第一章虚拟现实技术概论26.ppt

1虚拟现实技术概论 1 1虚拟现实技术基本概念 虚拟现实技术 是指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 1 1虚拟现实技术基本概念 虚拟现实在人机交互方面有了很大的改进 人机接口形式的改变 常规接口设备 专用设备 人机接口内容的改变 图形图像声音等 环境 人机接口效果的改变 基于特殊设备得到逼真感知效果 1 1虚拟现实技术基本概念 虚拟现实技术的发展1962年 美国电影摄影师MortonHeilig研制出一套称为Sensorama的立体电影系统 具有多种感官刺激的立体显示设备 1965年 计算机图形学的奠基者美国科学家IvanSurtherland博士在一篇名为 TheUltimateDisplay 的论文中首次提出了一种全新的 富有挑战性的图形显示技术 即能否不通过计算机屏幕来观看计算机生成的虚拟世界 而是使观察者直接沉浸在计算机生成的虚拟世界中 这一理论后来被认为在虚拟现实技术中起着里程碑的作用 我们称之为 虚拟现实技术 之父 1968年 IvanSurtherland研制出了第一个头盔式显示器 20世纪八十年代 美国人JaronLanier正式提出了 VirtualReality 一词 1 1虚拟现实技术基本概念 1984年 美国宇航局 NASA 组织开发了用于火星探测的虚拟世界视觉显示器 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世界 1993年 波音公司在一个由数百台工作站组成的虚拟世界中 用虚拟现实技术设计出由300万个零件组成的波音777飞机 1996年10月 世界第一个虚拟现实技术博览会在伦敦开幕 1996年12月 世界第一个虚拟现实环球网在英国投入运行 1 1虚拟现实技术基本概念 虚拟现实系统的组成 1 1虚拟现实技术基本概念 1 计算机 负责虚拟世界的生成 人与虚拟世界的自然交互等功能的实现 通常可分为基于高性能个人计算机 基于高性能图形工作站 高度并行的计算机及基于分布式结构计算机系统等 1 1虚拟现实技术基本概念 2 输入与输出设备 用户与虚拟世界之间要实现自然的交互 必须采用特殊的输入与输出设备 用以识别用户各种形式的输入 并实时生成相应反馈信息 常用的设备有用于手势输入的数据手套 用于语音交互的三维声音系统等 高性能图形计算机 环形屏幕 头盔 眼镜 三维显示器 三维鼠标 手套 1 1虚拟现实技术基本概念 3 虚拟现实系统的应用软件 应用软件完成的功能有 虚拟世界中物体的几何模型 物理模型 运动模型的建立 三维虚拟立体声的生成 模型管理技术及实时显示技术 虚拟世界数据库的建立与管理等 4 数据库 存放整个虚拟世界中所有物体的各方面信息 1 1虚拟现实技术基本概念 基于头盔式显示器的典型虚拟现实系统 由计算机 头盔式显示器 数据手套 力反馈装置 话筒 耳机等设备组成 首先由计算机生成一个虚拟世界 由头盔式显示器输出一个立体的显示 用户可以采用头的转动 手的移动 语音等与虚拟世界进行自然交互 计算机能够根据用户输入的各种信息实时进行计算 即对交互行为进行反馈 由头盔显示器更新相应的场景显示 由耳机输出虚拟立体声音 由力反馈装置产生触觉 力觉 反馈 1 2虚拟现实技术的特征 美国科学家BurdeaG 和PhilippeCoiffet在1993年世界电子年会上发表了一篇题为 VirtualRealitySystemandApplication 的文章 提出了 虚拟现实技术的三角形 表示出虚拟现实技术的三个突出特征 沉浸性 交互性 想象性 1 2虚拟现实技术的特征 1 沉浸性 指用户感觉到好像完全置身于虚拟世界之中一样 被虚拟世界所包围 包括视觉沉浸 听觉沉浸 触觉沉浸 嗅觉沉浸 身体感觉沉浸 味觉沉浸等 2 交互性 虚拟现实系统强调人与在虚拟世界之间以自然的方式进行交互 实时产生在真实世界中一样的感知 3 想象性 虚拟的环境是人想象出来的 同时体现出设计者相应的思想 因而可以用来实现一定的目标 1 3虚拟现实系统分类 1 沉浸式虚拟现实系统 ImmersiveVR 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 具有以下五个特点 具有高度实时性能具有高度的沉浸感具有良好的系统集成度与整合性能具有良好的开放性能支持多种输入与输出设备并行工作常见的沉浸式虚拟现实系统有 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 1 3虚拟现实系统分类 2 桌面式虚拟现实系统 DesktopVR 也称窗口虚拟现实 利用个人计算机或初级图形工作站 以计算机屏幕作为用户观察虚拟世界的一个窗口 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 通过包括键盘 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 其特点为 用户处于不完全沉浸的环境对硬件设备要求极低实现成本相对较低 1 3虚拟现实系统分类 3 增强式虚拟现实系统 AggrandizeVR 既可以允许用户看到真实世界 同时也可以看到叠加在真实世界上的虚拟对象 是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 其特点为 真实世界和虚拟世界融为一体具有实时人机交互功能真实世界和虚拟世界在三维空间中整合常用于医学可视化 军用飞机导航等领域 1 3虚拟现实系统分类 4 分布式虚拟现实系统 DistributedVR 是虚拟现实技术和网络技术发展和结合的产物 是一个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相联结共享信息的系统 其特点为 各用户具有共享的虚拟工作空间伪实体的行为真实感支持实时交互 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以及允许用户自然操纵虚拟世界中的对象 1 4虚拟现实的应用领域 1 用于遥控机器人的遥现技术 遥现技术是指当实际上在某一个地方时 可以产生在另一个地方的感觉 例如 在宇宙空间站的开发计划中 受各种因素的制约 机器人的遥控遥现技术起了至关重要的作用 2 仿真技术计算机生成的具有沉浸感的环境 它对参与者生成诸如视觉 听觉 触觉 味觉等各种感官信息 给参与者一种身临其境的感觉 例如 飞行仿真系统 与虚拟生物对话 作战仿真系统等 3 对象可视化技术 在科学研究中对研究数据生成可视化效果以便观察和研究 例如 虚拟风洞 4 虚拟实验室 在研究工作和学习过程中 总会有许多实验需反复进行 以期得到不同条件下的不同结果 虚拟实验室能提供这样一个平台 例如 虚拟物理实验室 1 4虚拟现实的应用领域 5 虚拟电力控制室 使用虚拟现实技术研制辅助设计控制室的系统 6 扩增实境 扩增实境是虚拟现实最具实用价值的应用之一 它在真实环境的基础上把虚拟环境叠加进去 使二者有机结合 产生虚实难辩 亦幻亦真的感觉 例如 当人进入到一商店购某物时 即可在显示设备上显示此物的价格 性能及各种参数等 虚拟现实在教育领域的具体应用 虚拟学习环境虚拟实验室虚拟实训基地虚拟仿真校园虚拟远程教育 虚拟现实在军事领域的具体应用 虚拟战场环境单兵模拟训练与评判诸军种联合虚拟演习进行