什么是虚拟现实又该如何运作ppt课件

1、当他第一次听到VRVirtual Reality这个词时，他的第一反响是什么？他能否联想到某个人带着一个插着密集衔接线与电脑衔接的怪异的头盔？还是被他眼前近视+散光+飞蚊症的影像眼花缭乱头晕目眩？亦或是黑客帝国中被外星人当做生物能源的可怜人类？或者干脆他对这个新奇玩意畏之如虎希望它走开？ 假设他是最后一种情况，那他有点像大部分现如今从事VR行业技术开发的计算机科学家或者工程师一样。今天，所谓的VR虚拟现实更多地是指群众熟知的VEVirtual Environment，也就是虚拟环境。毕竟，在虚拟环境都不够理想的境况下，其它的如多感知、自然技艺、传感设备等连个雏形都没有。因此我们会在下文中用VE

2、和VR互联。即用VE虚拟环境的概念来替代VR虚拟现实的概念抛开两个概念的差别不谈，虚拟环境包含着和虚拟现实一样的经过计算机技术发明一个即时的3D虚拟世界，在这个虚拟世界中用户可以进展操作和探求，产生像在真实世界一样的觉得。科学家，实际家和工程师曾经发明了许多的设备和运用来到达这一目的。虽然他们在关于什么才是构成真正的VR体验上的观念发生分歧，不过大致上都包含如下观念：1 用户视角看来与实物完全一致的3D影像2捕捉用户动作的才干，尤其是头部和眼睛的运动，并且根据用户视角的变化相应地调整呈现给用户的影像。首先我们来看看专家是如何定义虚拟环境的，以沉浸感为出发点。虚拟现实沉浸在一个虚拟现实环境中，用

3、户体验到沉浸感，也就是所谓的觉得到成为虚拟现实环境的一部分。同时用户也可以和他所处的虚拟环境经过有意义的方式交互。沉浸感和交互感的结合统称为临场感Telepresence)。计算机科学家乔纳森斯特尔Jonathan Steuer 将之定义为“与直接的物理环境相比个体处在这种间接的虚拟环境中觉得到真实的程度。换言之，一个有效的VR体验使得他可以忽略外部环境而专注于虚拟环境的存在。乔纳森斯特尔进一步提出了沉浸感的两个重要组成部分：信息深度，信息广度。信息深度指的是用户和虚拟环境交互过程中收到的信号所包含的数据的数量和质量。对于用户来说，信息深度可以表现为显示分辨率，虚拟环境图像复杂性，以及系统音频

4、输出的复杂性等等。斯特尔将信息宽度定义为“同时呈现的感官维度数量。理想的虚拟环境必需同时满足人的一切感官。大部分虚拟环境优先满足满足的是人的视觉感知和听觉感知，不过越来越多的科学家和工程师正在寻觅新的方式来结合触觉感知。给予用户力反响和触觉交互的系统被称为触觉系统Haptic Systems。有效的虚拟现实沉浸感必需使得用户可以探求与现实同步的虚拟环境和360度无缝隙地改动视角。假设虚拟环境中包含某个房间中部的一个基座，用户可以从恣意角度来察看这个基座，而基座的图像随着用户的视角相应变化。VR科技和实际方面的先锋佛瑞德布鲁克斯表示虚拟现实影像必需坚持最少每秒20-30帧才干发明出真实可信的用户

5、体验。 虚拟现实环境当用户探求虚拟环境时虚拟环境系统中的其它感官输出应该根据现实时间调整。假设虚拟环境中包含3D音效，必需使得用户置信他在环境中闪转腾挪所产生的声音的方位转变是自然而然的。当用户沉浸在虚拟环境中的感官刺激必需坚持一致。假设虚拟环境正展现一个绝对静止的场景，他当然不能让用户有被强风吹的觉得。同样地，当虚拟环境中用户处在飓风的中心，他当然不能让用户觉得清风拂面仿佛在玫瑰园中。用户行为和虚拟环境反响之间的迟延时间被称为埋伏期Latency。潜伏期通常指介于用户头部转动或者眼睛挪动与影像变化之间的延迟，而它也可以用来表示其他感知输出的延迟。飞行模拟器的研讨显示人类可以觉察到超越50毫秒

6、的延迟。所以当用户觉察到埋伏期，这会让他留意四处在一个人造环境中从而破坏沉浸感。 当用户感遭到现实世界时也就意味着沉浸感到此为止。真实的沉浸感会让用户忘记周遭的现实环境。为了到达这一目的，VR开发者不得不找出对于用来说更自然的输入方式。只需用户可以感觉到交互设备的存在，就算不上真正的沉浸感。 虚拟现实交互为了让用户真实地沉浸在虚拟环境中，一个关键的要素就在于交互性。早期的虚拟现实运用运用和如今的虚拟环境系一致样的技术来让用户有一个相对的被动体验。用户可以经过穿戴头盔显示器来观看一部早就录好的电影。用户可以坐在一个模拟座椅上观看这些影片，系统会给予他们各种感官刺激，比如往脸上吹气以模拟风。早期的

7、运用智能让用户感遭到某种单一的沉浸感，而不具备交互性，由于并不能处理视角变换的问题。然而早期的探求具有决议性意义，对VR开展的促进功不可没。今天，他可以发现运用一样技术的虚拟过山车。在位于美国弗罗里达州奥兰多的迪士尼探求世界，资助人可以在电子空间中的山岭上设计本人的过山车，然后经过模拟器进展体验。不过由于并不存在交互性，这不能算是一个真正意义的虚拟环境。交互性依赖许多要素。斯特尔从中提出了三点要素：速度Speed、幅度Range、映射Mapping。斯特尔将速度定义为用户行动与计算机模型相结合并反响到用户的频率。幅度指的是计算机模型对于用户行动给出的反响的数量。映射指的是系统对于用户行动所产生

8、的自然技艺。计算机科学家玛丽慧顿指出设计粗糙的交互系统会减少沉浸感的体验。当一个虚拟环境变得有趣且可操作时，用户才会消除本人的疑虑有更大的志愿来沉浸。真实的交互性也包括对环境的修正。一个好的虚拟环境会对用户在合理范围内的有意义的行动作出合理的反映。假设一个虚拟环境的变化稀奇古怪不合常理，会极大的破坏用户的临场感。 虚拟现实设备今天，大多数的虚拟环境系统是由个人电脑搭载。个人电脑有足够杰出的性能来运转和发明虚拟环境的软件。虚拟环境的影像通常需求一个支持高配游戏的高端显卡支持。这个高端显卡显然是个人电脑虚拟环境软件的标配。虚拟环境系统需求经过某种方式来向用户展现影像。许多系统运用一个包含两个分别对

9、应双眼的头盔显示器。头盔显示器的影像通常有立体的效果，使得用户进入深度感知。早期的头盔显示器普通运用CRT显示器或者LCD显示器即液晶显示屏。这两种显示器各有优劣，CRT显示器益处是不错的分辨率和良好的影响质量，害处是体积庞大，LCD显示器价钱廉价本钱低廉但是无法呈现出CRT显示器质量的影像。不过由于技术的开展和提高，LCD显示器在分辨率和颜色饱和度方面获得了长足的提高，因此变得比CRT显示器更主流。 其它的在房间的墙上、地板上、天花板上呈现图像的虚拟环境系统被称为室内虚拟环境CAVE，Cave Automatic Virtual Environment。伊利诺伊大学芝加哥分校设计了世界上第一

10、个CAVE显示，他们利用反面投影技术在房间的墙上、地板上、天花板上呈现影像。用户佩戴上特殊的眼镜可以在CAVE影像中四处挪动以体验完好的室内虚拟环境。CAVE影像给予用户更广大的视野运用户更容易获得沉浸感。CAVE同时也允许一群人实时地分享他们在虚拟环境中的体验不过由于只能捕捉某个用户的视角作为主视角，也就意味着其他人只能是被动的旁观者。比起其它虚拟环境系统，CAVE影像造价更昂贵而且需求更多的空间。 虚拟环境影像呈现技术的关键在于捕捉系统。捕捉系统在对用户的视角方位做出分析判别后再由计算机系统给用户传输准确的图像获得视觉刺激。多数的捕捉系统要求用户在线路衔接的分析系统的范围内活动，限制了用户

11、活动的范围和幅度。捕捉技术的开展要略微滞后于其它VR技术的开展，由于捕捉技术的市场主要是VR领域的关注者。在没有对VR运用和产品的需求支持下，投资者并没有多少兴趣来开展新的捕捉技术。 另外输入设备在VR系统中也非常重要，输入设备的范围从有两三个按钮的控制器到电子手套和声音识别软件不等。在VR体系中还没有一致的控制系统规范。VR科学家和工程师正为了探求出让用户更自然地进展系统输入临场感十足的方式而不懈努力。一些比较普遍的输入设备如下所示：1支配杆Joysticks2力球/捕捉球Force balls/Tracking balls)3手柄Controller Wands4声音识别Voice rec

12、ognition5动作捕捉/捕捉服Motion tracker/bodysuits6Treadmills 虚拟现实游戏科学家正在不断的开展和探索适宜VR用户的生物传感器。生物传感器可以探测和阐明神经和肌肉的运动。在一个精准的生物传感器的支持下，电脑可以探测用户是如何在物理空间挪动并把它转换成虚拟空间中相对应地运动。生物传感器可以和用户的皮肤直接衔接，也可以是经过电子手套或者捕捉服。生物传感器的局限性在于其只能对应某个用户而不能量产。换言之，某个用户的生物传感器假设换成其它用户这没有实践效果。来自北卡大学教堂山分校的玛丽慧顿置信文娱产业是推进VR技术向前开展的最大动力。尤其是电子游戏产业对于工程

13、师们在VR系统中的声音和图形设计做出了宏大奉献。玛丽慧顿最感兴趣的是搭配任天堂Wii模拟器的手柄。Wii手柄不仅可以实现某些捕捉追踪功能，而且对于那些不怎样玩电子游戏人来说也可以轻松上手。由于捕捉和输入设备这两个领域的开展不断落后其它VR技术的开展，Wii手柄对于VR系统的第一次技术新浪潮具有艰苦意义。一些程序师摄像将因特网开展成一个3D的虚拟空间，用户可以经过探求这些虚拟空间来获得信息和文娱。网站可以以三维坐标的方式呈现，使得用户可以更好的进展探求。计算机程序师为此开展了好几种不同的C预言和阅读器，如下所示：1虚拟现实模型言语VRML，Virtual RealityModeling Lang

14、uage最早的3D网络模型言语23DML一种经过安装插件以后用户可以运用大多数阅读器阅读网站3D模型言语3X3D取代VRML作为发明网络虚拟环境规范的言语4COLLADA协同设计作业一种允许3D程序呼唤的格式 当然，许多VR专家以为没有头盔显示器的网络虚拟系统不是真正意义上的虚拟环境。它缺乏沉浸感的关键要素，尤其是捕捉并展现实物大小的影像。 虚拟现实运用在上个世纪90年代早期，公众对于VR的认识有限，无非就是一些被粗糙的翼手龙在棋盘上追逐的简单的块状图像。虽然文娱产业对于虚拟现实运用的兴趣点依然停留在游戏和电影领域，VR系统真正有意思的运用却发生在其它领域。一些建筑师根据他们的建筑方案创建了一

15、些虚拟模型，使得人们可以在建筑物实践建成以前在这些虚拟模型里自在走动。顾客可以在模型里进进出出并提出问题，甚至对建筑设计提出意见。比起微缩模型，虚拟模型可以让他更好的体验建筑物的美感和适用性。汽车公司曾经开场运用虚拟技术来构造新车的虚拟原型，在消费实践的零部件之前进展测试。设计师可以在不破坏整体模型的根底上进展修正，而以前他们只能在实物根底上进展修正，从而大大地提高了效率，降低设计本钱。虚拟环境在军队、太空、医学方面的培训工程中也有运用。军队不断以来都是VR技术有力的支持者和开发者。虚拟训练工程可以包扩从军事驾驶到小组战斗等内容。从整体而言，比起其它培训工程，VR系统不仅更加平安，而且从长久思

16、索，更加省钱。经过深度VR训练的士兵也比传统军事训练的士兵更有效率。在医学方面，从业人员可以运用虚拟环境培训从手术治疗到诊断病人的一切工程。外科医生不仅曾经运用虚拟现实技术来进展培训和教育还经过机器人安装进展远程手术。世界上第一例1988年发生在巴黎的一家医院。运用VR技术进展机器人手术面临的最大挑战在于埋伏期，由于如此精细的手术过程中任何的延迟对于外科医生来说都是无法接受的。而且这种系统也需求给患者提供良好的手术过程和术后效果。 VR技术在心思治疗方面的运用同样有趣。来自艾莫利大学的芭芭拉萝特鲍姆和乔治亚理工学院的拉瑞侯杰是运用虚拟环境治疗恐惧症和其它心思疾病的先锋。他们运用虚拟环境作为一种

17、暴露疗法，病人在遭到控制的条件下被暴露在那些使他们感到苦楚的刺激物下。比起传统的暴露疗法，VR技术支持的暴露疗法有两大优点：更加便利并且病人更情愿尝试这种疗法，由于病人知道他们不是出在真实世界中。他们的研讨直接促成了Virtually Better公司的成立，公司已经在14个国家向医生出卖VR心思治疗系统。 虚拟现实面临的挑战和问题虚拟现实领域面临的挑战主要有三方面：开展处更好的捕捉系统，寻觅到用户与虚拟环境更自然的交互方式，减少创建虚拟空间的延迟时间。虽然有几家从VR开展早期的捕捉系统公司曾经遍及全球，但是大多数公司的规模还是偏小并且昙花一现。同样地，在为VR运用效力的输入设备领域也没有几家

18、公司。大多数的VR开发人员不得不依赖来源于其它行业的技术开展再将其援用到VR领域，因此他们不得不希望这些发明此类技术的公司停留在商业用途。在发明虚拟世界时，需求大量的时间来发明一个可信度高的虚拟环境虚拟环境越真实，破费的时间就越多。在虚拟空间中准确地复制一个真实的房间通常要破费一个程序小组超越一年的时间。虚拟环境系统开发者还面临着另外一种挑战：如何防止差劲的人体感知。许多虚拟环境系统依赖各种硬件从而妨碍了用户的体验或者限制了用户的选择。假设没有设计巧妙的硬件，用户的感知会大打折扣，轻那么出现愚钝降低临场感，重那么伴随着迷失和眩晕的电子病病症。并不是一切的VR用户都有电子病的风险，有些人能够可以

19、在虚拟环境中待几小时啥事没有，有些人能够几分钟就恶心呕吐。一些心思学家对沉浸在虚拟环境中导致用户出现心思问题表示担忧。他们表示假设虚拟环境系统让用户处在暴力环境中，尤其是长时间处在暴力中，能够导致用户变得麻木不仁。现实上，还有人担忧虚拟环境系统能够培育出反社会的一代。其他人倒是没有这么敏感，不过他们担忧逼真的虚拟体验会导致电子沉浸。毕竟曾经出现了不少关于游戏玩家由于沉浸网络游戏而忽略生活的新闻故事。虚拟环境体验显然更容易令人沉浸。 虚拟现实简史虽然群众直到20世纪90年代才留意到，虚拟现实的概念可以追溯到好几十年前。在20世纪50年代中期，一位名叫摩登海里戈的摄影师想象一种全新的观影体验：调到

20、观众一切的感官，使得他们更好地融入电影故事。1960年他发明了一种被称为传感影院Sensorama包含立体影像、风扇、嗅觉安装、立体扬声器、挪动椅的单人用安装。他还发明了一种可以让用户以3D方式观看电视的头戴电视安装。虽然用户运用这些安装只是获得被动的电影体验，但是海里戈的想法成为了以后VR领域的先锋概念。1961年PhilcoCorporation的工程师发明了世界上第一个HMD，称之为“Headsight。这个头盔包含一个电子显示屏和捕捉系统并衔接到一个相近的电路摄影系统。他们期望这些头盔可以运用在一些危险的环境中，用户可以经过转动头部调整摄影角度在远处察看这些环境。他们把HMDs和红外相机搭配在一同装在直升飞机的底部，使得直升飞机在黑暗中飞行时也能有一个良好的视野。 1965年，一位名叫伊凡苏泽兰虚拟现实之父的计算机科学家提出了一种被他称为“Ultimae Display的想象安装。经过这个安装，用户可以看到一个和他居住的真实世界一模一样的虚拟世界。这次预期也成为了VR领域几乎偶有开展的先行概念。苏泽兰的概念包括：1一个经过HMD观看和3D音效、触觉刺激加强对任何察看者都看上去真实的虚拟世界2一台实时坚持这个虚拟世界的计算机3用户可以