虚拟现实VR基本概念

第1章虚拟现实（VR）基本概念前言VRML是虚拟现实建模语言的简称，它的任务是在Internet上实现虚拟的三维环境，并且能让浏览者与虚拟环境进行交互。近些年来，虚拟现实技术和网络技术以及其他相关的计算机技术的迅速发展和互相融合，给VRML技术的发展和深入应用提供了广泛的空间。了解和掌握VRML技术从而在Internet上构建虚拟的三维世界是许多人乃至许多行业的需要。本书旨在把VRML知识和技术介绍给有志于学习掌握VRML，从而在网络3D领域中进一步深入发展的人员。本书比较全面地介绍了VRML的知识和基本使用，包括所有节点的基本概念和使用方法，路由和事件的使用，VRMLScript脚本语言的使用。同时，图解介绍了VRML可视化创作工具InternetSpaceBuilder软件的基本使用，内容涵盖了VRML创建场景的各个方面。在内容编排上，力求由浅入深，节点按照使用的方法分类介绍，有助于更好的学习掌握使用VRML创建虚拟场景的方法的技巧。从发展的观点来看，单纯使用VRML节点而不借助于编程语言的强大的控制能力是有局限的，在Internet上创建实现真正的人机交互的场景也会有困难。VRMLScript作为一种脚本语言，很好地支持VRML的对象和事件，所以对该内容本书也给予适当的篇幅加以介绍。全书以节点的介绍、分析为主线，并辅以大量的例题，目的在于加强对介绍内容的理解，同时强化训练创建场景的技能和技巧。随着问题的深入，逐渐加强例题对于节点使用的覆盖，并配有相应的习题以巩固学习内容和检查对于章节内容掌握的程度。为了加强学习中的可操作性和从实践练习中逐渐掌握所学习的内容，书中除可视化操作一节外，所有范例均用编辑器完成，使学习者在不断的练习中熟悉VRML的节点、事件接口等核心内容，有助于将来的深入发展。本书范例全部使用ParallelGraphics公司的VrmlPad编辑器完成，浏览器使用该公司的Cortona4.0，如果读者使用另外的浏览器，效果难免会有些差异。在随书光盘中附有本书的全部例题和运行效果的图片，以供参照。感谢受首钢工学院的牛平副教授在百忙中审阅此书。由于编者水平有限，本书可能还有不足之处，希望读者提出宝贵意见。作者2004年3月本章各小节目录1.1虚拟现实的基本概念1.2虚拟现实的实现1.3虚拟现实技术的基本特征1.4虚拟现实技术的主要应用领域本章小结虚拟现实技术是近几年来兴起的一门新技术，并且得到了迅速的发展。同其他许多新兴技术一样，虚拟现实技术综合了许多相关学科领域的成就，诸如计算机图形学、数字图像处理技术、多媒体技术、网络技术、人工智能等等。这个领域的发展潜力非常巨大，应用前景也十分广阔。1.1虚拟现实的基本概念虚拟现实的基本概念虚拟现实是对真实世界的模拟，一方面它能对现实环境作逼真的描述，另一方面还能使得人们在观察虚拟环境的时候犹如身临其境，可以与之进行交互。虚拟现实技术是利用计算机模拟真实世界从而形成模拟环境的技术。是通过计算机对各种复杂的信息加工处理、进行可视化操作并且与之交互的一种方式。一方面，虚拟现实技术借助于多种技术的融合合实现现对现实实的逼逼真描描述，，另一一方面面使人人们能能与描描述出出的虚虚拟环环境进进行交交互。。由于综综合了了许多多相关关学科科领域域的技技术，，虚拟拟现实实技术术有望望得到到更大大的发发展，，即利利用该该技术术所创创建的的虚拟拟现实实环境境既能能逼真真地再再现客客观世世界，，同时时还能能超越越客观观世界界，使使得介介入者者不仅仅仅能能够融融合其其中，，并且且还能能够驾驾驭和和操纵纵这个个虚拟拟环境境。因因而，，虚拟拟现实实不仅仅仅是是真实实环境境在计计算机机中的的再现现，也也是人人们借借助于于飞速速发展展的计计算机机技术术对我我们生生活世世界的的真实实体验验的方方法和和技术术，是是人机机交互互的一一种全全新模模式。。综上所所述，，利用用虚拟拟现实实技术术实现现的虚虚拟现现实能能够给给人身身临其其境的的感觉觉，同同时参参与者者和虚虚拟环环境能能够实实现交交互，，再有有参与与者能能够在在虚拟拟环境境中具具有自自己的的视点点并且且环境境能够够迅速速反映映参与与者视视点的的变化化。2．虚拟拟现实实技术术的发发展1965年，美美国科科学家家Sutherland在他发发表的的《终极的的显示示》论文中中首次次提出出了对对于虚虚拟现现实发发展极极有意意义的的诸如如交互互图形形显示示以及及力回回馈设设备的的基本本概念念，这这些概概念在在现在在已经经得以以实现现并且且还在在不断断发展展。可可以说说，从从那个个时候候起，，人们们开始始了对对于虚虚拟现现实的的有目目的性性的研研究和和探索索，而而不再再仅仅仅是幻幻想。。此后不不久，，美国国麻省省理工工学院院的林林肯实实验室室正式式开始始了头头盔式式显示示器的的研制制工作作。这这可以以算是是虚拟拟现实实技术术在硬硬件技技术上上的探探索和和发展展，因因为此此后，，人们们不断断地在在完善善和改改进虚虚拟现现实的的实现现设备备。直直到现现今，，形形形色色色的如如数据据手套套、头头盔式式显示示器等等已经经在许许多场场合有有了具具体的的应用用。正正是由由于许许多人人卓越越努力力和相相关技技术的的飞速速发展展，虚虚拟现现实领领域里里的研研究取取得了了很大大的进展，，1980年正式式提出出了““VirtualReality”这个个使用用至今今的名名词。。20世纪80年代，，许多多部门门和组组织都都在从从事虚虚拟现现实的的研究究，其其中，，美国国宇航航员（（NASA）及美美国国国防部部组织织的一一系列列有关关虚拟拟现实实技术术的研研究取取得了了令人人振奋奋的研研究成成果，，从而而激发发了人人们对对虚拟拟现实实研究究的更更大热热情以以及对对虚拟拟现实实技术术的广广泛关关注。。尤尤其在在1984年，美美国宇宇航局局Ames研究中中心虚虚拟行行星探探测实实验室室组织织开发发的用用于火火星探探测的的虚拟拟环境境视觉觉显示示器，，取得得了成成功，，将将火星星探测测器发发回的的数据据输入入计算算机，，为地地面研研究人人员构构造了了火星星表面面的三三维虚虚拟环环境。。该研研究中中心在在随后后的虚虚拟交交互环环境工工作站站的项项目中中又开开发了了通用用多传传感个个人仿仿真器器和遥遥控设设备。。可以以说，，在那那个时时候，，虚拟拟现实实技术术已经经进入入到了了科学学研究究领域域，并并且取取得了了鼓舞舞人心心的进进展。。同许多多其他他学科科一样样，相相关技技术的的发展展对虚虚拟现现实起起了极极大的的促进进作用用。特特别是是计算算机技技术、、网络络技术术、图图形学学技术术等的的飞速速发展展，使使得虚虚拟现现实技技术也也获得得了长长足的的进步步。进入90年代，，随着着计算算机硬硬件技技术、、电子子技术术飞速速发展展，计计算机机软件件系统统日趋趋完善善，计计算机机已经经有能能力承承担基基于大大型数数据集集合的的声音音和图图像的的实时时动画画制作作，同同时，，基于于虚拟拟现实实技术术、人人工智智能技技术的的人机机交互互系统统的设设计也也不断断涌现现，输输入输输出设设备不不断创创新，，都使使得以以往难难于实实现的的设想想成为为现实实。利利用用虚拟拟现实实系统统宇航航员成成功地地完成成了从从航天天飞机机的运运输舱舱内取取出新新的望望远镜镜面板板的工工作、、采用用虚拟拟现实实技术术设计计波音音777获得成成功等等就是是近年年来在在科技技界引引起较较大反反响的的虚拟拟现实实技术术的成成就。。在90年代，，虚拟拟现实实技术术还不不断向向许多多领域域拓展展，由由于计计算机机技术术、网网络技技术、、三维维图像像技术术的发发展，，虚拟拟现实实在因因特上上也取取得了了进展展。作作为因因特网网三维维技术术的VRML建模语语言正正是90年代起起步并并且逐逐步发发展起起来的的。虚拟现现实系系统具具有身身临其其境的的虚拟拟环境境以及及图形形交互互等突突出的的特点点使得得它不不再仅仅仅是是某些些尖端端领域域、特特殊行行业的的专业业技术术，除除上述述的军军事、、航天天领域域外，，虚拟拟现实实技术术在医医疗、、教育育培训训、娱娱乐、、工业业设计计、生生产制制造、、信息息管理理、商商业贸贸易、、建筑筑行业业等都都有相相应的的发展展，理理论研研究和和应用用实践践使得得虚拟拟现实实技术术更加加趋于于完善善，发发展也也更加加迅速速。1.2虚拟现现实的的实现现虚拟现现实由由于应应用的的不同同，实实现方方法也也不同同，一一般说说来，，作为为高级级应用用的虚虚拟现现实系系统离离不开开满足足虚拟拟现实实要求求的硬硬件设设备。。而作作为桌桌面计计算机机系统统实现现虚拟拟现实实则往往往无无需特特别硬硬件设设备的的支持持，随随着因因特网网的普普及和和发展展，出出现了了很多多在因因特网网上实实现虚虚拟现现实环环境的的方法法。有有些是是纯粹粹用软软件技技术实实现的的。虚拟现现实的的硬件件设备备虚拟现现实系系统由由于应应用和和目的的不同同，需需要的的硬件件设备备也不不同，，一般般常见见的虚虚拟现现实系系统应应该包包括下下述几几个方方面的的硬件件设备备。虚拟拟现现实实跟跟踪踪传传感感设设备备：：获获得得人人在在虚虚拟拟环环境境中中的的动动作作、、感感知知等等信信息息；；虚拟拟现现实实显显示示设设备备：：用用于于观观察察者者观观看看虚虚拟拟场场景景时时增增加加真真实实的的效效果果从从而而产产生生真真实实的的感感受受。。虚拟拟现现实实的的虚虚拟拟手手设设备备：：用用于于在在虚虚拟拟场场景景中中模模拟拟人人手手对对周周围围环环境境的的感感知知、、操操纵纵和和控控制制。。此外外，，根根据据不不同同的的需需要要，，还还应应该该有有满满足足虚虚拟拟要要求求的的声声音音设设备备以以及及模模拟拟一一些些触触觉觉和和感感知知度度的的设设备备如如力力回回馈馈、、触触觉觉回回馈馈装装置置等等。。目前前常常见见的的也也较较普普及及的的设设备备有有头头盔盔屏屏幕幕显显示示器器、、数数据据手手套等等。。头盔盔屏屏幕幕显显示示器器（（HeadMountedDisplay，简简称称HMD）（（图图1-1）是是虚虚拟拟现现实实系系统统中中十十分分重重要要的的硬硬件件设设备备，，也也是是虚虚拟拟现现实实中中最最早早使使用用的的硬硬件件设设备备。。它它属属于于虚虚拟拟现现实实的的显显示示设设备备。。数数据据头头盔盔按按照照人人的的视视觉觉原原理理放放大大了了图图像像，，使使得得人人的的整整个个视视野野都都包包容容在在虚虚拟拟场场景景之之内内。。同同时时，，还还把把人人的的头头部部动动作作和和虚虚拟拟环环境境的的变变化化相相结结合合。。动动作作和和情情景景变变化化的的协协调调一一致致，，产产生生了了逼逼真真的的视视觉觉感感受受。。HMD的基基本本原原理理是是将将小小型型二二维维显显示示器器所所产产生生的的图图像像借借助助于于光光学学系系统统放放大大。。小小型型二二维维显显示示器器所所发发出出的的光光线线经经过过凸凸透透镜镜使使图图像像因因折折射射产产生生类类似似远远方方效效果果，，从从而而将将近近处处物物体体放放大大至至远远处处观观赏赏而而达达到到一一种种虚虚拟拟的的全全像像视视觉觉。。目前前，，头头盔盔显显示示器器的的光光学学技技术术设设计计和和制制造造技技术术日日趋趋完完善善，，除除了了在在许许多多虚虚拟拟显显示示系系统统中中得得到到普普遍遍应应用用以以外外，，还还拓拓展展到到一一般般的的应应用用中中。。例例如如有有些些电电脑脑游游戏戏已已经经利利用用头头盔盔屏幕幕显显示示器器增增加加游游戏戏的的真真实实感感。。另外外一一个个在在虚虚拟拟现现实实系系统统中中经经常常出出现现的的硬硬件件设设备备就就是是数数据据手手套套（（DateGlove）（（图图1-2），，属属于于虚虚拟拟显显示示系系统统的的虚虚拟拟手手设设备备。。它它的的基基本本原原理理是是借借助助于于光光学学识识别别的的方方法法。。附附在在手手套套上上每每根根手手指指的的光光纤纤连连接接附附于于手手套套指指尖尖部部分分的的发发光光二二极极管管，，光光纤纤的的另另一一端端连连接接光光学学识识别别晶晶片片，，光光信信号号由由光光学学识识别别晶晶片片转转换换为为电电信信号号被被处处理理。。数数据据手手套套是是虚虚拟拟现现实实系系统统中中的的主主要要交交互互设设备备，，它它作作为为一一只只虚虚拟拟的的手手和和三三维维虚虚拟拟场场景景交交互互，，可可以以模模拟拟人人手手在在虚虚拟拟场场景景中中进进行行抓抓取取物物体体、、移移动动物物体体甚甚至至装装配配物物体体从从而而实实现现虚虚拟拟环环境境中中的的操操纵纵、、控控制制等等。。2.虚拟现实实的实现现技术简单说来来，虚拟拟现实的的实现可可以分为为两类：：高级的的虚拟现现实系统统以及桌桌面虚拟拟现实系系统。作为虚拟拟现实的的高级应应用，其其特征是是借助于于前面提提到的各各种硬件件设备，，利用诸诸如虚拟拟现实的的视觉三三维显示示技术、、听觉三三维还原原技术、、触觉感感知技术术以及虚虚拟现实实的交互互技术实实现。例例如虚拟拟现实在在航天、、军事、、医疗，，工业设设计与制制造等方方面的应应用。这这些应用用要求很很高，参参与性强强，完全全沉浸，，实时交交互并且且使得参参与者对对环境力力求有真真实的控控制。系系统本身身技术复复杂，造造价也高高，用于于专门的的应用。。如我国国研制的的飞机牵牵引与加加油模拟拟训练器器、特种种车辆牵牵引仿真真器就是是这样的的一个系系统。这里谈及及的桌面面虚拟现现实指的的是强调调虚拟现现实体验验的虚拟拟环境，，其特征征是无需需借助于于特别的的硬件设设备，甚甚至可以以仅用软软件实现现，实现现的费用用低，但但是不能能实现完完全的参参与，复复杂的感感知也很很难体现现。目前前，这类类系统往往往应用用在各种种虚拟的的演示上上，大多多借助于于网络传传播。譬譬如，一一些虚拟拟城市、、虚拟校校园等，，给人以以逼近真真实的感感观。本本书介绍绍的VRML建模语言言是实现现虚拟环环境体验验的一个个很优秀秀的建模模工具，，往往应应用于构构建各种种虚拟场场景。它它能够提提供交互互性，使使浏览者者有较强强的参与与性。此此外，基基于图像像处理的的全景摄摄影技术术也是这这样的一一个虚拟拟体验，，在虚拟拟公园、、虚拟旅旅游方面面有较好好的应用用。当然然它还不不能算得得上是真真正意义义上的虚虚拟现实实技术，，也未能能实现真真正的3D效果，但但是和别别的相关关技术结结合，对对于实现现虚拟的的体验很很有帮助助。1.3虚拟现实实技术的的基本特特征从计算机机技术的的角度而而言，虚虚拟现实实技术是是一种更更为先进进的人机机接口的的方式。。不同于于以往意意义上的的可视化化操作界界面、图图形用户户界面等等。虚拟拟现实技技术给用用户提供供了视听听、接触触甚至操操纵控制制等直观观方便的的实时交交互方法法。虚拟现实实具有下下述几个个方面的的特征。。1．交互性性(Interaction)虚拟现实实不是简简单的对对周围环环境的模模拟，更更为重重要的是是人们可可以与这这个虚拟拟环境进进行交互互，从而而把人在在自然环境中同同周围事事物的联联系带入入到虚拟拟的世界界中来。。在虚拟拟环境中中，介入入者不是是被动的的接受所所提供的的信息，，能够操操纵、控控制虚拟拟场景中中所感兴兴趣的对对象的形形态、运运动状况况等。例例如，中中国科技技大学已已经有了了基于局局域网的的大学物物理仿真真实验、、几何光光学设计计实验平平台，实实现了实实验者的的交互和和控制。。2．沉浸度度(Immersion)无论计算算机所创创建的虚虚拟环境境是真实实世界的的再现，，还是来来自人们们的幻想想构建的的超越自自然环境境的世界界，都能能够让人人不是简简单的浏浏览，而而是虚拟拟环境中中参与者者，是它它的一部部分，这这就是沉沉浸的含含义。在在这里，，参与者者能够体验到自自然世界界中的各各种感知知，如视视觉、听听觉、触触觉等，，进而在在虚拟环环境中达达到一种种忘我的的境界。。许多虚虚拟城市市、虚拟拟校园虽虽然由于于网络条条件、硬硬件环境境等原因因，目前前还只是是一种感感受和体体验，但但是给浏浏览者的的那种身身临其境境的感觉觉是常规规的文本本、图片片信息所所不能代代替的。。3．幻想性性(Imagination)人类的想想像力是是创造的的源泉，，虚拟现现实提供供了人们们发挥想想像力的的空间。。它即能能再现我我们周围围的世界界，使得得各种各各样的虚虚拟系统统在各行行各业发发挥重要要的作用用。同时时，还能能够按照照人们的的想像构构建超越越现实的的环境，，拓宽了了人们认认知事物物的程度度。4．多感知知性（Multi-Sensation）人在自然然环境中中能够有有各种各各样的感感觉，理理想的虚虚拟现实实环境应应该具有有人所具具有的感感知功能能。所谓谓多感知知性就是是虚拟环环境要实实现力觉觉感知、、触觉感感知、运运动感知知、甚至至包括味味觉感知知、嗅觉觉感知等等。目前前，有些些感知虚虚拟环境境已经能能够很好好实现了了。借助助于力回回馈技术术参与者者能够感感觉到力力的作用用。有些些游戏虽虽然尚未未能实现现真正意意义的虚虚拟现实实，但是是借助于于力回馈馈手柄已已经能够够使游戏戏者感到到撞车等等感受。。1.4虚拟现实实技术的的主要应应用领域域由于能够够再现真真实的环环境，并并且人们们可以介介入其中中参与交交互，使使得虚拟拟现实系系统可以以在许多多方面得得到广泛泛的应用用。随着着各种技技术的融融合，相相互促进进和发展展，虚拟拟现实技技术在航航天、军军事、通通信、医医疗、教教育、娱娱乐、建建筑和商商业等各各个领域域都有极极大的发发展和应应用前景景。在军事领领域中，，利用虚虚拟现实实技术可可以模拟拟新式武武器如飞飞机的操操纵与训训练，以以取代危危险的实实际操作作。并且且利用虚虚拟现实实对于实实际环境境的仿真真，可以以在虚拟拟的或者者仿真环环境中进进行大规规模的军军事演习习的模拟拟。由虚虚拟现实实模拟的的场景可可以同真真实战场场一样，，操作人人员可以以体验到到真实的的攻击与与被攻击击的感觉觉。在航天领领域中，，虚拟现现实技术术既可以以模拟出出真实的的太空环环境，又又能作为为飞行器器训练的的模拟平平台，无无疑是有有实际意意义的