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虚拟现实技术的应用 虚拟现实技术的应用 虚拟现实技术的发展史虚拟现实技术的概念虚拟现实技术的特征虚拟现实系统的组成和分类虚拟现实技术的应用领域虚拟现实技术的研究现状虚拟现实技术的开发方法虚拟现实技术的相关网址 1虚拟现实技术的发展史 虚拟现实技术 VirtualReality 简称VR技术 是20世纪末逐渐兴起的一门综合性信息技术 融合了数字图像处理 计算机图形学 人工智能 多媒体 传感器 网络以及并行处理等多个信息技术分支的最新发展成果 1虚拟现实技术的发展史 1929年 EdwardLink设计出用于训练飞行员的模拟器 1956年 MortonHeilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama 1虚拟现实技术的发展史 1965年 IvanSutherland发表论文 UltimateDisplay 终极的显示 1968年 IvanSutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器 HeadMountedDisplay HMD 1虚拟现实技术的发展史 1972年 NolanBushnell开发出第一个交互式电子游戏Pong1977年 DanSandin TomDeFanti和RichSayre研制出第一个数据手套 SayreGlove20世纪80年代 美国国家航空航天局 NASA 组织了一系列有关VR技术的研究 1984年 NASAAmes研究中心的M McGreevy和J Humphries开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器 1987年 JimHumphries设计了双目全方位监视器 BOOM 的最早原型 1虚拟现实技术的发展史 1990年 在美国达拉斯召开的Siggraph会议上 明确提出VR技术研究的主要内容包括实时三维图形生成技术 多传感器交互技术和高分辨率显示技术 为VR技术的发展确定了研究方向 从20世纪90年代开始 VR技术的研究热潮也开始向民间的高科技企业转移 著名的VPL公司开发出第一套传感手套命名为 DataGloves 第一套HMD命名为 EyePhones 进入21世纪后 VR技术更是进入软件高速发展的时期 一些有代表性的VR软件开发系统不断在发展完善 如MultiGenVega OpenSceneGraph Virtools等 2虚拟现实技术的概念 虚拟现实技术是指利用计算机生成一种模拟环境 并通过多种专用设备使用户 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虚拟现实技术的概念 典型的VR系统主要由计算机软 硬件系统 包括VR软件和VR环境数据库 和VR输入 输出设备等组成 3虚拟现实技术的特征 VR技术的三角形交互性 Interactivity 沉浸感 Immersion 想象力 Imagination 3虚拟现实技术的特征 VR技术的交互性 指用户对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度 包括实时性 主要借助于各种专用设备 如头盔显示器 数据手套等 产生 从而使用户以自然方式如手势 体势 语言等技能 如同在真实世界中一样操作虚拟环境中的对象 3虚拟现实技术的特征 VR技术的沉浸感 又称临场感 是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度 VR技术最主要的特征 影响沉浸感的主要因素包括多感知性 自主性 三维图像中的深度信息 画面的视野 实现跟踪的时间或空间响应及交互设备的约束程度等 3虚拟现实技术的特征 VR技术的想象力 指用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为 通过逻辑判断 推理和联想等思维过程 随着系统的运行状态变化而对其未来进展进行想象的能力 对适当的应用对象加上虚拟现实的创意和想象力 可以大幅度提高生产效率 减轻劳动强度 提高产品开发质量 虚拟现实系统的基本组成虚拟世界 虚拟现实软件 计算机 输入设备和输出设备五大部分 输入设备 输入设备 虚拟现实软件 虚拟世界 计算机 4虚拟现实系统的组成和分类 4虚拟现实系统的组成和分类 1 桌面式VR系统 DesktopVR 2 沉浸式VR系统 ImmersiveVR 3 增强式VR系统 AugmentedVR 4 分布式VR系统 DistributedVR 虚拟现实系统的分类 4虚拟现实系统的组成和分类 1 桌面式VR系统 使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互场景 用户会受到周围现实环境的干扰而不能获得完全的沉浸感 但由于其成本相对较低桌面式VR系统仍然比较普及 虚拟现实系统的基本组成 利用头盔显示器 洞穴式显示设备和数据手套等交互设备把用户的视觉 听觉和其他感觉封闭起来 而使用户真正成为VR系统内部的一个参与者 产生一种身临其境 全心投入并沉浸其中的体验 与桌面式VR系统相比 沉浸式VR系统的主要特点在于高度的实时性和沉浸感 4虚拟现实系统的组成和分类 虚拟现实系统的分类 2 沉浸式VR系统 3 增强式VR系统 允许用户对现实世界进行观察的同时 将虚拟图像叠加在真实物理对象之上 为用户提供与所看到的真实环境有关的 存储在计算机中的信息 从而增强用户对真实环境的感受 又被称为叠加式或补充现实式VR系统 可以使用光学技术或视频技术实现 4虚拟现实系统的组成和分类 虚拟现实系统的分类 指基于网络构建的虚拟环境 将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接并共享信息 从而使用户的协同工作达到一个更高的境界 主要被应用于远程虚拟会议 虚拟医学会诊 多人网络游戏 虚拟战争演习等领域 4虚拟现实系统的组成和分类 虚拟现实系统的分类 4 分布式VR系统 5虚拟现实技术的应用领域 1 军事 2 医学 3 教育与训练 4 设计与规划 5 科学计算可视化 6 商业领域 7 艺术与娱乐 8 虚拟旅游 1 虚拟现实之应用 军事 军事是虚拟现实应用最早的领域如模拟飞行训练等 应用图例 军事 模拟飞行训练基本飞行课程 STD 起落航线课程 PPL 仪器飞行课程 INS 长途飞行课程 CPL 2 虚拟现实之应用 医学 教育训练虚拟现实的超因波显像系统 放射线治疗以及手术模型等等的技术 临床研究虚拟现实系統 如恐高症的治疗等 应用图例 医学 虚拟手术模型训练內视镜手术模拟器官具有弹性 变形等物理属性具有自由度定位功能的手术刀 3 虚拟现实之应用 教育与培训 教学虚拟现实技术能使学习者能直接 自然地与虚拟对象进行交互 以各种形式参与事件的发展变化过程 并获得最大的控制和操作整个环境的自由度 虚拟实境技术辅助的CAI教学法 提供给学习者一个更逼真 更具弹性 学习效果更好的学习环境 训练航空驾驶员的训练 战车的训练以及太空人训练 仿真教学与实验 特殊教育 多种专业训练 应急演练和军事演习等等 应用图例 教育 天文教室的太阳系 4 虚拟现实之应用 设计与规划 虚拟现实已被看作是设计领域中唯一的开发工具 它可以避免传统方式在原型制造 设计和生产过程中的重复工作 有效的降低成本 应用领域包括汽车制造 工厂规划 景观设计 建筑工业 室內设计 都市计划 航太设计 以及仪器制造等等 电脑辅助设计 CAD 结合虚拟现实技术 应用图例 装修设计 专业3D设计逼真的表现动画功能虚拟实境全景环视 科学可视化的功能就是将大量字母 数字数据转换成比原始数据更容易理解的各种图像 并允许参与者借助各种虚拟现实输入设备检查这些 可见的 数据 它通常被用于建立分子结构 地震以及地球环境等模型 5 虚拟现实之应用 科学计算可视化 VR技术被逐步应用于网上销售 客户服务 电传会议及虚拟购物中心等商业领域 它可以使客户在购买前先看到产品的外貌与内在 甚至在虚拟世界中使用它 因此对产品的推广和销售都很有帮助 6 虚拟现实之应用 商业领域 7 虚拟现实之应用 艺术与娱乐 被动式虚拟实境如目前热门的PCGame主动式虚拟实境虚拟实境游戏机 游戏介面设计在3D环境中 使用者在其中随心所欲 虚拟人物和世界如虚拟主播 虚拟人等等 VR技术所具有的身临其境感及实时交互性还能将静态的艺术 如油画 雕刻等 转化为动态的形式 使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术 包括虚拟画廊 虚拟音乐厅 文物保护等方面 娱乐是VR系统的另一个重要应用领域 市场上已经推出了多款VR环境下的电脑游戏 带给游戏者强烈的感官刺激 VR技术所具有的身临其境感及实时交互性还能用于在线的虚拟旅游 使观赏者更好地欣赏大自然的美景 旅游是VR系统的另一个重要应用领域 许多著名景点均有虚拟现实网站 在VR环境下的旅游 带给旅游者另一番感受 8 虚拟现实之应用 虚拟旅游 虚拟现实的应用 米兰虚拟 6虚拟现实技术的研究现状 美国是VR技术的发源地 有美国宇航局 NASA 麻省理工学院 MIT 媒体实验室 华盛顿大学人机界面技术实验室 HITLab 等许多知名的研究机构 美国在虚拟现实领域的基础研究主要集中在感知 用户界面 后台软件和硬件四个方面 6虚拟现实技术的研究现状 英国主要有四个从事VR技术研究的中心 包括Windustries公司 BritishAerospace公司 DimensionInternational公司 DivisonLTD公司等 日本主要致力于建立大规模VR知识库和人机接口方面的研究项目上 在VR游戏方面的研究也处于领先地位 此外 国外还研制出多个用于开发应用程序的VR软件开发平台 例如美国Sense8公司的WorldToolKit WTK 爱荷华州立大学虚拟现实应用中心的VRJuggler DenebRobotics公司的ENVISION 英国Superscape公司的VRT Division公司的dVISE等 6虚拟现实技术的研究现状 我国从20世纪80年代起开始研究VR技术 虽然起步较晚 但近年来政府有关部门非常重视 制定了开展VR技术的研究计划 并将其列入国家重点研究项目 国内的一些科学家和重点院校也已积极投入了对这一领域的研究 北京航空航天大学是国内最早进行VR技术研究 最有权威的单位之一 它于2000年8月成立了虚拟现实新技术教育部重点实验室 6虚拟现实技术的研究现状 清华大学对虚拟现实及其临场感等方面进行了大量研究 比如球面屏幕显示和图像随动 克服立体图闪烁的措施及深度感实验测试等 浙江大学的CAD CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统 还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法 西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术 立体显示技术进行了研究 提出一种基于JPEG标准压缩编码新方案 获得了较高的压缩比 信噪比以及解压缩速度 7虚拟现实技术的开发方法 1 语言 VRML 开发法 2 工具开发法 3 合成开发法 1 VRML简介 浏览器 VRML文档可以在Internet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 我们可以从网站 7虚拟现实技术的开发方法 1 文件头它是提供给浏览器文件的版本信息 是VRML文档中开头的一行 用来通知浏览器该文档所遵循的VRML版本 例如 VRML1 0utf8 这里的VRML1 0是指以下文件是由VRML语言的1 0版本编写 utf8指本文件采用ISO的UTF 8编码标准 1 VRML简介 语言简介 7虚拟现实技术的开发方法 2 节点 节点是VRML文件的基本组成元素 可以把它分为以下几类 shape 形状 节点描述物体在空间中的几何形状 property 性质 节点定义形状节点的渲染方式 颜色 表面纹理等 group 成组 节点将多个其他节点组合成一个节点 便于统一处理 environment 环境效果 节点例如各种性质的光源等 此外 VRML语言还定义了一些提供特殊功能的节点 例如超链接 碰状检测等 1 VRML简介 语言简介 7虚拟现实技术的开发方法 3 域值 域值用来描述及改变节点属性的大小 它存储着节点的各种值 4 注释 VRML文件中的注释语句是以 号开始的字符串 范围是从 号到这一行的行尾 不影响文件的执行 1 VRML简介 语言简介 7虚拟现实技术的开发方法 例子是在屏幕上建立一个不显示顶面的杯状圆柱体 VRMLV2 0utf8Shape appearanceAppearance materialMaterial 使用默认材质和颜色 geometryCylinder radius3height6sideTRUEtopFALSEbottomTRUE 例子是在屏幕上建立一个不显示顶面的杯状圆柱体 2 工具开发法 7虚拟现实技术的开发方法 VirtualWalkThroughProVirtualRealityStudioSenseWorldToolkitSuperscapeVRT