第13章虚拟地理环境68

地球信息科学引论授课人：张喜旺TheCollegeofEnvironmentandPlanningofHenanUniversity河南大学环境与规划学院E-mail：[e-mail]单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院主要内容1虚拟现实技术及其应用2虚拟地理环境的概念与特征3虚拟地理环境的构建和应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院1虚拟现实技术及其应用（1）基本概念虚拟现实是一种人与通过计算机生成的虚拟环境可自然交互的人机界面，是指利用计算机和一系列传感辅助设施来实现的使人能有置身于真正现实世界中的感觉的环境,是一个看似真实的模拟环境。通过传感设备,用户根据自身的感觉,使用人的自然技能考察和操作虚拟世界中的物体,获得相应看似真实的体验。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（2）发展历程•1965年，Sutherland在《终极的显示》中首次提出虚拟现实系统的基本思想。•1966年，MIT的林肯实验室开始头盔式显示器研制。•70年代出现第一个功能较齐全的HMD系统。•80年代初正式提出了“VirtualReality”一词•80年代，美国宇航局（NASA）及国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究。如，1984年，NASAAmes研究中心虚拟行星探测实验室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。•90年代，计算机软硬件的发展为虚拟现实系统的发展打下了的基础。1993年11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从飞机的运输舱内取出望远镜面板的工作。再如，用虚拟现实技术设计波音777获得成功。1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（3）基本特征•多感知性所谓多感知性(Multi-Sensor)就是除了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。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉，听觉、力觉、触觉、运动等几种，无论从感知范围还是从感知的精确程度都无法与人相比拟。1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（3）基本特征•存在感存在感(Presence)又称为临场感(Immersion)，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应达到使用户难以分辨真假的程度(例如可视场只应随着视点的变化而变化)，甚至比真的还真，如实现比现实更逼真的照明和音响效果等。1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（3）基本特征•交互性交互性(interaction)是指用户对模拟环境内的物体可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中的物体，这时手有捏着东西的感觉，并可以感觉物体的重量(其实这时手里并没有实物)，视场中被抓的物体也立刻随着手的移动而移动。1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（3）基本特征•自主性自主性(Automomy)是指虚拟环境中物体依据物理定律进行动作的程度，例如有力的推动时，物体会向力的方向移动、翻倒或从桌面落到地面等。1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（4）分类•非完全投入式虚拟现实系统•叠加式虚拟现实系统•投入式系统•分布式虚拟现实系统1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院•非完全投入式虚拟现实系统在非投入式系统中，使用者可从视觉上感觉到真实世界，但通过某种显示装置如图形工作站，可对虚拟世界进行观察，用户利用像空间鼠标这样的装置在虚拟环境内漫游，这种装置使用户可对视点作六自由度平移及旋转。1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院•叠加式虚拟现实系统叠加式虚拟现实系统允许用户对现实世界进行观察的同时，虚拟图像叠加在现实世界之上。叠加式虚拟现实系统又称补充现实系统。例如，战斗机驾驶员使用的头盔可让驾驶员同时看到外面世界及上置的合成图形。额外的图形可在驾驶员对机外地形视图上叠加地形数据，或许是高亮度的目标、边界或战略陆标（Landmark）。补充现实系统的效果显然在很大程度上依赖于对使用者及其视线方向的精确的三维跟踪。1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院•投入式虚拟现实系统在投入式系统中，以对使用者头部位置、方向作出反应的计算机生成的图像代替真实世界的景观。用户可做能在工作站上完成的任何事，其明显长处是完成投入。当具备结合模拟软件的额外处理能力后，使用者就可交互地探索新景观，体验到实时的视觉回应。1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院•分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实(DistributedVirtualReality,简称DVR)又称网络虚拟现实(NetWorkedVirtualReality,简称NVR),其目标是建立一个可供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境(DistributedVirtualEnvironment,简称DVE),在这个环境中,位于不同物理位置的多台计算机及其用户,可以不受其各自的时空限制,在一个共享虚拟环境中实时交互、协同工作,共同完成某一复杂产品的设计、制造、销售全过程的模拟或某一艰难任务的演练。它特别适合用于实现对造价高、危险、不可重复、宏观及微观事件的仿真。1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（5）虚拟现实系统的构成——系统模型1虚拟现实技术及其应用用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时3维显示和其他反馈信息（如触觉、力觉反馈等）。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用（如遥操作等）。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（5）虚拟现实系统的构成——系统构成1虚拟现实技术及其应用①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。②反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。③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。④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。⑤建模模块：获取现实世界组成部分的3维表示，并由此构成对应的虚拟环境。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（5）虚拟现实系统的构成——软硬件构成1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（5）虚拟现实系统的构成•输入设备输入设备：3D位置跟踪器、传感手套、数据衣、三维鼠标、跟踪球、三维探针及三维操作杆等。1虚拟现实技术及其应用数据手套单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（5）虚拟现实系统的构成1虚拟现实技术及其应用三维鼠标单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（5）虚拟现实系统的构成•输出设备立体显示设备、3D声音生成器、触觉和力反馈的装置。1虚拟现实技术及其应用快速响应工作台头盔显示器桌面立体显示器单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（6）虚拟现实的实现技术•动态环境建模技术虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，应用动态环境建模技术能获取实际环境的3维数据，并根据需要，利用获取的3维数据建立相应的虚拟环境模型。目前可采用虚拟环境建模工具或VRML等专用的虚拟现实建模语言来完成建模，当然也可以直接利用OpenGL建立模型库或开发专门的建模工具，但这样做工作量是非常大的。另一种方法是借助于AutoCAD、3DSMax等普通的三维建模工具，先建立起三维模型，再编程或借助于工具的方法，将模型导入到虚拟环境中。1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（6）虚拟现实的实现技术•实时3维图形生成技术目前，3维图形的生成技术已较成熟，而关键是如何满足实时性的要求，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、最好高于30帧/秒。在不降低图形质量和复杂程度的前提下，提高刷新频率。这里，图形生成的硬件系统性能及在虚拟现实的真实感图形生成中用于加速的各种有效技术是关键所在。1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（6）虚拟现实的实现技术•立体显示与传感器技术虚拟现实依赖于立体显示和传感器技术的发展。立体显示技术涉及人眼的生理原理及在计算机上如何产生深度线索的技术，现有的硬件系统如头盔显示器、单目镜及可移动视觉显示器有待进一步研究，光学显示还存在许多局限性。传感器技术中需解决设备的可靠性、可重复性、精确性及安全性等问题，各种类型传感器的性能急需提高。1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（6）虚拟现实的实现技术•应用系统开发工具技术最终要面向应用。通用平台的开发可缩短与应用结合的时间，为此，必须研究虚拟现实的开发工具。目前，常用的虚拟现实系统开发工具有Superscape公司的VRT，它是一个可视化平台，允许较高程度的交互和网络处理；Sense8公司的WTK是一个C函数库，提供了一个完整的合成虚拟环境的应用开发环境。1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（6）虚拟现实的实现技术•多种系统集成技术VR系统的最终集成是必然的，它包含了大量表达信息的模型，必须根据设计意图进行合理组合。集成技术包括信息的同步、模型的标定、数据转换、数据管理模型、模式识别与合成等技术。1虚拟现实技术及其应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院军事及航空如，SGI虚拟现实系统。无需制造真正的原型试验机即可获得宝贵的数据。建筑与汽车业设计师，通过虚拟现实技术观察他们设计的效果，如外观、动力性、使用方便性。用户，可通过虚拟现实技术在设计完成后“进入”大厦漫游，以便得知大厦各房间的规划、装饰材料的选择等是否满意。医学医生远程做手术培训汽车驾驶模拟训练，大型飞机驾驶模拟娱乐1虚拟现实技术及其应用（7）应用领域单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院军事应用军事应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院军事应用单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院校园规划单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院文物古迹还原单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院模拟驾驶单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院工艺流程皇家御用砖金砖的制作单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院虚拟装配维修单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院医学仿真单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院肢体治疗与游戏结合由屏幕提供一种人工景物,使患者如同置身于游戏或旅游的环境中,使治疗过程充满乐趣,提高患者的乐观情绪。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院肢体治疗AirbourneRangerBirdsN'BallsCoconutzDrumsFormulaGravballHipAbductionHipFlexionSharkbaitSnowboardingSoccerVolleyballApplicationTherapeuticExerciseAirborneShoulder,Torso,FullBody,LowerExtremityProprioceptionBirds&BallsShoulder,Torso,FullBodyCocoNutsShoulderDrumsUpperExtremityFormulaRacingTorso,Neck,LowerExtremityProprioception,LateralStepGravballFullBody,LowerExtremityProprioceptionHipAbductionHipAbduction