第11章 虚拟现实技术在电子.ppt

第十一章虚拟现实技术在电子政务中的应用 一 虚拟现实的定义和特征二 虚拟现实涉及的关键技术三 虚拟现实技术与电子政务四 本章问题 一 虚拟现实的定义和特征 一 虚拟现实的定义1 定义VR VirtualReality 技术就是借助于计算机技术及硬件设备 实现一种人们可以通过视听触嗅等手段所感受到的虚拟幻境 故VR技术又称幻境或灵境技术 2 定义的含义 1 模拟环境就是由计算机生成的具有双视点的 实时动态的三维立体逼真图像 逼真就是要达到三维视觉 甚至包括三维听觉 触觉及嗅觉等的逼真 而模拟环境可以是某一特定现实世界的真实实现 也可以是虚拟构想的世界 2 感知是指理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知 除了计算机图形技术所生成的视觉感知外 还有听觉 触觉 力觉 运动等感知 甚至还包括嗅觉和味觉等 也称为多感知 MultiSensation 返回下一页 3 自然技能 是指人的头部转动 眼睛 手势或其他人体行为动作 由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据 并对用户的输入 手势 口头命令等 作出实时响应 并分别反馈到用户的五官 使用户有身临其境的感觉 并成为该模拟环境中的一内部参与者 还可以和在该环境中的其他参与者打交道 4 传感设备是指三维交互设备 常用的有立体头盔 数据手套 三维鼠标 数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置 如摄像机 地板压力传感器等 VR并不是真实的世界 也不是现实 而是一种可交替更迭的环境 从技术上看 VR与各相关技术有着或多或少的相似之处 计算机图形学 仿真技术 多媒体技术 传感器技术 人工智能等 但在思想方法上 VR已经有了质的飞跃 VR是一门系统性技术 它需要将所有组成部分作为一个整体去追求系统整体性能的最优 脱离不同的应用背景看 VR技术是把抽象 复杂的计算机数据空间表示为直观的 用户熟悉的事物 它的技术实质在于提供了一种高级的人与计算机交互的接口 上一页下一页 二 虚拟现实的特征 从本质上来说 虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口 通过给用户同时提供诸如视觉 听觉 触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段 最大限度地方便用户操作 该技术的主要特征有以下几方面 1 多感知性 Multi Sensation 是指不仅包括视觉 听觉 触觉 运动感知 而且还应该包括味觉 嗅觉 感知等 理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能 2 沉浸感 Immension 又称存在感 是指操作者存在于虚拟环境中的真实程度 理想的虚拟现实应该达到使操作者感觉和真实环境一样的程度 3 交互性 Interaction 有两个方面 一是指操作者对虚拟环境中物体的可操作程度 另一个是指操作者从虚拟环境中得到实时反馈的自然程度 4 自主性 Autonomy 是指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度 5 思想性 或构想性 Imagination 可拓宽人类认知范围 不仅可再现真实存在的环境 也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境 上一页下一页 三 基本硬件 1 图像生成器图像生成是虚拟现实系统中最耗费时间的一项任务 2 3D鼠标与虚拟世界交互的关键之一是跟踪真实物体的位置 3 数据手套 DataGlove 这种手套的手指装有传感器 整个手套装有位置 方向跟踪器 4 头盔是和虚拟现实联系极其密切的一种硬件装置 看起来象头盔或风镜 头盔在使用者眼睛的前面装有小型视频显示器 利用特殊的光学系统聚焦和拓展使用者视野 5 声音发生器 虚拟境界中要求的声音系统为三维声音 即真实境界中的听觉方式 上一页下一页 四 虚拟现实系统的体系结构 典型的虚拟现实系统结构包括虚拟环境产生器 效果产生器 应用系统和几何造型系统等 1 虚拟环境产生器虚拟环境产生器是VR系统的核心部件 它由计算机软硬件系统 软件开发工具及配套硬件组成 它实质是一个包括数据库和产生立体图像的高性能计算机系统 其主要功能有 对虚拟环境中物体对象及其运动 行为 碰撞作用等特性进行描述 生成左 右眼视图合成三维立体图像 为声音系统实时地提供参与者头部的位置和方向信号 处理输入 输出数据 并将这些数据融合在虚拟环境中 2 效果产生器是完成人与虚拟环境交互的硬件接口装置 包括能产生沉浸感的各类输出装置 例如头盔显示器 立体声耳机等 3 应用系统是面向具体问题的软件部分 描述仿真的具体内容 包括仿真的动态逻辑 结构以及仿真对象之间和仿真对象与用户之间的交互关系 它的内容直接取决于VR系统的应用目的 上一页下一页 五 虚拟现实技术的发展 1 概念的提出1965年 Sutherland在篇名为 的论文中首次提出了包括具有交互图形显示 力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想 1966年 美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作 样机完成不久 研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中 1970年 出现了第一个功能较齐全的系统 在80年代初 美国正式提出了 VirtualReality 一词 2 80年代和90年代实际进展1984年 NASAAmes研究中心虚拟行星探测实验室组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器 将火星探测器发回的数据输入计算机 为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境 90年代 迅速发展的计算机硬件和软件技术 使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能 例如1993年的11月 宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作 波音777涉及获得成功 等等 上一页下一页 3 未来发展 虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉 集成的产物 它的研究内容涉及到人工智能 计算机科学 电子学 传感器 计算机图形学 智能控制 心理学等 应用前景很广阔 但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍 目前虚拟现实技术所取得的成就 绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力 仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题 还根本未涉及 人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识 这一重要过程 只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时 人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了 六 虚拟现实建模语言VRML VirtualRealityModelingLanguage 是 虚拟现实建模语言 的首字母缩写 是一种用于描述三维造型与交互环境的简单的文本语言 上一页下一页 七 虚拟现实在Internet上的应用 1 远程医疗2 商业应用3 娱乐4 其他应用 1 军事 2 文物展示 复员和保护 3 过程应用 上一页返回 二 虚拟现实涉及的关键技术 虚拟现实是多种技术的综合 包括实时三维计算机图形技术 广角 宽视野 立体显示技术 对观察者头 眼和手的跟踪技术 以及触觉 力觉反馈 立体声 语音输入输出技术等 1 实时三维计算机图形技术利用计算机模型产生图形图像并不太难 如果有足够准确的模型 又有足够的时间 就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像 但是这里的关键是实时 例如在飞行模拟系统中 图像的刷新相当重要 同时对图像质量的要求也很高 再加上非常复杂的虚拟环境 问题就变得相当困难 2 广角 宽视野 的立体显示用户带上特殊的眼镜后 一只眼睛只能看到奇数帧图像 另一只眼睛只能看到偶数帧图像 奇 偶帧之间的视差就产生了立体感 用户 头 眼 的跟踪 看到的景象是由用户的位置和头 眼 的方向来确定的 跟踪头部运动的虚拟现实头套 利用头部跟踪来改变图像的视角 用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来 用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境 而且可以通过头部的运动去观察环境 返回下一页 3 立体声 人能够很好地判定声源的方向 在水平方向上 我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向 因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同 常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的 所以会有一种方向感 现实生活里 当头部转动时 听到的声音的方向就会改变 但目前在VR系统中 声音的方向与用户头部的运动无关 4 触觉与力觉反馈在一个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 5 语音输入输出在VR系统中 要求虚拟环境能听懂人的语言 并能与人实时交互 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 上一页返回 三 虚拟现实技术与电子政务 一 电子政务与电子政府的区别和联系电子政务与电子政府不是两个完全对应的概念 更不能相互替代 电子政府 是现有的政府机构在开展电子政务的过程中 对现有的政府组织结构和工作流程进行优化重组之后所重新构造成的新的政府管理形态 而电子政务 则是从政府业务角度上讲的 是政府机构应用电子信息化和网络通讯手段 将管理与服务通过网络技术进行集成 在互联网上实现政府组织结构和工作流程的优化 突破时间 空间和部门分隔的限制 全方位地向社会提供优质 规范 透明 符合国际水准的管理和服务 电子政府是电子政务发展的目标 政府在开展电子政务过程中 进行组织结构和工作流程的优化和重组 克服过去部门分隔和时空的限制 最终实现在网上办公 这也就是电子政府的本义 它对于提高政府办事效率 改善决策质量 增加办公透明度 乃至最终转换政府职能 调整政府角色 更好地为社会服务 都有深刻的推动作用 返回下一页 二 用虚拟现实技术建设三维电子政务系统 三维电子政务系统 就是利用先进的三维信息平台 结合完善的数据库管理系统 整合OA 业务系统等 建立 电子政府 面向公众提供政府部门的各种服务 三维电子政务系统将空间分析 自动导航 虚拟现实等信息技术与视频 声音 图像等媒体信息有机地结合在一起 将城市 园区现状与规划情况 基础设施 招商 办公流程等重要信息形象 直观 有条不紊地展示给用户 使社会公众可以形象直观地以仿真方式来进行场景浏览 部门展示 办