第一章绪论虚拟现实79.ppt

VRML概述 2010 3 3 虚拟现实技术 虚拟现实技术 虚拟现实技术的发展历史 VRML的特点 虚拟现实技术 2004虚拟奥运 北京建虚拟奥运博物馆 虚拟奥运博物馆 将通过三维实时仿真 大场景图像多通道实时输出等先进技术 实现奥运比赛项目仿真模拟 虚拟奥运艺术作品展示 历届奥运历史再现 奥运比赛精彩回放和北京2008奥运场馆虚拟漫游等内容的展示 全球网民足不出户就可了解北京奥运 虚拟奥运博物馆 与其他传统网络相比 在形式上增加了互动 虚拟奥运博物馆 提供的展览和互动活动都是三维仿真 更有视觉冲击 3D虚拟奥运城 虚拟奥运主题城以青岛奥林匹克帆船基地为原型及起点 按1 1的比例完全仿真到互联网中 将传统的信息化方式借助先进的web3D技术进行展现 搭建了虚拟的奥运场馆和水上基地等 展现奥帆基地的五大中心 人文奥运展厅 奥运文化长廊等内容 目前有奥帆中心 人文奥运 文化长廊三个世界 具有3D专业技术的居民可以在获得一定特权后在奥运城中自主搭建自己的家园 这与现在网络上流行的博客空间异曲同工 它搭建了一个基于互联网的活动平台 奥帆赛文化活动既可以在物理空间举办 也可以在虚拟空间进行 虚拟的奥帆文化活动就可以进入到用户的家里 人机交互技术的历史与发展基本概念基本特性分类应用领域应用前景在教育领域的应用对传统教育的影响 虚拟现实技术 人机交互技术的历史与发展 命令行界面图形用户界面虚拟现实 新一代的人机交互系统 基本概念定义1 VirtualReality VR 把客观世界的某一局部用电子的方式模拟出来 并且那个让你走进这个局部世界 犹如身临其境 而且这种身临其境是动态的 VR是计算机生成的给人多种感观的虚拟世界 是一种高级的人机交互系统 基本概念定义2 VirtualReality VR 采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视 听 触觉等一体化的虚拟环境 用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互 相互影响 从而产生亲临真实环境的感受和体验 其最终的目标 真实的体验和方便自然的人机交互 VR的概念模型 虚拟世界 感知系统 反应系统 介入者 感官刺激信号 反应动作 VR与传统交互技术的区别 自然交互 计算机适应人 多通道 多种感觉 视听触味等 非精确 智能化 通过交互作用表示事物的现实性用户身临其境 对VR的评价 VR是20世纪90年代最重要的思想之一21世纪的计算机是VR计算机VR是放大智慧的新工具VR是亿万美元的产业 VR的基本特性 沉浸感 Immersion 交互性 Interactivity 构想性 Imagination 简称3I特性 沉浸感 Immersion 即全身心的进入 简单说就是产生在虚拟世界中额幻觉 理想情况下的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度 甚至比真的还 真 虚拟现实的沉浸性来源于虚拟世界的多感知性 视觉 听觉 触觉 嗅觉 味觉等 理论上说虚拟现实系统应该具备人在现实可观世界中具有的所有感知功能 交互性 Interactivity 强调人与虚拟世界之间要以自然的方式进行交互 主要体现在 人的参与与反馈交互的有效性以虚拟场景的真实感为前提交互的实时性 构想性 Imagination 虚拟环境是人想象出来的 同时这种想象体现出设计者相应的思想 用户在虚拟环境中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为 通过联想 推理和逻辑判断等思维过程 随着系统的变化对系统未来进展进行想象 以获取更多的知识 认识复杂系统深层次运动原理和规律性 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 从而产生新的构思例 房地产 核实验 新型武器设计 医疗手术的模拟与训练等 虚拟现实系统的分类 按交互和沉浸的程度不同划分 桌面式VR系统沉浸式VR系统叠加式VR系统分布式VR系统 桌面式VR系统 也称窗口虚拟现实 利用个人计算机或初级图形工作站等设备 以计算机屏幕作为用户观测虚拟世界的窗口 采用立体图形 自然交互等技术 产生三维立体空间的交互场景 通过键盘 鼠标和力矩球等各种输入设备操纵虚拟世界 实现与虚拟世界的交互 桌面式VR系统 桌面式VR系统的特点 用户处于不完全沉浸的环境 缺少完全沉浸 身临其境的感觉 对硬件身边要求极低实现成本较低 应用相对普遍 叠加式VR系统 也成增强式VR系统把真实环境和虚拟环境组合在一起的一种系统 既可减少构成复杂真实环境的计算 又可对实际物体进行操作 真正达到了亦真亦幻的境界 叠加式VR系统 实例 医学可视化军用飞机导航设备维护与修理文物古迹的复原 叠加式VR系统的特点 真实世界和虚拟世界融为一体真实世界和虚拟世界在三维空间中整合具有实时交互功能 沉浸式VR系统 一种高级的 较理想的虚拟现实系统提供一个完全沉浸的体验 使用户有一种仿佛置身于真实世界之中的感觉 常见的沉浸式VR系统 基于头盔式显示器的系统投影式虚拟现实系统远程存在系统 沉浸式VR系统的特点 高度的实时性能高度的沉浸感良好的系统集成度与整合性能良好的开发性支持多种输入与输出设备并行工作 分布式VR系统 DVR虚拟现实技术与网络技术发展和结合的产物 在网络的虚拟世界中 位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟世界通过网络联接共享的系统 目标是在 虚拟现实系统的基础上 将地理上分布的多个用户或多个虚拟世界通过网络连接在一起 使每个用户同时参加到一个虚拟空间 通过联网的计算机与其他用户进行交互 共同体验虚拟经历 以达到协调工作的目的 将虚拟现实的应用提升到一个更高的境界 分布式VR系统实例 联网游戏虚拟战争模拟 分布式VR系统的特点 各用户具有共享的虚拟工作空间支持实时交互 共享时钟多个用户可以各自不同的方式相互通信资源信息共享允许用户自然操纵虚拟世界中的对象 应用领域 军事应用遥现与遥作科学计算可视化教育和培训设计和规划商业领域艺术与娱乐 军事应用 模拟军事演习安全性高 节省费用 遥现与遥作 体验和操作遥远的真实环境遥控宇宙空间站危险场所远距离医疗 诊断和手术 科学计算可视化 分子模型地震模型环境模型 教育和培训 仿真教学与实验特殊教育多种专业训练训练飞行员用数字模型训练外科手术 设计和规划 建筑设计城市规划 商业领域 虚拟商店房地产 艺术娱乐 敦煌石窟虚拟漫游与壁画复原虚拟游戏 应用前景 实际应用领域的初级阶段潜力很大 虚拟现实与教育 虚拟现实技术在教育领域的应用 1 虚拟现实技术在教育领域的应用 2 虚拟现实技术对传统教育的影响 虚拟现实技术在教育领域的应用 1 科研方面的应用虚拟仿真校园虚拟教学虚拟实验教育娱乐 科研方面的应用 各高校在许多领域都进行了相关的课题研究 对科学技术研究具有很大的促进作用 北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用 浙江大学在建筑方面 进行的虚拟规划 虚拟设计的应用哈尔滨工业大学在人机交互方面有很好的成果清华大学在临场感的研究颇具特色 虚拟仿真校园 虚拟校园是虚拟现实技术与网络与教育最早的具体应用 虚拟教学 在理工科的教学中有广大作为 尤其在建筑 机械 物理 化学等学科有着质的突破 机车驾驶模拟装置 虚拟实验 物理实验化学实验几何光学设计实验平台 国内教育界第一个对虚拟现实技术进行研究的课件 教育娱乐 虚拟现实技术在教育领域的应用 2 概念掌握技能训练互动合作学习教育娱乐 概念掌握 VRSemLab 西弗吉尼亚大学 解决学习半导体概念时遇到的困难 帮助使用者定性的理解不同参数怎样影响设备运行ScienceSpace 科学空间 目的是为了验证学生通过直接交互式的体验 能否更好的理解科学概念 提供三种虚拟场景 牛顿世界 麦克斯韦世界和Pauling世界CyberMath 瑞典皇家理工学院 以愉快的方式表现复杂的数学概念 矩阵变换 广义圆柱方法 柱面光学即焦曲面等自传和公转概念的理解和掌握 技能训练 模拟驾驶模拟手术特殊环境 如自然灾害 火灾或毒气扩散等 中的逃生训练虚拟战争 互动合作学习 QuorumProject 西佛罗里达大学和IBM联合开发 基本思想 概念图的使用正增强意义学习小学生和中学生可以在计算机上生成渴望 构造概念地图 这些概念地图呈现出学生对一些问题的想法和观点 可以通过网络与其他学生共享自己的观点 同时也可以对他人的观点提出质疑 表述不同的看法 教育娱乐 运动影院虚拟娱乐有限公司X treme撞击 虚拟拳击和区域猎手虚拟健身NICE儿童虚拟世界3D虚拟世界第二人生海皮士乐园 创想王国和UWORLD NICE 麻省理工学院开发目的 1 探索虚拟现实作为儿童学习工具的可行性2 在不降低学习作用的前提下 建设一个对孩子们充满吸引力和乐趣的虚拟乐园通过虚拟现实经历中的表达与写作 实现构造性发挥和潜在的教育效果 孩子们戴着活动眼镜沉浸在一个CAVE或ImersaDesk显示的场景中 从各组孩子中选出一个组长 系统跟踪其头部的活动 并且通过一个受跟踪的手杖和语音与模拟环境进行交互 系统告诉组长如何播种及在哪里播种 适当浇水 调整光照及选种 让各组的孩子一起协同工作 孩子可以学习花园中各种植物的生长周期 观察各种植物的根茎 阳光 水分对植物生长的影响 儿童虚拟世界 从早期的HabboHotel Whyville到新兴的Be Bratz Barbegirls Zwinky Webkinz Nicktropolis 一大批儿童虚拟世界正在不断地涌现 在互联网上逐步清理出一个儿童的专有领地 儿童虚拟世界之所以能够如此吸引人的主要原因是 提供了一个具有高度临场感的多人即时互动的空间 使儿童们能够身临其境地参与其中 与虚拟世界里的形象和人物展开互动 这是由动画片与儿童剧占领屏幕的电视和电影做不到的事情 第二人生 是一款具有开创意义的美国网络角色扮演游戏 于2003年投入运营 该游戏鼓励玩家开发和交易虚拟财产 并在互联网上以现代生活方式生活 这与传统魔幻大型多人在线角色扮演游戏不同 大多数传统MMORPG游戏都以杀怪 升级和积累虚拟财富为中心 玩家可以在系统内创造自己的 第二生命 不同的是在 第二人生 里没有设定好的情节 比如打怪 练级 也没有等级 攻击力 生命力等的设定 让 第二人生 名声大噪的则是其与现实生活高度的对应性 第二人生 也不是一个免费的 游戏 向玩家出卖土地 VIP会员费 上传图片等服务的费用是林登实验室的收入来源 比如 买一个岛屿需要1000多美元 还有每月100多美元的租金 2008年 中国版的 第二人生 也将上线 北京海皮士公司制作的HiPiHi 优万科技制作的uWorld 和创想无限公司制作的Novoking三个产品将在年内上线 现在国际上统一的说法叫做虚拟世界 一个3D的交流平台 叶蓬对记者说 他是 第二人生 资深玩家 也是优万科技的总裁 家居 服装等和生活联系密切的快速消费品更容易在虚拟世界中施展手脚 但是这些企业在IT领域推进又都比较慢 比如耐克 新产品可以在 第二人生 中试穿 宜家的桌子 床也可以摆进家庭里 他表示将在uWorld中进行相关的设置 海皮士乐园 HiPiHi世界是一个完全由用户拥有并实时创造的3D虚拟世界 一群神形各异 充满创意的居民正在这片神奇的新大陆居住 创造 交流 你可以塑造另一个独一无二的 你 探索世界 结识朋友 互动娱乐 创造一切想象中的东西 可以拥有一块自己的土地 实践和展现自己的创意 构建家园和商业 踏上你崭新的梦想之旅 HiPiHi世界的精彩 进步与繁荣来自居民们源源不断的创造 居民拥有对其数字创造物的完全产权 产权保护将促进创造和交易 居民因此获得真实的经济收益 最终促进市场的形成和HiPiHi世界的繁荣 在一个公平竞争和日新月异的市场里 创新思想 商业模式以及瞩目的社区明星将层出不穷 也许其中一位正是你 创想王国 完全由用户拥有并实时创造的3D虚拟世界 其主要功能有 选择自己的虚拟形象和社会角色能拥有自己的土地并在此创建家园在咖啡厅 海滩和不同肤色 不同地区的居民交流甚至尝试现实世界中都难以实现的商业模式 所有情节都不预设 由用户自由创造 NOVOKing创想王国是一款中国自主研发的虚拟社区 从打破了传统2D画面的虚拟社区目前NOVOKing开放了物品创造上传功能 更加丰富了NOVOKing的生活和方便了投机人群 NOVOKing避免了Secondlife里只能在线创造的局限 方便了更多都市人群 虚拟现实技术对传统教学的影响 传统教学模式的影响对教学手段的影响与课程的整合对实验的影响 传统教学模式的影响 改变传统的以教师为中心的教学模式 建构一种既能发挥教师的主导作用又能充分体现学生认知主体作用的新型教学模式 对教学手段的影响 1 互动启发式教学2 发现式教学3 协同工作式教学4 情境式教学 1 互动启发式教学 虚拟现实有助于启发式教学的开展 在演示教学内容方面能以一种直接的信息传递方式 通过亲临其境的 自主控制的人机交互 由视觉 听觉 触觉获取 外界 的反应 提供生动活泼的直观形象思维材料 展现学生不能直接观察到的事物等 形成知识点 学生则从思维 情感和行为三个方面参与教学活动 2 发现式教学 虚拟现实在实训教学中可以让学生进入问题存在的环境 有针对性地建构虚拟情景 引导学生进行探究 虚拟现实教学提供良好的人机交互 还允许学生出错时 自行了解错误的根由及后果 发现解决问题的方法 3 协同工作式教学 虚拟现实教学不受空间位置和相互距离的限制可让远距离的师生或位置分散的学生 共处于 一个虚拟空间中 通过共同参与 且必须具备协同操作能力才能完成某些项目的设计或训练 4 情境式教学 把教学中的抽象概念原理 真实的实验过程等形象生动地表现出来 给学生创设真实学习情境 帮助学生获得示范性的知识 把握概念原理的实质 对实验的影响 1 弥补远程教学条件的不足2 避免真实实验或操作所带来的各种危险3 彻底打破空间 时间的限制 1 弥补远程教学条件的不足 在远程教学中 往往会因为实验设备 实验场地 教学经费等方面的原因 而使一些应该开设的教学实验无法进行 利用虚拟现实系统 可以弥补这些方面的不足 学生足不出户便可以做各种各样的实验 获得与真实实验一样的体会 从而丰富感性认识 加深对教学内容的理解 2 避免真实实验或操作所带来的各种危险 学生在虚拟实验环境中 可以放心地去做各种危险的或危害人体的实验 虚拟的化学实验 可避免化学反应所产生的燃烧 爆炸所带来的危险 虚拟的外科手术 可避免由于学生操作失误 而造成 病人 死亡的医疗事故 虚拟的飞机驾驶教学系统 可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故 3 彻底打破空间 时间的限制 利用虚拟现实技术 可以彻底打破空间的限制 大到宇宙天体 小至原子粒子 学生都可以进入这些物体的内部进行观察 虚拟技术还可以突破时间的限制 一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程 通过虚拟现实技术 可以在很短的时间内呈现给学生观察 例如 生物中的孟德尔遗传定律 用果蝇做实验往往要几个月的时间 而虚拟技术在一堂课内就可以实现 典型的虚拟现实技术 VRML X3DQTVREONStudioJAVA3DWorldToolKit3DStudioMAXOpenGLVega其中VRML QTVR和EONStudio等在教育中应用较广 二 VRML发展历史 VRML始于20世纪90年代 在第一届互联网国际会议上 有关专家发表的在Web上运行三维立体世界的研究引起了广泛的讨论 在1994年10月 在第二次互联网会议上公布了VRML1 0规范草案 1996年初 VRML委员会审阅并讨论多个VRML版本 1996年3月 VGA VRML设计小组将SGI SONY等公司的方案改进成为VRML2 0版本 在1996年8月正式公布 在此之后 VRML得到了迅速的发展 VRML的国际标准草案是以VRML2 0为基础制订的 于1997年4月提交到国际标准化组织ISOJYCI SC24委员会审议 定名为VRML97 二 VRML发展历史 在世界计算机图形大会SIGGRAPH2004会议上 通过X3D国际规格标准已经正式发布并可以下载 X3D标准是XML标准与3D标准的有机整合 X3D继承了