虚拟现实技术

Chapter4VirtualReality第四章虚拟现实技术4.1虚拟现实技术4.2计算机图形学4.3三维图形接口4.1VirtualReality4.1虚拟现实技术4.1.1HistoryandApplicationofVirtualReality4.1.1虚拟现实的历史及应用HistoryofVirtualReality虚拟现实的历史自1962年，美国青年（MortonHeilig），发明了实感全景仿真机开始，虚拟现实技术越来越受到人们的关注。1970年元月1日，艾凡·萨瑟兰(IvanSutherland)领导研制成功第一个头盔显示器，这一天进行了首次的正式演示。VirtualReality的概念由美国VPLResearch公司的创始人加隆·兰里尔(JaronLanier)在1989年正式提出来，中文通常译作“虚拟现实”。VirtualReality简称VR。ApplicationofVirtualReality虚拟现实的应用近年来VR研究也取得了很大进步，除了一些娱乐系统外，还有飞行模拟器，模拟手术实验室，驾驶模拟器，波音飞机777设计、遥控机器人、欧洲MonaLisa影视虚拟演播室、美国SIMNET海陆空战场仿真互联网。VR的一些具体的应用领域有：娱乐、教育与训练、医学、可视化、遥控遥现、通讯与协同工作、设计与规划、虚拟制造技术Application:Meeting(VirtualEnvironment)Application:FearofHeightsFearofHeights…SuccessStories!Fearofspiders(arachnophobia)蜘蛛恐惧症DrivingSimulatorApplication:YACON高尔夫系统Application:YACON高尔夫系统玩家击打的是真的高尔夫球，经过速度感应器的计算，电脑能实时显示出高尔夫球在虚拟球场上的运动轨迹，以及落点。真实的手感，加上逼真的显示效果带给玩家的是一种超越现实示的满足感。在这里不仅能玩高尔夫球，而且能玩的很尽兴，这家俱乐部还能提供您世界50个顶级高尔夫场地的模拟数据，玩家在这里就能足不出户体验游历世界著名球场，享受挥杆天下的乐趣了4.1.2BasicConceptsofVR4.1.2虚拟现实的基本概念(1)虚拟现实的定义VirtualRealityDefinition(2)虚拟现实三角形TriangleRelationshipofVirtualReality(3)虚拟现实的外部设备VirtualRealityTools4.1.2.1VRDefinition4.1.2.1虚拟现实的定义(1)虚拟现实技术是在计算机技术支持下的一种人工环境，是人类与计算机和极其复杂的数据进行交换的一种技术。利用计算机系统可以人为创建一种虚拟空间，虚拟现实系统具有向用户提供视觉、听觉和触觉、味觉和嗅觉等感知功能的能力，人们能够在这个虚拟环境中观察、聆听、触摸、漫游，并与虚拟环境中的实体进行交互，从而使用户亲身体验沉浸在虚拟空间中的感受。4.1.2.1VRDefinition4.1.2.1虚拟现实的定义(2)Realineffect,notrealinfact.虚拟现实的最终目的是提高人的认识能力，促进人与环境的交流，更深入的开发人类的智慧。思考：道路交通驾驶模拟器系统的目的？4.1.2.2TriangleofVirtualReality4.1.2.2虚拟现实三角形(1)ImaginationInteractionImmersionVirtualReality4.1.2.2TriangleofVirtualReality4.1.2.2虚拟现实三角形(2)RealTime:Actionscanimmediatelymodifythestateofthespace.Immersion:Feelingtobeinthe3DVirtualSpace.Interaction:Possibiltyofmovinginthe3DspaceandmanipulateobjectsImagination:Getsomeideainthe3Dspace.4.1.2.2TriangleofVirtualReality4.1.2.2虚拟现实三角形(3)沉浸性是指用户感到被虚拟世界所包围，就好像完全融入其中一样。通常有两种实现方法，一种是多“窗口”显示法，常用于飞行或者驾驶模拟器中，用户能够通过任一“窗口”看见虚拟的世界，就好像通过一个真实的窗口看见外部世界一样；另一种是多数沉浸式虚拟现实系统所采用的头盔法，通过跟踪用户头部的运动，用户能看到变化的景象。交互性是指用户能通过自然的动作与虚拟世界的物体进行交互作用。例如在建筑中“穿行”，你可以开门或关门，也可以开关家电设备；在工程设计时，你可以用手拆散你的设计或者做其他的交互动作。想象力是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的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、形成新的概念。用一句话来概括3I：人们能够沉浸到计算机系统所描述的环境中，利用多种传感器和多维化的信息环境进行交互作用，从定性和定量结合集成的环境中得到感性和理性的认识。Example1:InputtingDocumentVR实例1：文档录入《虚拟现实与系统仿真》P29半实物仿真增强现实Example2:DrinkingHotCoffeeinVRVR实例2：人在VR中喝热咖啡半实物仿真、增强现实沉浸感生成的技术基础人的感知系统对各种信息的获取比例：视觉≥60%听觉25％其他20％如：触觉、味觉、表情、手势等真正可以投入实际应用的技术还局限于视觉、听觉、触觉，人们对嗅觉、味觉的研究尚处于开发中……4.1.2.3VirtualRealityTools4.1.2.3虚拟现实外设3DPositionTrackersDataGlove3DMouseDataClothingTouchandForceFeedbackStereoDisplayDevices3DSoundGeneratorsDataGloveHead-mounteddisplay3DMOUSETouchandForceFeedback触觉系统中的纹理模拟：细小弹簧模拟充气式触觉反馈装置：细小可充气气泡操纵杆JoyStick式力反馈装置：如：游戏手柄、游戏方向盘kEgo-CentricorEmissiveVRNewSphereofVirtualRealityVirtuSphereprovidesamechnicalbasisfortrulyimmersivevirtualrealityenvironments,permittingtheusertomoveaboutinvirtualspacebysimplywalking.Thedeviceconsistsofalargehollowspherewhichismountedonaspeciallydesignedplatformthatallowsthespheretorotatefreelyastheuserwalksinanydirection.(Notethattheopenhatchinthepictureaboveisclosedduringuse.)Theuserwearsahead-mounteddisplay,whichprovidesthevirtualenvironment.Sensorsunderthesphereprovidesubjectspeedanddirectiontothecomputerrunningthesimulation.Userscanevenineractwithobjectsinvirtualspaceusingaspecialmanipulator.4.1.3StructureandClassificationofVR4.1.3VR系统的构成与分类（1）典型的虚拟现实系统的基本构成：包括：虚拟现实发生器，声音合成器，3D声音定域器，语音识别器，跟踪器，触、动觉系统，头盔显示器（Head--MountDisplay），数据手套（DataGlove）等硬件系统；以及虚拟现实境界构造程序和有关虚拟现实境界的数据库等软件系统。头部动作跟踪器头部动作跟踪设备眼球运动跟踪设备声音识别设备手动作识别设备触感发生器计算机眼球跟踪器拾音器数据手套自由度运动机构视景生成子系统立体声合成器耳机典型VR系统的基本构成（2）VRClassification（2）VR的分类VR系统根据沉浸程度的不同，大致分为：强制式VR非强制式VR：如KMRTDSVR系统根据其原理和规模的不同可分为:桌面式VR系统座舱式VR系统投影式VR系统NonmandatoryVR非强制式VRDesktopVR桌面式VR系统4.1.4VRRenderingTechnology4.1.4VR渲染技术虚拟现实系统的渲染技术包括三类：基于图形的渲染技术:RenderingBasedonGraph基于图像的渲染技术：RenderingBasedonImage基于点的渲染技术：RenderingBasedonPointGeometricModeling4.1.4.1基于图形：几何造型TextureMapping4.1.4.1基于图形：纹理映射4.1.4.2RenderingBasedonImage4.1.4.2基于图像的渲染技术问题：纹理映射依赖于基础的三维几何建模纹理坐标与几何模型的结合存在困难Example实例电影《泰坦尼克号》中“泰坦尼克”模型的建模费用为60MUS$。4.1.4.3VR渲染技术演示基于图像建模技术演示基于图形建模技术演示4.1.5VRModeling4.1.5VR建模1.几何建模GeometricModeling2.运动建模MotionModeling3.物理建模：表面变形、表面光滑程度4.对象行为：人的行为、驾驶员的行为5.模型分割LevelofDetail（LOD）6.VirtualRealityModelingLanguageGeometricModeling几何建模物体的几何模型主要内用来描述物体的形状，常用的物体结构表示有线框表示法、表面或边界法和实体模型表示法。VSDesignDemo(CityRoad)VSDesignDemo(Freeway)VSDesignDemo(RuralRoad)MotionModeling运动建模Definition：在计算机上模拟空间微重力状况下FFSR的运动学、动力学的运动规律。About：碰撞检测：（demo）动态建模：（行走demo）PhysicalModeling物理建模也称现象建模，主要包括对几何建模的结果进行材质、纹理、颜色、光照等处理，在计算机上生成具有真实感的图形，并对虚拟环境对象的特性进行描述。ObjectBehaviour对象行为行人行走仿真Demo法国AIMSUN软件行人简单行走模型实验室逼真行人行走模型(行走仿真_逼真.dys)DriverdealwithunexpectedeventsKMRTDS应用:驾驶员处理突发事件LevelofDetail模型分割VirtualRealityModelingLanguage虚拟现实建模语言VRML是一种用在Internet和Web超链上的，多用户交互的，独立于计算机平台的，网络虚拟现实建模语言。虚拟世界的显示、交互及网络互连都可以用VRML来描述。VRML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（VirturalWorld),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