第1章_虚拟现实技术概述

1-1虚拟现实技术及应用1-2第1章虚拟现实技术概论1.1虚拟现实技术的发展史1.2虚拟现实技术的概念1.3虚拟现实技术的特征1.4虚拟现实系统的分类1.5虚拟现实技术的应用领域1.6虚拟现实技术的研究现状1-3虚拟现实技术虚拟现实技术（VirtualReality）简称VR技术，是20世纪末逐渐兴起的一门综合性信息技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体、传感器、网络以及并行处理等多个信息技术分支的最新发展成果。1-41.1虚拟现实技术的发展史•1929年，EdwardLink设计出用于训练飞行员的模拟器，，使乘坐者的感觉和坐在真的飞机上是一样的。。1-5•1956年，MortonHeilig开发出摩托车仿真器Sensorama，Sensorama具有三维显示及立体声效果，并能产生振动和风吹的感觉。1-61.1虚拟现实技术的发展史•1965年，IvanSutherland发表论文“UltimateDisplay”（终极的显示）1965年，IvanSutherland在篇名为《TheUltimateDisplay》（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。•1966年，美国的MIT林肯实验室在海军科研办公室的资助下，研制出了第一个头盔式显示器(HMD)，随后又将模拟力和触觉的反馈装置加入到系统中。•1967年，美国北卡罗来纳大学开始了Grup计划，研究探讨力反馈(ForceFeedback)装置。该装置可以将物理压力通过用户接口引向用户，可以使人感到一种计算机仿真力。1-7•1968年，IvanSutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器（HeadMountedDisplay，HMD）1-81.1虚拟现实技术的发展史•1972年，NolanBushnell（IvanSutherland学生）开发出第一个交互式电子游戏Pong，在一台机器上模拟乒乓球，•1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第一个数据手套——SayreGlove•20世纪80年代，美国国家航空航天局（NASA）组织了一系列有关VR技术的研究：1984年，NASAAmes研究中心的M.McGreevy和J.Humphries开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器；1987年，JimHumphries设计了双目全方位监视器（BOOM）的最早原型。1-91.1虚拟现实技术的发展史•1990年，在美国达拉斯召开的Siggraph会议上，明确提出VR技术研究的主要内容包括实时三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术，为VR技术的发展确定了研究方向。•从20世纪90年代开始，VR技术的研究热潮也开始向民间的高科技企业转移。著名的VPL公司（发出第一套传感手套命名为“DataGloves”，第一套HMD命名为“EyePhones”。•20世纪90年代，迅速发展的计算机软件、硬件系统使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能，越来越多的新颖、实用的输入输出设备相继进入市场，而人机交互系统的设计也在不断创新，这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。其中，利用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近几年来又一件引起科技界瞩目的伟大成果。1-10•1994年3月在日内瓦召开的第一届大会上，首次正式提出了VRML这个名字。后来又出现了大量的VR建模语言，如：X3D，Java3D等。•1994年，BurdeaG和Coiffet出版了虚拟现实技术一书，在书中他用3I（Imagination、Interaction、Immersion）概括VR的三个基本特征。•进入21世纪后，VR技术更是进入软件高速发展的时期，一些有代表性的VR软件开发系统不断在发展完善，如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。1-111.2虚拟现实技术的概念虚拟现实技术是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。VR让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行操作，并能提供视觉听觉触觉等直观自然的实时感知。1-121.2虚拟现实技术的概念个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。。1-13虚拟现实交互设备•在VR系统中，有许多有趣的、功能不同的专用设备，下面选一些代表性的设备加以介绍。•显示设备：•头盔显示器1-14•BOOM可移动式显示器：它是一种半投入式视觉显示设备。使用时，用户可以把显示器方便地置于眼前，不用时可以很快移开。BOOM使用小型的阴极射线管，产生的像素数远远小于液晶显示屏，图像比较柔和，分辨率为1280×1024像素，彩色图像。•Crt终端-液晶光闸眼镜•大屏幕投影液晶光闸眼镜1-15•2.操作设备•数据手套•力矩球•操纵杆•触觉反馈•力学反馈•TELETACT手套•它是一种用于触觉和力觉反馈的装置，利用小气袋向手提供触觉和力觉的刺激。这些小气袋能被迅速地加压和减压。当虚拟手接触一件虚拟物体时，存储在计算机里的该物体的力模式被调用，压缩机迅速对气袋充气或放气，使手部有一种非常精确的触觉。•数据衣•为了让VR系统识别全身运动而设计的输入装置。数据衣对人体大约50多个不同的关节进行测量，包括膝盖、手臂、躯干和脚。通过光电转换，身体的运动信息被计算机识别。通过BOOM显示器和数据手套与虚拟现实交互数据衣1-161.3虚拟现实技术的特征VR技术的三角形•交互性（Interactivity）•沉浸感（Immersion）•想象力（Imagination）1-171.3虚拟现实技术的特征VR技术的交互性：•指用户对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度（包括实时性）。•主要借助于各种专用设备（如头盔显示器、数据手套等）产生，从而使用户以自然方式如手势、体势、语言等技能，如同在真实世界中一样操作虚拟环境中的对象。1-181.3虚拟现实技术的特征VR技术的沉浸感：•又称临场感，是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。•VR技术最主要的特征。•VR的“沉浸感”特性使它与一般的交互式三维图形有较大的不同：用户可以沉浸于数据空间，可以从数据空间向外观察，从而可以使用户能以更自然、更直接的方式与数据交互。利用沉浸功能，使用户暂时与现实隔离，投入到虚拟环境中去，从而能更真实地注视数据。VR界面也可以给技术人员及创作人员提供真实数据，以便正确创建虚拟环境，这样有助于用户更快、更全面地分析理解数据。因此，VR技术将从根本上改变人与计算机系统的交互操作方式。1-191.3虚拟现实技术的特征VR技术的想象力：•指用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未来进展进行想象的能力，随意构想客观不存在或不可能发生的环境。•对适当的应用对象加上虚拟现实的创意和想象力，可以大幅度提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。1-201.4虚拟现实系统的分类1.4.1桌面式VR系统（DesktopVR）1.4.2沉浸式VR系统（ImmersiveVR）1.4.3增强式VR系统（AugmentedVR）1.4.4分布式VR系统（DistributedVR）1-211.4虚拟现实系统的分类1.4.1桌面式VR系统•使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互场景。•用户会受到周围现实环境的干扰而不能获得完全的沉浸感，但由于其成本相对较低，桌面式VR系统仍然比较普及，与一般用户接过。•最大的优点：便宜。1-221.4虚拟现实系统的分类1.4.2沉浸式VR系统•利用头盔显示器、洞穴式显示设备和数据手套等交互设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为VR系统内部的一个参与者，产生一种身临其境、全心投入并沉浸其中的体验。系统中有个用户的替身。用户在系统外面，用户与替身在感觉上有一个距离，这个距离越小。沉浸感超强，当用户与替身完全重合是。用户就完全进入到系统中了•与桌面式VR系统相比，沉浸式VR系统的主要特点在于高度的实时性和沉浸感。1-231.4虚拟现实系统的分类1.4.3增强式VR系统•允许用户对现实世界进行观察的同时，将虚拟图像叠加在真实物理对象之上。•为用户提供与所看到的真实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强用户对真实环境的感受，又被称为叠加式或补充现实式VR系统。•可以使用光学技术或视频技术实现。1-241.4虚拟现实系统的分类1.4.4分布式VR系统•指基于网络构建的虚拟环境，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。•主要被应用于远程虚拟会议、虚拟医学会诊、多人网络游戏、虚拟战争演习等领域。1-251.5虚拟现实技术的应用领域1.5.1教育与训练1.5.2设计与规划1.5.3科学计算可视化1.5.4商业领域1.5.5艺术与娱乐1-261.5虚拟现实技术的应用领域1.5.1教育与训练虚拟现实技术能使学习者能直接、自然地与虚拟对象进行交互，以各种形式参与事件的发展变化过程，并获得最大的控制和操作整个环境的自由度。1、仿真教学与实验2、特殊教育3、多种专业训练4、应急演练和军事演习1-271.5虚拟现实技术的应用领域1.5.2设计与规划虚拟现实已被看作是设计领域中唯一的开发工具。它可以避免传统方式在原型制造、设计和生产过程中的重复工作，有效的降低成本，应用领域包括汽车制造业、城市规划、建筑设计等。1-281.5虚拟现实技术的应用领域1.5.3科学计算可视化科学可视化的功能就是将大量字母、数字数据转换成比原始数据更容易理解的各种图像，并允许参与者借助各种虚拟现实输入设备检查这些“可见的”数据。它通常被用于建立分子结构、地震以及地球环境等模型。计算机中的海量数据都是抽象的。从这些数据是看不出什么结果来的。但是如果把这些数据通过VR建立一个直观的模型呢。1-291.5虚拟现实技术的应用领域1.5.4商业领域VR技术被逐步应用于网上销售、客户服务、电传会议及虚拟购物中心等商业领域。它可以使客户在购买前先看到产品的外貌与内在，甚至在虚拟世界中使用它，因此对产品的推广和销售都很有帮助。如现在网上购物，我们看到的是都是照片，可能有好多张，正面的，侧面的，最多可能是多了几段视频。但这些可能都是平面的。如衣服，但如果用VR呢，我们就可以全方面的了解所购物品发概貌，如衣服还可以把它穿在一个替身身上，如同在商店的模特一样，比商店更高的是这个模特是活的，就如同自己穿在身上一样马上就可以看到效果。再如购房，一种方法就是一家一家楼盘跑，如果是现房还可以看到房子，如果是期房的话，就只能看到模型了，如果使用VR不管是现房还是期房，都可以看到实际效果了1-301.5虚拟现实技术的应用领域1.5.5艺术与娱乐VR技术所具有的身临其境感及实时交互性还能将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的形式，使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术，包括虚拟画廊、虚拟音乐厅、文物保护等方面。游戏娱乐可能是VR最广泛的一个应用领域了，从最初的文字MUD游戏，到二维游戏、三维游戏，再到网络三维游戏，游戏在保持其实时性和交互性的同时，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加强…玩游戏最重要的就是实时与互动，而虚拟现实可能就是游戏的最高境界了，市场上已经推出了多款VR环境下的电脑游戏，带给游戏者强烈的感官刺激。1-311.6虚拟现实技术的研究现状1.6.1国外的研究现状•美国是VR技术的发源地，有美国宇航局（NASA）、麻省理工学院（MIT）媒体实验室、华盛顿大学人机界面技术实验室