多媒体虚拟现实技术ppt课件

？ *跳转到主页 1 第10章：虚拟现实技术 n虚拟现实技术概述 n虚拟现实系统的分类 n虚拟现实系统的组成 n虚拟现实技术研究的内容 n虚拟现实关键技术 n虚拟现实的应用 n虚拟现实所追求的长远目标 n虚拟现实建模语言VRML n使用VRML 2.0构造虚拟世界 10.1 虚拟现实技术概述 n虚拟现实的定义 n虚拟现实的发展及研究现状 n虚拟现实的主要研究内容 n虚拟现实的特点 n沉浸感 10.1.1 虚拟现实的定义 n包括了三层含义： w 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； w 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； w 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 n1965年 Ivan Sutherland 提出虚拟现实的基本思想 n1966年 MIT林肯实验室第一个HMD样机完成,并融入力反 馈装置 n1970年 Ivan Sutherland 研制成功第一个功能较为齐全的 HMD n1975年Myron Krueger提出“人工现实” 的思想 n20世纪80年代 虚拟现实进一步发展，出现 ”Virtual Reality”(虚拟现实)一词 n20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 10.1.5 沉浸感 n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 。 n沉浸感必须具备三个要素： w 图象 (imagery) w 交互 (interaction) w 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 n依照虚拟现实与外界交互分类 n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 n从虚拟现实与外界的交互考虑可以分成三类： w 封闭式虚拟现实，即与外部现实世界不产生直接交 互； w 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； w 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。 10.2.2 依照虚拟现实的构成特点分类 n依照虚拟现实的构成特点可分为： w 桌面虚拟现实系统，利用微机或低档工作站进行模拟，在一 些专用硬件和软件的支持下，参与者可在仿真过程中设计各 种环境； w 临境虚拟现实系统，也称投入式虚拟现实系统。利用使参与 者完全投入的各种设备把用户的视觉、听觉和其它感觉封闭 起来，产生一种与世隔绝而被虚拟环境笼罩的错觉，达到完 全投入的目的。 w 分布式虚拟现实系统，在临境虚拟现实系统的基础上将不同 的用户联接在一起，共享同一个虚拟空间，使用户达到一个 更高的境界。 传感真实环境 控制虚拟环境 表现虚拟环境 桌面虚拟现实系统与临境虚拟现实系统 10.3 系统的组成 n虚拟现实系统由可交互的虚拟环境、虚拟现实软件、 虚拟现实硬件(包括计算机、虚拟现实输入输出设备) 三部分组成 n虚拟现实系统的模型在系统组成上一般包括检测、反 馈、传感器、控制、三维模型及建模模块。 n桌面虚拟现实系统和临境虚拟现实系统之间的主要差 别在于： w 参与者身临其境的程度，这也是他们的系统结构、应用领域 和成本都大不相同的原因； w 前者以常规的CRT彩色显示器和立体眼镜来增加身临其境的感 觉，主要交互装置为6自由度鼠标或三维操纵杆，后者采用 HMD现实，主要交互装置为数据手套和头部跟踪器。 虚拟现实系统的基本组成 输 入 设 备 虚拟现实软件 虚拟世界 计算机 输 出 设 备 虚拟现实系统模型图 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 桌面虚拟现实系统基本组成图 虚 拟 环 境 发 生 器 声音合成 26自由度控制器 立体视觉显示器 触觉/视觉系统 声音显示器 声音合成 临境虚拟现实系统基本组成图 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 显示电子装置 头/眼/手/体 跟 踪 触觉/动觉系统 命令 图形图象 头位置 眼位置 手位置 10.4 虚拟现实的主要研究内容 n基于视觉、听觉、触觉和嗅觉的逼真模拟世界生成技术 w 三维实时动画 w 视觉环境建模（体视图的生成原理） w 空间定位和空间仿真技术 w 声像一体化仿真技术 w 虚拟环境中的标定 n人与技术融为一体的临场感技术 w 宽视场立体显示技术 w 感知并识别用户视点变化，头、手、肢体、身躯动作和语音的基于 自然方式的人机交互技术 w 快速、高精度三维跟踪技术 w 人的因素与用户心理学研究 10.4 虚拟现实的主要研究内容 n虚拟环境的控制系统 w 实时、低延时控制软硬件设计 w 传感技术和传感设备研究 w 多传感器数据融合 w 遥感技术 w 虚拟环境与现实环境的一致性保持 n开发新的非应用虚拟环境技术不可的领域 w 虚拟现实系统开发平台研制 w 分布式虚拟现实技术 w 虚拟现实实用系统的开发 10.5 虚拟现实关键技术 n提高图形系统的实时性 n三维位置方位跟踪与视觉、听觉、嗅觉等传感及识别 技术 n高速计算能力及计算复杂性问题 n面向对象技术的应用 n动态环境三维建模技术 w 纹理贴图、全局光照建模技术、立体显示技术（体 视图等）、几何建模（NURBS建模技术、过程建模 技术）、运动建模、物理建模、基于图像的建模等 n系统集成技术 NURBS技术生成图像 空间点 左视图 左视点 右视点 右视图 体视图生成原理 被动式立体投影原理被动式立体投影原理 10.6 虚拟现实的应用 n可视化的研究与应用 n工程的计算机辅助设计和制造(CAD/CAM) n医学方面的应用 n军事模拟和飞行模拟 n教育和艺术 n遥在和遥控 n游戏和娱乐 10.7 虚拟现实技术所追求的长远目标 n虚拟显示系统扩大人类的感知和认知能力； n虚拟技术必然会推动生产管理模式的变化； n虚拟技术不仅支持着灵捷制造系统的建立，而且可以 使整个设计制造过程对用户是透明的，使用户有可能 参与设计； n虚拟现实技术将引起设计制造业的巨变； n虚拟现实技术将导致医学革命； n虚拟现实技术将促使遥在技术的发展； n虚拟现实技术帮助残疾人和增强残疾人的自理能力； n虚拟现实技术还将有效地辅助人类进行决策和行动。 虚拟现实技术在设计中应用图象 飞机机舱的图象 虚拟仪表的图象 水下航行模拟的图象 飞行模拟的图象 虚拟现实在军事训练中的应用 虚拟现实在医学上的应用 10.8 虚拟现实建模语言VRML n10.8.1 概述 n10.8.2 VRML的诞生与发展 n10.8.3 VRML2.0简介 n10.8.4 VRML世界的浏览和发布 n10.8.5 建模软件和创作工具 n10.8.6 开辟一个虚拟世界 10.8.1 概述 n虚拟现实建模语言VRML（Virtual Reality Modeling Language） 是一种描述虚拟现实场景的专用语言，其作用是描述三维场景以 便建立交互式、可导航的三维世界，可用于万维网WWW（和HTML一 样）。 nVRML允许用有限的交互行为构造虚拟世界，这些虚拟世界包含有 同其它“世界”超链接的对象 nVRML提供的三维元素有站点地图、库、科学知识可视化代表、数 据库的可视化代表、模拟地理信息系统、交互式广告等。 10.8.2 VRML的诞生与发展 nVRML的提出（1994年春，第一届国际互联网络年会 ） nVRML设计的主要目标 n浏览器负责解释VRML文件，使VRML描述的3D景象可见。目前的 VRML数据通过HTTP协议传输。 nVRML的两个版本(1.0、2.0) nVRML1.0存在的问题： w 景象游历 w 细节水平 w 没有原型 w 没有独一无二的名字 nVRML2.0的提出 10.8.3 VRML2.0简介 nVRML2.0推出的主要目的是扩展其静态景象描述语言从 而使其成为虚拟现实描述语言，其中包括交互和对象行 为以及对媒体的规范，其中最主要的变化体现在节点类 型的扩充上。 nVRML2.0是基于节点的建模语言，共有54种标准节点类 型，按功能分成9类。 nVRML2.0的特点 w 增强的三维建模能力 w 声音和动画 w 交互式能力 w 编程能力 10.8.3 VRML2.0简介 n支持VRML世界交互行为的三种设计模型 w 扩展VRML语言规范，加入新的代码和关键字，使之能很容易地结合 到扩展的、开放的VRML语言规范中去。 w 提供与场景的接口并实现外部脚本描述的行为。 w 在景象行为语言中嵌入VRML景象描述。 n扩展到多用户世界需要解决的问题 w 可缩放性 w 持久性 w 锁定 w 同步 w 行为 w 协议 w 代理 10.8.4 VRML世界的浏览和发布 n支持VRML的浏览器 w Microsoft VRML 2.0 Viewer w Cosmo播放器 w 其他的VRML播放器 nVRML世界大多以.wrl为扩展名文件进行发布的。为了 让浏览器知道.wrl文件内保存的是何种类型的VRML， .wrl文件必须在顶部包含单独的一行设置信息，除此 之外，还包括一个三维世界的描述。 10.8.5 建模软件和创作工具 n三维建模软件和动画应用软件 w Alias|Wavefront Animator、3D studio 、 Maya、LightWave等 nVRML文件转换器 nVRML创作工具 10.8.6 开辟一个虚拟世界 n基本框架设计 n构建物体并组成世界 n添加动画和脚本 n修改和测试 10.9 使用VRML 2.0构造虚拟世界 nVrmlPad简介 n使用VRML 2.0 w 利用节点构建静态形体 w 让形体具有交互的能力 检测器(Sensor)节点 观察点(Viewpoint)节点 事件路由传递机制 使用脚本节点定义行为 w 场景中动画的实现 使用接触检测器，结合脚本节点实现动画 使用时间检测器，结合脚本节点实现动画 使用插补器，结合时间检测器实现动画 10.10 本 章 小 结 n虚拟现实技术的基本概念 n虚拟现实系统的分类与组成 n虚拟现实技术研究的内容 n虚拟现实关键技术 n虚拟现实的应用及长远目标 n虚拟现实建模语言VRML介绍 nVRML 2.0的使用 附录 #VRML V2.0 utf8#VRML V2.0 utf8 Group children Shape geometry Box 附录 #VRML V2.0 utf8 Group children Shape appearance Appearance appearance Appearance material Material diffuseColor 1 0 0 material Material diffuseColor 1 0 0 geometry Box 附录 #VRML V2.0 utf8 Group children DEF B Transform Transform translation 8 0 0translation 8 0 0 children Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 1 0 0 geometry Box DEF S Transform Transform translation 0 0 0translation 0 0 0 children Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 0 1 0 geometry Sphere DEF C Transform Transform translation -8 0 0translation -8 0 0 children Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 0 0 1 geometry Cone 返回 附录 #VRML V2.0 utf8 Group children Transform translation 8 0 0 children Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 1 0 0 geometry Box DEF touchSensorDEF touchSensorTouchSensorTouchSensor 返回 附录 #VRML V2.0 utf8 DEF view1 Viewpoint DEF view1 Viewpoint position 0 0 10 position 0 0 10 description “view1“ description “view1“ DEF view2 Viewpoint DEF view2 Viewpoint position 4 2 10 position 4 2 10 description “view2“ description “view2“ Group children Transform translation 8 0 0 children Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 1 0 0 geometry Box DEF touchSensor TouchSensor 返回 附录 #VRML V2.0 utf8 DEF view1 Viewpoint position 0 0 10 description “view1“ DEF view2 Viewpoint position 4 2 10 description “view2“ Group children Transform translation 8 0 0 children Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 1 0 0 geometry Box DEF touchSensor TouchSensor ROUTE touchSensor.isActive TO view2.set_bindROUTE touchSensor.isActive TO view2.set_bind 返回 附录 #VRML V2.0 utf8 DEF view1 Viewpoint position 0 0 10 description “view1“ DEF view2 Viewpoint position 4 2 10 description “view2“ Group children Transform translation 8 0 0 children Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 1 0 0 geometry Box DEF touchSensor TouchSensor DEF touchscript Script DEF touchscript Script eventIn SFBool touchSensorIsActive eventIn SFBool touchSensorIsActive eventOut SFBool bindView2 eventOut SFBool bindView2 url “javascript:url “javascript: function touchSensorIsActive() function touchSensorIsActive() bindView2= TRUE; “ bindView2= TRUE; “ ROUTE touchSensor.isActive TO touchscript.touchSensorIsActive ROUTE touchscript.bindView2 TO view2.set_bind 返回 附录 #VRML V2.0 utf8 DEF box Transform rotation 2 2 2 0 children Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 1 0 0 geometry Box DEF TouchS TouchSensor DEF r Script DEF r Script eventIn SFBool startRevolving eventIn SFBool startRevolving eventOut SFRotation revolve eventOut SFRotation revolve field SFFloat angle 0 field SFFloat angle 0 url “javascript: url “javascript: function startRevolving () function startRevolving () revolve0=2; revolve1=2; revolve2=2; revolve3=angle; revolve0=2; revolve1=2; revolve2=2; revolve3=angle; angle+=0.1; “ angle+=0.1; “ ROUTE TouchS.isOver TO r.startRevolving ROUTE r.revolve TO box.set_rotation 返回 附录 #VRML V2.0 utf8 DEF box Transform rotation 2 2 2 0 children Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 1 0 0 geometry Box DEF TouchS TouchSensor DEF r Script eventIn SFTime startRevolving eventOut SFRotation revolve field SFFloat angle 0 url “javascript: function startRevolving (a