虚拟现实系统概述

第十四章虚拟现实系统

1.什么是虚拟现实

2.虚拟现实系统的组成

3.全景视频系统第十四四章虚虚拟现现实系统统1.什什么么是虚拟拟现实虚拟现实实，VitualReality（VR）。于于1989年年被提出出。它通常是是指用立立体眼镜镜和传感感手套等等一系列列传感辅辅助设施施来实现现的一种种三维现现实，人人们通过过这些设设施以自自然的技技能（如如头的转转动、身身体的运运动等））向计算算机送入入各种动动作信息息，并且且通过视视觉、听听觉以及及触觉设设施使人人们得到到三维视视觉、听听觉及触触觉等感感觉世界界。虚拟现实实最重要要的目标标：真实实的体验验和方便便自然的的人机交交互。能能够达到到或者部部分达到到这样目目标的系系统称为为虚拟现现实系统统。1.1基基本概念念第十四四章虚虚拟现现实系统统1.什什么么是虚拟拟现实与虚拟现现实有关关的内容容已经扩扩大到与与之相关关的很多多方面，，虚拟现现实的不不同形式式或术语语：人工实现现（ArtificialReality）遥在（Telepresence））虚拟环境境（VirtualEnvironment））赛伯空间间（Cyberspace））1.1基基本概念念第十四四章虚虚拟现现实系统统1.什什么么是虚拟拟现实虚拟现实实系统就就是要利利用各种种先进的的硬件技技术及软软件工具具，设计计出合理理的硬件件、软件件及交互互手段，，使参与与者能交交互式地地观察和和操纵系系统生成成的虚拟拟世界。。从概念上上讲，任任何一个个虚拟现现实系统统都可以以用三个个“I””来描述述其特性性：沉浸（Immersion））交互（Interactive）想象（Imagination）1.2虚虚拟现实实系统的的特性第十四四章虚虚拟现现实系统统1.什什么么是虚拟拟现实首先，要要使参与与者有““真实””的体验验，这种种体验就就是沉浸浸或投入入。理想情况况下虚拟拟环境应应该达到到使用户户难以辨辨别真假假的程度度。为了了达到这这个目标标，就必必须具有有多感知知的能力力，理想想的虚拟拟现实系系统应该该具有人人类所具具有的一一切感知知能力，，包括视视觉、听听觉、触触觉，甚甚至味觉觉和嗅觉觉。1.2虚虚拟现实实系统的的特性第十四四章虚虚拟现现实系统统1.什什么么是虚拟拟现实第二，系系统要能能提供方方便的、、丰富的的、主要要是基于于自然技技能的人人机交互互手段。。这些手段段使得参参与者能能够对虚虚拟环境境进行实实时的操操纵，能能从虚拟拟环境中中得到反反馈的信信息，也也能使系系统了解解参与者者关键部部位的位位置、状状态、变变形等各各种需要要系统知知道的数数据。同时，实实时性是是非常重重要的，，如果在在交互时时存在比比较大的的延迟，，与人的的心理经经验不一一致，就就谈不上上自然的的交互，，也很难难获得沉沉浸感。。为达到到这个目目标，高高速计算算和处理理就必不不可少。。1.2虚虚拟现实实系统的的特性第十四四章虚虚拟现现实系统统1.什什么么是虚拟拟现实第三，因因为虚拟拟现实不不仅仅是是一种媒媒体或用用户的高高端接口口，而且且它还是是针对某某一特定定领域、、解决某某些问题题的应用用。如何何解决这这些问题题，不仅仅需要了了解应用用的需求求，了解解技术的的能力，，而且还还需要有有丰富的的想象力力。想象力已已经称为为虚拟现现实系统统设计中中最关键键的问题题之一。。1.2虚虚拟现实实系统的的特性第十四四章虚虚拟现现实系统统1.什什么么是虚拟拟现实参与者在在虚拟环环境中的的活动或或经历有有两种形形式：主观参与与（First-personactivities）:参与者是是整个经经历的中中心，一一切围绕绕参与者者进行；；客观参与与（second-personactivitie）：参参与者可可以在虚虚拟环境境中看到到他自己己与其他他物体的的交互。。1.2虚虚拟现实实系统的的特性第十四四章虚虚拟现现实系统统1.什什么么是虚拟拟现实显示：头头盔三维维显示等等交互：数数据手套套等具有里程程碑意义义的工作作：立体电影影、立体体声与传传感影院院：立体体图像显显示、嗅嗅觉、振振动等模拟器：：如飞行行系统仿仿真器1.3虚虚拟现实实技术简简史第十四四章虚虚拟现现实系统统1.什什么么是虚拟拟现实3.无无障碍虚虚拟现实实环境VIDEOPLACE4.虚拟拟视觉环环境显示示器（VIVED：VirtualVisualEnvironmentDisplay）5.MIT的的“白杨杨城影片片地图（（AspenMovieMap）”，，一个模模型在街街道上行行走的系系统。这这种用户户导航的的运行方方式为后后来的超超媒体、、虚拟空空间交互互等提供供了丰富富的经验验。6.视觉觉增强系系统1.3虚虚拟现实实技术简简史第十四四章虚虚拟现现实系统统1.什什么么是虚拟拟现实（一）非非沉浸类类虚拟现现实系统统：（1）全全景视频频系统：：利用连连续拍摄摄的图像像和视频频在计算算机中拼拼接建立立实景化化虚拟空空间。（2）基基于座舱舱的系统统（3）桌桌面虚拟拟现实CAD系系统：对对虚拟世世界进行行建模，，通过计计算机的的显示器器进行观观察，并并能自由由的控制制观察的的视点和和视角（4）基基于剧情情的虚拟拟现实系系统1.4虚虚拟现实实系统的的分类第十四四章虚虚拟现现实系统统1.什什么么是虚拟拟现实（二）沉沉浸类虚虚拟现实实系统：：利用特特殊的设设备把参参与者的的视觉、、听觉和和其它感感觉封闭闭起来，，提供一一个新的的、虚拟拟的感觉觉空间，，使得参参与者产产生一种种身在身身在虚拟拟环境中中，并能能够全身身心投入入和沉浸浸其中的的感觉。。（1）基基于头盔盔的系统统（2）投投影虚拟拟现实系系统：把把参与者者的动画画图像和和其他图图像结合合到一起起，插入入到虚拟拟环境中中。（3）遥遥在系统统：虚拟拟现实与与计算机机技术结结合的系系统，当当在某处处的操作作员操作作一个虚虚拟现实实系统时时，其结结果却在在另一个个地方发发生。1.4虚虚拟现实实系统的的分类第十四四章虚虚拟现现实系统统1.什什么么是虚拟拟现实（三）分分布式虚虚拟现实实系统如果在上上述两种种系统的的基础上上能够使使得多个个用户连连接到一一起，并并能够共共享同一一个虚拟拟空间，，则成为为分布式式虚拟现现实系统统。（四）增增强现实实系统为了增强强操作员员对真实实环境的的感受。。辅助数数据与观观察员所所观察到到的实际际环境叠叠加到一一起，以以协助操操作员进进行操作作或工作作。这种种叠加方方式增强强了原始始的环境境信息。。1.4虚虚拟现实实系统的的分类第十四四章虚虚拟现现实系统统1.什什么么是虚拟拟现实科学计算算可视化化计算机辅辅助设计计飞行、骑骑车、外外科手术术等的操操作模拟拟军事模拟拟与仿真真教育与培培训遥在系统统心里实验验娱乐艺术通信与协协同工作作1.5虚虚拟现实实系统的的应用第十四四章虚虚拟现现实系统统2.虚虚拟拟现实系系统的组组成一、系统统感知和和行为模模型人与外界界的交互互分为两两大部分分：感知知与行为为。感知系统统：感知知系统划划分为：：方向、、听觉、、触觉、、味觉、、嗅觉及及视觉等等六个子子系统。。在感知知系统模模型中，，分别对对这些子子系统的的行为方方式、接接收单元元、器官官模拟、、器官形形成、刺刺激元及及外部信信息。行为系统统：姿势势、方向向、走动动、饮食食、动作作、表达达及语义义七个子子系统。。2.1虚虚拟现实实系统的的体系结结构第十四四章虚虚拟现现实系统统2.虚虚拟拟现实系系统的组组成2.1虚虚拟现实实系统的的体系结结构第十四四章虚虚拟现现实系统统2.虚虚拟拟现实系系统的组组成二、虚拟拟现实系系统组成成从总体上上看，系系统主要要由人机机接口设设备、人人机接口口处理、、现实产产生器以以及相应应的管理理、模型型及分布布子系统统等构成成。2.1虚虚拟现实实系统的的体系结结构第十四四章虚虚拟现现实系统统2.虚虚拟拟现实系系统的组组成2.1虚虚拟现实实系统的的体系结结构第十四四章虚虚拟现现实系统统2.虚虚拟拟现实系系统的组组成虚拟现实实发生器器，又称称为虚拟拟现实引引擎，是是任何虚虚拟现实实系统的的核心，，由它处处理和产产生虚拟拟环境。。具有强大大的处理理能力、、满足实实时性要要求等2.1虚虚拟现实实系统的的体系结结构第十四四章虚虚拟现现实系统统2.虚虚拟拟现实系系统的组组成大视场双双眼体视视显示技技术跟踪装置置触觉反馈馈声音子系系统三维人机机交互2.2人人机交互互的设备备及技术术第十四四章虚虚拟现现实系统统2.虚虚拟拟现实系系统的组组成几何建模模：描述述虚拟对对象的形形状和外外表；运动建模模：主要要是对象象的位置置移动和和碰撞检检测两个个部分；；物理建模模：定义义对象的的质量、、重量、、惯性、、表面纹纹理、硬硬度、形形状改变变模式等等；对象行为为建模：：对象可可以具有有自己的的行为特特征，并并不一定定与用户户的输入入直接相相关；模型分割割：将虚虚拟环境境分割成成较小的的单元；；三维数据据格式：：三维建建模的基基础；2.3三三维场景景建模第十四四章虚虚拟现现实系统统2.虚虚拟拟现实系系统的组组成VRMLCult3D全景2.4虚虚拟现实实软件及及开发工工具第十四四章虚虚拟现现实系统统3.全全景景视频系系统全景视频频（panoramicVideo））：假定定在一室室内空间间中进行行观察，，室内空空间分为为六个表表面，如如果获取取了这六六个表面面许多不不同距离离、不同同方位的的实景照照片，并并将这些些照片按按照相互互的关系系有机地地连接起起来，就就可以在在视觉上上形成对对这个房房间的整整个空间间的整体体认识，，即全景景。在观察时时，可以以改变角角度、改改变视点点、改变变距离。。只要照照片足够够精细，，连接的的紧密正正确，就就可以获获得空间间感。3.1基基本概念念第十四四章虚虚拟现现实系统统3.全全景景视频系系统和其他形形式的虚虚拟现实实技术相相比，全全景视频频的主要要特点：：（1）不不局限于于计算机机生成的的图像（2）不不需要真真正的视视频，实实际存储储和组织织的不是是视频帧帧序列，，而是不不同层次次的全景景图。（3）全全景视频频可以将将360度全景景图无扭扭曲地映映射到平平面显示示器上。。（4）必必须有计计算机的的协助3.1基基本概念念第十四四章虚虚拟现现实系统统3.全全景景视频系系统全景图的的生成：：全景图图是利用用多幅图图像拼接接生成的的。静态图像像：多幅幅图像将将重叠的的部分裁裁剪，做做拼接，，对拼接接好的全全景图利利用柱面面变形技技术进行行变形，，使平面面全景图图像产生生深度感感觉。这这样，就就得到了了一个视视点、一一个焦距距和一种种移动下下的全景景图。对所需要要的其他