虚拟现实及其应用(第一章).ppt.ppt

1,张菁-虚拟现实建模及应用,哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院教授,博导研究方向:虚拟现实，医学图像处理email:zhangjing个人主页:,2,特色,课件共分为三大部分:介绍虚拟现实的基础知识与关键技术;研究虚拟现实技术在各个领域应用的主要方法、手段及实现过程;给出两个具体的虚拟现实应用软件,是能够直接投放市场的软件。,3,内容,课件共分为七章:第一章介绍虚拟现实的基本概念和相关知识，第二章阐述虚拟现实的关键技术，第三章描述虚拟城市系统和实现过程，第四章研究汽车驾驶仿真器系统与实现，第五章论述作战仿真系统与实现，第六章阐述3d游戏制作技术，第七章讨论虚拟手术技术。,4,意义,虚拟现实技术是计算机图形学技术、人工智能技术、人机接口技术和并行计算技术等的汇集，经过20多年的发展，应用领域越来越广泛。最初主要用于军事仿真，以后则在城市规划、三维游戏、网络教育和工业设计与展示等诸多领域都取得了巨大的发展。渗透到了人们工作和生活的各个领域，越来越受到人们的关注。基于虚拟现实技术应用和需求广泛的原因。,5,价值(1),本课件是作者总结十多年在虚拟现实领域的研究成果,将虚拟现实技术和具体事例结合起来，采用案例分析的方式进行编写的，既有原理和典型技术又有具体实现事例。本课件是作者编写的教材的配套课件:张菁“虚拟现实技术及应用”,清华大学出版社出版,2011.5。,6,课件的价值(2),本课件涵盖的内容全面,涉及到了虚拟现实各种关键技术和该技术在各个领域的应用。对广大学生来说，是一个不可多得的使人快速深入学习、研究和应用的好课件。每个事例都给出具体的实现方法，帮助读者举一反三，快速全面掌握和具体实践应用。具有很高的学术价值和应用价值。,主讲：张菁哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院,第一章虚拟现实技术概述,2009.10.22,8,课程安排,教材:张菁,虚拟现实技术及应用,清华大学出版社,2011.5参考文献：1.虚拟现实技术基础与应用,胡小强编著,北京邮电大学出版社20092.虚拟现实及其应用,洪炳镕,蔡则苏,唐好选编著,国防工业出版社,20053.虚拟现实技术(美)grigorec.burdea,(法)philippecoiffet著，电子工业出版社2005考试：平时成绩：20%，大作业(软件设计+综述报告)（80%）,9,本章要点,1.1虚拟现实的定义和特征1.2虚拟现实系统的分类1.3虚拟现实研究现状1.4虚拟现实系统软、硬件结构1.5虚拟现实的设备1.6虚拟现实的应用1.7虚拟现实建模语言vrml1.8本章小节,10,whatisvirtualreality？,theuseofcomputerstomakesituationsfeelandlookreal.,task1warmup,11,headsets,glassandspecialglovesandsuitsequippedwithsensors,theusercandirectlyinteractwitha3d(dimension)computerprogrammebymovinginsideit.,12,virtualrealityholidayslearningtoflyusingvirtualrealitytechnologyplayingvirtualrealitycomputergamesvisitingvirtualmuseumsontheinternet,whichoftheseusesforvirtualrealityarepossiblenow?,13,playingvirtualrealitycomputergames.,14,learningtoflyusingvirtualrealitysimulator.,15,visitingvirtualmuseumsontheinternet.,16,wouldyouliketovisitthesciencemuseumwebsite?whyorwhynot?,wouldyouliketogotoavirtualuniversity?,readthedialogue,17,ok,youwillfindlotsofgoodinformationathome.andneedntspendtimetravelingthere.,wonderful,studyinsuchaworld-famousuniversitywithoutgoingoutofyourroom.,18,infoislandandcybrarycity,19,20,princetonuniversityvirtualcampus,21,chancellorgreenlibrary,22,stanforduniversityvirtuallibrary,23,24,infolitischooldept.ofinformationstudies,universityofsheffield,25,polyulibrarysl,26,thefullpotentialofvirtuallibraryneedstobeexperimentedandexploredinthecomingyears,27,pleasecometovisitpolyulibraryinsecondlife,28,什么是虚拟现实技术呢？简单地说,就是人们利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境,通过自然技能使用传感设备与之相互作用的新技术。它与传统的模拟技术完全不同,是将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一,并利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等传感装置,把操作者与计算机生成的三维虚拟环境连结在一起。,29,虚拟感应头盔、遥控手柄、数据手套,30,操作者通过传感器装置与虚拟环境交互作用,可获得视觉、听觉和触觉等多种感知,并按照自己的意愿去改变“不随心”的虚拟环境。比如,计算机虚拟的环境是一座楼房,内有各种设备和物品，操作者会如同身临其境一样,可以通过各种传感装置在屋内行走查看、开门关门和搬动物品;对房屋设计上的不满意之处,还可随意改动。,31,1.1虚拟现实的定义和特征,1.1.1虚拟现实的定义虚拟现实（virtualreality）技术是20世纪80年代末90年代初崛起的一种实用技术。它是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境虚拟环境，可以真实的模拟现实世界可以实现的（甚至是不可实现的）物理上的、功能上的事物和环境。用户投入到这种环境中，立即有“亲临其境”的感觉，并可亲自操作、实践，与虚拟的环境交互作用。,32,什么是虚拟现实（vr）,“虚拟现实”的概念于1989年由美国的j.lanier提出，也称为“灵境”、“幻真”等。是一种新的人-机界面形式，它为用户（参与者）提供一种沉浸和多感觉通道的体验，试图寻找一种最佳的人-机交互方式。它通常用计算机技术生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉和嗅觉等感觉世界，让用户从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界进行浏览、交互和考察。,33,1.1.2虚拟现实的特征,34,多感知性(multisensory)所谓多感知就是除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至应该包括味觉感知和嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制日前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉和运动等几种，而且无论从感知范围还是从感知的精确程度都还无法与人相比拟。-,35,2沉浸感(presence)又称为临场感(immersion)，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度(例如，可视场景应随着视点的变化而变化)，甚至比真的还“真”，如实现比现实更逼真的照明和音响效果等。,36,3交互性(interaction)交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中的物体，这时手有握着东西的感觉。并可以感觉物体和重量(其实这时手里并没有实物)，视觉中被抓的物体也立刻随着手的移动而移动。,37,虚拟现实的特征,4构想性(imagination)根据想像从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而可以深化概念，萌发新意，在电脑中实现认识上的飞跃。,38,1.1.2虚拟现实的特征1993年，burdeag在electro93国际会议上发表的“virtualrealitysystemandapplication”一文中，提出了虚拟现实技术三角形。即三“i”特征:immersion（沉浸）、interaction（交互）、imagination（构想）。它是虚拟现实系统的三个基本特征，用以区别相邻技术，如计算机图形学、多媒体技术、仿真技术、科学计算可视化技术等。,39,沉浸（immersion）又称存在感，是指用户可以沉浸于计算机生成的虚拟环境中和使用户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力，用户在虚拟场景中有“身临其境”之感。他所看到的、听到的、嗅到的、触摸到的，完全与真实环境中感受到的一样。它是vr系统的核心。交互（interaction）是指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力。它是人机和谐的关键性因素。用户进入虚拟环境后,通过多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用。构想（imagination）虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生实现新的构思。,40,1.2虚拟现实系统的分类,简单的虚拟现实系统，也称窗口中vr或桌面虚拟现实系统，主要用于cad/cam和建筑设计等领域。沉浸虚拟现实系统分布式虚拟现实系统增强现实系统,41,虚拟现实系统按其功能高低大体可分为四类：1桌面虚拟现实系统，也称窗口中的vr。它可以通过桌上型机实现，所以成本较低，功能也最简单，主要用于cad（计算机辅助设计）、cam（计算机辅助制造）、建筑设计、桌面游戏等领域。2沉浸虚拟现实系统，如各种用途的体验器，使人有身临其境的感觉，各种培训、演示以及高级游戏等用途均可用这种系统。,42,3分布式虚拟现实系统，它在因特网环境下，充分利用分布于各地的资源，协同开发各种虚拟现实的利用。它通常是浸沉虚拟现实系统的发展，也就是把分布于不同地方的沉浸虚拟现实系统，通过因特网连接起来，共同实现某种用途。,43,4增强现实又称混合现实系统。它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，既可减少构成复杂真实环境的开销（因为部分真实环境由虚拟环境取代），又可对实际物体进行操作（因为部分系统即系真实环境），真正达到了亦真亦幻的境界，是今后发展的方向。,44,基于静态图像的虚拟现实技术(360全景)全景图虚拟方式：是把相机环360度拍摄的一组或多组照片拼接成一个全景图像，然后再通过计算机实现定点互动式观看。应用该方式生成的虚拟场景只能对所拍摄的实景进行环绕式的浏览而不能在场景中任意行走，若想浏览场景的其他视角则只能通过某一热键进行切换，如果没有对某一视角进行拍摄则无法对其进行浏览。,1.2.1桌面级虚拟现实系统,45,1、全景环视技术及其应用全景环视技术也称360全景环视技术，或称基于图像处理的panorama（全景摄影）技术，就是把相机环绕360拍摄的一组照片拼接成一个全景图像，用一个专用的播放软件在web浏览器上显示。观看者可以通过鼠标控制环视的方向，好像在一个窗口前浏览一个现实的场景。全景环视摄影的应用领域主要涉及远程教学、商品广告、旅游与娱乐业、新闻业、建筑业等。例如，下图是故宫博物院中一个景点的全景环视展示。（,46,图全景环视作品：故宫博物院,47,目前有不少工具软件可以制作全景环视图像，例如pixmaker（）就是一个常用的软件。用pixmaker制作全景虚拟作品包括snap（抓取）、stitch（拼接）和publish（发表）3个步骤。下图显示了用pixmaker制作全景虚拟现实作品的过程。,48,图全景环视制作工具实例,49,50,2、web3d：这是在internet网上应用极具前景的技术，它采用描述性的文本语言vrml描述基本的三维物体的造型，通过一定的控制，将这些基本的三维造型组合成虚拟场景，当浏览器浏览这些文本描述信息时，在本地进行解释执行，生成虚拟的三维场景。,51,图1.19web3d,52,3、桌面cad系统利用3dmax、opengl和direct3d等桌面三维图形绘制技术对虚拟世界进行建模渲染，通过计算机的显示器进行观察，并有能自由地控制的视点和视角。,53,桌面级虚拟现实系统,54,55,投入的虚拟现实系统投入型虚拟现实（亦称高级虚拟现实）主要依赖于各种虚拟现实硬件设备，仿真经历要比桌面虚拟现实更可信、更真实。主要包括：1、完全投入型虚拟现实系统除了戴头盔显示器实现完全投入，还有一种完全投入系统洞穴虚拟现实环境(cave)。它使参与者从听觉到视觉都能投入到虚拟环境中去。,56,57,2、座舱在投入式虚拟现实系统中，座舱是一种最为古老的虚拟现实模拟器，它不属于完全投入的范畴。当参与者进入座舱后就可以通过座舱的窗口观看一个虚拟境界。该窗口有一个或多个计算机显示器或视频监视器组成，用来显示虚拟场景。,58,59,3、远程存在就是一种远程控制形式，当在某处的操作员操作一个虚拟现实系统时其结果却在很远的另一个地方发生，这种类型的投入需要一个立体显示器和两台摄象机以生成三维图像，这种图像使得操作员有一种深度的感觉。因而在观看虚拟境界时更清晰。例如，异地的医科教授，可以通过网络，对虚拟手术室中的病人进行外科手术。,60,图1.23远程手术,61,增强现实性的虚拟现实系统增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便感知感受。这种类型虚拟现实典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机和导航偏差。,62,图1.24增强现实,63,64,分布式虚拟现实的研究基于两类网络平台：一是在internet上，可追溯到早期基于文本的多参与者游戏mud，还有基于vrml标准的远程虚拟购物等。虚拟现实建模语言是一种可以发布3d网页的跨平台语言，可提供一种更自然的体验方式，包括交互性、动态效果、延续性以及用户的参与探索。另一类则是在高速专用网上，如采用atm技术的美国军方的国防仿真互联网。最早的分布式虚拟战场环境则是1983年美国陆军制定的虚拟环境研究计划，这一计划将分散在不同地点的地面坦克、车辆仿真器通过计算机网络联合在一起，进行各种复杂任务的训练和作战演练。,分布式虚拟现实系统,65,66,图1.27美国jsims系统示意图2003年美军方耗资800万美元研制的联合模拟训练系统,67,图1.28我国分布式战场仿真示意图,68,使用计算机及其相关的三维设备的虚拟现实系统，我们的工作、生活、娱乐将更加有情趣。在电脑前就可以实现与大西洋底的鲨鱼嬉戏；参观非洲大陆的天然动物园；感受古战场的硝烟与刀光剑影；发幽古思今之情；还可以体验开国大典的庄严和东方巨人站立起来的壮志豪情我们相信社会的发展和技术的创新使这一切在世界的任何地方都能做到，再不需等待可望而不可及的将来，或许就在今天。,1.2.2虚拟现实的意义,69,1.2.3虚拟现实的发展历史,其概念在60年代被提出，80年代逐步兴起，90年代有产品问世(1989年)美国国防部建立tcp/ip标准nasa将vr应用在太空任务lcd显示器互动式手套hmd（head-mounteddisplay）头盔显示器触觉手套nasa发展3d声音1992年第一个虚拟现实开发工具问世1993年大量虚拟现实应用系统出现1996年nps公司使用惯性传感器和全方位踏车将人的运动姿态集成到虚拟环境中1999年，虚拟现实应用更为广泛，涉足航空航天、军事、通信、医疗、教育、娱乐、图形、建筑和商业等领域,70,71,1.3虚拟现实研究现状,1.3.1国外虚拟现实研究现状（1）美国宇航局（nasa）的ames实验室完善了hmd，并将vpl的数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。nasa研究的重点放在对空间站操纵的实时仿真上，nasa完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远镜的仿真。现在正致力于一个叫“虚拟行星探索（vpe）”的试验计划。（2）北卡罗来纳大学（unc）的计算机系是进行vr研究最早最著名的大学。他们主要研究：分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。,72,（3）linda大学医学中心是一所经常从事高难度或者有争议课题的医学研究单位。他们以数据手套为工具，将手的运动实时地在计算机上用图形表示出来；他们还首创了vr儿科治疗法。（4）麻省理工大学（mit）是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构。它建立了一个名叫bolio的测试环境，用于进行不同图形仿真技术的实验。利用这一环境，mit建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪系统。,73,（5）sri研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有vr技术的进一步发展。1991年后，sri进行了利用vr技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究。另外，sri还利用遥控技术进行外科手术仿真的研究。（6）华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室（hitlab）在新概念的研究中起着领先作用，同时也在进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。hit现已将vr研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。（7）davesims等人研制出虚拟现实撤退模型来观看系统如何运作。当前，这一模型已在维加斯的虚拟购物商场中得以运用。,74,（8）softimage公司的专家们提出了渗透将有助于扩大虚拟现实的美学感，这是vr未来的一个发展方向。（9）伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中，支持远程协作的分布式vr系统。不同国家、不同地区的工程师们可以通过计算机网络实时协作进行设计。在系统中采用了虚拟原型，从而减少了设计图象和新产品进入市场的时间，而且可以在新产品生产之前就能对其进行估算和测试，这样就大大地提高了产品质量。（10）乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统，在一个分布交互式仿真系统中仿真真实世界复杂流体的物理特性。,75,1.3.2国内虚拟现实研究现状,（1）北京航空航天大学计算机系是国内最早进行vr研究、最有权威的单位之一，他们在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛。（2）浙江大学cad(2)能表达多个静止或运动的声源，支持多个听点和听点切换;(3)与其他通道的良好融合、匹配和同步。,114,2扬声器生成虚幻声像原理图1-5扬声器生成虚幻声像如图7-5所示的一对扬声器，分别输出相干的声音信号，通过控制信号的增益、相位可以让听者产生听觉上的虚幻声像，人耳可以自然地根据不同位置的扬声器发出的声音来识别虚拟环境中动态目标的方位。,115,1.5.4触觉与力觉的技术,从物理学仿真角度看，包括接触觉(tactileortouchsensing)和力觉(forcesensing)的触觉感知(hapticsensing),在基于虚拟现实操作系统中是不可或缺的重要感觉。当前，虚拟环境中大多数数据信息是采用视觉传感器以及非接触型传感器(如超声测距传感器等)采集的。,116,然而，实际工作中很多操作任务的信息要求具备敏捷的控制和接触感觉。在虚拟环境中，由于缺乏触觉感知反馈(hapticfeedback)手段，而使许许多多的信号源很难反馈和显示给异地的用户，从而难以实现更加全而的人一机交互作用。显而易见，没有基于虚拟现实的触觉感知反馈作用，就很难满足各种工程实际应用的要求。,117,在一个vr系统中，用户可以看到一个虚拟的杯子。你可以设法去抓住它，但是你的手没有真正接触杯子的感觉，并有可能穿过虚拟杯子的“表面”，而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。,118,1.5.5虚拟现实中使用的输出/输入技术,语音、自然语言、手势、视线跟踪及头部跟踪等各种形式的输入技术正在研究中，沉浸式的头盔显示器已经开始使用，新的立体显示设备也正在研制。在vr系统中，语音的输入输出也很重要。这就要求虚拟环境能听懂人的语言，并能与人实时交互。而让计算机识别人的语音是相当困难的，因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。例如，连续语音中词与词之间没有明显的停顿，同一词、同一字的发音受前后词、字的影响，不仅不同人说同一词会有所不同，就是同一人发音也会受到心理、生理和环境的影响而有所不同。,119,使用人的自然语言作为计算机输入目前有两个问题，首先是效率问题，为便于计算机理解，输入的语音可能会相当罗嗦。其次是正确性问题，计算机理解语音的方法是对比匹配，而没有人的智能。,120,1.6虚拟现实的应用,虚拟现实技术最初是用于军事仿真，近年来在城市规划，室内设计,文物保护，交通模拟，虚拟现实游戏，工业设计，远程教育等方面都取得了巨大的发展，虚拟无限相信，这是不可逆转的趋势，并且会运用更加广泛。因为虚拟现实技术的特点，所以它可以渗透到我们工作和生活的每个角落，所以虚拟现实技术对人类社会的意义是非常大的。正因为如此，它和其它很多信息技术一样，当信息技术领域的专家还未把它的理论和技术探讨得十分清楚时，它已渗透到科学、技术、工程、医学、文化、娱乐的各个领域了，受到各个领域人们的极大注意。,121,vr应用极为广泛，helsel与doherty对世界范围内进行的805项vr研究项目作了统计，结果表明：目前在娱乐、教育及艺术方面的应用占主流，达21.4，其次是军事与航空达12.7，医学方面达6.13，机器人方面占6.21，商业方面占4.96，另外在可视化计算、制造业等方面也有相当的比重。,122,123,虚拟现实的用途,124,1.6虚拟现实的应用米兰虚拟：,125,1.6.1军事1983年，美国陆军就曾制定了虚拟环境研究计划。它将分散在不同地点的坦克、车辆仿真器通过计算机网络联合在一起，形成一个虚拟战场环境，进行各种复杂任务的训练和作战演练等1994年开始，美国陆军与美国大西洋司令部合作建立了一个包括海陆空所有兵种，有3700多个仿真实体参与的，地域范围覆盖500km750km范围的军事演练环境vr技术应用的典型例子是“联网军事训练系统”,126,1.6.1军事,127,1.6.2航空航天（虚拟风洞，失重仿真训练，卫星发射仿真）,图1.31卫星轨道规划,128,1.6.3医学可用于解剖教学、复杂手术过程的规划，在手术过程中提供操作和信息上的辅助，预测手术结果等。在远程医疗中，虚拟现实技术也很有潜力。例如在偏远的山区，通过远程医疗虚拟现实系统，患者不进城也能够接受名医的治疗。在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、hmd、感觉手套，学生可以很容易了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。,129,1.6.4教育游戏艺术vr技术在教育领域，主要是发挥其互动性和生动的表现效果，用于立体几何、物理化学等相关课件的模拟制作。而且在相关专业的培训机构，vr虚拟现实技术能够提供学员更多的辅助，比如虚拟驾驶、各种交通规则的模拟。特种器械模拟操作、模拟装备等等。vr技术在视频应用上，已经相当广泛了，在各大电视台中均有虚拟演播室，而且有的电视台还运用了虚拟主持人。这种虚拟技术的运用无论是cctv还是各个地方卫视都有应用。,130,1.6.4教育游戏艺术,131,1.6.5工业随着vr技术的发展，其应用已进入民用市场。在工业设计中，虚拟样机就是利用vr技术和科学计算可视化技术，根据产品的计算机辅助设计（cad）模型和数据以及计算机辅助工程（cae）仿真和分析的结果，所生成的一种具有沉浸感和真实感并可进行直观交互的产品样机。vr技术在工业应用上，主要运用于工业园模拟、机床模拟操作、设备管理、虚拟装配、工控仿真。由于vr技术本身的特性所以从事以上的相关工作模拟十分方便、快捷而真实准确。,132,1.6.6商业商业上，vr技术常常被用于产品的展示与推销。随着vr技术的发展与普及，该技术在最近几年在商业应用中越来越多，主要表现在商品的展示中。采用vr技术来进行展示，全方位的对商品进行展览，展示商品的多种功能，另外还能模拟商品工作时的情景，包括声音、图像等效果，比单纯使用文字或图片宣传更有吸引力。并且这种展示可用于internet之中，可实现网络上的三维互动，为电子商务服务，同时顾客在选购商品时可根据自己的意愿自由组合，并实时看到它的效果。在国内已有多家房地产公司采用vrml技术进行小区、样板房、装饰展示等，并已取得非常好的效果。,133,1.6.6商业近几年在房地产的表现和推广应用方面，vr虚拟现实技术被得到越来越多的应用，更有逐步取代效果图和三维动画之势。用vr虚拟技术不仅可以十分完美的表现整个小区的环境，设施。还能表现不存在但即将建成的绿化带，喷泉，休息区，运动场等等。不仅如此，用户还能在整个小区中任意漫游、仔细欣赏小区的每一处风景。大大刺激了浏览者的感受。家电产品的展示、展览、发布上。运用vr技术不仅可以完美表现产品的外观，更能将其功能表现的淋漓尽致。而且家电行业产品种类繁多、数量庞大。市场需求量十分大，无论是使用全景虚拟还是视频虚拟还是三维虚拟技术都能在家电行业大有作为。,134,1.6.7建筑设计与规划在城市规划、工程建筑设计领域，vr技术被作为辅助开发工具。用vr技术不仅能十分直观的表现虚拟的城市环境，而且能很好的模拟各种天气情况下的城市，而且可以一目了然的了解排水系统，供电系统，道路交通，沟渠湖泊等等。而且能模拟飓风、火灾、水灾、地震等自然灾害的突发情况。对于政府在城市规划的工作中起到了举足轻重的作用。,135,1.6.7建筑设计与规划,136,virtualreality,bamanditsculturallandscape,aftertheearthquakeofthe26thdecember2003andtheimmensedestructionofthebamheritageiniran,thereconstructionoftheruinsespeciallyofthecitadelofbamhasbecomeanimportanttaskforexperts.firstphaseoftheprojectweretodevelopthe3dimensionalmodelsof7casestudiesinsidethecitadelofbam(maingate,bazaar,tekkiyeh(religiousplaza),mosque,sistanihouse,barrack,stable,fourseasonreceptionroom,137,virtualreality,cont.,theteamofdrawingthe3dmodelsconsistingofinjapanfromwasedauniversityandtheteamofraazahangarchitecturalfirminiranfromuniversityoftehranhasmadeatremendousefforttobuildthe3dmodels.,138,virtualreality,139,virtualreality,140,virtualreality,141,virtualreality,142,virtualreality,143,1.6.8遥控机器人,主从式遥控机器人是指在人的操纵下，能在人难以接近、无法进入或对人体有害的环境，完成比较复杂操作的一种远距离操作系统。受现有技术水平限制，目前能使用的遥控机器人在上述的大部分环境中，都是通过人工参与，借助于人的智能和经验来完成复杂环境下的作业。临场感技术是将机器人与环境交互作用信息(视觉、力觉、触觉等)实时反馈到本地操作者处，使操作者产生身临其境的感受，从而实现对机械手臂的控制。它是遥控机器人完成接触性任务的保证。,144,1.6.9虚拟实验室,虚拟实验室可以说是教育领域应用信息技术的一种创新:允许人们访问和使用自己没有的设备资源，使得处于不同地理位置的学习者可以同时对一个实验项目进行实验工作，可以接触最新的仪器。1例如：卡耐基梅隆大学的虚拟实验室cmu(carnegiemeilonuniversity)的虚拟实验室为传统的实验室平台与未来的实验之间提供了一种独特的链接。基本结构如图7-10所示:,145,图1-10cmu的虚拟实验室,146,2.虚拟实验室的发展方向（1）协作式虚拟实验室与同伴合作是实验过程中一个至关重要的环节，因为科学实验常常是种协作性的活动，一切科学均取决于思想理念，最终为人们所共有的以及人们对思想理念的论辩。,147,（2）自适应虚拟实验室在日常语言中，“自适应”是指生物变更自己的习性以适应新的环境的一种特征。直观地说，“自适应实验”即指能修正自己的特征以响应规则原理的变化，并根据学习者的学习过程生成一个反馈回路，为学习者提供一个自适应的获取知识和技能的实验学习环境。,148,1.6.10虚拟演播室,虚拟演播室是一种全新的电视节目制作工具，虚拟演播室技术包括色键技术、计算机虚拟场景设计和蓝背景技术、灯光技术和摄像机跟踪技术等。虚拟演播室技术是在传统色键抠像技术的基础上，充分利用了计算机三维图形技术和视频合成技术，根据摄像机的位置与参数，使三维虚拟场景的透视关系与前景保持一致，经过色键合成后，使得前景中的主持人看起来完全浸尽于计算机所产生的三维虚拟场景中，而且能在其中运动，从而创造出逼真的、立体感很强的电视演播室效果。,149,虚拟演播室系统是由摄像设备、摄像机位置参数分析和控制、图形计算机、背景材料库和图像合成等设备组成。虚拟演播室节省了传统的基于搭设真实布景的电视节目制作中设计、材料、施工、场地等昂贵费用，克服了传统布景不宜随便搬动，灵活性差，场地不能重复利用的缺点，满足了电视节目制作与播出的高时效性要求。,150,图1-11虚拟演播室,151,1.7虚拟现实建模语言vrml,1.7.1vrml概述vrml（virtualrealitymodelinglanguage）即虚拟现实建模语言，是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言。也就是说，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界（virturalworld）。vrml的基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体，基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等。是目前internet上基于www的三维互动网站制作的主流语言。vrml虽然还很不成熟，但已经表现出其百折不挠的强大生命力，它必将成为www服务的新一代标准。,152,1.7.2vrml的基本内容,1.vrml文档vrml文档是用vrml语言组织起来的一个扩展名为.wrl的文本文件或扩展名为.wrz的二进制文件（压缩格式），它可以通过www浏览器向用户展示虚拟现实情景。它通常由四个部分组成：文件头、节点、域值、注释。,153,例如，下面是一个显示无顶面的杯状体的vrml文档#vrmlv2.0utf8shapeappearanceappearancematerialmaterial#使用默认材质和颜色geometrycylinderradius3height6sidetruetopfalsebottomtrue,154,与上述文档相应的屏幕显示情况如图1-6所示。,图1-6用vrml描述的一个虚拟圆柱体,155,2vrml文档的编辑由于vrml文档是一个普通的文本文件即纯文本文件，因此它对编辑工具没有特殊的要求。事实上，mircrosoftword、写字板等，都可以用来编辑vrml文档。为了方便进行vrml文档的编辑，可以通常具有“所见即所得”功能的可视化vrml文档编辑软件，例如internetspacebuilder、canoma等，它们会自动将所编辑成的结果保存为vrml格式的文本文件。,156,3.vrml文档的演示vrml文档可以在因特网上传输，并通过www浏览器进行演示。例如，在常用的浏览器ie或netscapenavigator中都可以演示vrml文档，其中ie5.0或netscapenavigator4.0以上版本浏览器中都已经预装了vrml插件。如果在安装浏览器时未选择预装，也可以单独下载和安装vrml浏览插件，例如cosmoplayer(在图74中,ie浏览器的下半部就是cosmoplayer的控制面板)。我们可以从网站“,157,1.7.3vrml的发展,vrml的前身是sgi公司openinventer系统使用的一种文档格式，后经markpesce、tonyparisi和gavinbell等人的改进和努力，最终发展成第二代www的标准语言。到目前为止，vrml标准的发展已经历了三代。1vrml1.01994年10月公布。vrml1.0只定义了36种节点类型，涉及的对象也只有静态对象，而没有声音、动画等动态对象。实际上，由于vrml1.0近似html的“3d版本”，因此，当时称vrml为虚拟现实标记语言（virsualrealitymarkuplanguage）。现在，vrml1.0已基本被淘汰。vrml1.0的标志：文档的第一行是“#vrmlv1.0ascii”。,158,2vrml2.01996年8月公布。vrml2.0名义上是vrml1.0的修订版，但两者从内容到文档结构上都很不相同。在vrml2.0中，节点类型扩展为54种，支持的对象包括动态和静态两类。这时的vrml语言，已经完全脱离html的影响，被正式命名为：虚拟现实建模语言（virsualrealitymodelinglanguage）。,159,1.7.4vrml技术及其应用,vrml（thevirtualrealitymodelinglanguage，虚拟现实建模语言）是一种虚拟现实建模语言，也是在internet上建立3d多媒体和共享虚拟世界的一个开放标准。vrml常用于描述三维物体及三维场景，它能够在www上构建动态的、具有丰富的传感效应的虚拟环境。在描述三维物体及由它们构成的场景时，vrml能使物体在三维空间中运动（动画），还能够在场景中播放声音和电影，并使观察者能与场景进行交互，从而加强观察者在虚拟场景中的感受。,160,vrml文档及其显示vrml文档通常是用vrml语言组织起来的一个扩展名为.wrl的文本文件，它通过web浏览器向用户展示虚拟现实情景。为了方便进行vrml文档的编辑，一般采用可视化的vrml文档编辑软件，例如internetspacebuilder、canoma等。编辑过的vrml文档可以在internet上传输并由web览器进行显示。在web浏览器中显示vrml文档时需要预装一个简单的vrml插件。,161,vrml应用实例：网上虚拟美术馆eirenet（爱尔兰美术馆）是一个采用vrml技术建立的网上虚拟美术馆。网址：http:/www.dmc.dit.ie/guests/eirenet/eirenet/eirenet/thic2ra.htm，它是因特网上一个著名的虚拟站点。,162,1.8本章小节,虚拟现实技术已广泛应用于航空航天、医学技术、建筑设计、军事训练、机器人及制造业、体育训练、教育及娱乐游戏等众多领域。在许多国家，虚拟现实技术已应用于课堂教学，它作为新的教学媒体，其出现无疑将对教学产生深远的影响。本章主要探讨虚拟现实技术的定义与特征，虚拟现实系统的构成，关键技术与设备，虚拟现实建模语言vrml，以及虚拟现实系统的应用举例。,163,1.8.1概念总结,（1）虚拟现实（virtualreality,简称vr），是利用计算机生成一种模拟环境(如飞机驾驶舱，操作现场等)，使用户有一种仿佛置身于现实世界一样的临境感，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。（2）虚拟现实技术的实现，主要分三大块：建模技术、显示技术、三维场景中的交互技术。（3）虚拟现实实现的关键技术包括：实时立体视觉与广角立体显示，头部及体位追踪立体声与虚拟立体声的产生，触觉与力觉的技术，虚拟现实中使用的输出/输入技术。,164,（4）vrml（virtualrealitymo