01第一章虚拟现实与系统仿真概述44

1虚拟现实电信学院刘文进联系电话：[phone]E-MAIL:[e-mail]办公室：静远414（5310941）虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述2授课计划虚拟现实与系统仿真概述仿真系统的数学模型离散事件系统仿真面向对象的仿真*分布交互仿真*虚拟现实感观基础（输入设备、输出设备）VR的计算机体系结构VR建模VRML语言及其实现方法虚拟现实仿真应用实例*3虚拟现实与系统仿真概述电信学院刘文进虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述4第一章虚拟现实与系统仿真概述虚拟现实与系统仿真的基本概念虚拟现实技术的发展虚拟现实的基本特征虚拟现实分类虚拟现实系统的主要技术构成虚拟现实的应用国内外虚拟现实技术的研究现状虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述5人类有许多梦想，一些梦想已经变为现实，而有一些梦想也许永远都不可能实现。然而，有一种技术却能使一切梦想全部在感知中实现，这就是虚拟现实技术（VirtualReality，简称VR）。虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，由于它生成的视觉环境是立体的、音效是立体的，人机交互是和谐友好的，因此虚拟现实技术将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，即计算机创造的环境将人们陶醉在流连忘返的工作环境之中。虚拟现实（VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，它集多媒体、网络技术、传感技术等多种先进技术为一体，是当今前景最好的计算机技术之一。虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述6几种虚拟现实虚拟环境虚拟房间虚拟汽车虚拟人虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述7参考书：现在仿真技术与应用康凤举等国防工业出版社虚拟现实技术（第二版）【美】GrigoreC.Burdea、【法】PhilippeCoiffet著电子工业出版社虚拟现实与系统仿真韦有双等国防工业出版社参考网站：www.vr100.comwww.86vr.comwww.china-vr.comwww.pcvr.com.cnwww.vrsh.cn虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述8虚拟现实与系统仿真的基本概念一、系统仿真1、定义系统仿真是以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关专业技术为基础，以计算机、仿真器和各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的一门多学科的综合性技术。1946年电子微分分析器的诞生，开创了系统仿真的新阶段，系统仿真逐渐成为以相似论、系统科学、计算机科学、系统工程理论、概率论、数理统计和时间序列分析等多个学科为基础的新兴的综合性学科。虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述9虚拟现实与系统仿真的基本概念2、仿真学科的理论体系①相似理论：研究事物之间相似规律及其应用的科学（几何相似、离散相似、等效、感觉相似、思维相似）；②模型论：以各应用领域内的科学理论为基础，建立符合仿真应用要求、通用的、各领域专用的各种模型的理论和方法（模型的体系结构、建模的工具环境等）；③仿真系统理论：研究和论述构建符合应用需求的仿真系统理论和要求（仿真系统的体系和构成、设计及其公共关键技术、研制和运用、规范和标准等）；④仿真方法论：结合各应用领域的不同需求，研究仿真基本思想和方法（定量仿真、定性仿真、集中式仿真、分布交互式仿真、面向对象仿真、智能仿真等）；⑤仿真的可信性理论；⑥仿真科学和技术的应用理论。虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述10虚拟现实与系统仿真的基本概念3、仿真的工作流程系统系统模型计算机＋物理效应模型＋实物系统建模仿真建模仿真试验主要工作流程：①系统定义②数学建模③仿真建模④装载⑤试验⑥结果分析虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述11虚拟现实与系统仿真的基本概念仿真问题的描述特定的模型：参数模型参数值试验：实验框架仿真运行控制行为产生器模型行为及其处理模型行为（仿真数据）轨迹产生结构行为行为处理：分析、显示4、仿真的基本框架1984年Oren提出了现在仿真的基本框架：“建模——试验——分析”仿真研究的基本要素的具体内容和相互关系如图所示。虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述12VirtualReality（VR）(J.Lanier,1989)译为:虚拟现实、灵境、幻真...其他：VirtualEnvironmentArtificialReality(M.W.Krueger,1970s)Cyberspace(W.Gibson,1984)虚拟现实与系统仿真的基本概念二、虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。而虚拟世界是全体虚拟环境或给定仿真对象的全体。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真。利用计算机生成的能给人多种感官刺激的人机交互系统。虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述13用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。①.逼真的感觉视觉，听觉，触觉，嗅觉等②.自然的交互运动，姿势，语言，身体跟踪等③.个人的视点用户的眼、耳、身所感到的感觉信息④.迅速的响应感觉信息根据视点变化和用户输入及时更新虚拟现实与系统仿真的基本概念虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述14虚拟现实与系统仿真的基本概念虚拟现实是一项综合技术涉及：计算机图形学、人机接口技术、图像处理与模式识别、多传感器技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术、高性能计算机系统、人工智能技术...核心：2M(MPP,MultiMedia),2O(OpenSystem,Object-oriented)需要：计算机专家、人类工程学(Ergonomics)专家、心理学专家等共同开发研究。两个方面：第一是计算机生成的虚拟环境必须是能给人提供多种感觉的感官刺激的环境，能让人有“沉浸”的感觉，现在的技术水平，虚拟现实通常由视觉、听觉和触觉构成。其二是虚拟现实系统是一种高级的人机交互系统，因此人机交互是虚拟现实的核心。虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述15虚拟现实的基本特征1、沉浸性(Immersion):又称临场感，让用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度，沉浸被通俗地解释为“身临其境”。虚拟技术三角形①视觉沉浸：显示象素足够小、刷新频率足够高、具有双目视差、足够大的视场等；②听觉沉浸：三维声音；③触觉沉浸：力反馈方面；④嗅觉沉浸⑤身体感觉沉浸、味觉沉浸等虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述16虚拟现实的基本特征(2)交互性(Interaction):交互性指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。(3)构想性(Imagination):用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新概念。虚拟技术三角形特点：①虚拟环境中人的参与与反馈；②人机交互的有效性③人机交互的实时性虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述17虚拟现实技术的发展1965年，Sutherland在篇名为《终极的显示》（TheUltimateDisplay）的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的JaronLanier在80年代初正式提出了“VirtualReality”一词。80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年，NASAAmes研究中心虚拟行星探测实验室组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，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。虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述18虚拟现实技术的发展90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。例如1993年的11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来引起科技界瞩目的又一件工作。虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述19虚拟现实技术的发展1994年，美国SGI公司和比利时的BARCO投影机制造公司，在英国建设了世界上第一个虚拟现实系统。Texaco公司就把虚拟现实技术引进了石油工业，在美国休斯敦建成了世界上第一个油气工业专用的虚拟现实中心。随后，世界各地的虚拟现实系统纷纷出笼。到2002年底，全球的虚拟现实系统已达500多个。除石油工业外，在计算机辅助制造、游戏娱乐业、航空航天、生物技术、军事、培训等众多领域均有广泛的应用。虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述20虚拟现实分类按照系统功能和实现方式的不同，可以分为三种类型：沉浸型虚拟现实系统提供完全沉浸的体验。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。例如，在消防仿真演习系统中，消防员会沉浸于极度真实的火灾场景并做出不同反应。这种系统的优点是用户可完全沉浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备尤其是硬件价格相对较高，难以大规则普及推广。（1）沉浸型虚拟现实系统（“可穿戴的”VR系统）虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述21虚拟现实分类（2）简易型虚拟现实系统（桌面VR系统）桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部设备包括立体眼镜、3D控制器使监视器或者鼠标，追踪球，力矩球等。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，但这种系统的特点是结构简单、价格低廉，组成灵活，易于普及推广，是一套经济实用的系统。虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述22虚拟现实分类（3）共享型虚拟现实系统（网络虚拟现实，又称为分布式虚拟环境）洽谈讨论设计是一种基于网络连接的虚拟现实系统，它是多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，把虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。例如，异地的医科学生，可以通过网络，对虚拟手术室中的病人进行外科手术。又如风靡因特网的网络游戏，其实就是共享型虚拟现实系统的有力表现。众多玩家可以在同一个虚拟环境中交互式的进行交流、打斗、组织甚至生存，让虚拟的情节持续发展。虚拟现实（LNTU)第一章虚拟现实与系统仿真概述23虚拟现实系统的主要技术构成COMPUTER计算机SOFTWARESYSTEM应用软件系统DATABASE数据库USER用户I/ODEVICES输入输出设备虚拟现实系统虚拟世界的生成、人与虚拟世界的自然交互识别用户各种形式的输入，并实时生成相应的反馈信息模型的建立、虚拟声音的生成、管理、显示、数据库的建立管理整个虚拟世界中所有物体的各方面信息