虚拟现实技术

虚拟现实技术,主要内容,概念发展历程特点研究内容虚拟现实系统开发过程典型的虚拟现实系统虚拟现实应用领域,虚拟现实 虚拟现实（“Virtual Reality”简称VR），又称灵境技术，是以浸没感、交互性和构想为基本特征的计算机高级人机界面。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其他客观限制，感受到在真实世界中无法亲身经历的体验。VR技术具有超越现实的虚拟性。,定义,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、身临其境的感觉。,定义,发展历程,1961年，Morton Heilig的设想-体验剧场（Sensorama），以布鲁克林街道为背景，模拟漫步的感受-先驱者1965年，计算图形学之父Ivan Sutherlang发表论文“终极的显示”，提出“应将计算的显示屏进化为观看虚拟世界的窗口”次年，他开始研制第一个头盔显示器， 1970年，在犹他大学成功演示了它的功能。其他成就：用计算机生成的图形代替了摄制图像，并开始设计场景生成器-图形加速卡,发展历程,70-80年代，美国军方投巨资研究“飞行头盔”和其他军用仿真器，成为虚拟现实技术发展的主要推动力。1981年，美国国家航空和宇宙航行局（NASA）制作了当时最先进的液晶显示器头盔。80年代中期，J.Zimmermn 和Jaron.Lanier发明了数据手套。 1989年组建VPL Research公司同年Jaron Lanier在文章中正式使用虚拟现实这一术语。,VR特点,新型的人机交互接口1计算机提供环境, 不是数据, 信息。这改变了人机接口的内容。2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。这改变了人机接口的形式。3逼真的感知和自然的动作，使人产生身临其境的感觉。这改变了人机接口的效果。,VR特点,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。,虚拟现实的技术,1VR的人机接口2VR的计算机系统3VR的建模和仿真,VR的人机接口,作用：其一是给人类操作者提供环境信息（视觉、听觉和触觉）， 其二是感觉人类操作者的动作和响应（位置跟踪和映射）。前者包括：视觉通道、听觉通道、触觉通道、运动接口和其他接口。后者包括：位置跟踪和映射，语音识别等。,VR的人机接口,（1）触觉通道触觉通道给人体表面提供触觉和力觉。（2）视觉通道视觉通道给人的视觉系统提供图形显示。（3） 听觉通道听觉通道给人的听觉系统提供声音显示。,VR的人机接口,（4） 运动接口人体在环境中的运动包括：身体的被动运动(被动移动，如在车上的运动)，身体主动运动（漫游，如散步）。（5）位置跟踪和映射位置跟踪和映射用于测量人体各部位的位置和姿态，分析判断人面部的表情。（6） 其它类型接口其它类型接口包括：嗅觉、味觉通道，以及感觉热、风及湿度的接口。,相关硬件设备,显示/输出设备 1。VR数字头盔（HMD）最为常用的设备之一,显示/输出设备,2。投影系统抛物线投影系统 全方位投影实验室,输入设备,数据手套,输入设备,运动捕捉器,VR的计算机系统,现有的VR的计算机系统主要考虑视觉通道的要求。（1） 硬件视觉通道对计算机系统的要求，首先是要求维持足够的图形帧速率。于是要求在指定的时间内（约为0.1秒）计算出两眼的两幅图像。同时要求提供足够好质量的图像，这一般体现在图像中显示的多边形或三角形的树木。因此，往往需要专用硬件。图形硬件应提供快速几何变换、截取、消隐、多边形填充和表面纹理。,VR的计算机系统,（2） 软件VR系统中的软件主要包括下列几种。交互软件利用人机控制设备的输出去修改VE。视觉漫游软件控制用户在VE中运动时看到的场景。建模软件定义虚拟物体形状、外观和属性的模型。操作系统支持VE的实时多模态要求。（3） 网络分布式交互仿真已经成为现代仿真技术，特别是军事仿真的潮流。通讯网络可以把VE转换成共享的分布式计算环境。,虚拟环境的分类,第一种情况是模仿真实世界中的环境。要求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。-系统仿真。 第二种情况是人类主观构造的环境。环境是虚构的，几何模型和物理模型就可以完全虚构。 -三维动画。第三种情况是模仿真实世界中的人类不可见的环境。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。对于空气中速度这类不可见的物理量，可以用流线显示速度-科学可视化。,VR的建模,几何建模和物理建模 一般的VR工具软件都具有几何建模功能。利用现有的CAD建模工具也是常用的方法。市场上已有商业模型库出售。对实际物体的建模，则采用激光扫描等专用设备。 物理建模是基于物理方程的建模。一般考虑刚体建模，链接物体的建模，以及非刚体的建模。智能体的建模不是基于物理方程，而是基于人为的物体智能。,VR仿真,图形绘制和三维动画 图形绘制是把三维环境，相对于虚拟摄像机（虚拟视点）投影，形成图像的过程。为了提供连续运动的错觉，帧速率必须大于每秒8到10帧。为了保持瞬间交互控制的错觉，响应时间的延迟必须小于0.1秒。为了绘制人眼可分辨的所有细节，这要求有8千万个多边形。这是对于图形绘制的要求。然而，用今天的硬件，每个画面8千万多边形的系统对真正的实时交互是太慢了，于是存在真实图像与实时交互间的折衷。某些应用（如建筑和艺术）可能要求照片一样真实的绘制。制造和医疗应用要求更高层次的实时交互。,VR仿真,三维动画可以用两种途径实现。基于物理模型的数值计算是一种方法。军事和工业等应用，往往要求这种满足物理规律的仿真技术。数学插值则是另一种实现动画的方法。这种技术在三维动画电影中获得了巨大的成功。,典型的VR系统,桌面系统沉浸式系统分布式系统,VR系统开发过程,虚拟天大的制作首先使用3DMAX进行建模并赋予材质；其次在3DMAX中进行场景的组装；最后在VRMLPAD里设置各种特殊效果 ；,应用领域,1娱乐2国防3设计、制造和销售4医疗和健康5危险操作6训练7教育8信息可视化9远程交往与远程游历,虚拟现实领域的新技术,遥操作 (Teleoperator) 系统包括人类操作者、人机接口和遥机器人。增强现实(Augmented Reality, AR)系统中，则组合了虚拟环境和真实环境。基于图像的造型和绘制（Image Based Modeling and Rendering, IBMR）基于图像的造型（Image Based Modeling） 就是通过分析真实世界中三维物体的二