虚拟现实技术概述 10

第10章：虚拟现实技术虚拟现实技术概述虚拟现实系统的分类虚拟现实系统的组成虚拟现实技术研究的内容虚拟现实关键技术虚拟现实的应用虚拟现实所追求的长远目标虚拟现实建模语言VRML使用VRML2.0构造虚拟世界跳转到主页110.1虚拟现实技术概述虚拟现实的定义虚拟现实的发展及研究现状虚拟现实的主要研究内容虚拟现实的特点沉浸感10.1.1虚拟现实的定义包括了三层含义：虚拟实体是用计算机来生成的一个逼真的实体，“逼真”就是要达到三维视觉，甚至包括三维的听觉及嗅觉等；用户可以通过人的自然技能与这个环境交互，这里自然技能可以是人的头部转动、眼动、手势或其它的身体动作；虚拟现实往往要借助一些三维传感设备来完成交互动作。虚拟现实技术示意图10.1.2虚拟现实的发展1965年IvanSutherland提出虚拟现实的基本思想1966年MIT林肯实验室第一个HMD样机完成,并融入力反馈装置1970年IvanSutherland研制成功第一个功能较为齐全的HMD1975年MyronKrueger提出“人工现实”的思想20世纪80年代虚拟现实进一步发展，出现

”VirtualReality”(虚拟现实)一词20世纪90年代明确提出虚拟现实研究的主要内容，虚拟现实技术飞速发展10.1.3虚拟现实的研究现状国外的研究北卡罗来纳大学(UNC)计算机系麻省理工学院(MIT)媒体实验室

洛玛琳达(LomaLinda)大学医学中心华盛顿大学人机界面技术实验室(HITLab)美国宇航局(NASA)Ames实验室伊利诺斯州立大学

其他机构国内的研究北京航空航天大学计算机系

浙江大学（CAD&CG国家重点实验室、心理实验室）清华大学计算机科学和技术系西安交通大学信息工程研究所

北方工业大学CAD研究中心

中国科技开发院威海分院

其他机构10.1.4虚拟现实的特点沉浸感(Immersion)视觉浸入听觉浸入触觉浸入嗅觉浸入与味觉浸入交互性(Interaction)构想性(Imagination)10.1.5沉浸感导致沉浸感的原因是用户对计算机环境的虚拟物体产生了类似于现实物体的存在意识或幻觉。沉浸感必须具备三个要素：图象(imagery)交互(interaction)行为(behavior)沉浸感存在感存在感存在感存在感认知10.2虚拟现实系统的分类依照虚拟现实与外界交互分类依照虚拟现实特点分类10.2.1依照虚拟现实与外界交互分类从虚拟现实与外界的交互考虑可以分成三类：封闭式虚拟现实，即与外部现实世界不产生直接交互；开放式虚拟现实，即通过各种传感装置与外界构成反馈闭环；以上两类的结合，即兼备封闭式或开放式的特点，是一种较实用的虚拟现实系统。依依照照虚拟拟现实实的构构成特特点分分类依照虚虚拟现现实的的构成特特点可分为为：桌面虚虚拟现现实系系统，利用微微机或或低档档工作作站进进行模模拟，，在一一些专专用硬硬件和和软件件的支支持下下，参参与者者可在在仿真真过程程中设设计各各种环环境；；临境虚虚拟现现实系系统，也称投投入式式虚拟拟现实实系统统。利利用使使参与与者完完全投投入的的各种种设备备把用用户的的视觉觉、听听觉和和其它它感觉觉封闭闭起来来，产产生一一种与与世隔隔绝而而被虚虚拟环环境笼笼罩的的错觉觉，达达到完完全投投入的的目的的。分布式式虚拟拟现实实系统统，在临临境虚虚拟现现实系系统的的基础础上将将不同同的用用户联联接在在一起起，共共享同同一个个虚拟拟空间间，使使用户户达到到一个个更高高的境境界。。传感真真实环环境控制虚虚拟环环境表现虚虚拟环环境

桌面虚虚拟现现实系系统与与临境虚虚拟现现实系系统10.3系系统统的组组成虚拟现现实系系统由由可交交互的的虚拟拟环境境、虚虚拟现现实软软件、、虚拟拟现实实硬件件(包包括计计算机机、虚虚拟现现实输输入输输出设设备)三部部分组组成虚拟现现实系系统的的模型型在系系统组组成上上一般般包括括检测、反馈、传感器器、控制、三维模模型及建模模模块。桌面虚虚拟现现实系系统和和临境境虚拟拟现实实系统统之间间的主主要差差别在在于：：参与者者身临临其境境的程程度，这也也是他他们的的系统统结构构、应应用领领域和和成本本都大大不相相同的的原因因；前者以以常规规的CRT彩色显显示器器和立立体眼眼镜来来增加加身临临其境境的感感觉，，主要要交互互装置置为6自由由度鼠鼠标或或三维维操纵纵杆，，后者者采用用HMD现实，，主要要交互互装置置为数数据手手套和和头部部跟踪踪器。。虚拟现实系系统的基本本组成输入设备虚拟现实软软件虚拟世界计算机输出设备虚拟现实系系统模型图图操作虚拟环境反馈外部世界传感装置操作显示虚拟系统的的组成图虚拟环境现实世界系统建模3D模型检测反馈传感器控制用户桌面虚拟现现实系统基基本组成图图虚拟环境发生器器声音合成26自由度控控制器立体视觉显显示器触觉/视觉觉系统声音显示器器声音合成临境虚拟现现实系统基基本组成图图虚拟环境发生器头盔显示器/数据手套声音合成声音定位语言识别显示电子装装置头/眼/手手/体跟踪踪触觉/动觉觉系统命令图形图象头位置眼位置手位置10.4虚虚拟现实实的主要研研究内容基于视觉、、听觉、触触觉和嗅觉觉的逼真模模拟世界生生成技术三维实时动动画视觉环境建建模（体视视图的生成成原理）空间定位和和空间仿真真技术声像一体化化仿真技术术虚拟环境中中的标定人与技术融融为一体的的临场感技技术宽视场立体体显示技术术感知并识别别用户视点点变化，头头、手、肢肢体、身躯躯动作和语语音的基于于自然方式式的人机交交互技术快速、高精精度三维跟跟踪技术人的因素与与用户心理理学研究10.4虚虚拟现实实的主要研研究内容虚拟环境的的控制系统统实时、低延延时控制软软硬件设计计传感技术和和传感设备备研究多传感器数数据融合遥感技术虚拟环境与与现实环境境的一致性性保持开发新的非非应用虚拟拟环境技术术不可的领领域虚拟现实系系统开发平平台研制分布式虚拟拟现实技术术虚拟现实实实用系统的的开发10.5虚虚拟现实实关键技术术提高图形系系统的实时时性三维位置方方位跟踪与与视觉、听听觉、嗅觉觉等传感及及识别技术术高速计算能能力及计算算复杂性问问题面向对象技技术的应用用动态环境三维建模技技术纹理贴图、、全局光照照建模技术术、立体显显示技术（（体视图等等）、几何何建模（NURBS建模技术术、过程建建模技术））、运动建建模、物理理建模、基基于图像的的建模等系统集成技技术NURBS技术生成成图像空间点左视图左视点右视点右视图体视图生成成原理被动式立体体投影原理理10.6虚虚拟现实实的应用可视化的研研究与应用用工程的计算算机辅助设设计和制造造(CAD/CAM)医学方面的的应用军事模拟和和飞行模拟拟教育和艺术术遥在和遥控控游戏和娱乐乐10.7虚虚拟现实实技术所追追求的长远远目标虚拟显示系系统扩大人人类的感知知和认知能能力；虚拟技术必必然会推动动生产管理理模式的变变化；虚拟技术不不仅支持着着灵捷制造造系统的建建立，而且且可以使整整个设计制制造过程对对用户是透透明的，使使用户有可可能参与设设计；虚拟现实技技术将引起起设计制造造业的巨变变；虚拟现实技技术将导致致医学革命命；虚拟现实技技术将促使使遥在技术术的发展；；虚拟现实技技术帮助残残疾人和增增强残疾人人的自理能能力；虚拟现实技技术还将有有效地辅助助人类进行行决策和行行动。虚拟现实技技术在设计计中应用图图象飞机机舱的的图象虚拟仪表的的图象水下航行模模拟的图象象飞行模拟的的图象虚拟现实在在军事训练练中的应用用虚拟现实在在医学上的的应用10.8虚虚拟现实实建模语言言VRML概述的诞生与发发展简介世界的浏览览和发布建模软件和和创作工具具开辟一个虚虚拟世界概述10.8.2VRML的诞诞生与发展展VRML的的提出（1994年春，第一一届国际互互联网络年年会）VRML设设计的主要要目标浏览器负责责解释VRML文件件，使VRML描述述的3D景景象可见。。目前的VRML数数据通过HTTP协协议传输。。VRML的的两个版本本(1.0、2.0)VRML1.0存在在的问题：：景象游历细节水平没有原型没有独一无无二的名字字VRML2.0的提提出10.8.3VRML2.0简介VRML2.0推出出的主要目目的是扩展展其静态景景象描述语语言从而使使其成为虚虚拟现实描描述语言，，其中包括括交互和对对象行为以以及对媒体体的规范，，其中最主主要的变化化体现在节节点类型的的扩充上。。VRML2.0是基基于节点的的建模语言言，共有54种标准准节点类型型，按功能能分成9类类。VRML2.0的特特点增强的三维维建模能力力声音和动画画交互式能力力编程能力10.8.3VRML2.0简介支持VRML世界交交互行为的的三种设计计模型扩展VRML语言规规范，加入入新的代码码和关键字字，使之能能很容易地地结合到扩扩展的、开开放的VRML语言言规范中去去。提供与场景景的接口并并实现外部部脚本描述述的行为。。在景象行为为语言中嵌嵌入VRML景象描描述。扩展到多用用户世界需需要解决的的问题可缩放性性持久性锁定同步行为协议代理世界的浏浏览和发发布支持VRML的的浏览器器MicrosoftVRML2.0ViewerCosmo播放放器其他的VRML播放器器VRML世界大大多以.wrl为扩展展名文件件进行发发布的。。为了让让浏览器器知道.wrl文件内内保存的的是何种种类型的的VRML，.wrl文件必必须在顶顶部包含含单独的的一行设设置信息息，除此此之外，，还包括括一个三三维世界界的描述述。建模软件件和创作作工具三维建模模软件和和动画应应用软件件Alias|WavefrontAnimator、、3Dstudio、Maya、LightWave等VRML文件转转换器VRML创作工工具开辟一个个虚拟世世界基本框架架设计构建物体体并组成成世界添加动画画和脚本本修改和测测试10.9使用VRML2.0构造虚拟拟世界VrmlPad简介使用VRML2.0利用节点点构建静静态形体体让形体具具有交互互的能力力检测器(Sensor)节点点观察点(Viewpoint)节点点事件路由由传递机机制使用脚本本节点定定义行为为场景中动动画的实实现使用接触触检测器器，结合合脚本节节点实现现动画使用时间间检测器器，结合合脚本节节点实现现动画使用插补补器，结结合时间间检测器器实现动动画10.10本章小结虚拟现实实技术的的基本概概念虚拟现实实系统的的分类与与组成虚拟现实实技术研研究的内内容虚拟现实实关键技技术虚拟现实实的应用用及长远远目标虚拟现实实建模语语言VRML介介绍VRML2.0的使使用附录#VRMLV2.0utf8Group{children[Shape{geometryBox{}}]}附录#VRMLV2.0utf8Group{children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}附录#VRMLV2.0utf8Group{children[DEFBTransform{translation800children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}DEFSTransform{translation000children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor010}}geometrySphere{}}]}DEFCTransform{translation-800children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor001}}geometryCone{}}]}]}返回附录#VRMLV2.0utf8Group{children[Transform{translation800children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}DEFtouchSensorTouchSensor{}]}返回附录#VRMLV2.0utf8DEFview1Viewpoint{position0010description"view1"}DEFview2Viewpoint{position4210description"view2"}Group{children[Transform{translation800children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}DEFtouchSensorTouchSensor{}]}返回附录#VRMLV2.0utf8DEFview1Viewpoint{position0010description"view1"}DEFview2Viewpoint{position4210description"view2"}Group{children[Transform{translation800children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}DEFtouchSensorTouchSensor{}]}返回附录#VRMLV2.0utf8DEFview1Viewpoint{position0010description"view1"}DEFview2Viewpoint{position4210description"view2"}Group{children[Transform{translation800children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}DEFtouchSensorTouchSensor{}]}DEFtouchscriptScript{eventInSFBooltouchSensorIsActiveeventOutSFBoolbindView2url"javascript:functiontouchSensorIsActive(){bindView2=TRUE;}"}ROUTEtouchSensor.isActiveTOtouchscript.touchSensorIsActiveROUTEtouchscript.bindView2TOview2.set_bind返回附录#VRMLV2.0utf8DEFboxTransform{rotation2220children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}DEFTouchSTouchSensor{}]}DEFrScript{eventInSFBoolstartRevolvingeventOutSFRotationrevolvefieldSFFloatangle0url"javascript:functionstartRevolving(){revolve[0]=2;revolve[1]=2;revolve[2]=2;revolve[3]=angle;angle+=0.1;