虚拟现实概述2

VirtualReality

虚拟现实技术及其应用虚拟现实系统典型硬件装置虚拟现实的图形学基础真实感图形的实时绘制技术碰撞检测与三维真实感声音主要内容虚拟现实技术概述目录2示例教学

产生背景虚拟现实概述计算机科学发展的一个重要推动力

—如何让计算机更容易被人使用操作人员可以以更为自然的方式使用计算机将结果以更易被操作人员接受的方式尽快地表现出来计算机能够更准确地理解人的意图从60年代末起

在计算机技术的支持下已对各种计算提出“可视”的要求在计算数据的基础上要解释数据、理解数据，把计算得到的数字信息转换为直观的、用视频或声频信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或模拟的物理现象先进的科学计算将能洞察到传统科学计算所不可能看见的结果（Toseetheunseen），可视化是把某些不可见对象或抽象事物转化为可见的、可感知的结果“Thepurposeofcomputingisinsight,notnumber”---RichardHamming人机和谐、定性定量结合是创造性研究的源泉，要求在观察计算所得的数据的基础上，能感受计算所得的形象结果和全局观念研究人员甚至还希望能沉浸在计算所得、计算所创建的三维空间中，能交互地控制、驾驭和修改所“看见和感受到”的计算结果自90年代初起

在高性能计算的支持下要求实现沉浸式的可视计算解决复杂问题，必须跨领域合作集体攻关网络技术已基本成熟，基于网络计算可实现资源共享基于统一的开放体系框架结构、应用程序接口和面向对象的中间件，已能实现“优势互补”、“即插即用”的协同式的可视化计算自90年代中旬以来在网络计算技术的支持下要求实现协同式的可视化计算总之：沉浸式、协同式的可视化计算促进高性能计算机的发展,高性能计算机为沉浸式、协同式的可视化计算提供基础

关键技术高性能计算机和高性能网络技术大量的、快速的、分布的、基于网络的数值计算开放体系结构、中间件、人机接口和经验模型的建立把数据映射成可视化的、具有某种物理属性的对象（虚物实化）把实物转化为可融入虚拟环境的虚拟对象（实物虚化）美国各个国家计算中心和有关部门都提出迎接21世纪技术发展的相应规划，如：DOE2000和NSF的PACI等

传统计算机

的处理空间

串行的单维的封闭的预定程序人思考问题

的认知空间并行的多维的开放的归纳演绎前30年计算机技术的发展

减小人的认知空间和计算机的处理空间的差异

努力建立和

谐人机环境

M大规模并行

M多媒体

O开放系统

O面向对象

N网络计算

逐步减小人和

机器间的隔阂和谐的人机环境MMOONAKv后20年计算机技术的发展

从MMOON到AKV

有望实现和谐的人机环境

在继续发展MMOON的基础上，突破以下关键技术，逐步构建和谐的人机环境ArchiveStorageandProcessing--海量信息存储与处理KnowledgeProcessing--知识处理VisualizedComputing&VirtualReality--可视化计算与虚拟现实虚拟现现实的的发展展里程程碑1965年，Sutherland在篇名名为《终极的的显示示》的论文文中首首次提提出了了包括括具有有交互互图形形显示示、力力反馈馈设备备以及及声音音提示示的虚虚拟现现实系系统的的基本本思想想，从从此，，人们们正式式开始始了对对虚拟拟现实实系统统的研研究探探索历历程。。第一阶阶段－－产生生随后的的1966年，美美国MIT的林肯肯实验验室正正式开开始了了头盔盔式显显示器器的研研制工工作。。在这这第一一个HMD的样机机完成成不久久，研研制者者又把把能模模拟力力量和和触觉觉的力力反馈馈装置置加入入到这这个系系统中中。1970年，出出现了了第一一个功功能较较齐全全的HMD系统。。基于于从60年代以以来所所取得得的一一系列列成就就，美美国的的JaronLanier在80年代初初正式式提出出了““VirtualReality”一词。。第二阶阶段－－发展展80年代为为虚拟拟现实实的发发展与与集成成阶段段。出出现了了若干干个典典型的的、有有代表表性的的应用用系统统，如如：美美国NASA的View系统，，它是是第一一个进进入实实际应应用的的虚拟拟现实实系统统，给给出了了VR系统普普遍采采用的的基本本硬件件体系系结构构，装装备了了数据据手套套、头头部跟跟踪器器，提提供了了语音音、手手势等等交互互手段段；1986年美国国空军军基地地设计计的虚虚拟工工作台台系统统（SuperCockpit），把把视觉觉、听听觉、、触觉觉等感感觉系系统集集成起起来，，为飞飞行员员提供供头部部、眼眼睛、、语言言及手手部控控制输输入等等多种种交互互控制制方式式，用用于全全面开开发飞飞行员员的感感知、、认知知及心心理活活动等等各方方面的的能力力；VPL公司开开发了了用于于生成成虚拟拟现实实的PB2软件和和DataGlove数据手手套，，为虚虚拟现现实提提供了了开发发工具具；虚拟现现实技技术的的发展展(续)VIEW在虚拟拟现实实技术术发展展史上上的地地位举举足轻轻重。。当1985年VIEW系统的的雏形形在美美国NASAAmes研究中中心完完成时时，该该系统统以低低廉的的造价价、让让参与与者有有“真真实体体验””的效效果引引起有有关专专家的的注目目。该该系统统的雏雏形是是在MichaelMcGreevy领导下下完成成的。。VIEW系统有有以下下特点点：保持了了低造造价的的优势势装备了了数据据手套套、头头部跟跟踪器器等硬硬件设设备提供了了语音音、手手势等等交互互式手手段。第三阶阶段－－全面面应用用第三阶阶段90年代至至今为为虚拟拟现实实的全全面发发展阶阶段。。随着着传感感器技技术、、机器器视觉觉技术术、图图形图图像技技术的的发展展，世世界范范围内内致力力于人人机和和谐环环境研研究的的专家家、学学者及及工程程技术术人员员，在在虚拟拟现实实基础础理论论研究究、关关键技技术攻攻关以以及应应用系系统推推广方方面做做了大大量工工作，，兴起起了虚虚拟现现实的的研究究热潮潮，并并且广广泛应应用于于训练练、医医疗、、娱乐乐、教教育、、产品品设计计等诸诸多领领域中中。虚拟现现实的的概念念15虚拟现现实效效果展展示概述虚拟现现实(virtualreality)虚拟现现实(virtualreality)简称VR，，是一种种可以以创建建和体体验虚虚拟世世界的的计算算机系系统。。虚拟拟世界界是全全体虚虚拟环环境或或给定定仿真真对象象的全全体，，虚拟拟环境境是由由计算算机生生成的的，通通过视视、听听及触触觉等等作用用于用用户，，使之之产生生身临临其境境感觉觉的交交互式式视景景仿真真。虚拟现现实技技术是是结合合了计计算机机图形形学、、计算算机仿仿真技技术、、人机机接口口技术术、多多媒体体技术术以及及传感感技术术多种种技术术发展展而成成的一一门新新技术术。16北京邮邮电大大学虚拟现现实的的概念念虚拟现实是是一种基于于可计算信信息的沉浸浸式人机交交互环境。虚拟现实是是利用计算算机构造一一个视景真真实、动作作真实、声音真真实、感觉觉真实的虚虚拟环境的的技术。北京邮电大大学虚拟现实就就是采用以以计算机技技术为核心心的现代高高技术生成成逼真的视、听、触触觉一体化化的一定范范围的虚拟拟环境，用户可以以借助必要要的装备以以自然的方方式与虚拟拟环境中的的物体进行行交互作用用、相互影影响，从而而获得亲临临等同真实实环境的感感受和体验验。虚拟现实是是一个高端端的人机接接口，包括括通过视觉觉、听觉、、触觉和味味觉等多种种感觉通道道的实时模模拟和实时时交互北京邮电大大学虚拟现实（（VirtualRealityVR）是一种可以以创建和体体验虚拟环境（VirtualEnvironmentVE）的计算机机系统，利利用它可以以使人以更更为自然和和谐的方式式使用计算算机。虚拟现实系系统的技术术特征（3I图）Immersion（沉浸）Imagination（构想）Interaction（交互性）沉浸（Immersion）VR系统的核心心，表示用用户投入到到由计算机机生成的虚虚拟场景中中的能力，，用户在虚虚拟场景中中有身临其其境之感。。交互性（Interaction））用户与虚拟拟场景中各各种对象相相互作用的的能力，它它是人机和和谐的关键键性因素。。交互性包包含对象的的可操作程程度及用户户从环境中中得到反馈馈的自然程程度，以及及虚拟场景景中对象依依据物理学学定律运动动的程度等等。VR是自主参考考系，即以以用户的视视点变化进进行虚拟交交换互。构想（Imagination））VR不仅仅是一一个用户与与终端的接接口，而且且可使用户户沉浸于此此环境中获获取新的知知识，提高高感性和理理性认识，，从而产生生新的构思思。因此，，VR是启发人的的创造性思思维的活动动。20概述虚拟现实系统分布式虚拟现实增强现实性性虚拟现实实桌面式虚拟现实沉浸式虚拟现实概述21桌面虚拟现现实系统桌面虚拟现现实（PCVR）系统，基基本上是一一套基于普普通PC平台的小型型桌面虚拟拟现实系统统。桌面面虚拟现实实的参与者者是不完全全沉浸的，，他要求参参与者使用用标准的显显示器和立立体显示设设备，数据据手套和六六个自由度度的三维空空间鼠标器器，戴上立立体眼镜坐坐在监视器器前，在一一些专业软软件的帮助助下，可以以通过计算算机屏幕观观察虚拟境境界。虚拟现实系系统的分类类22概述23沉浸式虚拟拟现实系统统沉浸式虚拟拟现实系统统是一种高高级的虚拟拟现实系统统，它提供供一个完全全沉浸的体体验，使用用户有一种种置身于虚虚拟境界之之中的感觉觉。它利用用头盔式显显示器或其其它设备，，把参与者者的视觉、、听觉和其其它感觉封封闭起来，，并提供一一个新的、、虚拟的感感觉空间，，并利用位位置跟踪器器、数据手手套、其它它手控输入入设备、声声音等使得得参与者产产生一种身身临其境、、全心投入入和沉浸其其中的感觉觉。虚拟现实系系统的分类类概述多用户虚拟拟现实系统统一次允许多多个用户参参与。典型的系统统有：mWorld,CAVE，DIVE等主要应用：：虚拟研讨讨环境(聊天室),虚拟社区主要问题：：保证多个个用户对虚虚拟环境有有一致的感感受王兆其《虚拟环境中中物体运动动逼真性的的研究》博士论文，，北京航空空航天大学学，1999.6.增强式虚拟拟现实系统统增强式虚拟拟现实系统统是把真实实环境和虚虚拟环境组组合在一起起的一种系系统，它既既允许用户户看到真实实世界，同同时也可以以看到叠加加在真实世世界的虚拟拟对象，这这种系统既既可减少对对构成复杂杂真实环境境的计算，，又可对实实际物体进进行操作，，真正达到到亦真亦幻幻的境界。。虚拟现实系系统的分类类概述25AugmentedReality应用领域：：维修，医医学检查，，培训等主要问题：：虚实一致致性王兆其《虚拟环境中中物体运动动逼真性的的研究》博士论文，，北京航空空航天大学学，1999.6.R.T.Azuma,ASurveyofAugmentedReality,Presence:TeleoperatorsandVirtualEnvironments,1997,6(4):355~385分布式虚拟拟现实系统统分布式虚拟拟现实系统统是利用远远程网络，，将异地的的不同用户户联结起来来，多个用用户通过网网络同时参参加一个虚虚拟空间，，共同体验验虚拟经历历，对同一一虚拟世界界进行观察察和操作，，达到协同同工作的目目的，从而而将虚拟现现实的应用用提升到了了一个更高高的境界。。概述虚拟现实系系统的分类类27分布式虚拟拟现实系统统分布于不同同地理位置置的多台计计算机通过过网络互联联主要应用：：军事仿真真，多用户户虚拟环境境典型系统：：SIMNET，NPSNET，STOW，DVENET主要问题：：系统的一一致性(由数据分布布与网络延延迟引起)王兆其《虚拟环境中中物体运动动逼真性的的研究》博士论文，，北京航空空航天大学学，1999.6.(4)遥存在(Tele-Presence)真实世界与与操作人员员相隔两地地主要应用：：远程手术术，远程探探测等王兆其《虚拟环境中中物体运动动逼真性的的研究》博士论文，，北京航空空航天大学学，1999.6.虚拟现实系系统的构成成虚拟现实系系统的构成成无论哪种VR系统，其系系统构成都都可以划分分为以下6个功能能模块：检测反馈传感器控制3D模型建模模块用户虚拟世界现实世界概述31检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。检测模块接受来自传感器模块的信息，为用户提供实时反馈。反馈模块一方面接受来自用户的操作命令，将其作用于虚拟环境，另一方面将操作后产生的结果以相应的反馈形式提供给用户传感器模块对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。控制模块现实世界各组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。3D模型库获取现实世界各组成部分的三维数据，并建立它们的三维模型。建模模块概述虚拟现实系系统的构成成32概述虚拟现实系系统的硬件件在虚拟现实实系统中，，为了使人人与计算机机能够融洽洽的交互，，让人沉浸浸到计算机机所创造的的虚拟环境境中去，必必须配备相相应的硬件件设备。常常用的交互互设备包括括：跟踪系统跟踪系统的的任务是要要实时检测测出虚拟现现实系统中中人的头、、身体和手手的位置与与指向，以以便把这些些数据反馈馈给控制系系统，生成成随视线变变化的图象象。实现方式：：电磁跟踪踪声学跟踪光光学跟踪33触觉（力觉觉）系统在虚拟现实实系统中，，产生“沉沉浸”效果果的关键因因素是用户户能用手或或身体的其其他能动部部分去操作作虚拟物体体，并在操操作同时能能够感觉到到虚拟物体体的反作用用力。力学学反馈手套套是最常用用的触觉系系统，它使使用2只只手套，在在第一只手手套的下部部安装20个压敏元元件，当戴戴上手套时时，用户感感觉到压敏敏元件随着着手的用力力产生的阻阻力,压压敏元件输输出经模数数转换后,传送给给主机处理理。第二只只手套有20个空气气室，由20个空气气泵来控制制膨胀和收收缩，从而而对用户施施加力感。。概述34音频系统听觉系统由由语音与音音响合成设设备、识别别设备和声声源定位设设备所构成成，通过听听觉通道提提供的辅助助信息可以以加强用户户对环境的的感知。为为了能产生生逼真的环环境音，人人们已开始始尝试使用用多声道道系统，采采用空间声声音合成方方法，通过过由不同方方向到达左左、右耳道道的声音测测试得到响响应。概述图象生成成和显示示系统在VR环境中，，图象生生成和显显示系统统的工作作主要包包括3个步骤骤:计算生成成真实感感的图形形,其其图形具具有颜色色、光照照、立体体感和运运动感。。计算生成成或直接接从图象象库中取取得已经经压缩且且有真实实感的背背景图象象。经过扫描描变换将将图形和和背景图图象统一一安排在在同一坐坐标系中中。351）产产品设计计与人机机功效(飞机，空空间站等等)虚拟现实实技术的的应用最为成功功的例子子就是“哈勃望远远镜的修修复和维维护”。经过这这个虚拟拟系统的的训练，，宇航员员于1993年12月，成功功地完成成了从航航天飞机机上取出出备件更更换哈勃勃太空望望远镜上上损坏的的MRI这一复杂杂而又费费时的任任务。空间技术术VR虚拟原型型的设计计和验证证虚拟装配配虚拟人机机工程学学机器人领领域典型应用用工程的设设计和规规划波音公司司完全使使用虚拟拟现实技技术设计计波音777新型客机机获得成成功多伦多市市（Toronto）的城市市规划与与管理城市规划划大型工程程漫游名胜古迹迹虚拟旅旅游数字化酒酒店展示示系统奥迪效果果图和线线框图2）科科学计算算可视化化用于核弹弹B-61-x的虚拟组组装系统统3）虚虚拟组装装4）仿仿真训练练中国海警警某型主主力艇虚虚拟仿真真虚拟现实实&视景仿真真技术在在军事上上的应用用VirtualRealitysystemstotrainaircraftpilotsandtankcommanders5）协协同工作作环境的的仿真6）娱娱乐游戏《半条命2》Secondlife中国人的的SecondLife教育、艺艺术和娱娱乐教育虚拟校园园，虚拟拟实验和和教学，，远程教教育和特特殊教育育，技能能培训，，建筑设设计与城城市规划划娱乐1990,battleTechcenter1991,W-IndustriesLtd浙大虚虚拟乒乓乓球宁波新文文三维：：室内高高尔夫运运动模拟拟器，虚虚拟主持持人等腾讯的3DQQshow.艺术文化遗产产保护：：北大故故宫，浙浙大和德德国合作作敦煌数数字化虚拟博物馆和和虚拟旅游：：故宫，卢浮浮宫虚拟音乐：东东京Waseda大学开发的musicalvirtualspace.虚拟演播室：：1991NHK的Nanospace虚拟演员电影：侏罗纪纪公园，泰坦坦尼克，星球球大战，动捕捕中视典数字科科技有限公司司，总部注册于于深圳高新技技术园区，成成立于2002年，北京分公公司成立于2005年1月。是从事虚拟现实与仿真、多媒媒体技术、三三维动画研究究与开发的专专业机构，是是国际领先的的虚拟现实技技术（virtualrealityTechnology）整体解决方方案供应商和和相关服务提提供商。北京邮电大学学以清华大学工工业系仿真实实验室雄厚的的技术开发实实力为基础，，自成立之日日起就以开发发和制作适合合中国虚拟仿仿真市场的仿仿真系统解决决方案和适于于推广的可视视化软件平台台为主要方向向，立志创造造中国虚拟仿仿真软硬件的的旗帜名牌。。公司现已独独立研发了包包括数据手套套，虚拟环境境的力反馈等等系统，并成成功实现了中中国第一套动动作捕捉系统统填补了国内内空白，成绩绩丰硕，已成成为用户中国国仿真界中首首选的理想合合作企业。主要问题与研研究方向存在的主要问问题虚物实化如何根据虚拟拟环境生成人人可直接感受受到的真实信信号（声、光光、电）。是是一个显示（（输出）问题题。实物虚化如何将真实世世界中的物（（特别是人））与事件（特特别是人的动动作）传入虚虚拟环境中。。是一个感知知的问题。网络技术如何让多个用用户（特别是是不在同一地地理位置的多多个用户）参参与到同一个个虚拟环境中中。主要研究方向向之一：感知技术的研研究研究如何感知知真实世界中中人和物的存存在及相关事事件的发生：：电磁感知：三三维定位跟踪踪技术。数据手套与数数据衣感知技技术。视觉感知：基基于计算机视视觉原理感知知技术。听觉感知：基基于声音定位位原理的感知知技术。触觉与力觉感感知：触觉与与力觉感知技技术。多种感知信息息的融合技术术。主要研究方向向之二：合成显示技术术的研究研究虚拟环境境的合成显示示，包括图像像、声音、触触觉和力觉的的输出。立体显示技术术声音合成技术术触觉与力觉合合成显示技术术主要研究方向向之三：建模技术的研研究研究虚拟环境境的表示技术术虚拟环境的几几何空间表示示技术逼真环境建模模技术(纹理技术，LOD技术)基于物理特性性的建模技术术（仿真）主要研究方向向之四：分分布布式虚拟现实实技术的研究究研究多用户共共享虚拟现实实实现技术。。1)网络技术（带带宽，延迟问问题）2)数据共享技术术(一致性处理））主要研究方向向之五：支撑软件与开开发工具的研研究支持开发满足足虚拟环境建建模要求的新新一代造型工工具；开发同时支持持现有和新的的模型的软件件工具；支持在虚拟环环境内建模的的软件工具的的开发；虚拟环境语言言模型的研究究；限时计算与绘绘制的软件工工具的开发；；多用户虚拟环环境的支撑软软件的研制…主要研究方向向之六：其其他相相关问题的研研究运动病虚拟环境中的的运动病可导导致参与者出出现恶心和呕呕吐，严重时时还会出现头头痛、头晕、、眼胀、昏睡睡和疲劳等症症状，因此，，必须加强对对运动病的研研究。人的因素确定有效使用用三维输入输输出的方法；；在用户界面中中有效地集成成声音和语音音；虚拟环境的认认知研究。71参考网站虚拟南京明孝陵72参考网站86VR虚拟无忌86VRTextinhereTextinhereTextinhereClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoedittitlestyle73虚拟现实技术术在教学中的的作用1．弥补教学条条件的不足。。在教学中，，往往会因为为实验设备、、实验场地、、教学经费等等方面的原因因，而使一些些应该开设的的教学实验无无法进行。利利用虚拟现实实系统，可以以弥补这些方方面的不足，，学生足不出出户便可以做做各种各样的的实验，获得得与真实实验验一样的体会会，从而丰富富感性认识，，加深对教学学内容的理解解。2．避免真实实实验或操作所所带来的各种种危险。以往往对于危险的的或对人体健健康有危害的的实验，一般般采用电视录录像的方式来来取代实验，，学生无法直直接参与实验验，获得感性性认识。利用用虚拟现实技技术进行虚拟拟实验．则可可以免除这种种顾虑。学生生在虚拟实验验环境中，可可以放心地去去做各种危险险的或危害人人体的实验。。EXP.化学实验/外科手术/飞机驾驶教学学3．彻底打破空空间、时间的的限制。利用用虚拟现实技技术，可以彻彻底打破空间间的限制。大大到宇宙天体体，小至原子子粒子，学生生都可以进入入这些物体的的内部进行观观察。EXP.虚拟发电厂。虚拟技术还可可以突破时间间的限制，一一些需要几十十年甚至上百百年才能观察察的变化过程程，通过虚拟拟现实技术，，可以在很短短的时间内呈呈现给学生观观察。EXP.孟德尔遗传定定律4．可以虚拟人人物形象。虚虚拟现实系统统可以虚拟历历史人物、伟伟人、名人等等各种人物形形象，创设一一个人性化的的学习环境，，使学生能够够在自然、亲亲切的气氛中中进行学习。。VR在教育中的应应用74虚拟现实技术术在远程教学学中的应用VR在教育中的应应用虚拟现实技术术能够为学生生提供生动、、逼真的学习习环境，学生生能够成为虚虚拟环境的一一名参与者，，在虚拟环境境中扮演一个个角色，这对对调动学生的的学习积极性性，突破教学学的重点、难难点，培养学学生的技能都都将起到积极极的作用。虚虚拟现实技术术在教学中的的应用主要有有以下四个方方面。1．知识学习。。知识学习是是指远教学生生利用虚拟现现实系统学习习各种知识。。它的应用有有两个方面：：一是再现实实际生活中无无法观察到的的自然现象或或事物的变化化过程，为学学生提供生动动、逼真的感感性学习材料料，帮助学生生解决学习中中的知识难点点。虚拟现实在知知识学习中的的另一个应用用是，使抽象象的概念、理理论直观化、、形象化，方方便学生对抽抽象概念的理理解。752