虚拟现实第一部分概述53

1教师：陆艳洪联系方式：TEL:[phone]转921EMAIL:[e-mail]办公室：实验大楼A9132现代仿真技术与应用章节安排第一章概述第二章系统的数学模型第三章连续系统的数字仿真第四章离散事件系统仿真第六章分布式交互仿真第七章可视化、多媒体、虚拟现实仿真3背景知识包括：计算机原理与系统结构，操作系统，计算机网络，软件工程，程序设计，数据结构，电子学，图形学与CAD，系统分析，人工智能等。内容包括虚拟现实与系统仿真的基本概念和术语，虚拟现实与系统仿真的基础方法，虚拟现实有关的人的因素，虚拟现实的接口设备和计算机设备，虚拟现实的世界建模技术，虚拟现实的应用。现代仿真技术与应用第七章虚拟现实4知识结构现代仿真技术与应用第七章虚拟现实5重点难点虚拟现实的基本概念人的视觉系统和虚拟现实的视觉显示技术各类位姿跟踪系统的技术力觉和触觉反馈技术虚拟现实用计算机系统虚拟现实的工具软件系统分布式虚拟现实系统。现代仿真技术与应用第七章虚拟现实6要求首先要求掌握虚拟现实与系统仿真的基本概念和术语，以及虚拟现实有关的人的因素，明确虚拟对现实要求。其次要求掌握虚拟现实与系统仿真的基础方法，虚拟现实的接口设备和计算机设备，虚拟现实的世界建模技术，了解实现要求的技术。最后要求掌握虚拟现实的应用。现代仿真技术与应用第七章虚拟现实7参考资料1.《虚拟现实与系统仿真》韦有双；国防工业出版社；2004年2.《虚拟现实的技术及其应用》曾建超，俞志和；清华大学出版社；19963.《灵境（虚拟现实）技术的理论，实现及应用》汪成为，高文，王行仁；清华大学出版社，广西科学技术出版社；19964.《VirtualRealityTechnology》GrigoreBurdea，PhillippeCoiffet；JohnWiley&Sons,INC.；19945.《VirtualRealitySystems》JohnVince；Addison-WesleyPnblishingCompany；1995现代仿真技术与应用第七章虚拟现实8虚拟现实概述虚拟现实的接口技术虚拟现实的计算机技术虚拟现实的建模和仿真技术分布式虚拟现实技术系统仿真与虚拟现实的结合机制虚拟现实的应用现代仿真技术与应用第七章虚拟现实内容9〖课前思考〗〖学习目标〗〖难重点〗现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述1．什么是虚拟现实？2．虚拟现实与人有什麽关系？1．注意理解几个概念。2．注意理解几个特点。3．注意理解VR设计中考虑的视觉问题。1．了解VR的概念和特点。2．了解VR有关的人的因素。101、虚拟现实系统的三个部分是。2、遥操作系统的三个部分是。3、增强显示系统是。4、合成显示系统是。5、虚拟现实系统的三个特点是。6、虚拟现实系统的三个I是。7、虚拟现实系统的三个主要技术领域。8、确定电影和电视的帧频应该考虑人眼的现象。9、人耳的HRTF的中文名称是。现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述11主要内容本章主要介绍虚拟现实的基本概念和有关人的概念。虚拟现实或虚拟环境是人工构造的存在于计算机系统内部而非现实世界中的一种环境。该环境包括：环境的人类操作者、人机接口和计算机，人的视觉和听觉问题，都是和虚拟现实有关的人的因素。本章内容包括：1虚拟现实的基本概念2虚拟现实的特点3虚拟现实的应用领域4虚拟现实技术简介5虚拟现实中有关人的因素现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述12第一章的知识点现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述13虚拟现实的发展史1)1965年，Sutherland在篇名为终极的显示的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。2)1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。3)1989年，美国VPLResearch公司创始人JaronLanier提出了“VirtualReality”（虚拟现实）的概念。4)1994年，美国SGI公司和比利时的BARCO投影机制造公司，在英国建设了世界上第一个虚拟现实系统。现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述14•基本概念现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述“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，是人工构造的，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，沉浸感，身临其境的感觉。15“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，沉浸感受，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。现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述基本概念161）虚拟现实系统应用最多的专用设备是头盔式立体显示器和数据手套。于是，有人以使用这些专用设备为虚拟现实系统的标志，这种观点是不准确的，它们只是当前已经实现的一部分虚拟现实接口设备。现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述基本概念17现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述基本概念2）虚拟现实技术，是在计算机应用和人机交互方面开创的全新的学科领域。这个新领域的发展，还有很多困难，有很多技术难点有待解决，当前，这一领域还只是走出了第一步。3）以接口设备为例，头盔式立体显示器和数据手套等设备很不完善。例如，头盔的视场，分辨率，造成眩晕等问题还有待解决。听觉接口和力觉接口等设备还在研究，应用还不多。味觉，嗅觉，运动觉等技术，还缺乏研究。18虚拟现实系统构成现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。构成虚拟现实系统的五大模块19一、模仿真实世界中的环境：建筑物，武器系统，或战场环境特点与功能：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，这一类虚拟现实系统的功能实际上是系统仿真。要求：为了逼真地模仿真实世界中的环境，逼真地建立几何模型和物理模型，环境的动态应符合物理规律。二、人类主观构造的环境：用于影视制作或电子游戏的三维动画。特点：环境是虚构的，几何模型和物理模型就可以完全虚构。实现：常用插值方法来实现系统的动画技术三、模仿真实世界中的人类不可见的环境：分子的结构，空气中的速度、温度、压力的分布等。特点与功能：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。其功能，实际是科学可视化。实现：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。对于空气中的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）。虚拟现实的虚拟环境分类现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述电影动画的例子居室环境的仿真和漫游例子由此可见，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。20与虚拟现实系统有关的几个系统是遥操作系统，增强现实系统以及合成现实系统。遥操作(Teleoperator)系统由人类操作者、人机接口和遥机器人组成。增强现实（AugmentedReality）系统是将虚拟环境和真实环境组合在一起。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。其他相关系统概念现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述虚拟环境(VirtualEnvironment，VE)系统或虚拟现实(VirtualReality，VR)系统由人类操作者、人机接口和计算机组成。21对于虚拟现实系统，与用户交互的环境实际是人工构造的，存在于计算机内部的环境。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机器人工作环境。增强现实系统，是虚拟环境(VE)与真实环境(RE)的组合，与人类交互的既有VE也有RE。如虚拟演播室，背景是VE，前景是真实的人其他相关系统概念现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述虚拟现实系统、遥操作系统、增强现实系统之间的区别在于与用户交互的环境不同。遥控机器人代替了计算机，环境实际上是远离操作者或操作者无法到达的远程真实环境（如深海、深空、核爆环境等），用户通过类似虚拟现实系统的人机接口，操作或感受远处的真实环境。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。221）全景（Panorama）2）物体（Object）3）场景（Scenes）虚拟现实的三种表现方式现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述在全景（Panorama）模式下，物体是相对固定而镜头位置是相对移动（原地360度转动）的，例如在建筑的顶楼平台环顾四周360度的景观。在场景（Scenes）模式下，物体和镜头都可以运动，比如客户在看房时，从一个房间走到另外一个房间。这时，镜头（眼睛）在运动，从一个节点（房间一）移动到另外一个节点（房间二）。简单的说，这是全景和物体模式的综合。在物体（Object）模式下，物体运动而镜头相对固定，比如玩手机时，物体（手机）运动，而镜头（眼睛）固定。23虚拟现实的特点a)计算机提供“环境”，不是“数据，信息”b)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;c)逼真的感知和自然的动作，使人产生身临其境的感觉;现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述该特点改变了人机接口的内容，体现了计算机应用的新方向。以环境为计算机处理的对象和人机交互的内容。该特点改变了人机接口的形式，体现了计算机人机接口的新方向。一般计算机系统的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。它们能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。该特点改变了人机接口的效果，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。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。24虚拟现实的应用领域娱乐国防设计、制造和销售医疗和健康危险操作训练教育信息可视化远程交往与远程游历现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述25把分布式虚拟现实系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、化合物分子结构显示等领域，由于数据更加逼真，大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习兴趣，学习效果十分显著。同时，随着计算机技术、心理学、教育学等多种学科的相互结合、促进和发展，系统因此能够提供更加协调的人机对话方式，虚拟现实的应用领域现代仿真技术与应用第七章虚拟现实第一部分概述教育应用工程应用当前的工程很大程度上要依赖于图形工具，以便直观地显示各种产品，目前，CAD/