虚拟农业概论

第八讲：虚拟农业概论戴小鹏湖南农业大学信息科学技术学院提纲•虚拟现实（3个课时）–基本概念–系统构成–应用概况–关键技术•虚拟农业（1个课时）–当前进展–讨论虚拟现实的例子•室内场景实时演示•骨骼动画演示•海边教堂（复杂场景演示）•自然之翼•VRay烘焙的杯子•小城堡（碰撞检测演示）虚拟现实的例子虚拟现实的例子什么是虚拟现实？虚拟现实的概念•虚拟现实–又称虚拟实境或灵境技术。它是在多媒体技术、计算机图形学、仿真技术、人一机接口技术、传感技术、模糊逻辑、人工智能、神经网络及心理学的基础上发展起来的一门交叉学科的高技术。–它利用高速计算机系统生成一种模拟环境（如汽车驾驶舱、建筑物内部结构浏览等），通过多种传感设备和先进的计算机用户接口使操作者“置身”于该环境中并与该环境直接进行自然交互操作。虚拟现实的概念•“现实”泛指在物理意义上或在功能意义上存在于世界的事物或环境，它可以是实际上能实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。•“虚拟”是指这个特定的环境是由计算机模拟现场生成的。•“虚拟现实”是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中去操作、控制和感受环境，实现特殊的目的。•虚拟现实的系统环境除采用计算机作为中央部件外，还包括头盔式显示装置、数据手套、数据衣、传感装置以及各种现场反馈设备。虚拟现实的四个重要特征•多感知性（multi-sensory）–多感知就是指除了一般计算机技术所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，甚至包括嗅觉感知、味觉感知等。•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。理想的模拟应达到使用户难以分辨真假的程度（例如可视场景应随着视点的变化而变化），如实现比亲临现场更逼真的照明和音响效果等，使人感到比临场还“真实”。虚拟现实的四个重要特征•交互性（interaction）–交互性是指用户对模拟环境内的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）。例如，用户可以用手直接抓取模拟环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量（其实这时手里并没有实物），视场中则可以看到被抓的物体随着手的移动而移动。•自主性（autonomy）–是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、翻倒或从桌上落到地面等。虚拟现实与仿真的区别•仿真（simulation）–是利用计算机软件模拟实际环境来进行科学试验的技术。–从模拟实际环境这一特点看，仿真技术与虚拟现实技术有着一定的相似性。–但是在多感知方面，仿真技术原则上以视觉和听觉为主要感知，很少用到其它感知（如触觉和力觉等）；在存在感方面，仿真基本上将用户视为“旁观者”，可视场景不随用户的视点变化，用户也没有身临其境之感；在交互性方面，仿真一般不强调交互的实时性。虚拟现实与计算机图形技术的区别•计算机图形技术CG（ComputerGraphics）–是实时图形生成与显示的技术。–它也在某些方面与虚拟现实有相似之处，可以提供良好的实时交互性和一定的自主性。–但在多感知和存在感方面与虚拟现实有很大差距。计算机图形技术主要依赖于视觉和听觉感知，虽然生成的图形具有三维立体感，但由于感知手段的限制，用户并不能感到自己和生成的图形世界融合在一起，如场景不能随自己的视线改变面改变等。虚拟现实的分类•虚拟现实可以有多种分类方法，通常根据虚拟现实所产生的视觉形式不同分为以下三类：（1）平面型虚拟现实（2）桌面型虚拟现实（3）立体型虚拟现实平面型虚拟现实•它不需要任何特殊的三维输入/输出装置来遮蔽人对外界事物的感知能力。这类技术是通过摄影机以图像合成技术把摄取的用户图像与计算机虚拟世界进行合成，让用户通过显示屏幕看到自己在虚拟世界的位置并可以通过手、眼等的动作去控制虚拟世界中的物体。•例如：用户弹奏虚拟世界的乐器时，在图像合成技术的配合下，用户的手移动到虚拟乐器相对位置上，可以像弹奏真乐器一样操作，而且该虚拟乐器的模拟音乐也会响起来，仿佛用户在真正使用该乐器一样。桌面型虚拟现实•桌面型虚拟现实并不强调让用户具有立体虚拟现实的立体视觉效果，它通过计算机显示屏幕来展现虚拟世界，但是用户仍可以通过三维特殊输入设备即时地直接控制虚拟世界并直接使用虚拟世界内的物体。•这类虚拟现实常应用于教育培训方面。立体型虚拟现实•这种虚拟现实通过使用头盔式显示器（head-mounteddisplay）模拟人左、右眼的视觉，使计算机产生的世界如同现实生活的立体世界。•立体型虚拟现实是最高级别的计算机仿真环境，可应用于医学实验和军事演习。虚拟现实的分类（续）•虚拟现实系统也可以按操作者与外界的交互状态进行分类，通常有以下三类：–封闭式虚拟现实–开放式虚拟现实–上述两种模型的组合封闭式虚拟现实•这种系统与外部现实世界不产生直接交互。其特点是虚拟环境可以是任意虚构的、幻想的世界。开放式虚拟现实•通过各种传感装置与外界构成反馈闭环。•其特点是虚拟环境是某一现实世界的真实模型。其目的是通过利用虚拟环境对现实世界进行直接操作或遥控操作，达到克服现实环境的限制（如遮挡、遥远、危险、不便到达和不能到达等）或使操作方便、可靠的目的。–例如，提供碰撞报警（利用虚拟环境计算相撞距离），减轻操作员的心理负担，减少操作失误。为什么要研究虚拟现实？1.计算科学已发展成为与理论和实践并列的第三种科学研究方法，为解决一些传统方法无法解决的问题提供了新途径、新方法。2.计算科学中传统的人机交互方式不能满足要求。3.计算机软件硬件水平的发展给虚拟现实研究提供了有利条件1）产品设计与人机功效(飞机，空间站等)2）科学计算可视化用于核弹B-61-x的虚拟组装系统3）虚拟组装4）仿真训练5）协同工作环境的仿真6）娱乐游戏《半条命2》虚拟现实技术是一种新的方法！•传统人机交互方法：–人与计算机间的交互通过键盘、鼠标、显示屏等工具实现。•虚拟现实方法：–将计算科学处理对象统一看作一个计算机生成空间（虚拟空间或虚拟环境），并将操作它的人看作是这个空间的一个组成部分(man-in-the-loop)。–人与计算机空间的对象之间的交互是通过各种先进的感知技术与显示技术（即虚拟现实技术）完成。–人可以感受到虚拟环境中的对象，虚拟环境也可以感受到人对它的各种操作（类似于人与真实世界的交互方式）。虚拟现实技术的发展虚拟现实技术的发展•1956年,美国的MortonHeileg开发了一个被称为Sensorama(传感景院）的摩托车仿真器，具有以下功能：–三维视频及立体声效果，–振动风吹的感觉，–城市街道的气味，–用户可以坐在仿真器的座位上经历一种开摩托车漫游美国纽约曼哈顿的感觉。虚拟现实的发展(续)•60年代初，随着CAD技术的发展，人们就开始研究立体声与三维立体显示相结合的计算机系统。•1965年，美国的IvanSutherland发表了一篇名为“TheUltimateDisplay”（终极的显示）的文章。接收器发送器液晶显示屏光学装置立体声耳机立体声产生器位置和方向跟踪器左眼影象产生器右眼影象产生器•1968年，IvanSutherland在哈佛大学组织开发出第一个计算机图形驱动的头盔显示器（Helmet-MountedDisplay，即HMD），并开发了与HMD相配的头部位置跟踪系统。虚拟现实的发展(续)固定的超声波扩大器超声波接收器头盔主计算机控制器虚拟现实的发展(续)•80年代，JaronLanier提出建立一种新的用户界面，使用户可以置身于计算机所表示的三维空间资料库环境中，并可以通过眼、手、耳或特殊的空间三维装置在这个环境中“环游”，创造出一种“亲临其境”的感觉。但由于当时各学科技术水平及设备的限制效果无法令人满意。虚拟现实技术的发展(续)•VIDEOPLACE系统–VIDEOPLACE是由M.W.Krueger基于视频的方法设计的一个虚拟环境。–他认为，与计算机相比，人类的进化要缓慢得多；因此，人机接口研究应该将重点放在相对不变的人类特性上。计算机应该适应人，而不是让人去适应计算机。在这种思想指导下，当其他早期研究者考虑穿着或戴着设备时，Krueger将目标瞄准无障碍的环境式人工现实。虚拟现实技术的发展(续)•VIEW–在虚拟现实技术发展史上的地位举足轻重。当1985年VIEW系统的雏形在美国NASAAmes研究中心完成时，该系统以低廉的造价、让参与者有“真实体验”的效果引起有关专家的注目。该系统的雏形是在MichaelMcGreevy领导下完成的。VIEW系统有以下特点：•保持了低造价的优势•装备了数据手套、头部跟踪器等硬件设备•提供了语音、手势等交互式手段。虚拟现实技术的发展(续)•这些探索过程中，人们开始形成与虚拟环境相关的以下一些概念：–人工现实（ArtificialReality）–虚拟现实（灵境）（VirtualReality）–虚拟环境（VirtualEnvironment）–电脑空间（Cyberspace）等•这些可以理解为对虚拟现实技术的不同称呼，其中以VirtualReality一词影响最广。虚拟现实技术的发展(续)•90年代初，随着计算机多媒体系统软硬件功能的迅速完善和计算机图形处理技术的发展，“虚拟现实”才建立起一个较完整的体系并受到人们的极大关注。虚拟现实系统的构成•虚拟现实的主要目的是实现自然人机交互，即实现一种逼真的视、听、触觉一体化的计算机生成环境。•虚拟现实的主要实现方法是借助必要的装备，实现人与虚拟环境之间的信息转换，最终实现人与环境之间的自然交互与作用。实现的基本方法一般的计算机应用系统计算机软件计算机硬件虚拟现实系统人类的感知系统人类的行为系统人与环境的关系虚拟现实的概念模型•用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它反馈信息（如触觉和力觉反馈等）。•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影响（如遥控操作等）。比较典型的虚拟现实系统用户检测反馈现实世界虚拟环境建模模块3D模型库控制传感器虚拟现实系统构成•虚拟现实系统主要由以下6个模块构成：（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的信息，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，另一方面将产生的结果以各种反馈形式提供给用户。（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）3D模型库现实世界各组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。（6）建模模块获取现实世界各组成部分的三维数据，并建立它们的三维模型。虚拟现实系统构成（续）用户检测反馈现实世界虚拟环境建模模块3D模型库控制传感器一些实际的虚拟现实系统和相关设备头盔RGB-NTSCRBG-NTSC计算机系统扫描转换器左眼计算右眼计算双路VR系统图形硬件图形硬件HMD实物与原理图头盔显示器•HeadMountedDisplay,HMD•双目全向监视器BOOMFS2CAVE•CaveAutomaticVirtualEnvironmentCyberSphere•全沉浸球型投影系统•FullyImmersiveSphericalProjectionSystemIllustrationoftheSphericalProjectionSystemtheFullyImmersiveSphericalProjectionSystem桌面沉浸显示墙InfinityWall第二代TeletactII装有更高分辨率的指尖空气室，其余部分的空气室更大，并提供手掌反馈系统。很大的手掌空气室允许用户使劲握物体，然后接收刺激。TeletactII与TeletactI使用相似，只是空气室由20增加到30个。在中指尖、食指尖和拇指区域空气室密度较大，空气室也被放在手的背部，以产生手接触物体的感觉。手掌空气室侧空气室远程触觉空气室ARR