用、所见即所得等人性化的功能设计，深得国人青睐。目前VRP-Builder、VRP-SDK、VRP-IE、VRP-Physics、VRP-Mystory、VRP-3DNCS、VIRGlass等应用性极强的一系列软件，已被广泛应用于院校教育、旅游教学、工业仿真、应急救援、展览展示、地产营销、家装设计、军事仿真、交互艺术等众多领域，为各行业提供切实可行的解决方案。DVS3DDVS3D是国内虚拟现实企业曼恒数字自主研发的一款虚拟现实软件平台，根据高端制造业的通用性需求进行开发，是行业内首个结合设计、虚拟和图1虚拟现实系统4仿真一体的三维软件平台。DVS3D与ProE、Catia等三维建模程序相结合，实时获取三维模型数据，并对其进行设计调整、展示及虚拟装配。平台结合硬件环境实现多通道的主被动立体显示，兼容VRPN和TrackD标准接口实现虚拟外设的交互操作。平台主要有以下模块：模型信息库模块、模型展示模块、基于物理引擎的装配训练模块、GPU加速渲染模块、WEB服务模块等。DVS3D广泛应用于高端制造业，在产品设计阶段辅助方案评审，为产品的装配训练和培训提供数字化虚拟方式，降低成本、提高效率。2.3虚拟现实技术基本特征1.沉浸性虚拟现实技术是根据人类视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像．使用者戴上头盔显示器和数据手套交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员，有一种身临其境的感觉。2.交互性虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，可通过键盘、鼠标、头盔、数据手套等设备进行交互。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，对虚拟环境中的对象进行触摸或操作。3.多感知性虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得多种感知，亲身体验交互操作的反应与感受。3虚拟现实技术的应用虚拟现实技术的用途很广，它可应用于工程设计、城镇规划、科学计算、可视化、教育、电子商务、医学、军事、艺术与娱乐等多方面。3.1城镇规划与建筑设计传统的城镇规划地通过二维图形形式展现在人们面前，没有立体感，也不够直观。而利用虚拟现实技术，将城镇规划布局中的所有对象——街区、建筑、绿化带、树木、花草、路标、路灯等数字建模，在虚拟的环境中，以任意高度、任意方向漫游整个城镇，身临其境地感受这个上不存在的虚拟城镇，从而为城镇规划方案的优化提供更加直观的技术手段。同样，建筑设计后，通过楼房数字建模，5调用室内装饰三维图库，并采用独立的材质对象，在虚拟的环境中，可以从不同角度作真实感渲染，如走进建筑物的大厅和各个房间，观看建筑的内部结构，各房间的功能和室内布置，了解楼房使用的方便程度等。3.2流域水资源管理利用虚拟现实技术，用户可以通过各种交互手段和显示方式，生动、直观地了解流域的全貌，实现一系列模拟分析、信息查询和空间定位等功能，包括洪水的漫溢及淹没过程、规划方案的可视化、水利工程动态运行与监控，为流域水资源管理提供先进的效果展示、动态监控和规划方案评估手段。3.3产品设计与性能评价波音777飞机的设计是虚拟原型机的应用典型实例，这是大型客机设计史上第一次在设计过程中没有采用实物模型。波音777由300多万个零部件组成，所有的设计在一个由数百台工作站组成的虚拟环境中进行。飞机设计师带上显示头盔，穿行于设计中的虚拟波音777飞机中，审视飞机的各项设计指标，随时做设计上的调整与改进。3.4电子商务随着Internet技术的发展，电子商务有了很大的发展。对于那些期望与顾客建立直接联系的公司，尤其是那些在他们的主页上向客户发送电子广告的公司，Internet具有特别的吸引力。但网上购物不具直观性，尽管它能为客户节省时间，也难已深入人心。分布式虚拟系统的应用有可能大幅度改善顾客购买商品的经历，商家可将商品直接简历数字模型，在网络上发布，顾客可以访问虚拟世界中的商店，从任意方向审视商品，而且可以动手挑选商