第6章虚拟现实与系统仿真121

第6章虚拟现实与系统仿真6.1虚拟现实的发展6.2虚拟现实概述6.3虚拟现实的技术6.4VR编程本章小结(1)性质：虚拟现实技术是一门由应用驱动的涉及众多学科的新的实用技术，是集先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术等为一体的综合集成技术。在计算机技术中，虚拟现实技术的发展又特别依赖于人工智能、图形学、网络、面向对象、人机交互和高性能计算机等技术。6.1虚拟现实的发展(2)发展1.关于VR技术的研究可以追溯到60年代，最初的研究主要集中在美国的军方与NASA（国家航空和宇宙航行局），用于各种武器系统操纵人员特别是飞机驾驶员与宇航员的模拟训练。随着冷战后美国军费的削减，这些技术逐步转为民用。当前，虚拟现实技术已远远超越了早期“训练模拟器”的范畴，已突破了航空航天、军事、娱乐等几个特定应用领域，它已扩展到更多的研究和应用领域，其应用领域非常广泛，主要有娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医学、危险及恶劣环境下的遥操作、教育与培训、信息可视化及远程通讯等。2.由于计算机技术的限制，VR研究的进展从20世纪60年代到80年代中期是十分缓慢的。直到80年代后期，VR技术才得以迅速发展。陆续地研制出了较实用的头盔式三维显示器，能提供六个自由度鼠标，数据手套，立体声耳机及相应的计算机软硬件系统。3.自20世纪90年代以来，虚拟现实技术作为一种最强大的人机交互技术，一直是信息领域研究开发和应用的热点之一。在世界范围内，尤其是欧美一些技术发达国家，都投入大量人力物力来进行虚拟现实技术的研究。我国起步较晚，目前也是非常重视这一领域的基础研究及其应用系统的开发，国家自然科学基金，863计划等都将VR技术列入了信息领域的重点支持范围。SensoramaSimulator,USPatent#3,050,870,19621962年,美国的MortonHeileg开发了一个被称为Sensorama的全传感仿真器，这个早期虚拟现实工作站主要包括：•三维视频反馈（由一对并排的35mm照相机拍摄）；•运动、颜色、立体声音、香气、风吹的效果；•一个可以震动的座位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的感觉。NASAVIEWsystem(1992)VirtualInterfaceEnvironmentWorkstation返回主目录6.2虚拟现实概述6.2.1虚拟现实的基本概念6.2.2有关的其他概念6.2.3特点6.2.4应用领域6.2.1虚拟现实的基本概念1989年，美国VPLResearch公司创始人JaronLanier提出了“VirtualReality”（虚拟现实）的概念。在这里，“Reality”的含义是现实的世界，或现实的环境。所以，“VirtualReality”（虚拟现实）的另一个名称是“VirtualEnvironment”（虚拟环境）。“Virtual”说明，这个世界或环境是虚拟的，不是真实的。这个世界或环境是人工构造的，是存在于计算机内部的。用户应该能够“进入”这个虚拟的环境中。所谓“进入”这个虚拟的环境中，是指用户以自然的方式与这个环境交互（包括感知环境并干预环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，身临其境的感觉。“VirtualReality”（虚拟现实）或“VirtualEnvironment”（虚拟环境）是人工构造的，存在于计算机内部的环境。用户应该能够以自然的方式与这个环境交互（包括感知环境并干预环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感，身临其境的感觉。虚拟环境(VirtualEnvironment，VE)系统或虚拟现实(VirtualReality，VR)系统包括人类操作者、人机接口和计算机。VR系统的体系结构虚拟现实系统中的虚拟环境，可能有下列几种情况：第一种情况是模仿真实世界中的环境。例如，建筑物，武器系统，或战场环境。这种真实环境，可能是已经存在的，也可能是已经设计好但还没有建成的。为了逼真地模仿真实世界中的环境，要求逼真地建立几何模型和物理模型。环境的动态（运动规律）应符合物理规律。这一类虚拟现实系统的功能，实际是系统仿真。点击观看居室环境的仿真和漫游例子第二种情况是人类主观构造的环境。例如，用于影视制作或电子游戏的三维动画。环境是虚构的，几何模型和物理模型就可以完全虚构。这时，系统的动画技术常用插值方法。电影《阿凡达》其中40%的画面由真实场景拍摄，60%完全由电脑动画生成，拍摄立体画面使用全新3DFusionCamera。例如，分子的结构，空气中气体的速度、温度、压力的分布等。这种真实环境，是客观存在的，但是人类的视觉和听觉不能感觉到。对于分子结构这类微观环境，进行放大尺度的模仿，使人能看到。对于空气中速度这类不可见的物理量，可以用流线显示速度（流线方向表示速度方向，流线密度表示速度大小）。这一类虚拟现实系统的功能，实际是科学可视化。由此可见，虚拟现实技术可以用于系统仿真、科学可视化、三维动画等领域。返回子目录6.2.2有关的其他概念和虚拟现实有关的几个概念是遥操作，增强现实，以及合成现实。这些概念之间的区别在于与用户交互的环境不同。对于遥操作系统，与用户交互的环境实际是在远地的一个真实的环境。用户通过类似虚拟现实系统的人机接口，与远处的真实环境交互。也就是看到真实环境的场景，听到真实环境的声音，感到与环境中物体的接触。遥操作系统实际上是高级的遥控系统，是采用了先进的虚拟现实技术的遥控系统。虚拟环境(VirtualEnvironment，VE)系统或虚拟现实(VirtualReality，VR)系统包括人类操作者、人机接口和计算机。遥操作(Teleoperator)系统包括人类操作者、人机接口和遥机器人。增强现实(AugmentedReality)系统中，则组合了虚拟环境和真实环境。合成环境(SyntheticEnvironment，SE)系统，是遥操作系统，虚拟环境系统，增强现实系统等的总称。返回子目录6.2.3虚拟现实的特点基于虚拟现实的基本概念，可以得到虚拟现实的下列三个特点。1．计算机提供“环境”，不是“数据,信息”。这改变了人机接口的内容。2．操作者由视觉,听觉,力觉感知环境,由自然的动作操作环境,不是由屏幕,键盘,鼠标和计算机交互。这改变了人机接口的形式。3．逼真的感知和自然的动作，使人产生身临其境的感觉。这改变了人机接口的效果。第一个特点体现了计算机应用的新方向。计算机的名称体现了，它的最早应用是计算。当时，计算机和用户交互的是计算有关的数值。此后，计算机扩大到处理数值，字符串，文本等各类数据。以后，计算机更扩大到处理图像，图形，声音，语言等多种媒体的信息。虚拟现实系统则以环境为计算机处理的对象和人机交互的内容。这开拓了计算机应用的新思路。返回第二个特点体现了计算机人机接口的新方向。至今为止的计算机人机接口都是面向机器的。终端，键盘，鼠标，打印机等接口设备，都是适应计算机的专用设备。这些设备很好地完成了各类数据和多媒体信息的交互。虚拟现实中的人机接口，则是面向用户的。虚拟现实系统中，用户以自然的方式与虚拟环境交互。所谓自然的方式，是指用户通过视觉，听觉，触觉等感觉虚拟环境，使用户产生在真实环境中的幻觉。同时，用户通过在真实环境中的行为，去干预虚拟环境。于是，虚拟现实的人机接口设备，完全不同于现有计算机的人机接口设备。这也是虚拟现实技术中最有特色的内容。返回第三个特点体现了计算机人机接口的新要求。用户通过人机接口与虚拟环境交互的结果，是使用户产生身临其境的虚幻感，沉浸感。有的文章中认为，虚拟现实的概念中有三个I：（1）Immersion(沉浸)，是指逼真的，身临其境的感觉。（2）Interaction(交互)，是指用户感知与操作环境。（3）Imagination(想象)，是指创造性。TheThreeI'sofVirtualRealityBurdeaandCoiffet,VirtualRealityTechnology,2ndEdition,Wiley,2003；虚拟现实技术（第二版）；返回子目录6.2.4虚拟现实的应用领域1．娱乐、艺术和教育点击观看虚拟展览馆场景演示2．国防点击观看虚拟战场的场景演示3．设计、制造和销售点击观看虚拟厨房场景演示，用于销售厨房家具4．医疗和健康5．危险操作6．训练7．信息可视化点击观看虚拟太阳系场景演示8．远程交往与远程游历返回主目录6.3虚拟现实的技术6.3.1VR的人机接口6.3.2VR的计算机系统6.3.3VR的建模6.3.1VR的人机接口VR的人机接口有两个作用：其一是给人类操作者提供环境信息（视觉、听觉和触觉）（输出，反馈），其二是感觉人类操作者的动作和响应（位置跟踪和映射，输入，读）。前者包括：视觉通道、听觉通道、触觉通道、运动接口和其他接口。后者包括：位置跟踪和映射，语音识别等。位置跟踪和映射视觉通道听觉通道触觉通道运动接口其他类型接口SGI图形工作站液晶光闸眼镜数据手套串口串口串口体视口超声波头部跟踪系统控制单元3D超声波发射器红外发射器Fastrak跟踪系统InputDevices:Trackers,NavigationandGestureInterfaces（1）位置跟踪和映射位置跟踪和映射用于测量人体各部位的位置和姿态，分析判断人面部的表情。它的目的是了解人的身体行为。这是为了实现人机交互所必需的系统功能。VR系统由此了解人的行为，然后做出适当的响应，实现交互。常用的技术包括：①机械链接②磁传感器③声传感器④光传感器⑤惯性传感器基本目标是精确完成位置和姿态的测量。三个主要的要求：大范围的线性响应，高带宽（1kHz），以及允许头和身体的运动。3-DSystemofcoordinatesofaVRobjectVirtualobjectshave6degreesoffreedom(D.O.Fs):-threetranslations;-threerotations.InputDevices①MechanicalTrackers机械跟踪器Definition:Amechanicaltrackerconsistsofaserialorparallelkinematicstructurecomposedoflinksinterconnectedbysensorizedjoints.定义：机械跟踪器由一个串联或并联运动结构组成，该运动结构由多个带有传感器的关节连接在一起的连杆构成。MechanicalTrackers机械式跟踪Pros优点Usesensorsimbeddedinexoskeletons（外骨骼）tomeasureposition;Haveextremelylowlatencies;低延迟Areimmunetointerferencefrommagneticfieldsandlargemetalobjects;不受电磁、铁磁干扰Cons缺点Butlimittheuser’sfreedomofmotion;限制用户运动；Canbeheavyiswornonthebody；身上使用时—偏重；ExoskeletonstructureInterfaceWithcomputer机械链接灵巧手控器（DexterousHandMaster）（1987）霍尔效应传感器②MagneticTrackers电磁式跟踪器Definition:Amagnetictrackerisanon-contactpositionmeasurementdevicethatusesamagneticfieldproducedbyastationaryTRANSMITTERtodeterminethereal-timepositionofamovingRECEIVERelement.非接触式，磁场测量发射器-接收器配合使用M