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虚拟现实技术初探地理信息论坛系列讲座（四）2019年8月1日主要内容一概述二VR硬件及交互设备三虚拟现实与网络GIS四虚拟现实主要开发技术五虚拟环境建模及其工具六开发实例：南京师范大学仙林校区虚拟校园七发展展望与存在的问题附录：参考文献一概述虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信，甚至与气象、地理、美学、心理学和社会学等相关。1.1什么是虚拟现实虚拟现实或称虚拟环境,是由计算机生成的.具有临场感觉的环境,它是一种全新的人机交互系统.虚拟现实技术本质上说是一种高度逼真地模拟人在现实生活中视觉.听觉.动作等行为的交互技术.传统的信息处理环境一直是“人适应计算机”，而当今的目标或理念是要逐步使“计算机适应人”，人们要求通过视觉、听觉、触觉、嗅觉，以及形体、手势或口令，参与到信息处理的环境中去，从而取得身临其境的体验。这种信息处理系统已不再是建立在单维的数字化空间上，而是建立在一个多维的信息空间中。虚拟现实技术就是支撑这个多维信息空间的关键技术。1.2虚拟现实的特点浸没感(Immersion)交互性(Interaction)想象性(Imagination)浸没感(Immersion)计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型，编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”,从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉,这就是虚拟现实技术的浸没感(Immersion)或临场参与感交互性(Interaction)虚拟现实与通常CAD系统所产生的模型以及传统的三维动画是不一样的，它不是一个静态的世界，而是一个开放、互动的环境，虚拟现实环境可以通过控制与监视装置影响或被使用者影响，这是VR的第二个特征，即交互性（Interaction）。想象性(Imagination)虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具。它以视觉形式反映了设计者的思想，比如当在盖一座现代化的大厦之前，你首先要做的事是对这座大厦的结构、外形做细致的构思，为了使之定量化，你还需设计许多图纸，当然这些图纸只能内行人读懂，虚拟现实可以把这种构思变成看得见的虚拟物体和环境，使以往只能借助传统沙盘的设计模式提升到数字化的即看即所得的完美境界，大大提高了设计和规划的质量与效率。这是VR所具有的第三类特征，即想象性（Imagination）。1.3虚拟现实的分类桌面虚拟现实沉浸的虚拟现实增强现实性的虚拟现实分布式虚拟现实1.4虚拟现实与三维动画的区别虚拟现实三维动画虚拟环境由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求，属于科学仿真系统。操纵者亲身体验虚拟三维空间，身临其境。场景画面由动画制作人员根据材料或想象直接画制而成，与真实的环境和数据有较大的差距，属于演示类艺术作品。预先假定的观察路径，无法改变。操纵者可以实时感受运动带来的场景变化，步移景异，并可亲自布置场景，具有双向互动的功能。只能如电影一样单向演示，场景变化,画面需要事先制作生成，耗时、费力、成本较高。虚拟现实三维动画支持立体显示和3D立体声，三维空间真实。不支持没有时间限制，可真实详尽地展示，并可以在虚拟现实基础上导出动画视频文件，同样可以用于多模体资料制作和宣传，性价比高。受动画制作时间限制，无法详尽展示，性价比低。在实时三维环境中，支持方案调整、评估、管理、信息查询等功能，适合较大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理等需要，同时又具有更真实和直观的多媒体演示功能。只适合简单的演示功能。1.5虚拟现实技术在现实中的运用许多游戏厂商,为了使游戏人物的动作更逼真,常常就会使用动作捕获系统.虚拟现实技术在电影中的运用.例子:黑客帝国商品展示(如家居,家电等)二VR硬件及交互设备一个典型的虚拟现实系统由空间数据采集系统、人体数据捕捉系统、三维显示设备、三维控制设备以及和计算机系统构成。空间数据采集系统、人体数据捕捉系统为虚拟环境建立空间模型；三维显示设备、三维控制设备同属于三维交互设备，设计和制造出性能优越的三维交互设备是虚拟现实技术的关键。空间数据采集系统人体数据捕捉系统计算机系统超级图形工作站三维控制设备三维显示设备采集交互空间数据采集系统空间数据采集系统，通过卫星遥感、航空遥感和全球定位系统等获取及时空间数据，建立准确可靠的虚拟现实空间环境。遥感是一种利用物体反射和辐射电磁波的固有特性，通过贯彻电磁波、识别物体以及物体存在环境条件的技术。人体数据捕捉系统人体数据捕捉设备，可以实事的记录人体的各项数据和动作，包括人体动作、面部表情、生理指数、气味、语音等。三维交互设备常见的三维显示设备有头盔式显示器和立体眼镜等。头盔式显示器采用立体图绘制技术来产生两幅相隔一定间距的透视图，并直接显示到对应于用户左、右眼的两个显示器上。新型的头盔式显示器都配以磁定位传感器，可以测定用户的视线方向，使场景能够随着用户视线的改变而作出相应的变化。三维交互设备三维空间控制设备共同特征是至少能够控制六个自由度(DegreeofFreedom)，对应于描述三维对象的宽度、高度、深度、俯仰(pitch)角、转动(yaw)角和偏转(roll)角。常见的三维控制设备有数据手套、跟踪球、三维探针、三维鼠标器及三维操作杆等。数据手套的出现，为虚拟现实系统提供了一种全新的交互手段，可以为用户提供一种非常真实自然的三维交互手段。高性能计算机系统高性能计算机系统处理技术主要包括数据转换和数据预处理技术；实时、逼真图形图像生成与显示技术；多种声音的合成与声音空间化技术；多维信息数据的融合、数据压缩以及数据库的生成；包括命令识别、语音识别，以及手势和人的面部表情信息的检测等在内的模式识别；分布式与并行计算，以及高速、大规模的远程网络技术。三虚拟现实与网络、GIS现在的虚拟现实技术综合了各学科的最新研究成果，包括计算机科学、通信网络技术、地理信息系统、遥感科学等多领域的成果。本节主要内容：虚拟GIS网络虚拟GIS分布式GIS地理协同3.1虚拟GIS计算机科学中图形技术和人机接口技术的发展，特别是虚拟现实技术应用的推广，为GIS提供了一种新的分析地学数据和探索地学问题的技术平台，推动着GIS技术同虚拟现实技术和可视化技术的融合，拓展了多维GIS、特别是三维GIS研究的内涵，提供了全新的空间数据分析模式和新的GIS应用模式。当前国际上把这种结合虚拟现实技术和科学计算可视化技术而设计的多维GIS系统称之为虚拟GIS系统“VirtualGIS（VGIS）”。3．2网络虚拟GIS介绍同网络结合是当前虚拟GIS发展的方向。结合网络技术的网络虚拟GIS不但为人们通过网络来分析空间数据和解决空间问题提供了技术平台，同时通过“沉浸式”的虚拟现实模式，为人们通过虚拟的地理空间交互提供了可能性，从而为研究虚拟地理环境提供了理想平台。网络虚拟GIS架构1.一种虚拟GIS是以网络GIS为基础，将虚拟现实系统同GIS的Client端连接起来，在虚拟现实系统中提供简单的空间分析功能或是将GIS的分析结果转化为虚拟现实系统支持的数据格式，供虚拟现实系统观察；2.另一种虚拟GIS是基于分布式虚拟现实系统，在虚拟现实系统中扩展空间数据类型的支持能力，提供简单的空间分析功能。WEB虚拟GIS的总体结构3．3CORBA在网络虚拟GIS系统结构中的作用CORBA是当前主流的分布式对象计算平台之一，CORBA平台以成为当前计算机工业界所广泛接受，并且完全开放地分布式网络平台。分布式对象是CORBA设计的基础.具有可伸缩性、安全性、负载均衡能力和容错能力、实时性，为设计特别性能要求的分布式系统提供了理性平台。通过基于CORBA网络平台来设计网络虚拟GIS，通过重用CORBA的网络结构和基本网络服务大大的简化网络虚拟GIS网络结构设计的难度，基于CORBA可以使网络虚拟GIS采用较灵活的网络结构。基于CORBA命名服务的网络VGIS系统映象概念图网络虚拟GIS客户端应用服务器名称管理应用服务器1应用服务器2应用服务器n分析服务器名称管理空间分析服务1空间分析服务2空间分析服务n……3．4虚拟地理环境与地理协同虚拟地理环境，是以化身为基础的多用户分布式三维智能虚拟环境，是地球空间环境特定地理现象与规律的数字与多通道感知表达、计算与模拟，可用于地球多维信息的综合管理与多媒体集成发布、人机交互/交融式创新式地球科学研究、分布式协同规划、设计与决策等。用户化身在虚拟地理环境中，两个用户的化身可以在同一个虚拟地理位置进行面对面的交流。而化身作为真实用户的一种表达，它的信息源可以包含视觉、听觉甚至味觉等多种信息源，使得用户拥有一种沉浸感，可以身临其境的感受到本身是虚拟地理环境中的一部分。视觉听觉等信息源可以传达协同工作者对事情的真实态度和情绪，是虚拟地理环境中协同工作者之间交流的重要组成部分，并且在分析地理数据和决策规划中也都起着非常重要的作用。交流模式对于虚拟地理环境不但要有真实的地理背景，而且要为协同工作者们提供一个可靠的信息交流的平台。为此，我们更加需要研究如何改进人与人之间的交流模式，增强在虚拟地理环境中化身之间的各种交流。目前，按照交流的时效性分类----o非即时交流：电子邮件和公告板o即时交流：交互性、实时性好，主要包括传统二维场景、三维场景、流媒体技术和结合模式等。四虚拟现实主要开发技术VRMLXMLX3DJava3DVRMLXML地理实体X3DJAVA3D在虚拟现实技术中，VRML/GeoVRML、XML、X3D、GML以及Java3D技术各有所长，互为补充，利用VRML的图形建模功能，XML的国际化、结构化、模块化的特性以及Java强大的网络编程语言，共同组成一个强大的虚拟现实开发环境。4.1VRML1994年，在瑞士日内瓦举行的第一届国际互联网大会上，提出为创建三维网络的界面便于网络传输的VRML。1995年，VRML1.0版本正式推出。1996年，在对1.0版本进行重大改进的基础上推出了2.0版本，其中添加了场景交互、多媒体支持，碰撞检测等功能。1997年，经过标准组织的评估后，VRML2.0成为国际标准，并改称VRML97。VRML简例sphere.wrl#VRMLV2.0utf8Shape{#定义节点，含有两个属性appearanceAppearance{#外观属性materialMaterial{#material(材质)，emissiveColor100}#材质反光性}geometrySphere{#几何属性radius1}}4.3XMLXML的英文全名是ExtensibleMarkupLanguage，中文译名为可延伸式标记语言。它是一个由W3C(WorldWideWebConsortium)所推广的结构化信息交换标准，并且已经广泛地被使用。VRML采取XML作为编码的主要原因是因为XML具备国际化的特性、结构化的格式和模块化的对象等优势。藉由已经被明确制定落实的XML规范，X3D以XML为语法是容易被实现的，而不需要庞大的反向工程(reverseengineering)。XML与GISXML可以在GIS应用中发挥什么样的作用？利用XML我们可以定义查询，其实这和传统的GIS查询没有什么不同，比如可以说“根据用户指定的区域进行水淹分析，并且返回结果”，响应消息就可能是基于XML格式的“分析结果在以下图形中”。与传统方式不同之处在于，XML将查询的地理数据和请求统一包含在了一个单独的XML文档中，响应信息也在XML文档中。XML支持自定义标记，提供了强有力的扩展机制，这必然会出现许多GIS行业独有的标记。XML与GISOpenGISConsortium(OGC)适时推出了GIS的XML标记集GML(GeographyMarkupLanguage)，为XML在GIS中的应用提供了良好的规范化道路，得到了行业内众多公司的支持。利用XML，我们能够实现许多GIS任务----浏