第1章虚拟现实技术概述63

虚拟现实技术天津天狮学院黄金栋1-2疑问“虚拟现实”到底是“虚拟的”还是“现实的”？“虚拟现实”是一项技术还是一门艺术？1-3数字城市规划1-4数字城市规划1-5数字城市规划1-6数字城市规划1-7数字城市规划1-8数字仿真1-9数字仿真1-10数字仿真1-11数字仿真1-12数字仿真1-13地理勘测1-14地理勘测1-15虚拟手术1-16产品展示1-17产品展示1-18产品展示1-19虚拟游览1-20虚拟游览1-21虚拟游览1-22数字虚拟校园1-23数字虚拟校园1-24数字虚拟校园1-25数字虚拟校园1-26数字虚拟校园1-27数字虚拟校园1-28虚拟天狮学院1-29虚拟天狮学院1-30虚拟天狮学院1-31虚拟天狮学院1-32疑问“虚拟现实”到底是“虚拟的”还是“现实的”？“虚拟现实”是一项技术还是一门艺术？1-33课程安排序号教学内容学时1第1章虚拟现实技术概论3学时2第2章虚拟现实系统的硬件设备3学时3第3章虚拟现实的相关技术及软件3学时4第4章虚拟现实建模语言VRML5学时5第5章虚拟现实建模工具3dsMax7学时6第6章虚拟现实制作工具Cult3D5学时7第7章综合实例制作4学时合计30学时1-34课程考核总成绩＝出勤成绩×30%＋作业成绩×30%＋作品成绩×40%出勤成绩来源于随机点名和课堂小测作业成绩主要指课后作业作品成绩主要指虚拟现实作品1-35参考教材讲授教材：申蔚曾文琪.虚拟现实技术.清华大学出版社.2009.8参考资料：刘怡张洪定崔欣.虚拟现实VRML程序设计.南开大学出版社.2007.11-36第1章虚拟现实技术概论1.1虚拟现实技术的发展史1.2虚拟现实技术的概念1.3虚拟现实技术的特征1.4虚拟现实系统的分类1.5虚拟现实技术的应用领域1.6虚拟现实技术的研究现状1-37虚拟现实技术虚拟现实技术（VirtualReality）简称VR技术，是20世纪末逐渐兴起的一门综合性信息技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体、传感器、网络以及并行处理等多个信息技术分支的最新发展成果。1-381.1虚拟现实技术的发展史1929年，EdwardLink设计出用于训练飞行员的模拟器1956年，MortonHeilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama1-391.1虚拟现实技术的发展史1965年，IvanSutherland发表论文“UltimateDisplay”（终极的显示）1968年，IvanSutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器（HeadMountedDisplay，HMD）1-401.1虚拟现实技术的发展史1972年，NolanBushnell开发出第一个交互式电子游戏Pong1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第一个数据手套——SayreGlove20世纪80年代，美国国家航空航天局（NASA）组织了一系列有关VR技术的研究：1984年，NASAAmes研究中心的M.McGreevy和J.Humphries开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器；1987年，JimHumphries设计了双目全方位监视器（BOOM）的最早原型。1-411.1虚拟现实技术的发展史1990年，在美国达拉斯召开的Siggraph会议上，明确提出VR技术研究的主要内容包括实时三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术，为VR技术的发展确定了研究方向。从20世纪90年代开始，VR技术的研究热潮也开始向民间的高科技企业转移。著名的VPL公司开发出第一套传感手套命名为“DataGloves”，第一套HMD命名为“EyePhones”。进入21世纪后，VR技术更是进入软件高速发展的时期，一些有代表性的VR软件开发系统不断在发展完善，如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。1-421.2虚拟现实技术的概念虚拟现实技术是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。1-431.2虚拟现实技术的概念典型的VR系统主要由计算机软、硬件系统（包括VR软件和VR环境数据库）和VR输入、输出设备等组成。1-441.3虚拟现实技术的特征VR技术的三角形交互性（Interactivity）沉浸感（Immersion）想象力（Imagination）1-451.3虚拟现实技术的特征VR技术的交互性：指用户对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度（包括实时性）。主要借助于各种专用设备（如头盔显示器、数据手套等）产生，从而使用户以自然方式如手势、体势、语言等技能，如同在真实世界中一样操作虚拟环境中的对象。1-461.3虚拟现实技术的特征VR技术的沉浸感：又称临场感，是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。VR技术最主要的特征。影响沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、三维图像中的深度信息、画面的视野、实现跟踪的时间或空间响应及交互设备的约束程度等。1-471.3虚拟现实技术的特征VR技术的想象力：指用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未来进展进行想象的能力。对适当的应用对象加上虚拟现实的创意和想象力，可以大幅度提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。1-481.4虚拟现实系统的分类1.4.1桌面式VR系统（DesktopVR）1.4.2沉浸式VR系统（ImmersiveVR）1.4.3增强式VR系统（AugmentedVR）1.4.4分布式VR系统（DistributedVR）1-491.4虚拟现实系统的分类1.4.1桌面式VR系统使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互场景。用户会受到周围现实环境的干扰而不能获得完全的沉浸感，但由于其成本相对较低桌面式VR系统仍然比较普及。1-501.4虚拟现实系统的分类1.4.2沉浸式VR系统利用头盔显示器、洞穴式显示设备和数据手套等交互设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为VR系统内部的一个参与者，产生一种身临其境、全心投入并沉浸其中的体验。与桌面式VR系统相比，沉浸式VR系统的主要特点在于高度的实时性和沉浸感。1-511.4虚拟现实系统的分类1.4.3增强式VR系统允许用户对现实世界进行观察的同时，将虚拟图像叠加在真实物理对象之上。为用户提供与所看到的真实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强用户对真实环境的感受，又被称为叠加式或补充现实式VR系统。可以使用光学技术或视频技术实现。1-521.4虚拟现实系统的分类1.4.4分布式VR系统指基于网络构建的虚拟环境，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。主要被应用于远程虚拟会议、虚拟医学会诊、多人网络游戏、虚拟战争演习等领域。1-531.5虚拟现实技术的应用领域1.5.1教育与训练1.5.2设计与规划1.5.3科学计算可视化1.5.4商业领域1.5.5艺术与娱乐1-541.5虚拟现实技术的应用领域1.5.1教育与训练虚拟现实技术能使学习者能直接、自然地与虚拟对象进行交互，以各种形式参与事件的发展变化过程，并获得最大的控制和操作整个环境的自由度。1、仿真教学与实验2、特殊教育3、多种专业训练4、应急演练和军事演习1-551.5虚拟现实技术的应用领域1.5.2设计与规划虚拟现实已被看作是设计领域中唯一的开发工具。它可以避免传统方式在原型制造、设计和生产过程中的重复工作，有效的降低成本，应用领域包括汽车制造业、城市规划、建筑设计等。1-561.5虚拟现实技术的应用领域1.5.3科学计算可视化科学可视化的功能就是将大量字母、数字数据转换成比原始数据更容易理解的各种图像，并允许参与者借助各种虚拟现实输入设备检查这些“可见的”数据。它通常被用于建立分子结构、地震以及地球环境等模型。1-571.5虚拟现实技术的应用领域1.5.4商业领域VR技术被逐步应用于网上销售、客户服务、电传会议及虚拟购物中心等商业领域。它可以使客户在购买前先看到产品的外貌与内在，甚至在虚拟世界中使用它，因此对产品的推广和销售都很有帮助。1-581.5虚拟现实技术的应用领域1.5.5艺术与娱乐VR技术所具有的身临其境感及实时交互性还能将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的形式，使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术，包括虚拟画廊、虚拟音乐厅、文物保护等方面。娱乐是VR系统的另一个重要应用领域，市场上已经推出了多款VR环境下的电脑游戏，带给游戏者强烈的感官刺激。1-591.6虚拟现实技术的研究现状1.6.1国外的研究现状美国是VR技术的发源地，有美国宇航局（NASA）、麻省理工学院（MIT）媒体实验室、华盛顿大学人机界面技术实验室（HITLab）等许多知名的研究机构。美国在虚拟现实领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。1-601.6虚拟现实技术的研究现状1.6.1国外的研究现状英国主要有四个从事VR技术研究的中心，包括Windustries公司、BritishAerospace公司、DimensionInternational公司、DivisonLTD公司等。日本主要致力于建立大规模VR知识库和人机接口方面的研究项目上，在VR游戏方面的研究也处于领先地位。此外，国外还研制出多个用于开发应用程序的VR软件开发平台，例如美国Sense8公司的WorldToolKit（WTK），爱荷华州立大学虚拟现实应用中心的VRJuggler，DenebRobotics公司的ENVISION，英国Superscape公司的VRT，Division公司的dVISE等。1-611.6虚拟现实技术的研究现状1.6.2国内的研究现状我国从20世纪80年代起开始研究VR技术。虽然起步较晚，但近年来政府有关部门非常重视，制定了开展VR技术的研究计划，并将其列入国家重点研究项目。国内的一些科学家和重点院校也已积极投入了对这一领域的研究。北京航空航天大学是国内最早进行VR技术研究、最有权威的单位之一。它于2000年8月成立了虚拟现实新技术教育部重点实验室。1-621.6虚拟现实技术的研究现状1.6.2国内的研究现状清华大学对虚拟现实及其临场感等方面进行了大量研究，比如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施及深度感实验测试等。浙江大学的CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——立体显示技术进行了研究，提出一种基于JPEG标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压缩速度。1-63本章结束谢谢大家