虚拟现实与VRML－第一章 虚拟现实的基本概念.ppt

虚拟现实与VRML 山东理工大学虚拟现实实验室 虚拟现实与VRML 参考教材1 虚拟现实技术 申蔚 北京希望电子出版社 2002 参考教材2 虚拟现实系统：接口、应用 与设计 作者：舍曼 译者：魏迎梅 电子工业出版社 2004 参考教材3 虚拟现实基础与VRML编程 高等教育出版社 参考教材4 虚拟现实系统 科学出版社 2001 参考教材5 虚拟现实与系统仿真 韦有双 国防工业出版社 2004 参考教材6 虚拟现实三维立体网络 程序设计语言VRML-第二 代网络程序设计语言 张金钊 张金锐 张金镝 清华大学出版社,北京交通 大学出版社 2004 上课要求 不要求做笔记 对是否购买教材不做硬性规定 有事可以随时离开教室 尽量关掉手机铃声 如果铃声真的响了，请不要在课上接电话 如果实在想接，goto 3 课程的主要内容 l虚拟现实的基本概念和术语，虚拟现 实的基础方法，虚拟现实有关的人的 因素，虚拟现实的接口设备和计算机 设备，虚拟现实的世界建模技术，虚 拟现实的应用。 l虚拟现实建模语言（VRML）的基本 介绍，虚拟场景的构建方法 考核方式 l大作业 l课程论文 l保证你的付出与成绩成正比 第一节 虚拟现实的基本概念 l111 虚拟现实 先看几个VRML例子 宝马汽车综合展示船舶3D虚拟实境虚拟小区虚拟煤矿 大家也许都看过“黑客帝国”吧，影片展现给我们 的是我们生活的真实环境已经消亡，取而代之的是一 个虚拟的世界。虽然细节有所不同，但是人们也许真 希望有一天，可以通过电子或者虚拟的现实来摆脱沉 重枯燥的日常生活。其实虚拟现实技术早在1994年就 已经达成了一个共同的标准，但是由于网络和电脑硬 件的限制所以直到近些年它才得到迅猛地发展。 1989年，美国VPL Research公司创始人Jaron Lanier提出了 “Virtual Reality“（虚拟现实）的概念。在这里，“Reality“的 含义是现实的世界，或现实的环境。所以，“Virtual Reality“ （虚拟现实）的另一个名称是“Virtual Environment“（虚拟环 境）。“Virtual“说明，这个世界或环境是虚拟的，不是真实的 。这个世界或环境是人工构造的，是存在于计算机内部的。用 户应该能够“进入“这个虚拟的环境中。所谓“进入“这个虚拟的 环境中，是指用户以自然的方式与这个环境交互（包括感知环 境并干预环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感 ，身临其境的感觉。 “Virtual Reality“（虚拟现实）或“Virtual Environment“ （虚拟环境）是人工构造的，存在于计算机内部的环境。用户 应该能够以自然的方式与这个环境交互（包括感知环境并干预 环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感 ，身临其境的感觉。 虚拟现实已在娱乐、医疗、工程与建筑、教育与培训 、军事、科学和金融可视化等方面获得了应用，它将 是21世纪广泛应用的一种新技术。 日本松下公司用来招揽买主的“厨房世界”，就是用虚拟现实技 术，让顾客去品评厨房设备是否合自己的心意的一个尝试。 当你走进陈列室，只要戴上特殊的头盔和一双银色的手套（叫 数据手套），你在原地就可以去漫游“厨房世界”了。在头盔的 显示器内，你可以看到厨房及它的门。你伸出手去开门，门随 手而开，厨房内所有的设备就会映入你的眼帘。你可以用手打 开柜橱的门和抽屉，查看里面的结构和质量，可从碗架上拿下 盘子看看，也可以打开水龙头，立即看见水流出来，听见流水 声，还可查看水池下面的排水是否流杨，也可查看照明是否亮 堂，试试通水排气是否正常当你拿下头盔，摘下手套，这 一切就都消失了。 l早在50年代，莫顿.海利希就考虑，看电影如何才能使 人有身临其境的感觉。他得到墨西哥教育部长的支持 ，研究制造出一台机器，叫“传感影院”，但效果不佳 。又由于教育部长在飞机失事中丧生，他失去了经济 支持。幸好又有对此感兴趣人提供投资，他才制成第 二台样机。这是利用视觉、听觉、运动觉，使用户感 到好像是骑在摩托车或自行车上进旅行，欣赏周围的 自然景色。可惜的是，这种装置只能为一个人服务， 每次花费惊人，所以没有引起电影界的重视。 l美国人艾凡萨瑟兰，在1962年还是一个研究生时，在 一次计算机图形领域研究人员会议上，向与会者说明 了自己名为“写生簿”的论文内容。这一程序后来引起 了工程设计的一场大变革，开创了一个崭新的计算机 辅助设计领域。1965年，他发表了一篇题为“终极的显 示”的论文，后来被公认为在虚拟环境领域中起着里程 碑的作用。1966年，他在麻省理工学院开始了第一个 头盔的研制工作。参观者戴上头盔看虚拟环境，可以 像身临其境一样。 l1967年，美国的北卡罗来纳大学的弗雷德里克. 布鲁克斯研究了力反馈问题，使用户能感到虚 拟环境中计算机仿真物体和环境中的力的作用 。 l1972年，诺兰.布什内尔开发出第一种交互式电 子游戏。 l1969年4月，美国威斯康星大学的迈伦.克鲁格 与一个艺术家小组合作，建立了一个交互的演 示系统，用户一走进一间屋子，就和计算机生 成的图像发生相互作用。到1975年，他们一共 建立了三个这样的系统。 l1981年，美国加州大学的博士研究生迈克尔.麦 格里威为美国航空和航天局研究了晶体显示头 盔显示器。 l1986年，美国航空和航天局终于建立了一个虚 拟环境，第一个计算机虚拟环境世界终于诞生 了。 l虚拟现实技术可以帮助人进行产品设计，我们就 叫它为虚拟设计。 l虚拟设计，就是设计人员用一个虚拟的产品来分 析、研究、检查所设计的产品是否合理，有毛病 没有，应如何修改。在对虚拟产品品评和考查中 ，如发现问题，可再修改设计，使产品设计得更 好，而不是在投产前先制造一个模型或样品。 l例如，美国伊利诺斯州的科普利纪念医院病房设 计出来之后，请一大批残疾的老战士，坐在轮椅 上，戴上有显示器的头盔和数据手套，进入虚拟 现实世界，对病房的设计进行检查、评论。他们 从头盔中看到的是犹如真的病房，他们到处查看 ，结果发现。水池上方的水龙头调节手柄距离地 面太远，坐轮椅的人够不着。用虚拟现实世界， 查出设计中的毛病，就可以改进设计了。 l虚拟设计在设计建筑物中，可以让设计人员 在虚拟建筑物内漫游，获得第一手材料，来 l验证自己设计的建筑物是不是合适。 l在建筑设计中，除要考虑结构及强度等问题 外，还要考虑采光、声音效果、通风等许多 问题，而这些问题要预先估计出来是比较困 难的。利用虚拟现实技术，虚拟出建筑物， 让设计人员到室内考查，这就方便多了。对 于讲演厅、电影院的设计，则可用虚拟现实 技术来考查声音效果，帮助设计人员改进设 计。 l飞机发动机设计是十分复杂的工作，最 重要的一个问题是发动机的拆装。因为 发动机零件多，很紧凑，设计出来的发 动机，常常在拆装中发生困难（拆不下 来，装不上去，或工具伸不进去，没地 方下手等等）。用虚拟现实技术，虚拟 一个发动机，进行拆装，就可以发现设 计中的漏洞和毛病，以便加以修改。 l现在，汽车设计、舰船设计也都可以采 用虚拟设计。 l利用虚拟现实技术度过休闲时光，到虚拟世 界中去游玩一番，是别有风趣的。但却没有 一丝一毫的危险。 l有一种赛车系统，是由计算机和一系列装置 构成的。它能构造出驾驶方程式赛车的虚拟 环境，这个环境和真实的几乎完全一样。游 戏有三条赛车道和三辆赛车。你可以选用初 学者的赛车，也可选用58.8千瓦的高级赛车 。启动后，你可以加速、自动换挡、开出公 路、扬起灰尘、紧急调头、自动刹车，甚至 使用平行滑动等高难动作，驾驶不好甚至发 生翻车事故都没有关系，是有惊无险。 l你可以利用虚拟现实技术，坐在家里或坐在游 戏厅内去到旅游景点游览一番。 l我国杭州大学开发了虚拟故宫游玩系统。只要 你戴上特制的头盔，骑上不动的自行车，你从 头盔显示器里就看见了形象逼真的天安门城楼 。你用脚踏自行车的脚踏，你就会感到自己骑 自行车来到了午门前的大道上，飞快地穿过午 门，越过金水桥，越过大和门，来到太和殿广 场。由于你的自行车太快，一下子破墙而入， 到了太和殿。金銮殿内盘龙的柱子，庄严的殿 堂和真实的景象完全一样。你又骑车来到了御 花园，绿树、红亭、碧池，令你陶醉，好像身 临其境。但是，只要你摘下头盔，你仍然是骑 在一辆不动的自行车上，眼前的一切都消失了 。 l美国一家工程公司研制出一种打高尔夫球的 虚拟现实模拟器。在很大的房间内，悬挂一 个有弹性的尼龙屏幕，你在室内用标准的高 尔夫球杆和真正的球，进行打球活动，只要 你从球座上发球后，球飞出碰到屏幕便掉在 你的房间地板上。这时屏幕上可以显示出球 在真实球场的上空飞行的状况。这是因为， 由传感器、红外线发射器、电子跟踪系统确 定出球的飞行情况，由计算机计算出球继续 飞行的路径，并确定出是左曲球还是右曲球 ，于是在屏幕上显示出球的飞行过程。这种 虚拟的室内打高尔夫球模拟器，可以模拟16 个著名高尔夫球场的实况，打18个洞的高尔 夫球。 l先进的虚拟现实娱乐就更有趣了。 l比如，美国芝加哥有一个虚拟现实娱乐厅，叫 “战技中心”。它是世界上第一个大规模虚拟现 实娱乐系统，有一个座舱，前方有一个屏幕。 可以从上面看到战斗场景。下方有个副屏幕， 从它的上面可看到损伤情况。主屏幕的两侧显 示武器的状态和选择：，左边的操纵杆控制武 器动作，右边的调整开关可以控制速度。“战 斗机器”是这个娱乐系统的“主要人物”，是一 个超级机器人。它是一场战争的发动者，假设 这场战争发生在一千多年以后。用脚去踏脚踏 板，就使“战斗机器模拟器”开始工作，于是模 仿一千多年以后的战争就开始了。 l在虚拟现实环境中学习和培训 l虚拟现实技术可以用在教学中。 l美国怀俄明州的卡斯帕的一些中学生，有幸 从1993年开始试验用这种技术进行上课。每 个学生都有一台个人计算机、特殊的头盔眼 镜、数据手套和操纵杆。学生可以用虚拟现 实技术在太阳系里飞行，也可以进入人体内 的细胞里，可以学习计算机内部结构，还可 以沿尼罗河漂流而下，也可以建造一座早期 的城堡。用虚拟现实技术学习既生动又有趣 。 l世界著名的摩托罗拉公司，有一种为期3天的 高级培训课程。这种课程是用来教会在世界 各地的公司成员怎样操纵机器人装配线的。 该公司只有三家工厂有这种实验设备。过去 培训，公司成员必须长途跋涉去到这三家工 厂的某一实验室接受训练。但从1994年开始 ，这个公司寻求用虚拟现实技术制造装配线 的模型。这种虚拟模型是由硬件和软件组成 的。硬件包括计算机、各种传感器、头盔显 示器、鼠标器等。软件包括计算机控制程序 ，由实际装配线拍摄下来的照片并变成计算 机存储的图像资料。学员在启动、运行、关 闭装配系统的虚拟模型中，可以听到像从真 实系统发出的响声，从显示器上可看见与真 实系统一样的动作反应。用装配线的虚拟模 型，就可对学员进行培训。 l虚拟现实，可以模拟一些特殊环境， 用来训练飞行己汽车驾驶员、运动员 等等。用虚拟现实驾车系统，可以虚 拟出行车中出现的各种紧急情况，这 些情况和真实驾车所遇到的情况完全 一样，十分逼真。若是学习驾驶的人 处理不当，也不会发生危险，只不过 再多练几遍而已。现在，在飞行仿真 训练系统中也越来越多地采用虚拟现 实技术。 l虚拟现实技术造生物 l用虚拟现实技术可以“制造“出活生生的人和物。 l美国佐治亚理工学院开发出虚拟动物园的大猩猩系统。 游人戴上头盔，看到立体景物，就像在一群大猩猩中走 动，如果游客大靠近雄性大猩猩，它会发出咳嗽声，好 像是在警告你。你若不去操纵控制杆，使自己离它远点 ，大猩猩就会虚张声势地扑过来，游客只好借助“后退 钮”向后退去。当然这些都是虚拟的。 l日本富士通公司用计算机制造出一个小动物，它一半像 海豚，一半像鸟。这个由虚拟现实技术创造的电子宠物 叫“菲兰克”。它和人能进行相互交流，它会记人的脸和 声音，当主人呼唤它的时候，它会高兴得又叫又跳。你 用温柔的声音对它说话，它就会作出小鸟依人状；如果 你粗声吼叫，它就会飞行得无影无踪。它会唱歌，能学 唱新歌，还会表演杂技。 l日本一家公司，由几十位计算机图像艺术家，花了两年 时间设计制造出一个虚拟世界中的歌手，叫伊达恭子。 它不是真人，但胜似真人。伊达恭子，是16岁妙龄的少 女，身材美妙，歌喉柔蜜略带沙哑，动作令人倾倒。它 不会老，也不会发脾气，随意由人支使，可以连续唱数 小时而不会累倒。它会讲7种语言。 l伊达恭子的出现，使流行乐坛发生了变化，越来越多的 人喜欢这个虚拟世界中的歌手。 l宾夕法尼亚大学研究制成虚拟现实人，叫杰克。它是由 计算机生成的人，是一种模型（而不是把某人的形像拍 摄下来再重放的人的形像），杰克在虚拟世界中，能模 仿真正人的动作，与环境中的人、物、机器进行相互作 用。用杰克可以研究一些问题，比如人与机器相互作用 的好坏，也就是研究人与机器相互配合问题，人操纵机 器的安全问题，人操纵机器的效率问题。在研究中，杰 克代替真人去工作，比如让它开汽车，在可能发生碰撞 、翻车等情况中工作，用来考查汽车的设计好坏，对人 的安全保护性能等。 虚拟现实系统应用最多的专用设备是头盔式立体显示器和 数据手套。于是，有人以使用这些专用设备为虚拟现实系 统的标志。这种观点是不准确的。上述的虚拟现实的概念 ，是在计算机应用和人机交互方面开创的全新的学科领域 。这个新领域的发展，还有很多困难，有很多技术难点有 待解决。当前，这一领域还只是走出了第一步。头盔式立 体显示器和数据手套等设备，只是当前已经实现的一部分 虚拟显示设备。它们还很不完善。例如，头盔的视场，分 辨率，造成眩晕等问题还有待解决。听觉接口和力觉接口 等设备还在研究，应用还不多。味觉，嗅觉，运动觉等技 术，还缺乏研究。 虚拟环境(Virtual Environment，VE)系统或虚拟现实 (Virtual Reality，VR)系统包括人类操作者、人机接口和计 算机。 l第一种情况是模仿真实世界中的环境。例如，建筑物，武 器系统，或战场环境。这种真实环境，可能是已经存在的 ，也可能是已经设计好但还没有建成的。为了逼真地模仿 真实世界中的环境，要求逼真地建立几何模型和物理模型 。环境的动态应符合物理规律。这一类虚拟现实系统的功 能，实际是系统仿真。 l 第二种情况是人类主观构造的环境。例如，用于影视 制作或电子游戏的三维动画。环境是虚构的，几何模型和 物理模型就可以完全虚构。这时，系统的动画技术常用插 值方法。 l 第三种情况是模仿真实世界中的人类不可见的环境。 例如，分子的结构，空气中速度、温度、压力的分布等。 这种真实环境，是客观存在的，但是人类的视觉和听觉不 能感觉到。对于分子结构这类微观环境，进行放大尺度的 模仿，使人能看到。对于空气中速度这类不可见的物理量 ，可以用流线显示速度（流线方向表示速度方向，流线密 度表示速度大小）。这一类虚拟现实系统的功能，实际是 科学可视化。 虚拟现实系统中的虚拟环境，可能有下列几种情况 由此可见，虚拟现实技术可以用于系统仿真、科学可视化、三维 动画等领域。 l和虚拟现实有关的几个概念是遥操作，增强现实，以及合 成现实。 l 这些概念之间的区别在于与用户交互的环境不同。对 于遥操作系统，与用户交互的环境实际是在远地的一个真 实的环境。用户通过类似虚拟现实系统的人机接口，与远 处的真实环境交互。也就是看到真实环境的场景，听到真 实环境的声音，感到与环境中物体的接触。遥操作系统实 际上是高级的遥控系统，是采用了先进的虚拟现实技术的 遥控系统。 l 虚拟环境(Virtual Environment，VE)系统或虚拟现实 (Virtual Reality，VR)系统包括人类操作者、人机接口和 计算机。 l 遥操作 (Teleoperator) 系统包括人类操作者、人机接 口和遥机器人。 l 增强现实(Augmented Reality)系统中，则组合了虚拟 环境和真实环境。 l 合成环境(Synthetic Environment，SE)系统，是遥操 作系统，虚拟环境系统，增强现实系统等的总称。 l对于虚拟现实系统，与用户交互的环境 实际是人工构造的，存在于计算机内部 的环境。这种虚拟的环境，可能是不同 的环境。一种情况是真实环境的仿真。 例如，仿真真实建筑物的虚拟建筑物。 这种真实建筑物可能是已经建成的，也 可能是已经设计好但尚未建成的。一种 情况是完全虚拟的人造环境。例如在虚 拟风洞中，借助可视化技术构造的虚拟 风洞环境。又如在三维动画中，人工构 造的虚拟环境 112 虚拟现实的特点 l1计算机提供“环境“, 不是“数据, 信 息“。这改变了人机接口的内容。 l2操作者由视觉,听觉,力觉感知环境, 由自然的动作操作环境, 不是由屏幕, 键盘,鼠标和计算机交互。这改变了人 机接口的形式。 l3逼真的感知和自然的动作，使人产 生身临其境的感觉。这改变了人机接 口的效果。 基于虚拟现实的基本概念，可以得到虚拟现实的下列三个特点 l第一个特点体现了计算机应用的新方 向。计算机的名称体现了，它的最早 应用是计算。当时，计算机和用户交 互的是计算有关的数值。此后，计算 机扩大到处理数值，字符串，文本等 各类数据。以后，计算机更扩大到处 理图像，图形，声音，语言等多种媒 体的信息。虚拟现实系统则以环境为 计算机处理的对象和人机交互的内容 。这开拓了计算机应用的新思路。 l第二个特点体现了计算机人机接口的新方向 。至今为止的计算机人机接口都是面向机器 的。终端，键盘，鼠标，打印机等接口设备 ，都是适应计算机的专用设备。这些设备很 好地完成了各类数据和多媒体信息的交互。 虚拟现实中的人机接口，则是面向用户的。 虚拟现实系统中，用户以自然的方式与虚拟 环境交互。所谓自然的方式，是指用户通过 视觉，听觉，触觉等感觉虚拟环境，使用户 产生在真实环境中的幻觉。同时，用户通过 在真实环境中的行为，去干预虚拟环境。于 是，虚拟现实的人机接口设备，完全不同于 现有计算机的人机接口设备。这也是虚拟现 实技术中最有特色的内容。 l第三个特点体现了计算机人机接口的新要 求。用户通过人机接口与虚拟环境交互的 结果，是使用户产生身临其境的虚幻感， 沉浸感。 l 有的文章中认为，虚拟现实的概念中 有三个I： l （1）Immersion(沉浸)，是指逼真的 ，身临其境的感觉。 （2）Interaction(交互)，是指用户感 知与操作环境。 （3）Imagination(想象)，是指创造 性。 113 虚拟现实的应用领域 l 1娱乐 l 2国防 l 3设计、制造和销售 l 4医疗和健康 l 5危险操作 l 6训练 l 7教育 l 8信息可视化 l 9远程交往与远程游历 虚拟现实的应用范围 非常广泛，本课在以 后将做详细介绍。 114 虚拟现实的技术 l 1VR的人机接口 l 2VR的计算机系统 l 3VR的建模和仿真 1VR的人机接口 lVR的人机接口有两个作用： l其一是给人类操作者提供环境信息（视 觉、听觉和触觉）； l其二是感觉人类操作者的动作和响应（ 位置跟踪和映射）。 l前者包括：视觉通道、听觉通道、触觉 通道、运动接口和其他接口。 l后者包括：位置跟踪和映射，语音识别 等 （1）位置跟踪和映射 位置跟踪和映射用于测量人体各部位的位置和姿 态，分析判断人面部的表情。它的目的是了解人的身 体行为。这是为了实现人机交互所必需的系统功能。 VR系统由此了解人的行为，然后做出适当的响应， 实现交互。 常用的技术包括：机械链接、磁传感器、声传感 器、光传感器和惯性传感器。基本目标是精确完成位 置和姿态的测量。三个主要的要求：大范围的线性响 应，高带宽（1kHz），以及允许头和身体的运动。 （2）视觉通道 视觉通道给人的视觉系统提 供图形显示。为了提供身临其境 的逼真感觉，视觉通道应该满足 一些要求。显示的像素应该足够 小，使人不至感觉到像素的不连 续。显示的频率应该足够高，使 人不至感觉到画面的不连续。给 两眼提供具有双目视差的图形， 形成立体视觉。应该具有足够大 的视场，理想情况是显示画面充 满整个视场。 视觉通道的显示表面分为：基于 CRT和基于LCD。视觉通道的 光学系统分为：头盔显示 (HMD)和非头盔显示(OHD)。 （3） 听觉通道 听觉通道给人的听觉系统提供声音显示。为了提 供身临其境的逼真感觉，听觉通道应该满足一些要求 ，使人感觉置身于立体的声场之中，能识别声音的类 型和强度，能判定声源的位置。 听觉通道的关键技术包括：合成由接口提供的虚 拟声音信号，声音在虚拟空间定位问题，以及发声设 备。 （4） 触觉通道 触觉通道给人体表面提供触觉和力觉。当人体 在虚拟空间中运动时，如果接触到虚拟物体，虚拟 显示系统应该给人提供这种触觉和力觉。 触觉通道涉及操作以及感觉，包括触觉反馈和 力觉反馈。触觉通道的结构分为：安在身体上和安 在地面的设备。 （5） 运动接口 人体在环境中的运动包括：身体的被动运动(被动 移动，如在车上的运动)，身体主动运动（漫游，如散 步）。人在运动中，人体内部的运动感觉器官可以感 知运动信息。 感知运动信息的器官包含：前庭系统，运动系统 ，视觉听觉系统，本体感受，动觉和触觉。运动接口 应该给这些器官提供运动信息。 （6） 其它类型接口 其它类型接口包括：嗅觉、味觉通道 ，以及感觉热、风及湿度的接口。还包括 语音通讯（语音识别与合成）以及直接心 理感觉和控制。这些接口还缺乏研究，以 下将不介绍。 2VR的计算机系统 l 硬件 l软件 l网络 现有的虚拟显示系统主要考虑视觉通道。听觉通道和 触觉通道还处于研究阶段。所以，VR的计算机系统 主要考虑视觉通道的要求。 （1） 硬件 l视觉通道对计算机系统的要求，首先 是要求维持足够的图形帧速率。于是 要求在指定的时间内（约为0.1秒）计 算出两眼的两幅图像。同时要求提供 足够好质量的图像，这一般体现在图 像中显示的多边形或三角形的树木。 因此，往往需要专用硬件。图形硬件 应提供快速几何变换、截取、消隐、 多边形填充和表面纹理。 （2） 软件 lVR系统中的软件主要包括下列几种。 交互软件利用人机控制设备的输出去 修改VE。视觉漫游软件控制用户在VE 中运动时看到的场景。建模软件定义 虚拟物体形状、外观和属性的模型。 操作系统支持VE的实时多模态要求 （3） 网络 l分布式交互仿真已经成为现代仿真技 术，特别是军事仿真的潮流。通讯网 络可以把VE转换成共享的分布式计算 环境。 3VR的建模和仿真 （1）建模 建模包括：几何建模和物理建模。一般的VR工具软件 都具有几何建模功能。利用现有的CAD建模工具也是常用 的方法。市场上已有商业模型库出售。对实际物体的建模 ，则采用激光扫描等专用设备。物理建模是基于物理方程 的建模。一般考虑刚体建模，链接物体的建模，以及非刚 体的建模。智能体的建模不是基于物理方程，而是基于人 为的物体智能。 人工建模技术在图形学和CAD领域，已有成熟的成果 。自动建模采用激光扫描建立几何模型，也已经有相关产 品。自动建立物理模型的研究还不多 （2）仿真 仿真包括：图形绘制和三维动画。 图形绘制是把三维环境，相对于虚拟摄像机（虚拟视点 ）投影，形成图像的过程。为了提供连续运动的错觉，帧速 率必须大于每秒8到10帧。为了保持瞬间交互控制的错觉，响 应时间的延迟必须小于0.1秒。为了绘制人眼可分辨的所有细 节，这要求有8千万个多边形。这是对于图形绘制的要求。 然而，用今天的硬件，每个画面8千万多边形的系统对真 正的实时交互是太慢了，于是存在真实图像与实时交互间的 折衷。某些应用（如建筑和艺术）可能要求照片一样真实的 绘制。制造和医疗应用要求更高层次的实时交互。 三维动画可以用两种途径实现。基于物理模型的数值计 算是一种方法。军事和工业等应用，往往要求这种满足物理 规律的仿真技术。数学插值则是另一种实现动画的方法。这 种技术在三维动画电影中获得了巨大的成功。 l下图表示，虚拟现实开发系统的方块 图。用户通过输入输出设备与输入输 出软件交互。输入软件通过形状编辑 器完成几何建模，通过声音编辑器完 成虚拟声音系统建模。然后，在世界 编辑器完成虚拟环境的建模。其中的 虚拟剪切器，用于模型的剪切。建立 的模型，保存在虚拟世界中。整个工 作在计算机系统中完成。 小节 l虚拟现实或虚拟环境是人工构造的，存在于计算 机内部的环境。用户应该能够以自然的方式与这 个环境交互（包括感知环境并干预环境），从而 产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感 ，身临其境的感觉。 l 虚拟现实系统包括人类操作者、人机接口和 计算机。 l 虚拟现实有下列三个特点： l 1计算机提供“环境“, 不是“数据, 信息“ 。 2操作者由视觉,听觉,力觉感知环境, 由 自然的动作操作环境。 3逼真的感知和自然的动作，使人产生 身临其境的感觉。 第二节 虚拟现实有关的人的因素 计算机，接口和用户是VR系统中的三个组成部分。接口设 计必须考虑人的因素，人的因素与VR系统性能直接相关。下面 介绍与VR系统直接相关的人的因素问题。 121 人眼 1视觉生理结构 2立体视觉 3屈光度 4瞳孔 5分辨力 6明暗适应 7周围视觉和中央视觉 8视觉暂留 9视场 现有的VR系统中，已经考虑的因素包括：立体视觉，分辨力 ，视觉暂留，以及视场。其他因素还没有充分考虑到 。 1视觉生理结构 大脑皮层（Cerebral Cortex ）是大脑半球的最外层，它负 责各种形式的感觉。视网膜（ Retina）是在每只眼背部的神 经细胞的多层膜，它把光转成 电信号，并通过视神经和管道 传给大脑。 下图表示，视网膜的解剖 图。图中显示了层，管道和神 经 l 光感受器（Photoreceptor）是每只眼 睛视网膜中1.25亿个神经细胞中的一部 分，它在受到特定波长的光的刺激时， 会发出电信号。视网膜是眼的光敏层， 几百微米厚，有10层。光线通过其中8 层，被另外两层的视杆细胞和视锥细胞 的光接收器（Photoreceptor）吸收。每 只眼的视网膜上有1.25亿个神经细胞。 脊椎动物有两种光感受器，：视杆细胞 （rods）负责低分辨率的、单色的、夜 间的视觉。视锥细胞（cones）负责高分 辨率的、彩色的、白天的视觉。它花费 25ms把光转成电信号，再送给大脑。 下图表示，视网膜内光 感受器的解剖图。图中杆 状细胞和锥状细胞在上部 ，通向大脑的视神经纤维 在下部 下图表示，视觉 系统的生理结构 图。图中铅笔的 反射光线通过眼 睛晶状体的透镜 。于是，铅笔的 倒置图像直接投 影在视网膜上。 视网膜的杆状细 胞和锥状细胞负 责通过视神经把 信号传给大脑。 2立体视觉 l视觉的另一个重要因素是立体视觉能力。提 供给人类视觉的图像，必须使人感觉是立体 的。这样，观看者的视觉系统就可以计算出 被看物体的远近。对同一个场景，两眼得到 稍有差别的视图。左视区的信息，送到两眼 视网膜的右侧。在视交叉处，左眼的一半神 经纤维交叉到大脑的右半球，左眼的另一半 神经纤维不交叉，直接到大脑的左半球。这 样，两眼得到的左视区的所有信息，都送到 右半球。 人 类 立 体 视 觉 的 原 理 图 HMD（头亏显示器） 提供两个显示，不但 应保持双目视差，而 且应该重叠。实际上, 由于两眼有6.5cm的瞳 距，所以两者视场总 有些差别,有不重叠的 区域。 对中央凹区域， 深度感在150m时减弱 。对周围视觉，深度 感在100m减弱。而在 这个距离上，双目视 差不是最有用的，运 动视差和透视可能更 有用。 3屈光度 l 与眼的光学部分有关的一个度量是“屈光度“ （dioptre）。有1个屈光度的镜头，可以聚焦 平行光线在1米距离。人眼的聚焦能力约60屈 光度，这表明聚焦平行光在17mm距离，这就 是眼球尺寸，是晶状体和视网膜的距离。 l 年青人可以连续改变14个屈光度，这称为 调节或聚焦。这保证对远近物体都能看到清晰 的图像。年长后调节能力减弱，50岁时调节能 力2个屈光度，70岁时调节能力0个屈光度。在 注视运动物体时，自动调节屈光度。 l 调节作用保证某个距离的物体清晰，而其 它距离物体模糊。这起了滤波器的作用，使人 集中关注视场中部分区域。在HMD中没有调 节，2个图像都是聚焦在2到3米距离。 4瞳孔 l瞳孔是晶状体前的孔，直径可变化， 由1.5mm到8mm。面积之比1:30。瞳孔 作用有三个：(a) 放大时可增加眼的敏 感；(b) 缩小时可增加近视觉的视距； (c) 缩小时可限制入射光在光学效果最 好的中心区。 5分辨力 l分辨力是人眼区分两个点的能力，限 于10m距离上约1.5-2mm。例如在2m的 距离观看宽度400mm的电视。人眼区 分两个点的能力，在2m距离上约 0.4mm。则宽度400mm上应该由1000 个0.4mm大小的像素。计算机监视器 和高清晰度电视机，都达到了这样的 分辨率 6明暗适应 l眼对亮度的感觉可以自动调节，这是 通过改变在视杆和视锥细菌中光敏化 合物的浓度。例如从亮处进入暗室时 的现象，称为暗适应，花费约40分。 亮适应是从暗室进入阳光下时的现象 ，这种适应的强度变化在25000倍。视 杆细胞适应时间约1小时，视锥细胞适 应时间约几分钟。 7周围视觉和中央视觉 l视网膜不仅是被动的光敏表面。通过视 杆和视锥细胞与神经细胞的连接，它还 有一定的图像处理。中央凹是视网膜中 央部分，在光轴与视网膜焦点附近，直 径约1mm，有高密度视锥细胞。中央凹 区域的视觉称为中央视觉。中央视觉是 高分辨率部分，有彩色的、白天的视觉 。视网膜周围区域包含视杆和视锥细胞 。视网膜周围区域的视觉称为中央视觉 。这些神经细胞对光强的变化敏感，它 帮助我们注意运动物体。周围视觉虽然 分辨率低，是单色的、夜间的视觉，但 敏感运动物体。 8视觉暂留 l视觉暂留是视网膜的电化学现象造成视觉的反 应时间。当观看很短的光脉冲时，视杆细胞得 到约0.25s 的峰，视锥细胞快4倍，得到约0.04s 的峰。这种现象造成视觉暂留。 l 这是电影、电视、VR显示的基础。临界 熔合频率（Critical Fusion Frequency, CFF）效 果会产生把离散图像序列组合成连续视觉的能 力，CFF最低20Hz，并取决于图像尺寸和亮度 。英国电视帧频25Hz，美国电视帧频30Hz。电 影帧频24Hz。眼对闪烁的敏感正比于亮度，所 以若白天的图像更新率为60Hz，则夜间只要 30Hz。 9视场 l双目的视场约为水平1000，垂直600 ，而水平的双目重叠视场1200。实际 的全景显示可能产生水平1000，垂直 300视场，这已经有强的沉浸感 122 人耳 l1声音 l2声音感觉 l3频率范围 l4声强 l5声音方向 l6声音舞台 l7头部有关的传递函数 现有的VR系统中，已经考虑的因素包括：声音方向，声音舞台 ，以及头部有关的传递函数。其他因素还没有充分考虑到。 1声音 l音速在空气中，0时331m/s，20时344m/s。 在海水中，1时音速1453m/s。在铸铁棒中， 音速3500m/s。 l 耳听到的频率范围约20Hz到20kHz。随年 岁增加，频率范围缩小，特别是高频段。 l 考虑音速344m/s。 20Hz的波长17.2m, 1kHz的波长34.4cm, 10kHz的波长 3.44cm。人 耳的尺寸约7cm，这是5kHz的波长。这说明耳 会影响这种频率声音的收集。人的身体也会与 声波交互，这也会影响声音的质量。这类似音 乐厅中的音响效果。 2声音感觉 l耳分为外耳、中耳、内耳。外耳把声 音引导进内耳，它也作为滤波器而改 变声音。把手放在耳前面，就会感到 声音变化。声音最终冲击耳膜，使之 振动。耳膜振动再传到耳蜗，并且振 动加大20倍。 3频率范围 l 耳蜗有3个螺旋管，被2个膜片分开 ，Reissner膜和耳底膜。振动会刺激耳 底膜上的2万到3万个硬毛，并产生电 信号传给大脑。耳底膜有识别频率的 机制。高频振动刺激膜的开始部分， 中频振动刺激膜的中间部分，低频振 动刺激膜的远端部分。 4声强 声强影响到耳底膜的振幅，直接转成毛细胞的刺激。 5声音方向 一般认为，人脑识别声源位置，是利用两耳收 到的声音的时间差和声音幅度差。当人面对声源时 ，两耳的声强和路径相等。当人向左转以后，右耳 声音比左耳强，且更早听到。若两耳路径之差为 20cm，则时间差0.6ms。 6声音舞台 如果用一对麦克风记录立体声音，就可以重现 声音舞台，它有宽度和深度 7头部有关的传递函数 l在听耳机时，每