第12章+虚拟现实技术54

October2007多媒体实用教程第十二章虚拟现实技术12.1虚拟现实技术概述•虚拟现实（virtualreality，VR）可应用于建模与仿真、科学计算可视化、设计与规划、教育与训练、医学、艺术与娱乐等方面。•虚拟现实技术是一项综合的技术，涉及计算机科学、电子学、心理学、计算机图形学、人机接口技术、传感技术及人工智能技术等。•虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大推进了计算机技术的发展。12.1虚拟现实技术概述12.1.1虚拟现实的基本概念•“虚拟现实”这个概念包括了两层含义:–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。–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，目前虚拟现实通常由视觉、听觉和触觉构成。–虚拟现实往往要借助一些三维传感设备来完成交互动作，常用的如数据手套、头盔显示器（HeadMountedDisplay，HMD）、数据衣、三维鼠标、立体声耳机等。12.1虚拟现实技术概述12.1.2虚拟现实的基本特征•虚拟现实的三个基本特征–沉浸感•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。沉浸感交互性想象力–交互性•交互性指用户对虚拟环境中虚拟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），从而使用户感觉到自己是虚拟空间的主体。–想象力–想象力是指虚拟环境可使人沉浸其中并且获取新的知识，提高感性和理性认识，从而深化概念并萌发新意。12.1虚拟现实技术概述12.1.3虚拟现实系统的基本构成一个典型的虚拟现实系统主要包括以下5大组成部分：•虚拟世界–是可交互的虚拟环境，涉及模型构筑、动力学特征、物理约束、照明及碰撞检测等；•计算机–涉及处理器配置、I/O通道及实时操作系统等；•虚拟现实软件–负责提供实时构造和参与虚拟世界的能力，涉及建模、物理仿真等；•输入设备•输出设备–输入和输出设备则用于观察和操纵虚拟世界，涉及跟踪系统、图像显示、声音交互、触觉反馈等。12.1虚拟现实技术概述虚拟世界VR软件计算机输入设备输出设备典型虚拟现实系统的结构框图虚拟现实系统的基本构成12.1虚拟现实技术概述12.1.4虚拟现实系统的分类•桌面虚拟现实系统（DesktopVR）12.1虚拟现实技术概述•沉浸虚拟现实系统（ImmersiveVR）虚拟环境产生器声音合成声音定位语音识别电子显示装置头/眼/手跟踪触觉/动觉系统头盔显示器命令图形图像头位置眼位置手位置12.1虚拟现实技术概述用于飞行训练的沉浸虚拟现实系统：12.1虚拟现实技术概述•增强现实虚拟现实系统–增强现实又称混合现实系统，它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，通过穿透型头盔显示器将计算机虚拟图像叠加在现实世界之上，为操作员提供与他所见到的现实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强操作员对真实环境的感受。•分布式虚拟现实系统（DistributedVR，DVR）–分布式虚拟现实系统是指基于网络的虚拟环境。它在沉浸虚拟现实系统的基础上，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接，并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。12.1虚拟现实技术概述12.1.5虚拟现实技术的发展•1965年Sutherland《终极的显示》•1970年HMD（头盔显示器）系统。•80年代美国宇航局（NASA）及美国国防部组织•1984年NASAAmes研究中心虚拟行星探测实验室虚拟环境视觉显示器•进入20世纪90年代计算机硬件技术与软件系统的迅速发展•此后广泛运用12.1虚拟现实技术概述12.1.6虚拟现实技术的应用•建筑领域12.1虚拟现实技术概述•艺术12.1虚拟现实技术概述•教育和培训12.1虚拟现实技术概述•工程12.1虚拟现实技术概述•娱乐–用电子手段进行游戏与娱乐•医学12.1虚拟现实技术概述•军事12.1虚拟现实技术概述12.2实现VR系统的三维交互设备12.2.1VR三维跟踪传感设备•FASTRAK运动跟踪系统12.2实现VR系统的三维交互设备12.2.2VR的立体显示设备•头盔显示器（HeadMountedDisplay，HMD）12.2实现VR系统的三维交互设备双眼局部重叠的头盔显示器光学模型12.2实现VR系统的三维交互设备•双目全方位显示器（BOOM）12.2实现VR系统的三维交互设备•立体眼镜–立体眼镜的工作原理是：由计算机分别产生左、右眼的两幅图像，经过合成处理后，采用分时交替的方法显示于CRT终端上。12.2实现VR系统的三维交互设备12.2.3手数字化设备•数据手套（DataGlove）12.2实现VR系统的三维交互设备•SpaceExplorer（探索者）12.2实现VR系统的三维交互设备12.2.4其他交互设备•数据衣（DataSuit）12.2实现VR系统的三维交互设备•三维扫描仪12.3实现VR系统的相关技术与软件12.3.1VR相关技术–动态环境建模–实时三维图形生成技术–立体显示和传感器技术–应用系统开发工具–系统集成技术12.3实现VR系统的相关技术与软件12.3.2VR软件工具集•WorldToolKit（WTK）•MinimalRealityToolkit（MR）•Cult3DCult3D界面12.3实现VR系统的相关技术与软件•Virtools12.3实现VR系统的相关技术与软件12.3实现VR系统的相关技术与软件•VR-Platform（VRP）12.4虚拟现实建模语言——VRML•第一代Web是以HTML为核心的二维浏览技术。•第二代Web是以VRML为核心的三维浏览技术。•第二代Web把VRML与HTML、Java、媒体信息流等技术有机地结合起来，形成一种新的三维超媒体Web。12.4虚拟现实建模语言——VRML12.4.1什么是VRML•VRML（VirtualRealityModelingLanguage，虚拟现实建模语言）被称为继HTML之后的第二代Web语言，它本身是一种建模语言，也就是说，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界（VirtualWorld），可以集成文本、图像、音响、MPEG影像等多种媒体类型，还可以内嵌用Java、ECMAScript等语言编写的程序代码。•VRML的基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体，基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等。12.4虚拟现实建模语言——VRML12.4.2VRML的历史12.4.3VRML的编辑器与浏览器•VRML编辑器–VRML编辑器（制作工具）主要分为两大类：•一类是用于编辑源程序代码的文本编辑器•另一类则是侧重于“所见即所得”的制作软件。12.4虚拟现实建模语言——VRMLVrmlPad界面12.4虚拟现实建模语言——VRML•VRML浏览器–浏览VRML虚拟空间，还必须像Flash一样安装一个插件，使IE、Netscape或Firefox之类的浏览器可以解析wrl的文件格式，在虚拟空间中创建3D造型，并提供实时渲染的自动显示。–俄国的Parallelgraphics公司开发的CortonaVRMLClient；–德国的Bitmanagement公司开发的BSContactVRML。12.4虚拟现实建模语言——VRMLCortonaVRMLClient界面12.4虚拟现实建模语言——VRML12.4.4设计VRML的虚拟世界•VRML2.0是一种基于节点的建模语言。它拥有丰富的节点，可以通过这些节点来构造虚拟世界中的各种形体及效果。•利用节点构建静态形体–现在使用VRML2.0来构建一个由圆锥、球体和立方体组成的静态形体组合。在VrmlPad中输入如下文字：#VRMLV2.0utf8Group{children[Shape{geometryBox{}}]}12.4虚拟现实建模语言——VRML12.4虚拟现实建模语言——VRML–可以利用Shape节点的appearance域（外观域）来改变盒子的外观。appearance域是一个Appearance节点，其material域（材质域）定义为一个Material节点：•appearanceAppearance{materialMaterial{}}#VRMLV2.0utf8Group{children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}12.4虚拟现实建模语言——VRML12.4虚拟现实建模语言——VRML–在浏览器中，红色盒子位于屏幕的中心。若想改变它的位置，可以通过Transform（变换节点）来实现。在VRML中，Transform节点除了具有Group节点相似的功能外，还可以对形体进行平移、旋转和缩放。例如，要把上述形体向右平移3个单位，可以将Transform节点的translation域（平移域）设置为300。–更改后的代码如下：#VRMLV2.0utf8Group{children[Transform{translation300children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}]}12.4虚拟现实建模语言——VRML–用类似的方法添加其他形体，如球和圆锥，为了方便以后的引用，可以使用DEF语句分别为这三个形体命名，进而得到代码如右：#VRMLV2.0utf8Group{children[DEFBTransform{translation300children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}DEFSTransform{translation000children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor010}}geometrySphere{}}]}DEFCTransform{translation-300children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor001}}geometryCone{}}]}]}12.4虚拟现实建模语言——VRML12.4虚拟现实建模语言——VRML•让形体具有交互的能力–检测器（Sensor）节点：在所有的Sensor（检测器）节点中，TouchSensor（接触检测器）节点最为常用。下面的代码中，就为Group节点定义了TouchSensor节点。#VRMLV2.0utf8Group{children[Transform{translation300children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}DEFtouchSensorTouchSensor{}]}12.4虚拟现实建模语言——VRML–观察点（Viewpoint）节点：在下面的代码中，便为场景定义了两个Viewpoint节点，分别为“view1”和“view2”：#VRMLV2.0utf8DEFview1Viewpoint{position0010descriptionview1}DEFview2Viewpoint{position4210descriptionview2}Group{children[Transform{translation300children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}DEFto