第一讲虚拟现实技术的发展118

漫步虚拟现实世界VirtualRealityEmail:[e-mail]主讲:吴学文厦门理工学院课程内容第一讲概述第二讲网络虚拟环境的基本理论和技术第三讲虚拟世界与真实生活第四讲虚拟世界的机遇和困惑第五讲虚拟世界与区域可持续发展第六讲XML的概述及基本知识第七讲X3D程序设计考核办法•平时表现:10%•平时作业:30%•期末报告:60%虚拟现实技术概述VirtualReality厦门理工学院主要内容1虚拟现实技术的发展史2虚拟现实技术的基本概念3虚拟现实系统的分类4虚拟现实的相关技术及软件5虚拟现实技术的应用前言虚拟现实技术(VirtualReality,VR)是一门综合性信息技术，该技术融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体、网络等多个信息技术分支的最新发展成果，涉及众多研究和应用领域，被认为是21世纪最重要的发展技术和影响人们生活的技术之一。1虚拟现实技术的发展史需求牵引技术推动古希腊著名哲学家柏拉图《理想国》第七卷：洞穴喻AllegoryoftheCaveinPlato'sRepublic我们对真实世界的认知想法不是现实本身，而是我们大脑创造的关于现实的概念。CAVEAutomaticVirtualEnvironment芝加哥的伊利诺伊大学创造了世界上第一个洞穴状虚拟环境并在1992年的SIGGRAPH会议上进行了演示。虚拟现实技术史前史虚拟现实技术史前史清明上河图•1962年，参加过二战的美国青年MortonL.Heilig发明了实感全景仿真机——体验剧场（sensorrama)。•以美国布鲁克林街道为背景，建立一个模拟系统，再现在这条街道上漫步的感觉。实感全景仿真机SensorramaMortonL.Heilig(1926-1997)(Thefatherofvirtualreality)IvanEdwardSutherlandSketchpad(1962）Sketchpad终极显示•1965年Sutherland教授提出“UltimateDisplay”的想法，他希望通过计算机图形的显示，人们可以进入爱丽斯的梦游仙境，并感受到如同处于一个真实的环境。首次提出了包括具有图形显示、力反馈以及声音提示的虚拟现实系统基本思想。世界上第一个头盔显示器系统IvanEdwardSutherland（麻省理工学院林肯实验室1966-1970）设计者：RichSayre、ThomasDeFanti及DanielSandin年代：1977年原理：利用低价光电组件侦测手指弯曲程度（软管弯曲度影响透光量多寡，可转换成电压变化）。杰伦·拉尼尔：《时代》周刊2010年100位最具影响力的人。拉尼尔具有多种角色——计算机科学家、艺术家（作曲与表演）、哲学家（《你不是一个器件》的作者）。20世纪80年代提出了“virtualreality”Datagloves\EyePhonesVirtualrealityVPL公司创始人JaronLanier一次重要的会议1990年,美国达拉斯召开Siggraph会议上，明确提出VR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的发展确定了研究方向。VirtualReality:虚拟实在、灵境、临境、虚拟现实？虚拟实在：金吾仑教授从哲学实在论角度，把VR译成虚拟实在。他认为，世界的现象是现实，但不一定是实在。“实在在不同的条件和场合下将展开不同的现实，大至虚拟世界，虚拟城市，虚拟企业，虚拟图书馆；小至虚拟分子，虚拟细胞等等”。（1996）Virtualreality在中国临境：朱照宣教授等则从人的感觉、经验，从现象论角度，建议采用“临境”一词，即VR是表达身临其境、临摹出来的“境”。他认为，VR既虚又实，虚少实多，按此可理解：VR在功能上和Reality一样，但又不是真正的Reality。“虚拟现实”的译法反映了这个意义，但“虚”又不宜太强调。而常译的“灵境”，又不适合于科技用语；所以，采用“临境”译法（1997）。虚拟境象：王可和钱玉趾，则从中国的文字学、文艺理论出发，建议采用“电象”或“虚拟境象”等意译。王可认为，中文的“万象更新”，“景象”中的“象”字，表达的就是抽象的或虚拟的实在；再结合VR的物理基础（实在），即电子、电场和电波，即可译为“电象”；钱玉趾认为，在文艺理论中，“象”指个别的物象与事象；“境”指一定的生活场景，也可以说由单个象或若干象构成的场景。这样，一种境象就可以是客观外界，大至世界、小至细胞的一种真实存在。所以，可译为“虚拟境象”。（1997）VirtualReality:虚拟现实•从计算机技术视角，虚拟现实一般定义为包括软件、硬件(头盔、数据手套、三维鼠标、数据库等)和参与者共同组成的一个计算机环境。在该环境中，参与者可以多感觉地(视觉、听觉、力觉、触觉等)与计算机产生的三维世界进行交互作用。•从人的心理经验上，虚拟现实是表示人在某种虚拟环境中的在场感觉，或远距离在场感觉(如远距离控制或操作)。该定义认为虚拟现实的关键是人的在场感觉和经验。2虚拟现实技术的概念虚拟现实技术虚拟现实技术是指利用计算机生成的一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境当中，使用户与该环境直接进行自然交互的技术。一个虚拟现实系统的目标就是让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作，同时提供视、听、触等多种直观而又自然的实时感知。典型的VR系统结构图一个典型的VR系统主要由计算机软、硬件系统（包括VR软件和VR环境数据库）和VR输入、输出设备等组成。其中，计算机是VR系统的心脏，负责构建虚拟世界和实现人机交互。虚拟现实系统的硬件设备¾跟踪定位设备¾立体显示设备¾手部数据交互设备¾虚拟声音输出设备¾其他交互设备跟踪定位设备跟踪定位技术通常使用六个自由度(6DegreeOfFreedom,6DOF)来表征跟踪对象在三维空间中的位置和朝向。这六种不同的运动方向包括沿x,y,z坐标轴的平移和旋转。常用的跟踪定位技术有电磁波、超声波、光学、惯性和图像提取等几种方法。典型工作方式：由固定发射器发射出信号，该信号被附在头部或身上的传感器截获，传感器接收到信号后进行解码送入计算机进行处理，然后确定发射器与接收器的相对位置及方位。Polhemus公司80000￥以上电磁波跟踪器：发射器接收器磁场驱动电路处理器检测电路超声波跟踪器：发射器发出高频超生波脉冲，由接收器收到信号的时间差、相位差或声压差，从而确定跟踪对象的距离和方位。光学跟踪器：利用固定的传感器（照相机或摄像机）对移动的发射器（如发光二极管）进行追踪，或者发射器是固定的，传感器是移动的。立体显示设备在虚拟世界中，沉浸感主要依赖于人类的视觉感知，因此三维立体视觉可以说是虚拟现实技术的第一传感通道，专业的立体显示设备可以增强用户在虚拟环境中视觉沉浸感的逼真程度。同时显示技术：同时显示两幅不同光波长的图像，通过滤光使用户的左右眼只能看到对应的图像（分色显示；分光显示；光栅显示）。分时显示技术：在显示屏上以一定的频率交替显示同一场景的立体图像对，用户以相同频率同步切换立体眼镜观察图像。双眼立体视觉左眼中央眼右眼双眼单视左眼右眼MPO1O2P1M2M1P2全息圆如果P1O1M1=P2O3M2P1、P2为相应点左眼右眼左视图右视图立体虚像视平面PABC左眼右眼立体感形成原理双眼视差立体呈像分色显示技术分光显示技术偏振成像偏振眼镜光栅显示固定式头盔式手持式立体显示设备台式投影式三维显示器立体显示设备种类封闭式通透式固定式立体显示设备台式立体显示设备多屏式单屏式投影式立体显示设备墙式投影系统桌式投影设备洞穴式投影设备世博会国家电网馆三维显示器：直接显示虚拟三维影像的显示设备，用户无需戴立体眼镜等装置就可以看到立体影像。1）在普通的显示屏上附着特殊的图层和滤光器来替代立体眼镜的效果，使用户双眼各自接收不同的影像。2）利用投影机把同一物体的多幅不同二维影像闪烁投影在显示屏上，同时屏幕快速旋转，观看者大脑就会将不同画面拼合而成三维物体影像。3）显示器由几十个超薄的屏幕叠置而成，每个屏幕快速依次闪烁，由此流畅地组成三维影像。头盔式立体显示设备头盔显示器（Helmetmounteddisplay,HMD）是虚拟现实系统中普遍采用的立体显示设备，通常固定在用户的头部，随着头部的运动而运动，并装有位置跟踪器，能够时实的测头部的位置和朝向，并输入到计算机中。计算机根据这些数据生成反映当前位置和朝向的场景图像。显示屏上的图像由计算机分别驱动形成左右眼图像。头盔显示器包含的主要部件：显示器部件：负责显示由计算机显示的图形图像。透镜和光学系统：放大显示器产生的影像，将近处物体放大到远处光赏，达到全像视觉。位置方向跟腙器：跟踪头部方向和位置。立体声产生器：产生立体声音外壳：支撑显示器和光学部件，牢固定位头盔。头盔显示器主要技术指标：VR1280(VirtualResearchSystem）分辨率：1280*1024视场：60度瞳距：52-74毫米（可调整）重量：0.8kg价格：17万元头盔显示器种类：根据透射率不同，HMD：封闭式：透射率为0，用户与真实世界完全隔离，只能看到计算机生成的虚拟图像。通透式：透射率为20-50%，将虚拟世界叠加到真实世界，用户可以看到虚拟世界与真实世界的合成图像。手持式立体显示设备手持式立体显示设备屏幕很小，利用某种跟踪定位技术和图像传输技术，实现立体图像的显示和交互作用，将额外的数据增加到真实视图中。手部数据交互设备数据手套一种戴在用户手上的传感装置，用于检测手部的活动，并向计算机发送相应的数据信号，从而驱动虚拟手模拟真实手的动作，即用户手部动作映射同步映射到虚拟现实系统的虚拟手上，从而实现三维定位和手势识别等工作。数据手套把光导纤维和一个三维位置传感器绕在一个有弹性的手套上，每个手指的关节去都有分布有纤维，用以测量手指关节的位置和弯曲。当关节运动时，光纤受到压迫变形将导致光的传输方向发生变化，可以用一个检测器测量出光输出的变化和折损，然后经由控制器综合后送入计算机。数据手套还包括一个六自由度的探测器，用以检测手的位置、方向以及手指、大拇指和手腕的相对运动。空间球一种可以提供6自由度的桌面设备，安装在小型的固定平台上，可以扭转、挤压、拉下、拉出和来回摇摆。一般采用发光二极管和光接收器来测量力，通过装在球中心的张器测量出手所施加的力，并将测量值转为六个自由度的值送入计算机。计算机根据这些值而改变显示图像。三维鼠标类似于标准的计算机鼠标，但当它离开桌面后就成为一个六自由度探测器。Logitech3D鼠标利用内构式超声波接受器和具有发射器的固定基座来测量鼠标离开桌面后的位置和方向。Logitech3D鼠标虚拟声音设备固定式声音设备：扬声器耳机式声音设备：耳机其它交互设备触觉和力反馈设备触觉是人们从客观世界获取信息的重要传感器渠道之一，它由接触反馈感知和力反馈感知两大部分组成。接触感知指人与对象接触所得到的全部感觉，是触觉、压觉、振动觉、刺痛觉等皮肤感觉的统称。接触反馈代表了作用在人皮肤上的力。力反馈是作用在人的肌肉、关节和肌腱上的力。力反馈操纵杆接触反馈手套力反馈手套三维扫描仪三维扫描仪（3DScanner)的功能是通过扫描真实模型的外观特征，构造出该物体对应的计算机模型，通常分为激光式、光学式和机械式3种类型。其中三维激光扫描仪最为广泛，数据处理步骤：数据采集、数据预处理、几何重建、模型可视化等4个步骤。激光三维扫描仪是用向物体发射一束激光，然后由内置的摄像机从不同角度记录下物体各个截面的轮廓信息，内置的高性能跟踪定位器将记录下三维扫描仪的位置和方向上的变换信息，最后由相应的软件处理获得三维模型。三维激光扫描仪虚拟现实系统的特点1交互性(Interactivity)3构想性(Interactivity)2沉浸感(Immersion)神经漫游者美国著名的科幻小说家威廉·吉布森《神经漫游者》1交互性(Interactivity)VR的交互性是指用户对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚