第10章：多媒体虚拟现实技术56

跳转到主页1第10章：虚拟现实技术虚拟现实技术概述虚拟现实系统的分类虚拟现实系统的组成虚拟现实技术研究的内容虚拟现实关键技术虚拟现实的应用虚拟现实所追求的长远目标虚拟现实建模语言VRML使用VRML2.0构造虚拟世界MultimediaTechnology&Application10.1虚拟现实技术概述虚拟现实的定义虚拟现实的发展及研究现状虚拟现实的主要研究内容虚拟现实的特点沉浸感MultimediaTechnology&Application10.1.1虚拟现实的定义包括了三层含义：虚拟实体是用计算机来生成的一个逼真的实体，“逼真”就是要达到三维视觉，甚至包括三维的听觉及嗅觉等；用户可以通过人的自然技能与这个环境交互，这里自然技能可以是人的头部转动、眼动、手势或其它的身体动作；虚拟现实往往要借助一些三维传感设备来完成交互动作。MultimediaTechnology&Application虚拟现实技术示意图MultimediaTechnology&Application10.1.2虚拟现实的发展1965年IvanSutherland提出虚拟现实的基本思想1966年MIT林肯实验室第一个HMD样机完成,并融入力反馈装置1970年IvanSutherland研制成功第一个功能较为齐全的HMD1975年MyronKrueger提出“人工现实”的思想20世纪80年代虚拟现实进一步发展，出现”VirtualReality”(虚拟现实)一词20世纪90年代明确提出虚拟现实研究的主要内容，虚拟现实技术飞速发展MultimediaTechnology&Application10.1.3虚拟现实的研究现状国外的研究北卡罗来纳大学(UNC)计算机系麻省理工学院(MIT)媒体实验室洛玛琳达(LomaLinda)大学医学中心华盛顿大学人机界面技术实验室(HITLab)美国宇航局(NASA)Ames实验室伊利诺斯州立大学其他机构国内的研究北京航空航天大学计算机系浙江大学（CAD&CG国家重点实验室、心理实验室）清华大学计算机科学和技术系西安交通大学信息工程研究所北方工业大学CAD研究中心中国科技开发院威海分院其他机构MultimediaTechnology&Application10.1.4虚拟现实的特点沉浸感(Immersion)视觉浸入听觉浸入触觉浸入嗅觉浸入与味觉浸入交互性(Interaction)构想性(Imagination)MultimediaTechnology&Application10.1.5沉浸感导致沉浸感的原因是用户对计算机环境的虚拟物体产生了类似于现实物体的存在意识或幻觉。沉浸感必须具备三个要素：图象(imagery)交互(interaction)行为(behavior)沉浸感存在感存在感存在感存在感认知MultimediaTechnology&Application10.2虚拟现实系统的分类依照虚拟现实与外界交互分类依照虚拟现实特点分类MultimediaTechnology&Application10.2.1依照虚拟现实与外界交互分类从虚拟现实与外界的交互考虑可以分成三类：封闭式虚拟现实，即与外部现实世界不产生直接交互；开放式虚拟现实，即通过各种传感装置与外界构成反馈闭环；以上两类的结合，即兼备封闭式或开放式的特点，是一种较实用的虚拟现实系统。MultimediaTechnology&Application10.2.2依照虚拟现实的构成特点分类依照虚拟现实的构成特点可分为：桌面虚拟现实系统，利用微机或低档工作站进行模拟，在一些专用硬件和软件的支持下，参与者可在仿真过程中设计各种环境；临境虚拟现实系统，也称投入式虚拟现实系统。利用使参与者完全投入的各种设备把用户的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，产生一种与世隔绝而被虚拟环境笼罩的错觉，达到完全投入的目的。分布式虚拟现实系统，在临境虚拟现实系统的基础上将不同的用户联接在一起，共享同一个虚拟空间，使用户达到一个更高的境界。传感真实环境控制虚拟环境表现虚拟环境MultimediaTechnology&Application桌面虚拟现实系统与临境虚拟现实系统MultimediaTechnology&Application10.3系统的组成虚拟现实系统由可交互的虚拟环境、虚拟现实软件、虚拟现实硬件(包括计算机、虚拟现实输入输出设备)三部分组成虚拟现实系统的模型在系统组成上一般包括检测、反馈、传感器、控制、三维模型及建模模块。桌面虚拟现实系统和临境虚拟现实系统之间的主要差别在于：参与者身临其境的程度，这也是他们的系统结构、应用领域和成本都大不相同的原因；前者以常规的CRT彩色显示器和立体眼镜来增加身临其境的感觉，主要交互装置为6自由度鼠标或三维操纵杆，后者采用HMD现实，主要交互装置为数据手套和头部跟踪器。MultimediaTechnology&Application虚拟现实系统的基本组成输入设备虚拟现实软件虚拟世界计算机输出设备MultimediaTechnology&Application虚拟现实系统模型图操作虚拟环境反馈外部世界传感装置操作显示MultimediaTechnology&Application虚拟系统的组成图虚拟环境现实世界系统建模3D模型检测反馈传感器控制用户MultimediaTechnology&Application桌面虚拟现实系统基本组成图虚拟环境发生器声音合成26自由度控制器立体视觉显示器触觉/视觉系统声音显示器声音合成MultimediaTechnology&Application临境虚拟现实系统基本组成图虚拟环境发生器头盔显示器/数据手套声音合成声音定位语言识别显示电子装置头/眼/手/体跟踪触觉/动觉系统命令图形图象头位置眼位置手位置MultimediaTechnology&ApplicationMultimediaTechnology&Application10.4虚拟现实的主要研究内容基于视觉、听觉、触觉和嗅觉的逼真模拟世界生成技术三维实时动画视觉环境建模（体视图的生成原理）空间定位和空间仿真技术声像一体化仿真技术虚拟环境中的标定人与技术融为一体的临场感技术宽视场立体显示技术感知并识别用户视点变化，头、手、肢体、身躯动作和语音的基于自然方式的人机交互技术快速、高精度三维跟踪技术人的因素与用户心理学研究MultimediaTechnology&Application10.4虚拟现实的主要研究内容虚拟环境的控制系统实时、低延时控制软硬件设计传感技术和传感设备研究多传感器数据融合遥感技术虚拟环境与现实环境的一致性保持开发新的非应用虚拟环境技术不可的领域虚拟现实系统开发平台研制分布式虚拟现实技术虚拟现实实用系统的开发MultimediaTechnology&Application10.5虚拟现实关键技术提高图形系统的实时性三维位置方位跟踪与视觉、听觉、嗅觉等传感及识别技术高速计算能力及计算复杂性问题面向对象技术的应用动态环境三维建模技术纹理贴图、全局光照建模技术、立体显示技术（体视图等）、几何建模（NURBS建模技术、过程建模技术）、运动建模、物理建模、基于图像的建模等系统集成技术NURBS技术生成图像空间点左视图左视点右视点右视图体视图生成原理MultimediaTechnology&Application被动式立体投影原理MultimediaTechnology&Application10.6虚拟现实的应用可视化的研究与应用工程的计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)医学方面的应用军事模拟和飞行模拟教育和艺术遥在和遥控游戏和娱乐MultimediaTechnology&Application10.7虚拟现实技术所追求的长远目标虚拟显示系统扩大人类的感知和认知能力；虚拟技术必然会推动生产管理模式的变化；虚拟技术不仅支持着灵捷制造系统的建立，而且可以使整个设计制造过程对用户是透明的，使用户有可能参与设计；虚拟现实技术将引起设计制造业的巨变；虚拟现实技术将导致医学革命；虚拟现实技术将促使遥在技术的发展；虚拟现实技术帮助残疾人和增强残疾人的自理能力；虚拟现实技术还将有效地辅助人类进行决策和行动。MultimediaTechnology&Application虚拟现实技术在设计中应用图象MultimediaTechnology&Application飞机机舱的图象MultimediaTechnology&Application虚拟仪表的图象MultimediaTechnology&Application水下航行模拟的图象MultimediaTechnology&Application飞行模拟的图象MultimediaTechnology&Application虚拟现实在军事训练中的应用MultimediaTechnology&Application虚拟现实在医学上的应用MultimediaTechnology&Application10.8虚拟现实建模语言VRML10.8.1概述10.8.2VRML的诞生与发展10.8.3VRML2.0简介10.8.4VRML世界的浏览和发布10.8.5建模软件和创作工具10.8.6开辟一个虚拟世界MultimediaTechnology&Application10.8.1概述虚拟现实建模语言VRML（VirtualRealityModelingLanguage）是一种描述虚拟现实场景的专用语言，其作用是描述三维场景以便建立交互式、可导航的三维世界，可用于万维网（和HTML一样）。VRML允许用有限的交互行为构造虚拟世界，这些虚拟世界包含有同其它“世界”超链接的对象VRML提供的三维元素有站点地图、库、科学知识可视化代表、数据库的可视化代表、模拟地理信息系统、交互式广告等。MultimediaTechnology&Application10.8.2VRML的诞生与发展VRML的提出（1994年春，第一届国际互联网络年会）VRML设计的主要目标浏览器负责解释VRML文件，使VRML描述的3D景象可见。目前的VRML数据通过HTTP协议传输。VRML的两个版本(1.0、2.0)VRML1.0存在的问题：景象游历细节水平没有原型没有独一无二的名字VRML2.0的提出MultimediaTechnology&Application10.8.3VRML2.0简介VRML2.0推出的主要目的是扩展其静态景象描述语言从而使其成为虚拟现实描述语言，其中包括交互和对象行为以及对媒体的规范，其中最主要的变化体现在节点类型的扩充上。VRML2.0是基于节点的建模语言，共有54种标准节点类型，按功能分成9类。VRML2.0的特点增强的三维建模能力声音和动画交互式能力编程能力MultimediaTechnology&Application10.8.3VRML2.0简介支持VRML世界交互行为的三种设计模型扩展VRML语言规范，加入新的代码和关键字，使之能很容易地结合到扩展的、开放的VRML语言规范中去。提供与场景的接口并实现外部脚本描述的行为。在景象行为语言中嵌入VRML景象描述。扩展到多用户世界需要解决的问题可缩放性持久性锁定同步行为协议代理MultimediaTechnology&Application10.8.4VRML世界的浏览和发布支持VRML的浏览器MicrosoftVRML2.0ViewerCosmo播放器其他的VRML播放器VRML世界大多以.wrl为扩展名文件进行发布的。为了让浏览器知道.wrl文件内保存的是何种类型的VRML，.wrl文件必须在顶部包含单独的一行设置信息，除此之外，还包括一个三维世界的描