第一章虚拟现实技术概论

1虚拟现实技术概论人海量信息虚拟现实技术客观世界11.1虚拟现实技术根本概念虚拟现实技术：是指采用以计算机技术为中心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进展交互，相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验。21.1虚拟现实技术根本概念虚拟现真实人机交互方面有了很大的改良：人机接口方式的改动〔常规接口设备->公用设备〕人机接口内容的改动〔图形图像声音等->环境〕人机接口效果的改动〔基于特殊设备得到逼真感知效果〕31.1虚拟现实技术根本概念虚拟现实技术的开展1962年，美国电影摄影师MortonHeilig研制出一套称为Sensorama的立体电影系统，具有多种感官刺激的立体显示设备。1965年，计算机图形学的奠基者美国科学家IvanSurtherland博士在一篇名为“TheUltimateDisplay〞的论文中初次提出了一种全新的、富有挑战性的图形显示技术，即能否不经过计算机屏幕来观看计算机生成的虚拟世界，而是使察看者直接沉浸在计算机生成的虚拟世界中。这一实际后来被以为在虚拟现实技术中起着里程碑的作用，我们称之为“虚拟现实技术〞之父。1968年，IvanSurtherland研制出了第一个头盔式显示器。20世纪八十年代，美国人JaronLanier正式提出了“VirtualReality〞一词。41.1虚拟现实技术根本概念1984年，美国宇航局〔NASA〕组织开发了用于火星探测的虚拟世界视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研讨人员构造了火星外表的三维虚拟世界。1993年，波音公司在一个由数百台任务站组成的虚拟世界中，用虚拟现实技术设计出由300万个零件组成的波音777飞机。1996年10月，世界第一个虚拟现实技术博览会在伦敦开幕。1996年12月，世界第一个虚拟现实环球网在英国投入运转。…51.1虚拟现实技术根本概念虚拟现实系统的组成COMPUTER计算机SOFTWARESYSTEM运用软件系统DATABASE数据库USER用户I/ODEVICES输入输出设备61.1虚拟现实技术根本概念〔1〕计算机：担任虚拟世界的生成、人与虚拟世界的自然交互等功能的实现。通常可分为基于高性能个人计算机、基于高性能图形任务站、高度并行的计算机及基于分布式构造计算机系统等。71.1虚拟现实技术根本概念〔2〕输入与输出设备：用户与虚拟世界之间要实现自然的交互，必需采用特殊的输入与输出设备，用以识别用户各种方式的输入，并实时生成相应反响信息。常用的设备有用于手势输入的数据手套、用于语音交互的三维声音系统等。89高性能图形计算机环形屏幕头盔眼镜三维显示器三维鼠标手套101.1虚拟现实技术根本概念〔3〕虚拟现实系统的运用软件：运用软件完成的功能有：虚拟世界中物体的几何模型、物理模型、运动模型的建立；三维虚拟立体声的生成；模型管理技术及实时显示技术、虚拟世界数据库的建立与管理等。〔4〕数据库：存放整个虚拟世界中一切物体的各方面信息。111.1虚拟现实技术根本概念基于头盔式显示器的典型虚拟现实系统：由计算机、头盔式显示器、数据手套、力反响安装、话筒、耳机等设备组成。首先由计算机生成一个虚拟世界，由头盔式显示器输出一个立体的显示，用户可以采用头的转动、手的挪动、语音等与虚拟世界进展自然交互，计算机可以根据用户输入的各种信息实时进展计算，即对交互行为进展反响，由头盔显示器更新相应的场景显示，由耳机输出虚拟立体声音，由力反响安装产生触觉〔力觉〕反响。121.2虚拟现实技术的特征3I交互性Interactivity想象性Imagination沉浸性Immersion美国科学家BurdeaG.和PhilippeCoiffet在1993年世界电子年会上发表了一篇题为“VirtualRealitySystemandApplication〞的文章，提出了“虚拟现实技术的三角形〞，表示出虚拟现实技术的三个突出特征：沉浸性、交互性、想象性。131.2虚拟现实技术的特征〔1〕沉浸性：指用户觉得到好似完全置身于虚拟世界之中一样，被虚拟世界所包围。包括视觉沉浸、听觉沉浸、触觉沉浸、嗅觉沉浸、身体觉得沉浸、味觉沉浸等。〔2〕交互性：虚拟现实系统强调人与在虚拟世界之间以自然的方式进展交互，实时产生在真实世界中一样的感知。〔3〕想象性：虚拟的环境是人想象出来的，同时表达出设计者相应的思想，因此可以用来实现一定的目的。141.3虚拟现实系统分类〔1〕沉浸式虚拟现实系统〔ImmersiveVR〕：提供一个完全沉浸的体验，运用户有一种仿佛置身于真实世界之中的觉得，具有以下五个特点：具有高度实时性能具有高度的沉浸感具有良好的系统集成度与整合性能具有良好的开放性能支持多种输入与输出设备并行任务常见的沉浸式虚拟现实系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统151.3虚拟现实系统分类〔2〕桌面式虚拟现实系统〔DesktopVR〕：也称窗口虚拟现实，利用个人计算机或初级图形任务站，以计算机屏幕作为用户察看虚拟世界的一个窗口，采用立体图形、自然交互等技术，产生三维立体空间的交互场景，经过包括键盘、鼠标和力矩球等各种输入设备支配虚拟世界，实现与虚拟世界的交互。其特点为：用户处于不完全沉浸的环境对硬件设备要求极低实现本钱相对较低161.3虚拟现实系统分类〔3〕加强式虚拟现实系统〔AggrandizeVR〕：既可以允许用户看到真实世界，同时也可以看到叠加在真实世界上的虚拟对象。是把真实环境和虚拟环境组合在一同的一种系统，既可减少构成复杂真实环境的计算，又可对实践物体进展操作，真正到达了亦真亦幻的境界。其特点为：真实世界和虚拟世界融为一体具有实时人机交互功能真实世界和虚拟世界在三维空间中整合常用于医学可视化、军用飞机导航等领域。171.3虚拟现实系统分类〔4〕分布式虚拟现实系统〔DistributedVR〕：是虚拟现实技术和网络技术开展和结合的产物，是一个在网络的虚拟世界中，位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟世界经过网络相结合共享信息的系统。其特点为：各用户具有共享的虚拟任务空间伪实体的行为真实感支持实时交互，共享时钟多个用户可以各自不同的方式相互通讯资源信息共享以及允许用户自然支配虚拟世界中的对象181.4虚拟现实的运用领域〔1〕用于遥控机器人的遥现技术：遥现技术是指当实践上在某一个地方时，可以产生在另一个地方的觉得。例如，在宇宙空间站的开发方案中，受各种要素的制约，机器人的遥控遥现技术起了至关重要的作用。〔2〕仿真技术计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的觉得。例如：飞行仿真系统、与虚拟生物对话、作战仿真系统等。〔3〕对象可视化技术：在科学研讨中对研讨数据生成可视化效果以便察看和研讨。例如：虚拟风洞。〔4〕虚拟实验室：在研讨任务和学习过程中，总会有许多实验需反复进展，以期得到不同条件下的不同结果，虚拟实验室能提供这样一个平台。例如：虚拟物理实验室。191.4虚拟现实的运用领域〔5〕虚拟电力控制室：运用虚拟现实技术研制辅助设计控制室的系统。〔6〕扩增实境：扩增实境是虚拟现实最具适用价值的运用之一。它在真实环境的根底上把虚拟环境叠加进去，使二者有机结合，产生真假难辩、亦幻亦真的觉得。例如：当人进入到一商店购某物时，即可在显示设备上显示此物的价钱、性能及各种参数等。20虚拟现真实教育领域的详细运用虚拟学习环境虚拟实验室虚拟实训基地虚拟仿真校园虚拟远程教育21虚拟现真实军事领域的详细运用虚拟战场环境单兵模拟训练与评判诸军种结合虚拟演习进展指挥员训练22虚拟现真