虚拟地理环境第二章虚拟现实概论第一节虚拟现实简介57

第二章虚拟现实技术概述§1虚拟现实简介1.1虚拟现实的产生与发展历史(1)虚拟现实的技术背景(2)虚拟现实技术的起源(3)虚拟现实技术的迅速发展时期20世纪50年代末期，MortonHeiling开始尝试设计多感觉的虚拟经历，他开发了一台名为Sensorma的机器，综合了电影的播放、音效、振动、风和味觉效果，让电影观众有如身临其境。头盔式屏幕的创意也是由他提出的。1965年，具有“计算机图形学之父”美誉的美国麻省理工学院的科学家兼美国高等研究计划局信息处理技术办公室主任伊凡·萨瑟兰(IvanSutherland)发表了一篇题为“TheUltimateDisplay”（《最终显示》）的论文，提出使计算机显示屏成为观察客观世界窗口的设想，这被看作是研究虚拟现实技术的开端。1966年，他完成了第一台能使用户观看“虚拟世界”的头盔显示器，通过这种立体观察装置，可以使用户看不到计算机的存在，而是完全进入到计算机生成的环境中。1968年DouglasEngelbart发明了可以与计算机进行交互的装置，即最早的鼠标，人机交互这一面向用户的计算机技术从此诞生。1971年FrederickBrooks开发出了反馈力系统(Force-FeedbackSystem)。1982年ThonmasZimmerman等人设计出了数据手套，可以作为虚拟现实的输入装置。1984年，米切尔·麦格里威和他的同事在美国航空航天局开发了数据护目镜，它允许使用者环视在计算机屏幕上描绘的图形世界。随后美国Ames航天研究中心利用流行的液晶显示电视和其它设备开始研究低成本的虚拟现实系统，极大地推动了虚拟现实技术软硬件的研制和开发。1985年，JaronLanier与JeanJaequesGrimaud创建了VPLResearch公司，这是第一个虚拟现实的商业化公司，也是一个虚拟现实王国。他们不仅正式提出了虚拟现实(Virtualreality)的概念，而且开发研制出了实现人机自然交互的装置—数据手套。如今HMD和数据手套已经成为虚拟现实的硬件象征。1986年美国航天局的Ames研究中心研制出了VIEW(VirtualInteractiveEnvironmentWorkstation)，这是世界上第一个较为完整、多用途、多感知的VR系统。它使用了立体头盔显示、数据手套、语音识别技术、跟踪技术与遥现技术。用户可以从中看到立体图像、听到三维声音，可口头发出命令，伸手捉取由软件生成的虚拟物体。虚拟现实技术的研究需要充足的经费支持，美国国防部为此投入了大量的经费（它也因此被称为虚拟现实的摇篮），因此其研究成果主要在军事领域得到应用。1989年Autodesk公司开发了第一个以PC为平台的虚拟现实系统。1990年，在美国达拉斯召开的SIGGRAPH国际会议上，首次将虚拟现实用三种基本技术进行了概括：三维计算机图形学技术;采用多种功能传感器的交互式接口装置;高清晰度显示装置。至90年代，由于计算机芯片能力的增强及浮点处理器和图形加速器的引入，陆续研制出一批较实用的头盔三维显示器、六自由度手套、立体声耳机。充分的硬件支持使软件系统得到了飞速的发展，互联网的出现则促使VRML的提出及相关标准的制定。尽管从虚拟现实技术的基本目标来看，目前的研究尚处于初级阶段，但从已有的研究成果看，它已显示出十分诱人的应用前景。人们对它越来越感兴趣，它也正从研究领域走向实际应用领域。1.2虚拟现实的概念(1)虚拟现实的定义虚拟现实技术发展到今天，也只能说处于初级阶段。目前的系统受软、硬件条件的限制，只是在一定程度上给予用户“真实感”的体验，许多技术问题尚有待解决。现在还没有明确的定义。此处给出几个基于虚拟现实系统特征的定义定义一：是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的沉浸式虚拟交互环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。定义二：虚拟现实技术三角形（3I）:BurdeaG.在1993年召开的Electro93国际会议上所发表的“VirtualRealitySystemandApplication”一文中，提出了虚拟现实技术三角形，简捷地概括了虚拟现实技术在人机关系上的基本特征。此即三个I的定义：沉浸感(Immersion)交互性(Interaction)想象力(Imagination)定义三：在SteuerJ.发表的报告DefiningVirtualReality：DimensionDeterminingTelepresence中，对虚拟现实的定义如下：虚拟现实是沉浸式的(Immersive)，用户进入虚拟现实后，会暂时与真实世界隔绝，置身于另一个世界当中;这个世界是由人类将数据输入计算机处理而产生的;虚拟现实提供给用户各种感觉，包括视觉、听觉、触觉、味觉与嗅觉；虚拟现实是由用户主动浏览的(Active)，一般多媒体、如电影和电视，用户只能接受事先安排的内容，而虚拟现实提供用户在虚拟的空间中自由游走的权力；虚拟现实是交互式的(Interactive)，用户可以使用某些方式影响虚拟现实中的对象与环境，例如改变对象属性或创造新的对象。虚拟现实中的空间会根据某些给定的规则，对用户的行为做出反应。(2)虚拟现实与其他相关名词的区别虚拟与“虚幻”虚拟现实和多媒体的区别虚拟现实技术与现有仿真技术的区别虚拟现实与动画技术的区别虚拟现实与可视化的区别几个相同意义的名词:人工现实(ArtificalReality)、灵境、幻真、虚拟环境虚拟与“虚幻”：两者虽只一字之差，内涵却大相径庭。虚幻仅仅是个人头脑中的幻想而已，没有可感知、可触摸的性质，是纯意识的产物，无法在其中从事实践活动。虚幻好比是“海市蜃楼”，可望而不可及。而虚拟则不然，在虚拟的世界里，事物不仅可看、可听，还具有一定的可操作的性质。虚拟现实和多媒体的区别：多媒体是在屏幕上顺序地展现一系列二维图象，而虚拟现实是从各个方位来显示实体的三维图象。两者另一个重要区别就是硬件设备，普通的计算机交互设备包括键盘，鼠标等，再由显示器和音箱构成多媒体系统；而VR系统的跟踪器有机械的，超声的，磁感应的，光学的和无源的几种，其灵巧程度远比一般交互设备优越得多。虚拟现实强调的是身临其境的感觉，多媒体技术是利用计算机综合组织、处理和操作多种媒体信息的技术，它虽然具有多种媒体，但是在感知范围上没有VR广泛，例如多媒体不包括触觉、力觉等感知。另外多媒体处理的对象主要是二维的，因此在存在感和交互性方面与VR有着本质的区别。虚拟现实技术与现有仿真技术的区别：被试者不再是坐在现实世界中通过人机界面去观察分析所研究对象的参数，而是沉浸到由计算机创造的一种虚拟世界之中，如同在真实世界中一样与周围的虚拟环境事物进行交互作用。虚拟现实与动画技术的区别：三维动画沿着某一条路径浏览动画，而且可以反复播放这个动画，但这条路径是固定的。虚拟现实中用户可以沿任意路径走进这个环境并操纵场景中的对象，他的图形渲染是实时的，这是它与动画的最大区别。虚拟现实与可视化的区别：可视化是虚拟现实的基础;可视化重点在于表现事物的本质，而不追求逼真的模拟；虚拟现实则重点在于逼真描绘环境的实际情况，而对本质的要求是次要的;在技术上，虚拟现实比可视化复杂庞大的多。几个相同意义的名词：如人工现实(ArtificalReality)、灵境、幻真、虚拟环境等等。1.3虚拟现实技术的最基本特征Immersion（沉浸）Interaction（交互）Imagination（构想）（1）Immersion（沉浸）：指用户身心置于模拟环境中的体验，理想的模拟环境应该达到用户难以分辨真假的程度;其意义在于可以使用户集中注意力，可以将抽象的数据变换成熟悉的体验，且从中获取知识。理想的VR系统应具有一切人所具有的感知功能，如视觉感知、听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、味觉感知、嗅觉感知等。由于相关技术的限制，特别是传感器技术的限制，VR技术无论是从感知范围还是从感知精度都无法于人相比拟。（2）Interaction（交互）：指用户对模拟环境内的物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度。例如，用户用脚去踢模拟环境中的足球，随着足球飞起、落地等，用户脚上有踢球刹那间的反弹感觉，且可听到“嘭”的一声，一切如同真实的一样；又如，用户去抓虚拟物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的硬度和重量，被抓的物体随着手的移动而移动。目前输入和输出设备主要实现视觉和听觉效果，而其它感知效果如力觉、触觉等正在开发与研究，味觉、嗅觉则有待于研究。（3）Imagination（构想）虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中并获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。这种构思结果输入到系统中去，系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。如此反复，这是一个学习－创造－再学习－再创造的过程。因而可以说，VR是启发人的创造性思维的活动。3I的基本特征，强调了人在虚拟现实技术中的主导作用。从过去人只能从计算机系统的外部去观测计算机的处理结果，到人能够沉浸到计算机系统所制造的环境之中；从过去人只能通过键盘、鼠标与计算环境中的单维数字化信息发生交互作用，到人能用多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用；从过去的人只能从以定量计算为主的结果中得到启发从而加深对事物的认识，到人有可能从定性和定量综合集体的环境中得到感性和理性的认识从而深化对概念的认识和萌发新意。一个虚拟现实技术系统，正是通过3I才能真正实现虚拟世界对真实世界的替代，从而对人达到一种境界虚拟，但感觉却是真实的效果。I3Imagination构想Interaction交互Immersion沉浸图3虚拟现实三角形1.4虚拟现实的分类(1)按表现形式参数化虚拟现实：增强现实：(2)按虚拟夸张程度合理的虚拟现实夸张的虚拟现实虚构的虚拟现实：(3)按支持的用户数量单机型：网络型：(1)按表现形式参数化虚拟现实：就是一般所说的完全的虚拟环境。增强现实：是把预先获取的或预先计算好的数据和视频影像重叠在真实成像环境上。•增强现实技术允许用户看见现实环境中的物体，同时又把虚拟环境的图形叠加在真实的物体上。•穿透型头戴式显示器可将计算机产生的图形和用户实际的即时环境重叠在一起。例如一个维修工程师戴上一个穿透型头戴式显示器后，通过观察与一台激光打印机重叠的图形去维修该打印机。这些图形可能提供各种图形化箭头、插图和说明，甚至可以指导他的维修。•增强现实性系统依赖于虚拟现实位置跟踪技术，以达到精确的重叠，但目前的技术还不能完全做到这一点。(2)按虚拟夸张程度合理的虚拟现实：就是根据真实的物理法则由计算机模拟真实世界。在这种虚拟世界中人所体验到的一切都是符合客观规律的。在真实世界中只要条件具备，就可出现虚拟现实中的情况，因而从中所获得的知识都是有用的。例如英国出售的“模拟滑雪器”，“滑雪者”只要穿上滑雪服，蹬上滑雪板，拄上滑雪棍，带上头盔式显示器，就可以看到真正滑雪场中白雪皑皑的高山深谷，并根据自己的状况做出相应的各种滑雪动作，学习、体验滑雪。夸张的虚拟现实：也是根据真实的物理法则由计算机进行虚拟的，但它模拟的对象不是人们的五官所能感受到的现实世界，而是人们无法接触到的世界，如浩瀚的宇宙世界、微小的原子世界等。虚构的虚拟现实：这是无视物理法则的对幻想的模拟。它运用计算机的图像、声音功能把完全凭空想象出来的东西变成可以看到、听到的世界，如“海底龙宫”。虚构的虚拟现实主要用于娱乐。(3)按支持的用户数量单机型：一般只在本机建立场景供本机使用。常应用于电子商务、网站建设、驾驶训练、科学可视化、商业数据可视化、工程设计等领域。网络型：在服务器建立场景，供其它计算机用特定客户软件通过网络来访问