浅谈虚拟现实技术42.ppt

浅谈虚拟现实技术 lihb62 主要内容 虚拟现实技术以 桌面虚拟现实系统 为例介绍虚拟现实系统虚拟现实技术在教育中的应用 虚拟现实技术 一 虚拟现实技术概念 又称临境技术 灵境技术 是指用立体眼镜和传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实 人们通过这些设施以自然的方式 如头的转动 手的运动等 向计算机送入各种动作信息 并且通过视觉 听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉 听觉及触觉等感觉世界 二 虚拟现实的发展简史 1965年 Sutherland在 终极的显示 中首次提出虚拟现实系统的基本思想 1966年 MIT的林肯实验室开始头盔式显示器研制 70年代出现第一个功能较齐全的HMD系统 80年代初正式提出了 VirtualReality 一词80年代 美国宇航局 NASA 及国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究 如 1984年 NASAAmes研究中心虚拟行星探测实验室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 计算机软硬件的发展为虚拟现实系统的发展打下了的基础 1993年11月 宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从飞机的运输舱内取出望远镜面板的工作 再如 用虚拟现实技术设计波音777获得成功 三 虚拟现实系统一般构成 虚拟世界虚拟现实软件计算机输入设备输出设备 常用人机接口设备 四 应用领域 军事及航空如 SGI虚拟现实系统 无需制造真正的原型试验机即可获得宝贵的数据 建筑与汽车业设计师 通过虚拟现实技术观察他们设计的效果 如外观 动力性 使用方便性 用户 可通过虚拟现实技术在设计完成后 进入 大厦漫游 以便得知大厦各房间的规划 装饰材料的选择等是否满意 医学医生远程做手术培训汽车驾驶模拟训练 大型飞机驾驶模拟娱乐 虚拟房地产推销 光学虚拟实验室 大型工程漫游 五 虚拟现实系统的发展趋势 例 实景虚拟现实技术 图1 杰图FlyVR实景虚拟现实平台 便携式三维展示硬件 虚拟感应头盔 遥控手柄 数据手套等 gis地图与现实场景的互动结合给人们带来建模无法实现的真实感受 桌面虚拟现实系统 虚拟现实系统有如下几种 在这里主要介绍桌面虚拟现实系统 一 什么是桌面虚拟现实系统 是一种集立体图形 自然交互等技术 以营造与客观世界高度类似的 逼真的 虚拟的环境为重要内容进行各种应用的系统 即是利用个人计算机和低级工作站进行仿真 计算机的屏幕用来作为用户观察虚拟境界的一个窗口 各种外部设备一般用来驾驶虚拟境界 并且有助于操纵在虚拟情景中的各种物体 二 桌面虚拟现实系统特性 虚拟现实系统具有一种身临其境的临场感 为了达到这种目的 虚拟现实系统具备一些与普通图形系统不同的特点 1 生动的计算机图形图像场景2 自然的人机交互3 通用的图形软件平台 三 常见的桌面虚拟现实技术 基于静态图像的虚拟现实技术 采用连续拍摄的图像和视频 在计算机中拼接建立实景化虚拟空间VRML 虚拟现实造型语言 采用描述性的文本语言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 桌面CAD computerassociateddesign计算机辅助设计 系统利用桌面三维图形绘制技术对虚拟世界进行建模 通过计算机的显示器进行观察 并能自由地控制视点和视角 Next VRML VirtualRealityModelingLanguage 虚拟现实建模语言 VRML的历史 返回 VRML工作原理 文本描述 远程传输 本地计算文本描述 指VRML用类似HTML标记文本语言来描述三维场景 如 立方体的描述文本是 Box size3 0 3 0 3 0 远程传输 指用户VRML描述的虚拟场景时 需要通过Internet将描述场景的文本传送到本地 本地计算生成 是指描述虚拟场景的数据传送到本地后 浏览器对它进行解释计算 动态地生成虚拟场景 返回 VRML的应用 VRML使得Internet的一片平面世界首次出现了了三维场景 成为Internet最具发展前景的新兴技术 在教育领域的Web站点中 它可广泛用于学习情景创设 增加学习内容的形象性和趣味性 并可用于可视化的导航 自然的人机界面等方面 如 创建网上三维图书馆 它的特点是 书籍归类整理更接近真实或将高于真实 汇编或查阅书籍时只需要鼠标的轻轻战地对应的虚拟图书 返回 QTVR QuickTimeVirtualReality QTVR是一种基于静态处理的 在微机平台上能够实现的初级虚拟现实技术 QTVR是在下列概念基础上组成的 全景 是空间中一个视点对周围环境360度的视图 返回 QTVR的优点 可由摄像机获取三维场景 对计算机的计算能力要求不高 可实现实时建模与动态显示 QTVR的缺点 场景本身必须是静态的 在漫游时 观察点及方向受到了严格的限制 返回 虚拟现实技术在教育中的应用 引言 教育是一个传授知识的过程 在众多通过亲身经历这一过程 巩固所传授的知识的方法中 虚拟现实技术是最有效的 虚拟现实技术在教育中的应用依据虚拟环境不同可分为 虚拟校园虚拟教室虚拟实验室虚拟图书馆 1 虚拟校园它除了可以具有一所传统学校所具备的正常活动的虚拟场所外 还拥有传统学校不可能拥有的环境 在虚拟校园里 有虚拟教室 虚拟实验室 虚拟图书馆等学习的场所 还有学习者交往和活动 包括文娱活动 体育活动 艺术活动和社会活动等 的场所 2 虚拟教室它是指运用虚拟现实技术生成的进行教育实践的具有逼真感的虚拟环境 学习者可借助于有关设备进入虚拟课堂 接受教育和进行学习 3 虚拟实验室虚拟实验室是由虚拟现实技术创造的一种可以进行实验的虚拟环境 在这个环境中 学习者有逼真的感觉 他似乎是在真正的实验室里近距离进行现场操作 虚拟实验室的产生和应用使远程实验教学得以真正实现 它彻底解决了以往所有远程教育模式中理论教学的远距离性和实验教学的近距离性的矛盾 使整个教育完全远程化 4 虚拟图书馆虚拟图书馆是用虚拟现实技术生成的提供信息的场所 因此它也可以称之为 虚拟信息中心 在这里 不仅仅提供象文本 视频 声频等信息资源 而且更提供与众不同的身临其境的信息资源 例如要取得历史知识 学习者可以通过虚拟图书馆 进入不同朝代的虚拟世界 实时观察或实际参与当时的事件 从而亲身感受和了解不同朝代的实况 再如 要取得人体组织信息 学习者可以通过灵境图书馆穿行在人体的组织和器官之间 实地去考察一番 下面主要介绍 虚拟实验室 一 虚拟实验室 虚拟实验 就是实验者通过远程通讯工具和相应的虚拟实验仪器 在远程进行操作 观测实验过程 直至得到实验结果的一种实验模式 虚拟实验室 是利用虚拟现实技术仿真或虚构某些情境 供学生观察一操纵其中的对象 使他们获得体验或有所发现 二 虚拟实验室进行虚拟实验的方式主要有三种类型 遥控型实验遥控型实验是利用计算机多媒体技术和通讯技术 将实验室内真实的实验设备及控制系统 转换成三维图像 声音 状态等传输到远端的学生计算机中 参加实验的学生可以在自己的计算机中进行操作 通过通讯线路遥控真实实验室现场中的实验设备 例如对实验设备进行编程 校对 启停 测试 监控等操作 使远程实验过程在实验学生实时遥控下运作 而学生执行操作的结果 文字 图像 数据等 又会实时地回传给学生 从而使实验学生可对实验数据实时采集并进行处理 模拟型实验 模拟型实验是在计算机中用软件模拟仪器 设备 元器件 药品等实验器材和实验条件 并以文字 图形或动画方式显示出来 实验的学生登陆虚拟实验室后 与实验软件进行交互 充分利用虚拟器材库中十分丰富的实验器材 根据实验要求进行实验流程设计 实验装置搭建 实验内容操作 实验结果统计分析等 最后写出实验报告 全部实验过程在计算机内完成 例如 实验学生可以自由地取用软件中的各种电阻 电容 晶体管 集成电路等虚拟器件组成实验要求的电路 然后接上虚拟的开关和电源 以及信号发生器 测量仪器 示波器等虚拟仪器进行实验 观察记录实验数据和结果 这种以软件来模拟那些存在和使用的设备来做实验 可以取得和采用真实实验器材 设备相同的实验结果 仿真型实验仿真型实验采用计算机技术 虚拟现实技术等构建虚拟实验环境 虚拟仪器和设备的方法 为学生提供一种仿真的实验 情境 它不仅可以控制学习情境的复杂度和逼真度 还可以弱化甚至剔除真实情境中无关的干扰因素 学生可以 随机进入 身临其境地进行实时操作 在初级的仿真型实验中 采用计算机技术在计算机屏幕上创设一个模仿真实的场景 包括原型实验设备素材和这些系统实际运行时的三维视频图像和动画 并配以文字和声音等数据文件 学生就如同在真实实验室中现场进行实验一样 在高级的仿真型实验中 采用虚拟现实技术构建达到足以 乱真 境地的实验环境 学生不仅可以 做 实验 而且甚至可以 亲身体验 实验的运作 达到比在真实实验室更好的实验效果 三 构建虚拟实验室常用方法 使用Java进行开发使用ActiveX控件进行开发使用VRML技术进行三维虚拟实验室的开发QuickTimeVR技术 四 虚拟实验的优越性 临场性指学生可以感到自己处于虚拟实验室的体验 产生一种逼真的存在感 虚拟实验室与真正的实验室同等完美 虚拟仪器与实际仪器功能相同 操作方法也一样 实验者在虚拟实验室里做实验 觉得自己在真正的现实实验室里近距离进行现场操作 他可自由地在所处环境中与有关的虚拟物体或事件相互作用 与在现实实验室里同样方便 理想的虚拟实验室环境可达到使实验者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 在这样的 实际情境 下 通过逼真的模拟仿真执行和动态演示 可以提高实验学生的参与水平 促进学习建构 临场性的意义 还在于使学生将远程 虚拟实验认为或感觉到是现场 真实实验 这对于实验操作 实验心理 实验效果和实验教学成效等方面是相当重要的 开放性指学生能随时随地自主选择或组合虚拟实验所需要的环境和条件 这样 远程教育的任何学生能在任何时间 任何地点选择实验内容 实验仪器设备 实验信息资料 实验同组合作人员 实验指导教师等 以及取得实验结果的评估 并具有完全的自由度 此外 虚拟实验对于做了实验后没有掌握的实验过程或实验技术片断的学生 可以自己方便地多次重复 这样 学生始终处于实验教学的主导地位 掌握学习的主动权 大大增强了学习效果 超时空性指虚拟实验具有超时空的特点 它能够将过去世界 现在世界 未来世界 微观世界 宏观世界 宇观世界 客观世界 主观世界 幻想世界等拥有的物体和发生的事件单独呈现或进行有机组合 并提供给实验者进行实验 虚拟实验当然可以在模拟真实实验室环境里进行类似于传统实验 但它的擅长更是那种使实验者置身于实验对象之中的逼真环境进行 体验 实验 比如 虚拟实验室可以构建超越现实时空的环境 如探索星系时的虚拟太空 研究分子原子结构时的虚拟微观世界 获取人体组织信息时的虚拟人体的组织和器官之间等等 从而学生能身临上述虚拟环境进行实验 形象性指虚拟实验可以做到把枯燥的实验变为形象的实验 例如在虚拟实验室里进行化学实验 学生将采集到的一个氧原子和二个氢原子结合在一起 眼前就会出现一个网状的水球 这就是他自己创造的水分子 再如 根据相对论和量子力学法则 可以模拟宇宙太空和微观的原子世界里发生的情况 学生可以进入那里 对于实验过程中发生的变化现象取得感性认识 形象性的意义 在于可以使做实验的学生将许多抽象的学习变换成具像的学习 理性的学习变换成体验的学习 想象的学习变换为现实的学习 枯燥的学习变换成生动的学习等等 从而轻松有效地从中获取知识 安全性指在虚拟实验室里做实验远比在现实实验室里安全 比如 化学实验中有些药品具有剧毒 刺激性气味的特性 而且有些化学反应比较剧烈 学化学专业的学生做类似的虚拟实验 就可既对实验现象或过程很好地仿真而又不必冒着发生伤害或意外爆炸的危险 学生也可放心地在虚拟实验室里试用新的实验技术 不用担心发生事故 安全性不仅是对于实验操作人员而言的 它也包括实验对象 实验环境等 这一点对于生物实验 医学实验 农业实验等特别重要和特别有意义 譬如 医学院学生可用 虚 的解剖刀在 虚 的人体上解剖 而无须冒危害真实患者的风险 安全性也使以往一些可能对自然 社会造成很大影响的实验 如环保实验 生态实验等 得以在虚拟实验中实现 五 实例 http jersey uoregon edu vlab 美国俄勒冈大学物理系主办的虚拟物理实验网站 http www hazelwood k12 mo us gr