第章虚拟现实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年正式提出出了“VirtualReality”这个使用用至今的名名词。20世纪80年代，许多多部门和组组织都在从从事虚拟现现实的研究究，其中，，美国宇航航员（NASA）及美国国国防部组织织的一系列列有关虚拟拟现实技术术的研究取取得了令人人振奋的研研究成果，，从而激发发了人们对对虚拟现实实研究的更更大热情以以及对虚拟拟现实技术术的广泛关关注。尤尤其在1984年，美国宇宇航局Ames研究中心虚虚拟行星探探测实验室室组织开发发的用于火火星探测的的虚拟环境境视觉显示示器，取得得了成功，，将火星星探测器发发回的数据据输入计算算机，为地地面研究人人员构造了了火星表面面的三维虚虚拟环境。。该研究中中心在随后后的虚拟交交互环境工工作站的项项目中又开开发了通用用多传感个个人仿真器器和遥控设设备。可以以说，在那那个时候，，虚拟现实实技术已经经进入到了了科学研究究领域，并并且取得了了鼓舞人心心的进展。。同许多其他他学科一样样，相关技技术的发展展对虚拟现现实起了极极大的促进进作用。特特别是计算算机技术、、网络技术术、图形学学技术等的的飞速发展展，使得虚虚拟现实技技术也获得得了长足的的进步。进入90年代，随着着计算机硬硬件技术、、电子技术术飞速发展展，计算机机软件系统统日趋完善善，计算机机已经有能能力承担基基于大型数数据集合的的声音和图图像的实时时动画制作作，同时，，基于虚拟拟现实技术术、人工智智能技术的的人机交互互系统的设设计也不断断涌现，输输入输出设设备不断创创新，都使使得以往难难于实现的的设想成为为现实。利利用虚拟拟现实系统统宇航员成成功地完成成了从航天天飞机的运运输舱内取取出新的望望远镜面板板的工作、、采用虚拟拟现实技术术设计波音音777获得成功等等就是近年年来在科技技界引起较较大反响的的虚拟现实实技术的成成就。在90年代，虚拟拟现实技术术还不断向向许多领域域拓展，由由于计算机机技术、网网络技术、、三维图像像技术的发发展，虚拟拟现实在因因特上也取取得了进展展。作为因因特网三维维技术的VRML建模语言正正是90年代起步并并且逐步发发展起来的的。虚拟现实系系统具有身身临其境的的虚拟环境境以及图形形交互等突突出的特点点使得它不不再仅仅是是某些尖端端领域、特特殊行业的的专业技术术，除上述述的军事、、航天领域域外，虚拟拟现实技术术在医疗、、教育培训训、娱乐、、工业设计计、生产制制造、信息息管理、商商业贸易、、建筑行业业等都有相相应的发展展，理论研研究和应用用实践使得得虚拟现实实技术更加加趋于完善善，发展也也更加迅速速。1.2虚拟现实的的实现虚拟现实由由于应用的的不同，实实现方法也也不同，一一般说来，，作为高级级应用的虚虚拟现实系系统离不开开满足虚拟拟现实要求求的硬件设设备。而作作为桌面计计算机系统统实现虚拟拟现实则往往往无需特特别硬件设设备的支持持，随着因因特网的普普及和发展展，出现了了很多在因因特网上实实现虚拟现现实环境的的方法。有有些是纯粹粹用软件技技术实现的的。虚拟现实的的硬件设备备虚拟现实系系统由于应应用和目的的不同，需需要的硬件件设备也不不同，一般般常见的虚虚拟现实系系统应该包包括下述几几个方面的的硬件设备备。虚拟现实跟跟踪传感设设备：获得得人在虚拟拟环境中的的动作、感感知等信息息；虚拟现实显显示设备：：用于观察察者观看虚虚拟场景时时增加真实实的效果从从而产生真真实的感受受。虚拟现实的的虚拟手设设备：用于于在虚拟场场景中模拟拟人手对周周围环境的的感知、操操纵和控制制。此外，根据据不同的需需要，还应应该有满足足虚拟要求求的声音设设备以及模模拟一些触触觉和感知知度的设备备如力回馈馈、触觉回回馈装置等等。目前常见的的也较普及及的设备有有头盔屏幕幕显示器、、数据手套等。头盔屏幕显显示器（HeadMountedDisplay，简称HMD）（图1-1）是虚拟现现实系统中中十分重要要的硬件设设备，也是是虚拟现实实中最早使使用的硬件件设备。它它属于虚拟拟现实的显显示设备。。数据头盔盔按照人的的视觉原理理放大了图图像，使得得人的整个个视野都包包容在虚拟拟场景之内内。同时，，还把人的的头部动作作和虚拟环环境的变化化相结合。。动作和情情景变化的的协调一致致，产生了了逼真的视视觉感受。。HMD的基本原理理是将小型型二维显示示器所产生生的图像借借助于光学学系统放大大。小型二二维显示器器所发出的的光线经过过凸透镜使使图像因折折射产生类类似远方效效果，从而而将近处物物体放大至至远处观赏赏而达到一一种虚拟的的全像视觉觉。目前，头盔盔显示器的的光学技术术设计和制制造技术日日趋完善，，除了在许许多虚拟显显示系统中中得到普遍遍应用以外外，还拓展展到一般的的应用中。。例如有些些电脑游戏戏已经利用用头盔屏幕显示器器增加游戏戏的真实感感。另外一个在在虚拟现实实系统中经经常出现的的硬件设备备就是数据据手套（DateGlove）（图1-2），属于于虚拟显示示系统的虚虚拟手设备备。它的基基本原理是是借助于光光学识别的的方法。附附在手套上上每根手指指的光纤连连接附于手手套指尖部部分的发光光二极管，，光纤的另另一端连接接光学识别别晶片，光光信号由光光学识别晶晶片转换为为电信号被被处理。数数据手套是是虚拟现实实系统中的的主要交互互设备，它它作为一只只虚拟的手手和三维虚虚拟场景交交互，可以以模拟人手手在虚拟场场景中进行行抓取物体体、移动物物体甚至装装配物体从从而实现虚虚拟环境中中的操纵、、控制等。。2.虚拟现实的的实现技术术简单说来，，虚拟现实实的实现可可以分为两两类：高级级的虚拟现现实系统以以及桌面虚虚拟现实系系统。作为虚拟现现实的高级级应用，其其特征是借借助于前面面提到的各各种硬件设设备，利用用诸如虚拟拟现实的视视觉三维显显示技术、、听觉三维维还原技术术、触觉感感知技术以以及虚拟现现实的交互互技术实现现。例如虚虚拟现实在在航天、军军事、医疗疗，工业设设计与制造造等方面的的应用。这这些应用要要求很高，，参与性强强，完全沉沉浸，实时时交互并且且使得参与与者对环境境力求有真真实的控制制。系统本本身技术复复杂，造价价也高，用用于专门的的应用。如如我国研制制的飞机牵牵引与加油油模拟训练练器、特种种车辆牵引引仿真器就就是这样的的一个系统统。这里谈及的桌桌面虚拟现实实指的是强调调虚拟现实体体验的虚拟环环境，其特征征是无需借助助于特别的硬硬件设备，甚甚至可以仅用用软件实现，，实现的费用用低，但是不不能实现完全全的参与，复复杂的感知也也很难体现。。目前，这类类系统往往应应用在各种虚虚拟的演示上上，大多借助助于网络传播播。譬如，一一些虚拟城市市、虚拟校园园等，给人以以逼近真实的的感观。本书书介绍的VRML建模语言是实实现虚拟环境境体验的一个个很优秀的建建模工具，往往往应用于构构建各种虚拟拟场景。它能能够提供交互互性，使浏览览者有较强的的参与性。此此外，基于图图像处理的全全景摄影技术术也是这样的的一个虚拟体体验，在虚拟拟公园、虚拟拟旅游方面有有较好的应用用。当然它还还不能算得上上是真正意义义上的虚拟现现实技术，也也未能实现真真正的3D效果，但是和和别的相关技技术结合，对对于实现虚拟拟的体验很有有帮助。1.3虚拟现实技术术的基本特征征从计算机技术术的角度而言言，虚拟现实实技术是一种种更为先进的的人机接口的的方式。不同同于以往意义义上的可视化化操作界面、、图形用户界界面等。虚拟拟现实技术给给用户提供了了视听、接触触甚至操纵控控制等直观方方便的实时交交互方法。虚拟现实具有有下述几个方方面的特征。。1．交互性(Interaction)虚拟现实不是是简单的对周周围环境的模模拟，更为为重要的是人人们可以与这这个虚拟环境境进行交互，，从而把人在在自然环境中同周围围事物的联系系带入到虚拟拟的世界中来来。在虚拟环环境中，介入入者不是被动动的接受所提提供的信息，，能够操纵、、控制虚拟场场景中所感兴兴趣的对象的的形态、运动动状况等。例例如，中国科科技大学已经经有了基于局局域网的大学学物理仿真实实验、几何光光学设计实验验平台，实现现了实验者的的交互和控制制。2．沉浸度(Immersion)无论计算机所所创建的虚拟拟环境是真实实世界的再现现，还是来自自人们的幻想想构建的超越越自然环境的的世界，都能能够让人不是是简单的浏览览，而是虚拟拟环境中参与与者，是它的的一部分，这这就是沉浸的的含义。在这这里，参与者者能够体验到自然世世界中的各种种感知，如视视觉、听觉、、触觉等，进进而在虚拟环环境中达到一一种忘我的境境界。许多虚虚拟城市、虚虚拟校园虽然然由于网络条条件、硬件环环境等原因，，目前还只是是一种感受和和体验，但是是给浏览者的的那种身临其其境的感觉是是常规的文本本、图片信息息所不能代替替的。3．幻想性(Imagination)人类的想像力力是创造的源源泉，虚拟现现实提供了人人们发挥想像像力的空间。。它即能再现现我们周围的的世界，使得得各种各样的的虚拟系统在在各行各业发发挥重要的作作用。同时，，还能够按照照人们的想像像构建超越现现实的环境，，拓宽了人们们认知事物的的程度。4．多感知性（（Multi-Sensation）人在自然环境境中能够有各各种各样的感感觉，理想的的虚拟现实环环境应该具有有人所具有的的感知功能。。所谓多感知知性就是虚拟拟环境要实现现力觉感知、、触觉感知、、运动感知、、甚至包括味味觉感知、嗅嗅觉感知等。。目前，有些些感知虚拟环环境已经能够够很好实现了了。借助于力力回馈技术参参与者能够感感觉到力的作作用。有些游游戏虽然尚未未能实现真正正意义的虚拟拟现实，但是是借助于力回回馈手柄已经经能够使游戏戏者感到撞车车等感受。1.4虚拟现实技术术的主要应用用领域由于能够再现现真实的环境境，并且人们们可以介入其其中参与交互互，使得虚拟拟现实系统可可以在许多方方面得到广泛泛的应用。随随着各种技术术的融合，相相互促进和发发展，虚拟现现实技术在航航天、军事、、通信、医疗疗、教育、娱娱乐、建筑和和商业等各个个领域都有极极大的发展和和应用前景。。在军事领域中中，利用虚拟拟现实技术可可以模拟新式式武器如飞机机的操纵与训训练，以取代代危险的实际际操作。并且且利用虚拟现现实对于实际际环境的仿真真，可以在虚虚拟的或者仿仿真环境中进进行大规模的的军事演习的的模拟。由虚虚拟现实模拟拟的场景可以以同真实战场场一样，操作作人员可以体体验到真实的的攻击与被攻攻击的感觉。。在航天领域中中，虚拟现实实技术既可以以模拟出真实实的太空环境境，又能作为为飞行器训练练的模拟平台台，无疑是有有实际意义的的。建筑行业中，，虚拟现实可可以作为那些些制作精良的的建筑效果图图的更进一步步的拓展。它它能形