论文汇报：虚拟现实技术的研究与发展现状57

虚拟现实技术的研究与发展现状主讲内容技术概论相关技术建模语言•发展历程•技术概念•系统特征•简单介绍•VRML发展史•系统分类发展与应用•系统组成•VRML应用•研究现状•发展趋势•应用•VRML基本特点虚拟现实技术概念虚拟现实(VirtualReality，简称VR)，又译为临境，灵境技术等。是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。通过视、听、触等感知行为使得用户产生一种沉浸于虚拟环境的感觉，并与虚拟环境相互作用从而引起虚拟环境的实时变化，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间，具有广阔的应用前景发展历程1.20世纪50年代至70年代,是VR技术的准备阶段；2.80年代初至80年代中期,是VR技术系统化、开始走出实验室进入实际应用的阶段；3.80年代末至90年代初,是VR技术迅猛发展的阶段；第一阶段•50～70年代,为虚拟现实的探索阶段。1965年由美国的MortonHeileg开发了一个称做Sensorama的摩托车仿真器,不仅具有三维视频及立体声效果,还能产生风吹的感觉和街道气味。1968年,美国计算机科学家I1E1Sutherland在哈佛大学组织开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器HMD及头部位置跟踪系统,成为VR技术发展史上的一个重要里程碑,为虚拟现实的发展奠定了基础。第二阶段•80年代初至80年代中期,开始形成VR技术的基本概念,开始由实验进入实用阶段,其重要标志是:1985年在MichaelMcGreevy领导下完成的VIEW虚拟现实系统,装备了数据手套和头部跟踪器,提供了手势、语言等交互手段,使VIEW成为名副其实的虚拟现实系统,成为后来开发虚拟现实的体系结构。其他如VPL公司开发了用于生成虚拟现实的RB2软件和DataGlove数据手套,为虚拟现实提供了开发工具。第三阶段•80年代末至90年代初,为虚拟现实全面发展阶段。虚拟现实技术已经从实验室的试验阶段走向了市场的实用阶段,对虚拟现实技术的研究也从基本理论和系统构成的研究转向应用过程中所遇到的具体问题的探讨。在虚拟现实系统中只有各种交互设备还不够,还必须提供基本的软件支撑环境,用户能方便地构造虚拟环境并与虚拟环境进行高级交互。系统特征主要借助于VR系统中的特殊硬件设备、使用户能通过自然的方式，产生同在真实世界中一样的感觉。指用户感受到被虚拟世界所包围，好像完全置身于虚拟世界之中一样。指虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。沉浸性交互性想象性系统组成计算机输入输出设备应用软件系统数据库用户系统分类VR系统增强式桌面式沉浸式分布式沉浸式VR系统•沉浸式VR系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种完全置身于虚拟世界之中的感觉。它通常把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，利用空间位置跟踪定位设备、数据手套、其他手控输入设备、声音设备等使得参与者产生一种完全投入并沉浸于其中的感觉，是一种较理想的VR系统。桌面式VR系统•桌面式VR系统也称窗口VR，它是利用个人计算机或图形工作站等设备，采用立体图形、自然交互等技术，产生三维立体空间的交互场景，利用计算机的屏幕作为观察虚拟世界的一个窗口，通过各种输入设备实现与虚拟世界的交互。增强式VR系统•增强式VR系统简称增强现实（AR），它既允许用户看到真实世界，同时也能看到叠加在真实世界上的虚拟对象，它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，既可减少构成复杂场景的开销，又可对实际物体进行操作，真正达到了亦真亦幻的境界。在增强式VR系统中，虚拟对象所提供的信息往往是用户无法凭借其自身感觉器官直接感知的深层信息，用户可以利用虚拟对象所提供的信息来加强对现实世界的认知，这就是增强式VR系统。分布式VR系统•分布式VR系统（DVR）是一个较为典型的实例。DVR系统是VR技术和网络技术发展和结合的产物，是一个在网络的虚拟世界中，位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟世界，通过网络连接成共享信息的系统。环境建模技术实时三维图形绘制技术三维虚拟声音的显示技术自然交互与传感技术碰撞检测技术虚拟现实技术的相关技术Title物理建模技术几何建模技术行为建模技术环境建模技术几何建模技术•几何建模技术主要研究对象是对物体几何信息的表示与处理，它是涉及表示几何信息数据结构，以及相关的构造与操纵数据结构的算法建模方法。物理建模技术•建模技术进一步发展的产物是物理建模，也就是在建模时要考虑对象的物理属性。典型的物理建模技术有分形技术和粒子系统。行为建模技术•行为建模技术主要研究的是物体运动的处理和对其行为的描述，体现了虚拟环境中建模的特征。基于几何图形的实时绘制技术基于图像的实时绘制技术.实时三维图形绘制技术基于几何图形的实时绘制技术•为了保证三维图形的显示能实现刷新频率不低于30帧/秒，除了在硬件方面采用高性能的计算机外，还必须选择合适的算法来降低场景的复杂度（即降低图形系统处理的多边形数目）。目前，用于降低场景的复杂度，以提高三维场景的动态显示速度的常用方法有预测计算、脱机计算、场景分块、可见消隐、细节层次模型等，其中细节层次模型应用较为普遍•1．预测计算•根据物体的各种运动规律，如手的移动，可在下一帧画面绘制之前用预测的方法推算出手的位置，从而减少由输入设备所带来的延迟。•2．脱机计算•由于VR系统是一个较为复杂的系统，在实际应用中可以尽可能将一些可预先计算好的数据进行预先计算并存储在系统中，这样可加快需要运行时的速度。•3．场景分块•将一个复杂的场景划分成若干个子场景，各个子场景间几乎不可见或完全不可见。这样，系统就能有效地减少在某一时刻所需要显示的多边形数目，从而有效降低了场景的复杂度。•4．可见消隐•使用这种方法，系统仅显示用户当前能“看见”的场景，当用户仅能看到整个场景中很小部分时，由于系统仅显示相应场景，此时可大大减少所需显示的多边形的数目。然而，当用户“看见”的场景较复杂时，这种方法就作用不大。•5．细节层次模型•所谓细节层次模型（LevelOfDetail，LOD），是对同一个场景或场景中的物体使用具有不同细节的描述方法得到的一组模型。在实时绘制时，对场景中不同的物体或物体的不同部分采用不同的细节描述方法。基于图像的实时绘制技术•基于图像的绘制技术（ImageBasedRendering，IBR）是采用一些预先生成的场景画面，对接近于视点或视线方向的画面进行变换、插值与变形，从而快速得到当前视点处的场景画面。•目前，基于图像的绘制技术主要有两种1．全景技术2．图像的插值及视图变换技术全景技术•全景技术是指在一个场景中的一个观察点用相机每旋转一下角度拍摄得到一组照片，再在计算机采用各种工具软件拼接成一个全景图像。它所形成的数据较小，对计算机配置要求低，适用于桌面式VR系统，建模速度快，但一般一个场景只有一个观察点，因此交互性较差。图像的插值及视图变换技术•研究人员研究了根据在不同观察点所拍摄的图像，交互地给出或自动得到相邻两个图像之间对应点，采用插值或视图变换的方法，求出对应于其他点的图像，生成新的视图，根据这个原理可实现多点漫游的要求三维虚拟声音的显示技术•三维虚拟声音的概念：VR系统中的三维虚拟声音，使听者能感觉到声音却是来自围绕听者双耳的一个球形空间中的任何地方，即声音可能来自于头的上方、后方或者前方。三维虚拟声音的特征：1．全向三维定位特性2．三维实时跟踪特性3．沉浸感与交互性语音识别与合成技术：•语音识别技术（AutomaticSpeechRecognition，ASR），是指将人说话的语音信号转换为可被计算机程序所识别的文字信息，从而识别出说话人的语音指令以及文字内容的技术。语音识别一般包括参数提取、参考模式建立、模式识别等过程。自然交互与传感技术手势识别•手势识别系统根据输入设备的不同，主要分为基于数据手套的识别和基于视觉（图像）的手语识别系统两种。基于数据手套的手势识别系统，就是利用数据手套和空间位置跟踪定位设备来捕捉手势在空间运动的轨迹和时序信息，对较为复杂的手的动作进行检测，包括手的位置、方向和手指弯曲度等，并可根据这些信息对手势进行分类，因而较为实用。面部表情识别•在VR系统中，人的面部表情的交互在目前来说，还是一种不太成熟的技术。一般人脸检测问题可以描述为：给定一幅静止图像或一段动态图像序列，从未知的图像背景中分割、提取并确认可能存在的人脸。如果检测到人脸，提取人脸特征。眼动跟踪•眼动跟踪技术的基本工作原理是利用图像处理技术，使用能锁定眼睛的特殊摄像机，通过摄入从人的眼角膜和瞳孔反射的红外线连续地记录视线变化，从而达到记录、分析视线追踪过程的目的。视线跟踪技术可以弥补头部跟踪技术的不足之处，同时又可以简化传统交互过程中的步骤，使交互更为直接，因而，目前多被用于军事领域（如飞行员观察记录等），阅读以及帮助残疾人进行交互等领域。触觉、力觉反馈传感技术•触觉、力觉反馈传感技术是运用先进的技术手段，将虚拟物体的空间运动转变成特殊设备的机械运动，在感觉到物体的表面纹理的同时，也使用户能够体验到真实的力度感和方向感，从而提供一个崭新的人机交互界面，即运用“作用力与反作用力”的原理来达到传递力度和方向信息的目的。碰撞检测技术•1．碰撞检测的要求•为了保证虚拟世界的真实性，碰撞检测必须有较高的实时性和精确性。所谓实时性，基于视觉显示的要求，碰撞检测的速度一般至少要达到24次/秒，而基于触觉要求，碰撞检测的速度至少要达到300次/秒才能维持触觉交互系统的稳定性，只有达到1000次/秒才能获得平滑的效果。而精确性的要求则取决于VR系统在实际应用中的要求，比如对于小区漫游系统，只要近似模拟碰撞情况，此时，若两个物体之间的距离比较近，而不管是否实际有没有发生碰撞，都可以将其当做是发生了碰撞，并粗略计算其发生的碰撞位置。•2．碰撞检测的实现方法•由于物体本身的模型可能很复杂，直接采用物体的原模型来检测两个物体的碰撞，计算量仍然过大。对两物体间的精确碰撞检测的加速实现，现有的碰撞检测算法主要可划分为两大类：层次包围盒法和空间分解法。虚拟现实建模语言——VRML•VRML的发展史：•1994年5月，第一届Internet国际会议上，有关专家发表的在Web上运行三维立体世界的研究引起了广泛的讨论。短短的几个月后，在1994年10月，VRML1.0规范正式发布。这以后，许多专家、企业积极投身于VRML的推广和研究，特别是VRML技术组（VAG）不懈的努力，使VRML得到了迅速的发展。1996年，VRML2.0规范正式确定。1998年1月被ISO正式确定为国际标准的VRML正是现在我们常说的VRML97。VRML的应用•VRML融合了二维和三维图像技术、动画技术和多媒体技术，借助于网络的迅速发展，构建了一个交互的虚拟空间。VRML技术和其他的计算机技术的结合，在Web环境中创建虚拟城市、虚拟校园、虚拟图书馆以及虚拟商店已经不再是一种幻想。比如在电子购物中，用户在虚拟商店里感受到的是和真实商品一样实在的质地，而不再是简单的图片。VRML文件的基本特点•1．VRML文件的基本要素——节点（Node）和域（Field）VRML文件的扩展名为wrl，文件中最为重要的两个基本要素是节点（Node）和域（Field）。节点是VRML文档中基本的组成单元，VRML借助于节点来描述对象某一方面的特征，比如形状、材质和颜色等。•2．事件（Event）和路由（Route）•在现实环境中，事物往往随着时间会有相应的变化，比如，物体的颜色随着时间发生变化。在VRML中借助事件（Event）和路由（Route）的概念反映这种现实情况。•3．VRML的通用语法结构•4．VRML的空间坐标与计量单位•在实际环境中，构成场景的造型有大小的差别，物体间有不同的相对位置，并且造型还会有旋转、移动等运动，因此在VRML中，采用空间直角坐标系确定造型的位置，并且用特定的计量单位定量表示长度。在VRML场景中，空间直角坐标满足右手螺旋