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虚拟现实技术(VirtualReality)徐雷12April2011主要内容•虚拟现实技术概述•虚拟现实体系结构•虚拟环境的建立•产品的虚拟原型•在虚拟环境中制造虚拟现实技术概述•定义和特征•虚拟现实的发展历程•虚拟现实的国内外研究现状•虚拟现实的主要应用领域定义和特征•概念–虚拟现实(VirtualReality，简称VR)是一种计算机界面技术。从本质上讲，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户操作，从而减轻用户的负担，提高整个系统的工作效率。定义和特征•类似概念–人工现实(ArtificialReality，简称AR)：与VR相类似的一个概念，它是可以更方便地与用可视化技术建立的三维空间中的物体进行交互的技术。这个空间是人造的，但是物体的控制方法就像物体在现实空间中一样，所以就称为人工现实。例如，可用AR技术来漫游用可视化技术建立的大脑结构。–遥现技术(Telepresence)，它是一种基于VR的遥控制、遥操作或遥显示技术。定义和特征•虚拟现实的四个重要特征–多感知性(Multi-Sensory)。–存在感(Presence)又称为临场感(Immersion)–交互性(Interaction)–自主性（Autonomy）虚拟现实的发展历程•发展历程1965年Sutherland提出1966年开始HDM的研究1968年研制出第一台HMD1975年MyronKrueger提出AR的思想1985年研制出数据手套1986年VIEW系统研制成功1990年Siggraph会议确定VR技术的发展方向20世纪90年代以来VR应用到众多领域虚拟现实的研究现状•国外虚拟现实技术的研究现状–美国宇航局(NASA)•美国宇航局(NASA)的Ames实验室完善了HMD，并将VPL的数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。•NASA完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远镜的仿真。•现在NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统、空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。虚拟现实的研究现状–北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。–麻省理工学院(MIT)是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构。1985年M1T成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。–SRI研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有VR技术的进一步发展。1991年后，SRI进行了利用VR技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿真来减少飞行事故。此外，SRI还利用遥控技术进行外科手术仿真的研究。虚拟现实的研究现状–华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(HITLab)在新概念的研究中起着领先作用，同时也在进行感知、知觉、认知和运动控制能力的研究。HIT将VR研究引人了教育、设计、娱乐和制造领域。例如，波音公司的V22运输机就是先在实验室中造出虚拟机后再投人生产的。虚拟现实的研究现状–Windustries位于Leicester，是国际VR界的著名开发机构，正在开发一系列VR产品，主要是娱乐业方面的。正在计划推出新型轻量显示头盔和功能强大的图形引擎(GraphicsEngine)。–BritishAerospace(BAE)的许多部门参与了VR，利用VR技术设计高级战斗机座舱，虚拟现实的研究现状–DimensionInternational是桌面VR的先驱，尽管桌面VR是非沉浸式的，但是与那些可视效果和动态质量差的沉浸式(Immersive)系统相比，具有优质图像和实时交互特性。–英国的高级机器人研究有限公司(ARRL)关于远程呈现的实验研究主要包括VR技术重构问题。头控立体摄像系统、在手套和3D／6D鼠标上使用了触觉反馈等。虚拟现实的研究现状–在德国有大约50个研究所，研究开发工作集中在计算机图形学有关的领域，如可视模拟、可视化、图像处理和VR等，并对那些需要复杂底层结构、技术支持和专业性的中长期项目实现承包管理方法。虚拟现实的研究现状•国内虚拟现实技术的研究现状：–北京航天航空大学计算机系是国内最早进行VR研究的单位之一，他们首先进行了一些基础研究，并着重研究虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；分布式虚拟环境DVENET虚拟现实的研究现状–浙江大学CAD&CG国家重点实验室在基于图像的虚拟现实、分布式虚拟环境的建立、多细节层次模型、真实感三维重建、基于几何和图像的混合式图形实时绘制算法等领域开展了深入的研究，在国内外产生了广泛的影响。–清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感试验等方面都有不少独特的方法。虚拟现实技术的主要应用领域•工程应用–虚拟现实技术在制造业的广泛应用。•德国的汽车制造企业，将vr应用到零部件设计、内部设计、空气动力学实验和模拟撞车安全测试。•福特公司的虚拟工厂•英国航空实验室的虚拟轿车客舱•雷诺汽车公司的“cityFleet”虚拟现实技术的主要应用领域•工程应用–虚拟现实技术在飞行仿真领域的应用•飞行员的操纵舱系统•显示外部图像的视觉系统•产生运动感的运动系统•计算和控制飞行运动的计算机系统。虚拟现实技术的主要应用领域•工程应用–虚拟现实技术在虚拟实验的应用•虚拟风洞•虚拟物理实验室•虚拟电力控制室虚拟现实技术的主要应用领域•医学领域的应用–“虚拟现实”装置–虚拟现实技术分析神经系统–分子造型虚拟现实技术的主要应用领域•教育培训领域的应用–建筑工程学–考古学–医学教育–导游培训–生物教育–历史教育–化学和物理教育–社会科学虚拟现实技术的主要应用领域•军事应用–步兵训练系统–作战仿真系统虚拟现实技术体系结构•虚拟现实的硬件系统结构虚拟现实技术体系结构•虚拟现实系统的组成模块–输入模块：是虚拟现实系统的输入接口，其功能是检测用户的输入信号，并通过传感器模块作用于虚拟环境。–传感器模块：是虚拟现实系统中操作者和虚拟环境之间的桥梁。–响应模块：是虚拟现实系统的控制中心。–反馈模块：是虚拟现实系统的输出接口。用户传感器模块输入模块用户界面反馈模块相应模块虚拟现实系统的分类•虚拟现实系统的分类–沉浸式：用封闭的视景和音响系统将用户的视听觉与外界隔离，使用户完全置于计算机生成的环境之中，计算机通过用户戴的数据手套和跟踪器可以测试用户的运动和姿态，并将测得的数据反馈到生成的视景中，产生人在其中的效果。虚拟现实系统的分类•虚拟现实系统的分类–非沉浸式：非沉浸式VR系统又称为桌面VR系统或非配带型VR系统，其视景是通过计算机屏幕、或投影屏幕、或室内的实际景物加上部分计算机生成的环境来提供给用户的；音响是由安放在桌面上的或室内音响系统提供的。这种系统有时称为“窗口虚拟现实系统(through-the-WindowsVRsystem)”或者“桌面虚拟现实系统(Desk-topVRSystem)”。图8.5沉浸式VR系统虚拟现实系统的分类•虚拟现实系统的分类–叠加式：叠加式虚拟现实系统允许用户对现实世界进行观察的同时，虚拟图像叠加在被观察点(即现实世界)之上。叠加式虚拟现实系统又称为“补充现实系统”或者“扩大的现实系统”(AugmentedReality，A11)。虚拟现实系统的分类•虚拟现实系统的分类–分布式虚拟现实系统(DVR)是一种基于网络的虚拟现实系统，它可使一组虚拟环境连成网络，使其能在虚拟域内交互，同时在交互过程中意识到彼此的存在，每个用户是虚拟环境中的一个化身(Avatar)。它的基础是网络技术、实时图像压缩技术等，它的关键是分布交互仿真协议，必须保证各个用户在任意时刻的虚拟环境视图是一致的，而且协议还必须支持用户规模的可伸缩性，常用的分布式协议是DIS和HLA。–分布式VR技术主要运用于远程虚拟会议，虚拟医院，虚拟战场等。虚拟现实硬件基础–头盔式显示器(Head一MountedDisplay,HMD)：最常见的使用户产生沉浸感的装置是头盔显示器，它可提供视觉显示、立体声音输出以及头部位置跟踪的功能，是进入虚拟环境首选的装置。•虚拟环境的视觉通道图8.10头盔显示器(HMD)虚拟现实硬件基础–原理：计算机系统针对左右眼的两个RGB信号，通过双路立体显示系统发送给HMD的控制单元，用于立体观察。控制单元同时接收立体声，发送给HMD的立体耳机。–位置跟踪器–头盔的缺点是使人感到不习惯和不舒适，加上分辨率低和视野范围不够会引起信息丢失。虚拟现实硬件基础•立体投影显示–CAVE握由美国Illinois大学EVL实验室为克服HMD存在的问题而研制的一个系统，完成于20世纪90年代初。它由一个10ft×lOft×9ft大小的房间组成，房间的每一面墙与地板均由大屏幕背投影机投上1024×768分辨率的立体图像。可允许多人走进CAVE中，用户戴上立体眼镜便能从空间中任一方向看到立体的图像。CAVI实现了大视角、全景、立体、且支持5～lO人共享的一个虚拟环境。虚拟现实硬件基础•CAVE的优点–它可提供180度的宽视域和2000x2000以上的高分辨率。–它允许用户在虚拟空间中走动，而不用佩戴笨重设备。–它允许在同一个环境中存在多个用户，而且用户之间可以自然地交互。–一次能显示大型模型，如汽车、房屋等，而用HMD则需要头部运动刁能看到完整的模型。虚拟现实硬件基础•CAVE的不足–价格昂贵–要求更大的空间和更多的硬件–还没有产品化和标准化等。•改进–ImmersaDesk–InfinityWall–SGIRealityCenter–虚拟视网膜显示器(VirtualRetinalDisplay，简称VRD)虚拟现实硬件基础•立体眼镜–被动式（Passive），这两幅图像可以并排放置，重叠在一起，图像能够通过放于眼前的不同的滤波器投影到眼睛，立体图像使用偏正光眼镜或红/蓝玻璃眼镜，以提供天然的（无色彩）立体视觉，这类眼镜造价便宜，电影等娱乐业大量采用该类型。–主动式（Active），计算机交替产生左、右眼图像，使用液晶显示眼镜与显示器上的立体图像对，同步开关，遮挡左/右眼，使大脑很快收到交替图像，并融合图像为单一的场景和景深。所以需要高速的场频（最小为60Hz）来避免闪烁，否则用户佩戴后会感到头昏。这类眼镜较昂贵，主要有CrystalEye公司的立体眼镜，见图。虚拟现实硬件基础•立体显示器–不需借助外部设备和编程开发技术，只要有三维模型，就可以实现三维模型的立体显示。虚拟现实硬件基础•虚拟环境的听觉通道–听觉环境系统的组成•语音与音响合成设备•识别设备•声源定位设备–人类进行声音的定位依据两个要素：•两耳时间差(InterauralTimeDifferences，简称ITD)•两耳强度差(InterauralIntensityDifferences，简称IID)。虚拟现实硬件基础•虚拟环境的听觉通道–听觉通道接口技术存在的问题：•其中问题之一就是多声源声场的声音立体化，用户稍微偏离预定的位置，声音的立体声效果就会降低。•另一个问题是声音信号的生成，语言和音乐的合成已经有了较好的办法，但环境声音合成和建模以及声学场景分析尚有待研究。虚拟现实硬件基础•输入装置–数据手套（DataGlove）•数据手套制作技术却相当复杂。数据手套由很轻的弹性材料构成，紧贴在手上。这个系统包括位置、方向传感器和沿每个手指背部安装的一组有保护套的光纤导线，它们检测手指和手的运动。发光二极管光传感器计算机光电信号数据当弯曲手指时，发光二极管的光经过光纤导线从导线保护套的裂缝或切口逸出。关节越弯曲，光纤逸出越多，到达光传感器的光越少。光量的多少就反映了手指的弯曲程度。图8.66D鼠标/控制杆图8.7数据手套虚拟现实硬件基础•5DTDATAGLOVE5W–黑色有弹性的双层纺织品，夹层中是用光纤的皮线传感器，标准的RS-232或usb与计算机相连。–无位置传