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虚拟现实技术VirtualRealityTechnology汪日伟craftcub@163.com天津理工大学计算机与通信学院题纲第一讲虚拟现实概述第二讲虚拟现实显示技术–计算机三维图形技术–立体图形显示技术–声音、力觉显示第三讲虚拟现实跟踪技术–位置跟踪器–数据手套–人体运动跟踪第四讲人体动画技术第一讲虚拟现实概述本讲题纲1.为什么要研究虚拟现实技术2.虚拟现实系统的构成与特点3.主要问题与研究方向1、为什么要研究虚拟现实技术？计算科学的应用与存在的问题•计算科学已发展成为与理论和实践并列的第三种科学研究方法，为解决一些传统方法无法解决的问题提供了新途径、新方法。•人机交互方式•计算机表达信息的形式更真实示例：这是一个什么样的场景？•见CG_Wrl_5_011.wrl中数据1）产品设计与人机功效(飞机，空间站等)•虚拟原型的设计和验证•虚拟装配•虚拟人机工程学•机器人领域典型应用•工程的设计和规划–波音公司完全使用虚拟现实技术设计波音777新型客机获得成功–多伦多市（Toronto）的城市规划与管理–城市规划–大型工程漫游–名胜古迹虚拟旅游–数字化酒店展示系统奥迪效果图和线框图2）科学计算可视化用于核弹B-61-x的虚拟组装系统3）虚拟组装4）仿真训练5）协同工作环境的仿真6）娱乐游戏《半条命2》Secondlife中国人的SecondLife•条条大路通北京--北京实力空间网络科技有限公司•《HiPiHi世界》--海皮士公司•《由我世界》--优万网络科技（北京）有限公司、艺术和娱乐•教育虚拟校园，虚拟实验和教学，远程教育和特殊教育，技能培训，建筑设计与城市规划•娱乐–1990,battleTechcenter–1991,W-IndustriesLtd–浙大虚拟乒乓球–宁波新文三维：室内高尔夫运动模拟器，虚拟主持人等–腾讯的3DQQshow.•艺术–文化遗产保护：北大故宫，浙大和德国合作敦煌数字化–虚拟博物馆和虚拟旅游：故宫，卢浮宫–虚拟音乐：东京Waseda大学开发的musicalvirtualspace.–虚拟演播室：1991NHK的Nanospace–虚拟演员–电影：侏罗纪公园，泰坦尼克，星球大战，动捕•中视典数字科技有限公司，总部注册于深圳高新技术园区，成立于2002年，北京分公司成立于2005年1月。是从事虚拟现实与仿真、多媒体技术、三维动画研究与开发的专业机构，是国际领先的虚拟现实技术（virtualrealityTechnology）整体解决方案供应商和相关服务提供商。•北京万方视景科技有限公司（www.vrcase.com）•北京阳光中图数字技术有限公司–以计算机三维图形技术为核心，业务范围涵盖图形仿真、地学工程三维仿真、地理三维可视化城市信息统计应用、地理资源三维建模与资源管理、虚拟现实、三维动画及多媒体信息产业等应用领域•北京优联威迅科技发展有限责任公司–以清华大学工业系仿真实验室雄厚的技术开发实力为基础，自成立之日起就以开发和制作适合中国虚拟仿真市场的仿真系统解决方案和适于推广的可视化软件平台为主要方向，立志创造中国虚拟仿真软硬件的旗帜名牌。公司现已独立研发了包括数据手套，虚拟环境的力反馈等系统，并成功实现了中国第一套动作捕捉系统填补了国内空白，成绩丰硕，已成为用户中国仿真界中首选的理想合作企业。•伟景行科技集团（GvitechTechnologies）是业界领先的三维可视化和专业显示技术开发及服务机构，由伟景行数字城市科技有限公司（GDC）、伟景行数字科技有限公司（GDT）以及清华规划院数字城市研究所（DCRC）等三大机构组成。分别为数字城市可视化、虚拟仿真模拟、和专业大屏幕显示，并且在各自领域中成为行业的领导者！••北京黎明视景公司是一家国际领先的虚拟现实（virtualreality简称VR）和三维可视化技术整体解决方案供应商，专门致力于基于PC平台的虚拟现实（VR）和视景仿真（Simulation）技术研究、计算机图形软硬件开发研制、视景仿真和虚拟现实系统集成及虚拟现实产品销售。•www.pcvr.com.cn计算科学的应用与存在的问题(续)1.计算科学已发展成为与理论和实践并列的第三种科学研究方法，为解决一些传统方法无法解决的问题提供了新途径、新方法。2.计算科学中传统的人机交互方式不能满足要求。3.计算机软件硬件水平的发展给虚拟现实研究提供了有利条件为什么要研究虚拟现实技术？•传统人机交互方法：–人与计算机间的交互通过键盘、鼠标、显示屏等工具实现。•虚拟现实方法：–将计算科学处理对象统一看作一个计算机生成空间（虚拟空间或虚拟环境），并将操作它的人看作是这个空间的一个组成部分(man-in-the-loop)。–人与计算机空间的对象之间的交互是通过各种先进的感知技术与显示技术（即虚拟现实技术）完成。–人可以感受到虚拟环境中的对象，虚拟环境也可以感受到人对它的各种操作（类似于人与真实世界的交互方式）。虚拟现实技术的发展•1956年,美国的MortonHeileg开发了一个被称为Sensorama(传感景院）的摩托车仿真器，具有以下功能：–三维视频及立体声效果，–振动风吹的感觉，–城市街道的气味，–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曼哈顿的感觉。固定的超声波扩大器超声波接收器头盔主计算机控制器接收器发送器液晶显示屏光学装置立体声耳机立体声产生器位置和方向跟踪器左眼影象产生器右眼影象产生器虚拟现实技术的发展(续)•1965年，美国的IvanSutherland发表了一篇名为“TheUltimateDisplay”（终极的显示）的文章。•1968年，他在哈佛大学组织开发出第一个计算机图形驱动的头盔显示器（Helmet-MountedDisplay，即HMD），并开发了与HMD相配的头部位置跟踪系统。虚拟现实技术的发展(续)•这些探索过程中，人们开始形成与虚拟环境相关的以下一些概念：–人工现实（ArtificialReality）–虚拟现实（灵境）（VirtualReality）–虚拟环境（VirtualEnvironment）–电脑空间（Cyberspace）等•这些可以理解为对虚拟现实技术的不同称呼，其中以VirtualReality一词影响最广。虚拟现实技术的发展(续)•VIDEOPLACE系统–VIDEOPLACE是由M.W.Krueger基于视频的方法设计的一个虚拟环境。他认为，与计算机相比，人类的进化要缓慢得多；因此，人机接口研究应该将重点放在相对不变的人类特性上。计算机应该适应人，而不是让人去适应计算机。在这种思想指导下，当其他早期研究者考虑穿着或戴着设备时，Krueger将目标瞄准无障碍的环境式人工现实。虚拟现实技术的发展(续)•VIEW–在虚拟现实技术发展史上的地位举足轻重。当1985年VIEW系统的雏形在美国NASAAmes研究中心完成时，该系统以低廉的造价、让参与者有“真实体验”的效果引起有关专家的注目。该系统的雏形是在MichaelMcGreevy领导下完成的。VIEW系统有以下特点：•保持了低造价的优势•装备了数据手套、头部跟踪器等硬件设备•提供了语音、手势等交互式手段。2、虚拟现实系统的构成与特点虚拟现实系统：virtualcockpit+reality2.1、虚拟现实的含义•虚拟现实(virtualreality，简称VR)或称虚拟环境(virtualenvironment)，是一种逼真的视、听、触觉一体化的计算机生成环境，用户可以借助必要的装备以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响，从而获得亲临等同真实环境的感受和体验。2.2虚拟现实系统的实现方法•虚拟现实的主要目的是实现自然人机交互，即实现一种逼真的视、听、触觉一体化的计算机生成环境。•虚拟现实的主要实现方法是借助必要的装备，实现人与虚拟环境之间的信息转换，最终实现人与环境之间的自然交互与作用。系统活动形式感受单元器官模拟器官行为剌激物外部信息方向感姿势及方向调整机械及重力感受器前庭器官身体平衡重力及加速度重力或加速度方向听觉听机械感受器耳蜗器官声音定位空气振动振动方向及性质触觉触摸机械、热量及动觉感受器皮肤、关节、肌肉及腱各种探查活动组织变形、关节配合及肌肉纤维紧张物体表面粘性及冷热等各种状态味觉尝化学及机械感受器嘴品尝物体化学性质营养及生化价值嗅觉嗅化学感受器鼻以鼻吸气气体化学性质气味性质视觉看光学感受器眼睛凝视、扫描等活动光大小、形状、纹理及运动等J.J.Gibson总结的感知系统人类的感知系统系统目的应用相关系统调整姿势适应重力及加速度维持身体平衡前庭器官定向通过部分身体运动获得外部剌激考察或感觉各种信息所有相关感觉走动通过身体运动进入其它环境从一个位置走到另一个位置定向及调整姿势饮食通过部分身体运动获取或给予吸收或排除品尝、吸收及其它身体功能行动有利于个人的行为操作、自我保护等走动及相关行为表达用于表达、表明或识别姿势、面部或语言表达语言表达、聆听及面部表情语义用信号通知或表达语言表达基于信号的相关系统行为系统人类的行为系统行为感知参与者行为系统感知系统外界环境人与环境的关系虚拟现实的概念模型虚拟环境实物虚化人虚物实化王兆其，《虚拟环境中物体运动逼真性的研究》，博士学位论文，北京航空航天大学，1999.6.2.3几种典型的虚拟现实系统及其应用(1)AugmentedReality•应用领域：维修，医学检查，培训等•主要问题：虚实一致性反馈虚拟环境真实环境操作实物虚化人虚物实化实物虚化虚物实化王兆其《虚拟环境中物体运动逼真性的研究》博士论文，北京航空航天大学，1999.6.R.T.Azuma,ASurveyofAugmentedReality,Presence:TeleoperatorsandVirtualEnvironments,1997,6(4):355~385(2)多用户虚拟现实系统•一次允许多个用户参与。•典型的系统有：mWorld,CAVE，DIVE等•主要应用：虚拟研讨环境(聊天室),虚拟社区•主要问题：保证多个用户对虚拟环境有一致的感受虚拟环境实物虚化人虚物实化实物虚化虚物实化人王兆其《虚拟环境中物体运动逼真性的研究》博士论文，北京航空航天大学，1999.6.(3)分布式虚拟现实系统•分布于不同地理位置的多台计算机通过网络互联•主要应用：军事仿真，多用户虚拟环境•典型系统：SIMNET，NPSNET，STOW，DVENET•主要问题：系统的一致性(由数据分布与网络延迟引起)计算机实物虚化人虚物实化计算机虚物实化实物虚化计算机网络人分布式虚拟环境王兆其《虚拟环境中物体运动逼真性的研究》博士论文，北京航空航天大学，1999.6.(4)遥存在(Tele-Presence)•真实世界与操作人员相隔两地•主要应用：远程手术，远程探测等计算机实物虚化人虚物实化计算机或机器人虚物实化实物虚化计算机网络虚拟环境真实世界王兆其《虚拟环境中物体运动逼真性的研究》博士论文，北京航空航天大学，1999.6.ImmersionImaginationInteractionI32.4虚拟现实的三个特征•沉浸感(immersion):参与者全身心地沉浸于计算机所生成的三维虚拟环境，并产生身临其境的感觉。•交互性(interaction):参与者可以利用各种感官功能及人类自然技能虚拟环境进行交互考察与操作。•构想性(imagination):参与者借助VR系统给出的逼真视听触觉信号而产生的对虚拟空间的想象三、