虚拟现实1概念

梁延研黄静虚拟现实与建模VirtualRealityContents:1虚拟现实2虚拟现实运用3建模技术开展前景5存在的问题4虚拟现实与建模计算机屏幕只是一个窗口,但经过这个窗口,我们可以看见一个虚拟的世界。我们面临的挑战是如何使这个世界看起来真实、动起来真实、听起来真实、摸起来真实！——伊万·萨瑟兰虚拟现实根本含义、开展历史、特征、关键技术、硬件根底、VR系统14虚拟现实1.地理信息学：存在于计算机系统中的逻辑环境，经过输出设备模拟显示现实世界中的三维物体和它们的运动规律和方式。资源信息学：利用计算机开展中的高科技手段构造的，使参与者获得与现实一样的觉得的一个虚拟的境界。通讯科技学：一种模拟三维环境的技术，用户可以如在现实世界一样地体验和支配这个环境。虚拟现真实不同窗科中有不同定义：5虚拟现实技术是一种综合运用计算机图形学、人机接口技术、传感器技术以及人工智能等技术，制造逼真的人工模拟环境，并能有效地模拟人在自然环境中的各种感知的高级的人机交互技术。1.1详细定义人机交互的飞跃61.1了解定义可以简单地了解为：虚拟现实系统是利用计算机生成的能给人多种感官刺激的人机交互系统。反响动作感官刺激虚拟环境感知系统反响系统两个方面的了解：计算机生成的虚拟环境必需能提供多种感官刺激，让人有沉浸的觉得。一种高级的人机交互系统，人机交互是中心。计算机科学开展的一个重要推进力

—如何让计算机更容易被人运用操作人员可以以更为自然的方式运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可以更准确地了解人的意图从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根底上要解释数据、了解数据，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景象或模拟的物理景象先进的科学计算将能洞察到传统科学计算所不能够看见的结果〔Toseetheunseen〕，可视化是把某些不可见对象或笼统事物转化为可见的、可感知的结果“Thepurposeofcomputingisinsight,notnumber〞---RichardHamming人机调和、定性定量结合是发明性研讨的源泉，要求在察看计算所得的数据的根底上，能感受计算所得的笼统结果和全局观念研讨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、驾驭和修正所“看见和感遭到〞的计算结果自90年代初起

在高性能计算的支持下要务虚现沉浸式的可视计算处理复杂问题，必需跨领域协作集体攻关网络技术已根本成熟，基于网络计算可实现资源共享基于一致的开放体系框架构造、运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务虚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开展,高性能计算机为沉浸式、协同式的可视化计算提供根底

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构造、中间件、人机接口和阅历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世纪技术开展的相应规划，如：DOE2000和NSF的PACI等121.2技术根底虚拟现实的关键技术，从自然信源获取信息，并进展处置和识别。经过输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话。虚拟现实的奠基石，用数学算法实现图形在计算机中的显示。模拟、延伸和扩展人的智能的实际、方法、技术及运用系统。计算机图形学人工智能传感器技术人工交互技术虚拟现实131.3开展历史Sutherland在TheUltimateDisplay的论文中初次提出虚拟现实系统的根本思想。出现了第一个功能较齐全的HMD〔头盔显示器〕系统。JaronLanier提出了"VirtualReality"一词，美国的一系列研讨成果，引起了人们的广泛关注。迅速开展的计算机软硬件技术，促进了人机交互系统的不断创新与开展。各学科交叉交融共同开展，新技术雨后春笋般出现并广泛运用，不断改动着我们的生活。1990s1980s1970s1960sNowFuture？？？……141.4根本特征沉浸感(Immersion)：指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。交互性(Interaction)：指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反响的自然程度。想象性(Imagination)：指用户沉浸在多维信息空间中，依托本人的感知和认知才干全方位获取知识，发扬客观能动性，寻求解答，构成新的概念。ImaginationInteractionImmersion3I151.5虚拟现实系统的硬件组成虚拟现实系统感知设备虚拟环境生成设备跟踪设备交互设备161.6硬件根底虚拟现实运用的主要交互设备，可实现对物体的抓取、挪动、装配、支配、控制。数据手套用于六自在度虚拟现实场景的模拟交互，可从不同角度和方位对三维物体察看、阅读、支配。三维空间交互球称号运用17用于空间跟踪定位的安装，使参与者在空间上可以自在挪动、旋转，不局限于固定的空间位置。位置跟踪器不需求任何立体眼镜设备，用肉眼即可察看到突出的立体显示效果。3D显示器能使参与者实现除视觉、听觉之外的第三觉得——触觉，加强虚拟现实的交互性和真实感。力反响安装1.6硬件根底称号运用快速呼应的任务平台洞穴状的投影屏幕〔CAVE〕安装在浙江大学的CAVECAVE表示图圆柱型的投影屏幕由矩形块拼接构成的投影屏幕全景图可支持多用户协作的投影屏幕可支持多用户协作的投影屏幕的改良力反响设备：数据手套(cyberglove)：三维鼠标三维声音系统声音在VR中的作用：1〕加强空间信息，尤其是当空间超出了视域范围。2〕数据驱动的声音能传送对象的属性信息。3〕声音是用户和虚拟环境的另一种交互方法。三维扫描仪(来自cyberware公司〕有多个摄像头的三维实时重构基于图片的三维重建基于图片的三维重建361.7关键技术1〕环境建模技术即获取实践三维环境的三维数据，建立相应的虚拟环境模型的技术。2〕立体声合成和立体显示技术消除声音的方向与用户头部运动的相关性，并在复杂的场景中实时生成立体图形。373〕触觉反响技术用户可以直接操作虚拟物体并觉得到虚拟物体的反作用力，从而产生身临其境的觉得。1.7关键技术4〕交互技术利用数字头盔、数字手套等复杂的传感器设备，三维交互技术与语音识别、语音输入技术成为重要的人机交互手段。385〕三维跟踪技术用于空间跟踪定位，实时记录参与者的相关动作轨迹等。1.7关键技术6〕系统集成技术包括数据转换技术、语音识别与合成技术等，实现数据的实时传输与处置，方便智能控制和加强交互性。39虚拟现实的技术本质在于提供一种高级的人机接口和人性化的虚拟信息空间，改动了人与计算机之间枯燥、生硬和被动的交互现状。1.8技术优点虚拟现实的出现，使人们从纷繁复杂的数据中解放出来，提供了一个崭新的信息交流平台，乃至一个全新的世界。401.9虚拟现实系统分类按交互和浸入程度的不同：分布式虚拟现实加强式虚拟现实桌面式虚拟现实沉浸式虚拟现实虚拟现实系统411.9虚拟现实系统分类<1>桌面式虚拟现实系统〔DesktopVR〕：利用PC机或中低档任务站作虚拟环境产生器；计算机屏幕或投影屏幕作为察看窗口；参与者仅运用键盘、鼠标和力矩球等简单外部设备。桌面虚拟现实系统桌面虚拟现实〔PCVR〕系统，根本上是一套基于普通PC平台的小型桌面虚拟现实系统。桌面虚拟现实的参与者是不完全沉浸的，他要求参与者运用规范的显示器和立体显示设备，数据手套和六个自在度的三维空间鼠标器，戴上立体眼镜坐在监视器前，在一些专业软件的协助下，可以经过计算机屏幕察看虚拟境界。43<2>加强式虚拟现实系统〔AugmentedVR〕：真实世界和虚拟对象叠加在一同；部分真实环境由虚拟环境取代，减少构成复杂真实环境的开销；1.9虚拟现实系统分类加强式虚拟现实系统加强式虚拟现实系统是把真实环境和虚拟环境组合在一同的一种系统，它既允许用户看到真实世界，同时也可以看到叠加在真实世界的虚拟对象，这种系统既可减少对构成复杂真实环境的计算，又可对实践物体进展操作，真正到达亦真亦幻的境界。45<3>沉浸式虚拟现实系统〔ImmersiveVR〕：各种高档任务站、高性能图形加速卡和交互设备。是一种高级的、较理想的虚拟现实系统，参与者置身于虚拟环境之中，能得到完全沉浸的体验。1.9虚拟现实系统分类沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统是一种高级的虚拟现实系统，它提供一个完全沉浸的体验，运用户有一种置身于虚拟境界之中的觉得。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它觉得封锁起来，并提供一个新的、虚拟的觉得空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的觉得。47<4>分布式虚拟现实系统〔DistributedVR〕：虚拟现实技术和网络技术结合的产物；以沉浸式虚拟现实系统为根底，多个用户或虚拟世界经过网络相衔接；多个用户同时参与到同一个虚拟空间，共享信息，协同任务到达一个更高的境界。1.9虚拟现实系统分类分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统是利用远程网络，将异地的不同用户结合起来，多个用户经过网络同时参与一个虚拟空间，共同体验虚拟阅历，对同一虚拟世界进展察看和操作，到达协同任务的目的，从而将虚拟现实的运用提升到了一个更高的境界。49AugmentedVR穿透型头戴式显示器配合其他交互设备加强参与者对真实环境的感受本钱较高维修、医学检查、培训等所需硬件实现效果本钱&运用完全的沉浸感，多用户共享信息本钱高军事仿真、文娱、多用户环境、电子商务等DistributedVR沉浸式虚拟现实系统&互联网络1.10四种虚拟现实系统的对比DesktopVR沉浸感不够好，受现实世界影响大本钱低运用广泛，实现普通的虚拟现实PC机、中低档任务站配合立体眼镜、3D控制器或者鼠标，追踪球，力矩球头盔显示器和数据手套等各种交互设备ImmersiveVR本钱高运用广泛，如虚拟社区等完全的沉浸感，真实性好，多觉得性〔视、听、触〕根本含义、特点、分类、各层次建模技术虚拟现实建模技术2虚拟现实系统的构成

无论哪种VR系统，其系统构成都可以划分为以下6个功能模块：检测反响传感器控制3D模型建模模块用户虚拟世界现实世界检测用户的操作命令，并经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，为用户提供实时反响。反响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响方式提供应用户传感器模块对传感器进展控制，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。建模模块虚拟现实系统的构成

虚拟现实建模2.虚拟现实建模是为了建立虚拟现实所需求的数字模型，是虚拟现实技术中最重要的技术领域。从数学上定义根本过程,并配备已有的硬件资源。1开发对象数据库，优化模型,建立对象的外形、外表、行为、限制模型，并映射到虚拟世界。2步骤如下：54虚拟现实建模与其他图形建模系统相比，有本人独特的特点:虚拟现实中有非常广泛的物体,往往需求构造大量完全不同类型的物体。虚拟现实中有些物体必需有其本人的行为,即多是动态的物体。虚拟现实中的物体必需可以对察看者作出反响，即具有交互性。2.1虚拟现实建模技术特点552.1虚拟现实建模技术分类虚拟现实建模技术基于几何绘制基于图像几何与图像混合设定控制参数，获取察看者的位置信息，输出实时渲染绘制视景画面。3建立光照模型，并借助纹理映射技术来提升真实感；2对虚拟环境进展数字化描画，构造模型构造，同时设定材质信息；1561.基于几何绘制的虚拟场景建模技术：以计算机图形学原理为根底，用数学意义上的曲线、曲面、多边形等数学模型预先构建好虚拟场景的几何轮廓，并建立光照和材质模型。2.1虚拟现实建模技术572.1虚拟现实建模技术2.基于图像的虚拟场景建模技术：选择适宜的空间模型把多幅全景图组织为虚拟场景空间3经过图象处置系统对数据进展优化和整理，生成逼真的场景平面全景图；2利用外部设备采集真实模型的离散图象数据或延续图象视频数据；1582.1虚拟现实建模技术3.几何与图像混合的虚拟场景建模技术：-------对场景中的不同环节采用不同的处置方式。系统总体的全景视觉效果基于图像的建模技术利用反映真实场景的高质量的图象，在无须复杂建模的情况下获得最真实的感官效果。系统的用户交互部分基于几何模型的方法对虚拟环境中用户要与之交互的对象进展模型建构，以抑制图像交互性不强的问题。59缺陷优点2.2三种虚拟现实建模技术对比基于几何绘制几何模型参数准确，整个场景细腻真实，碰撞检测时容易实现，技术较成熟，产品很多复杂场景模型的构建任务量大，本钱较高；三维场景实时渲染绘制对计算机软硬件要求较高基于图像能生成高质量的图象环境，遨游效果及处置时间与场景内容的复杂度无关，不需求专业的图形加速设备必需有真实场景存在，二维对象难以实现交互，获得实景图象需求高性能摄影配备几何与图像混合无须复杂建模获得最真实的感官效果，抑制图像交互性不强的问题实体对象与虚拟对象坐标位置、亮度、阴影强度等要准确匹配；实时交互的实现较复杂60认知建模行为建模感知建模物理建模图像建模几何建模逼真感内在逼真感外在逼真感2.3虚拟现实建模的层次智能建模虚拟现实运用工程、军事、航空航天、医疗、科学研讨、教育文娱、其他3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虚拟现真实矿业领域的详细运用模拟矿井开采矿业人员技术培训矿井设备的虚拟设计和制造事故模拟与调查分析虚拟现真实商业领域的详细运用物品外观展现物品特性展现物品的功能参数物品的价钱虚拟现真实房地产领域的详细运用最直观的交流方式最快捷的审批平台最方便的设计工具最先进的营销手段几个已实现的例子：1、日本松下公司用来招徕买主的“厨房世界〞2、杭州大学开发的虚拟故官玩耍系统3、美国佐治亚理工学院开发出虚拟动物园的大猩猩系统4、日本的一家公司设计制造出一个虚拟世界中的歌手5、宾夕法尼亚大学研讨制成虚拟现实人杰克68虚拟样机虚拟工业设计虚拟装配3.1工程运用产品设计与人机效果(飞机，空间站等)奥迪效果图和线框图71虚拟战场环境可以用来训练军事人员，同时又可以来检查和评价武器系统的性能。利用虚拟现实技术，研讨人员即使不进展核实验，也能不断改良核武器。3.2军事运用用于核弹B-61-x的虚拟组装系统73某型军舰航空母舰模型3.2军事运用北京邮电大学仿真训练中国海警某型主力艇虚拟仿真虚拟现实&视景仿真技术在军事上的运用VirtualRealitysystems

totrainaircraftpilotsandtankcommanders北京邮电大学协同任务环境的仿真783.3航空航天飞行员模拟操作训练飞机飞行形状模拟793.3航空航天虚拟太空环境训练虚拟卫星运转环境航天员操作训练最为胜利的例子就是“哈勃望远镜的修复和维护〞。经过这个虚拟系统的训练，宇航员于1993年12月，胜利地完成了从航天飞机上取出备件改换哈勃太空望远镜上损坏的MRI这一复杂而又费时的义务。空间技术VR813.4医疗运用虚拟手术虚拟人体模型823.5科学研讨计算数据可视化参数化模型分析833.6教育文娱虚拟课堂虚拟实验843.7其他运用室内设计虚拟现实技术问题软硬件问题、本身问题4虚拟现实中的问题4.硬件问题软件问题VR本身技术问题数据存储设备的速度、容量缺乏，显示设备的造价昂贵而且明晰度不够。硬件问题限制了软件的开发，费用惊人，实现的效果受时间和空间影响很大。874.1本身技术问题VR本身技术问题虚拟环境感知信息合成的真实性环境表示的准确性人与虚拟环境交互的自然性实时显示的问题智能技术的实现图形生成的问题虚物实化如何根据虚拟环境生成人可直接感遭到的真实信号〔声、光、电〕。是一个显示〔输出〕问题。实物虚化如何将真实世界中的物〔特别是人〕与事件〔特别是人的动作〕传入虚拟环境中。是一个感知的问题。主要研讨方向之一：

感知技术的研讨研讨如何感知真实世界中人和物的存