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虚拟现实技术主讲：张开兴地址:山东农业大学机械与电子工程学院；Email:zkxoffice@gmail.com.虚拟现实技术2019/8/12§1虚拟现实概述§2虚拟现实硬件基础§3虚拟现实软件基础§4虚拟设计中的建模技术§5虚拟设计与虚拟制造2019/8/13§1虚拟现实概述1、概念及优点定义虚拟现实是当代信息科学的前沿研究领域，它综合运用计算机图形学，计算机视觉，心理学，传感器等多方面技术，在计算机中营造一个虚拟的环境，通过实时的，立体的三维图形显示、声音模拟、自然的人机交互界面来仿真现实世界中早已发生、正在发生或尚未发生的事件，并使用户产生身临其境的真实感觉。优点虚拟现实的技术实质在于提供一种高级的人机接口。虚拟现实技术改变了人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，给用户提供了一个趋于人性化的虚拟信息空间。虚拟现实的出现，使人们从纷繁复杂的数据中解放出来，这种形式是传统表现方式所无法比拟的，它给人们提供了一个崭新的信息交流平台。2019/8/14§1虚拟现实概述2、发展历史1929年EdwinLink设计了一种飞行模拟器1965年IvanSutherland设计了一种头戴式图形显示器1972年NolanBushnell开发了一种电子游戏，允许通过电视屏幕操纵一个弹跳的乒乓球80年代中期美国宇航局NASA的Ames研究中心利用液晶显示器和其他零部件开始研制低成本的虚拟现实设备2019/8/15§1虚拟现实概述3、特征指除了一般计算机技术所具有的视觉之外，还有听觉、力觉、触觉、运动感，甚至包括味觉、嗅觉等。又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。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获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度。2019/8/16§1虚拟现实概述4、组成BECDA交互作用（Interaction）视觉(VisualPerception)听觉(AcousticPerception)触觉(HapticPerception)嗅觉（OlfactoryPerception）虚拟现实的组成2019/8/17§1虚拟现实概述5、应用领域1）飞行模拟：飞行模拟是虚拟现实技术应用的先驱。通过模拟器训练飞行员是一条有效的途径，同时，飞行模拟器可以作为一种试验床，对飞机的操纵性、稳定性和机动性进行测试和评定，较容易分析飞机气动参数的修改对飞行品质的影响。2019/8/18§1虚拟现实概述5、应用领域2）医学虚拟现实可以用于教学、复杂手术过程的规划、在手术过程中提供操作和信息上的辅助、预测手术结果等。此外，远程医疗服务也是一个很有潜力的应用领域。也可以用于医学心理学，尤其是在与心理失调有关的恐惧和忧虑疾病方面。2019/8/19§1虚拟现实概述5、应用领域3）虚拟战场虚拟战场既通过建立虚拟战场环境来训练军事人员，同时又可以通过虚拟战场来检查和评估武器系统的性能2019/8/110§1虚拟现实概述5、应用领域4）娱乐、艺术和教育如家庭中的桌面游戏，公共场所的各种仿真等。目前基于虚拟现实技术的游戏主要有驾驶型游戏、作战型游戏和智力型游戏三类。在北京奥运会的开幕式中也用到了虚拟现实的技术。三维沙盘软件：包括各种活动的三维动画展示。电影3D效果：为电影提供逼真，震撼的视觉效果2019/8/111§1虚拟现实概述5、应用领域2019/8/112§1虚拟现实概述6、虚拟现实的分类桌面虚拟现实：利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的交互。特点：参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，但是成本也相对较低，因而，应用比较广泛。2019/8/113§1虚拟现实概述6、虚拟现实的分类沉浸的虚拟现实：高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。特点：•高度的实时性•高度的沉浸感•支持多种I/O交互设备并行2019/8/114§1虚拟现实概述6、虚拟现实的分类增强现实性的虚拟现实：利用增强现实性的虚拟现实来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。例如：战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。2019/8/115§1虚拟现实概述6、虚拟现实的分类分布式虚拟现实：在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。2019/8/116§1虚拟现实概述7、发展趋势动态环境建模技术VR技术的核心内容，其目的是获取实际环境的三维数据，根据需要建立相应的虚拟环境模型实时三维图形生成和显示技术在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率新型交互设备的研制新型、便宜、优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向对模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据智能化语音虚拟现实建模大型网络分布式应用将分散的虚拟现实系统通过网络联结，采用协议和数据库，形成一个在时空上互相耦合的虚拟、合成环境，参与者可自由地进行交互2019/8/117§2虚拟现实硬件基础1、硬件传感手套三维鼠标数据衣触觉与力反馈的装置虚拟现实硬件基础3D位置跟踪器立体显示设备3D声音生成器2019/8/118§2虚拟现实硬件基础1、硬件数据手套2019/8/119§2虚拟现实硬件基础1、硬件3D鼠标：实例2019/8/120§2虚拟现实硬件基础1、硬件立体显示器立体眼镜立体投影设备三维显示器头盔式显示器2019/8/121§2虚拟现实硬件基础2、硬件系统结构人位置传感器头盔显示器立体声耳机数据手套硬件层位置信息声音实时生成触觉实时生成图形实时生成与渲染软件层2019/8/122§3虚拟现实软件技术语言类：如C＋＋、OpenGL、VRML、OGRE等1虚拟环境中采用的软件有四类：2建模软件类：如AutoCAD、Pro/Engineer、CATIA等应用软件类：指用户自己的各种需求，选择或者开发的自用软件4通用的商用工具软件包：帮助用户建立虚拟环境的通用和基本软件2019/8/123§3虚拟现实软件技术1、SmartCollision是一个来自美国和日本科学家共同研发的基于多边形的碰撞检测库和计算机力反馈（计算机触觉）应用驱动引擎，可判断物体是否有穿透能力，不仅可以计算穿透深度，而且还能检测和分析渗透量。更可贵的是它在精确地处理复杂3D曲面体之间的实时碰撞检测分析的同时，还让你的应用程序跑得飞快，这一切使得它在虚拟装配、虚拟维修、虚拟操做、人工智能、地震救援演示碰撞检测分析、虚拟力反馈和计算机触觉等应用领域发挥了巨大的作用，将虚拟仿真应用的开发效率和仿真真实感成佰倍的提高。2019/8/124§3虚拟现实软件技术1、SmartCollision2019/8/125§3虚拟现实软件技术2、Amira强大的自动和交互分割工具能够支持对3D图形数据的处理。创新而快捷的重建算法将使从分割的对象创建多边模型变得简单。此外，生成高质量的四面体栅格非常适用于高级有限元的模拟。模拟的结果和其他数据被定义在多种不同的栅格中，使用一个强大的可是化方法集合可以方便的对其进行研究。Amira在生物、医学和生命科学中的应用Amira在分子表现方面的应用Amira在沉浸式VR系统中的应用2019/8/126§3虚拟现实软件技术3、FreeFromFreeForm是目前全世界第一套能够让设计者在电脑上利用触觉就能完成3D模型设计与建构的计算机辅助设计系统，就好像通过触觉去雕刻黏土一样，可以雕刻设计任何形态的三维造型，再结合电脑CAD的功能，让使用者能够快速且随心所欲地创造出自己想要的模型。触觉设计是所有形态作品创作的要素之一。而触觉式计算机辅助设计则是所有三维造型设计师和工艺美术家们一直以来梦寐以求的设计境界。Freeform完全摆脱了一般3D设计软件的限制，设计师不需要继续在复杂的电脑程序－数学方程式、鼠标与键盘指令、程序化的方法等阻碍下工作，系统提供了我们与真实世界互动的最基本方式－——触觉，你可以通过触感，与您的模型进行直接和自然的互动。例如，一个象恐龙一样复杂的三维数字模型，设计师30分钟就可以解决问题，大大缩短了传统3D设计软件的自作周期，这样，您将拥有更多的时间和精力投身于真正的挑战，将您更多的创意转变为高品质的产品或工艺作品。2019/8/127§3虚拟现实软件技术3、FreeFromSensAble’sFreeForm®Modelingplusbase™系统是一款独特的、三维可触式概念设计系统，该系统能让用户使用当今最有效的和最直观的3D工具轻松建立和清楚地表达设计观念。FreeFormModelingplusbase系统允许设计者迅速而概略地勾画出模型，在决定生成比较细致的模型和物理模型之前用色彩和图片“修饰”或渲染出具有不同设计理念地的测试品。2019/8/128§3虚拟现实软件技术3、FreeFromFreeForm®ModelingPlus™系统是一种独特的3D计算机触觉辅助设计系统，该系统可以使用户迅速地生成细节丰富、原始的模型，从而加速整个产品的开发进程。FreeFormModelingPlus是复杂设计、自由形态之形状、交付可制造模型、快速造型文件及图片-真实渲染的理想工具。该系统特色包括了直觉、3D可触摸的设计工具，这些工具为制造设计的建模人员集成了综合的浇铸部件和模制品骨架功能。2019/8/129§3虚拟现实软件技术4、OpenInventorOpenInventor是目前世界上最被广泛使用的对象导向绘图软件开发接口(API)，对于程序开发者而言OpenInventor具有跨平台的能力，因此只要撰写一份程序代码即可编译成在Unix/Linux和MicrosoftWindows可执行的程序，至于程序开发使用的语言目前支持C++和Java。OpenInventor将开发绘图程序所需要呼叫的复杂函式，转为易于使用的对象，使得绘图程序的建立变得更有效率。另外关于绘图场景的管理可以用数据库的概念来进行，比如开发者可以建立、修改或是将对象组合成3-D的阶层结构(如树状结构)。透过使用这些庞大内建的对象，开发者可将主要时间花在指挥这些对象如何运作与建立其关联性，或是研究领域的仿真运算等。2019/8/130§3虚拟现实软件技术4、OpenInventorOpenInventor软件特色：·具有Multi-Pipe延伸模块支持多执行·具有VolumeViz延伸模块支持VolumeRendering·具有处理LargeModelVisualization的能力·具有处理大型项目所产生大量资料集(DataSets)的能力·具有绘图最佳化的技术达成实时互动(Real-TimeInteraction)的要求·可发展虚拟实境之应用程序(StereoViewing,ImmersiveVR...)2019/8/131§3虚拟现实软件技术4、OpenInventorOpenInventor应用领域：·BusinessGraphics·Cartography·Chemistry·Engineering·VirtualRealityandVRML·AECandSimulations·MechanicalCAEandCAD·ArchitecturalDesign·MedicalandScientificI