虚拟现实概述

1、1教师：陆艳洪教师：陆艳洪 联系方式：联系方式： TEL:TEL: 88493458 88493458 转转921921 EMAIL:EMAIL: 办公室：办公室：实验大楼实验大楼A913A9132现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 章节安排章节安排第一章第一章 概述概述第二章第二章 系统的数学模型系统的数学模型第三章第三章 连续系统的数字仿真连续系统的数字仿真第四章第四章 离散事件系统仿真离散事件系统仿真第六章第六章 分布式交互仿真分布式交互仿真第七章第七章 可视化、多媒体、虚拟现实仿真可视化、多媒体、虚拟现实仿真3n 背景知识背景知识包括：包括： 计算机原理与系统结构，操作系统，计算机网

2、络，软件工程，程序计算机原理与系统结构，操作系统，计算机网络，软件工程，程序设计，数据结构，电子学，图形学与设计，数据结构，电子学，图形学与CAD，系统分析，人工智能等。，系统分析，人工智能等。n 内容内容包括虚拟现实与系统仿真的基本概念和术语，虚拟现实与系统包括虚拟现实与系统仿真的基本概念和术语，虚拟现实与系统仿真的基础方法，虚拟现实有关的人的因素，虚拟现实的接口设备仿真的基础方法，虚拟现实有关的人的因素，虚拟现实的接口设备和计算机设备，虚拟现实的世界建模技术，虚拟现实的应用。和计算机设备，虚拟现实的世界建模技术，虚拟现实的应用。 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第七章虚

3、拟现实4 知识结构知识结构 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第七章虚拟现实5重点难点重点难点l 虚拟现实的基本概念虚拟现实的基本概念l 人的视觉系统和虚拟现实的视觉显示技术人的视觉系统和虚拟现实的视觉显示技术l 各类位姿跟踪系统的技术各类位姿跟踪系统的技术l 力觉和触觉反馈技术力觉和触觉反馈技术l 虚拟现实用计算机系统虚拟现实用计算机系统l 虚拟现实的工具软件系统虚拟现实的工具软件系统l 分布式虚拟现实系统。分布式虚拟现实系统。 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第七章虚拟现实6要求要求l 首先要求掌握虚拟现实与系统仿真的基本概念和术语，以及虚首先要求掌握

4、虚拟现实与系统仿真的基本概念和术语，以及虚拟现实有关的人的因素，明确虚拟对现实要求。拟现实有关的人的因素，明确虚拟对现实要求。l 其次要求掌握虚拟现实与系统仿真的基础方法，虚拟现实的接其次要求掌握虚拟现实与系统仿真的基础方法，虚拟现实的接口设备和计算机设备，虚拟现实的世界建模技术，了解实现要口设备和计算机设备，虚拟现实的世界建模技术，了解实现要求的技术。求的技术。l 最后要求掌握虚拟现实的应用。最后要求掌握虚拟现实的应用。 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第七章虚拟现实7参考资料参考资料1.虚拟现实与系统仿真虚拟现实与系统仿真 韦有双；国防工业出版社；韦有双；国防工业出版社

5、；2004年年2.虚拟现实的技术及其应用虚拟现实的技术及其应用曾建超，俞志和；清华大学出版社；曾建超，俞志和；清华大学出版社；19963.灵境（虚拟现实）技术的理论，实现及应用灵境（虚拟现实）技术的理论，实现及应用汪成为，高文，王行仁；清华大学出版社，广西科学技术出版社；汪成为，高文，王行仁；清华大学出版社，广西科学技术出版社；19964.Virtual Reality TechnologyGrigore Burdea，Phillippe Coiffet；John Wiley & Sons,INC.；19945.Virtual Reality SystemsJohn Vince；Add

6、ison-Wesley Pnblishing Company；1995 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第七章虚拟现实8l 虚拟现实概述虚拟现实概述l 虚拟现实的接口技术虚拟现实的接口技术 l 虚拟现实的计算机技术虚拟现实的计算机技术l 虚拟现实的建模和仿真技术虚拟现实的建模和仿真技术 l 分布式虚拟现实技术分布式虚拟现实技术l 系统仿真与虚拟现实的结合机制系统仿真与虚拟现实的结合机制l 虚拟现实的应用虚拟现实的应用 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第七章虚拟现实内容内容9l课前思考课前思考l学习目标学习目标 l难重点难重点 现代仿真技术与应用现代仿真技

7、术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述1什么是虚拟现实？什么是虚拟现实？2虚拟现实与人有什麽关系？虚拟现实与人有什麽关系？1注意理解几个概念。注意理解几个概念。2注意理解几个特点。注意理解几个特点。3注意理解注意理解VR设计中考虑的视觉问题。设计中考虑的视觉问题。 1了解了解VR的概念和特点。的概念和特点。2了解了解VR有关的人的因素。有关的人的因素。 101、 虚拟现实系统的三个部分是虚拟现实系统的三个部分是 。2、 遥操作系统的三个部分是遥操作系统的三个部分是 。3、 增强显示系统是增强显示系统是 。4、 合成显示系统是合成显示系统是 。5、 虚拟现实系统的三个特点

8、是虚拟现实系统的三个特点是 。6、 虚拟现实系统的三个虚拟现实系统的三个I是是 。7、 虚拟现实系统的三个主要技术领域虚拟现实系统的三个主要技术领域 。8、 确定电影和电视的帧频应该考虑人眼的确定电影和电视的帧频应该考虑人眼的 现象。现象。 9、 人耳的人耳的HRTF的中文名称是的中文名称是 。 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述11l 主要内容主要内容 本章主要介绍虚拟现实的基本概念和有关人的概念。本章主要介绍虚拟现实的基本概念和有关人的概念。 虚拟现实或虚拟环境是人工构造的存在于计算机系统内部而非现实虚拟现实或虚拟环境是人工构造的存在

9、于计算机系统内部而非现实世界中的一种环境。该环境包括：环境的人类操作者、人机接口和世界中的一种环境。该环境包括：环境的人类操作者、人机接口和计算机，人的视觉和听觉问题，都是和虚拟现实有关的人的因素。计算机，人的视觉和听觉问题，都是和虚拟现实有关的人的因素。l 本章内容包括：本章内容包括： 1 虚拟现实的基本概念虚拟现实的基本概念 2 虚拟现实的特点虚拟现实的特点 3 虚拟现实的应用领域虚拟现实的应用领域 4 虚拟现实技术简介虚拟现实技术简介 5 虚拟现实中有关人的因素虚拟现实中有关人的因素 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述12第一章的知

10、识点第一章的知识点 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述13虚拟现实的发展史虚拟现实的发展史1) 1) 19651965年，年，SutherlandSutherland在篇名为在篇名为的论文中首次提出了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，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。程。2) 2) 19661966年，美国年，美国MITMIT的林肯实验室正式开始了头盔式显

11、示器的研制工作。的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。3) 3) 19891989年，美国年，美国VPL Research VPL Research 公司创始人公司创始人Jaron Lanier Jaron Lanier 提出了提出了“Virtual Reality”Virtual Reality”（虚拟现实）的概念。（虚拟现实）的概念。4) 4) 19941994年，美国年，美国SGISGI公司和比利时的公司和比利时的BARCOBARCO投影机制造公司，在英国建投影机制造公司，在英国建设了世界上第一个虚拟现实系统。设了世界上第一个虚拟现实系统。 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用

12、第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述14基本概念基本概念 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述l “Reality”Reality”的含义是现实的世界或现实的环境。所以，的含义是现实的世界或现实的环境。所以，“Virtual Reality”Virtual Reality”（虚拟现实）的另一个名称是（虚拟现实）的另一个名称是“Virtual Virtual Environment”Environment”（虚拟环境）。（虚拟环境）。l “Virtual”Virtual”说明这个世界或环境是虚拟的，不是真实的，是人说明这个世界

13、或环境是虚拟的，不是真实的，是人工构造的，存在于计算机内部的，用户应该能够工构造的，存在于计算机内部的，用户应该能够“进入进入”这个虚这个虚拟的环境中。拟的环境中。 l 所谓所谓“进入进入”这个虚拟的环境中，是指用户以自然的方式与这个这个虚拟的环境中，是指用户以自然的方式与这个环境交互（包括感知环境并干预环境），从而产生置身于相应的环境交互（包括感知环境并干预环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感，身临其境的感觉。真实环境中的虚幻感，沉浸感，身临其境的感觉。 15l “Virtual Reality”(“Virtual Reality”(虚拟现实）虚拟现实）或或“Virtual

14、 Environment”Virtual Environment”（虚拟环境）（虚拟环境）是人工构造的，存在于计算机内部的环是人工构造的，存在于计算机内部的环境。境。l 用户应该能够以自然的方式与这个环境用户应该能够以自然的方式与这个环境交互（包括感知环境并干预环境），从交互（包括感知环境并干预环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感受，身临其境的感觉。感，沉浸感受，身临其境的感觉。l 虚拟环境（虚拟环境（Virtual Environment ,VEVirtual Environment ,VE）系统系统或虚拟现实（或虚拟现实（Virtual

15、Reality , Virtual Reality , VRVR）系统包括人类操作者、人机接口和）系统包括人类操作者、人机接口和计算机。计算机。 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述基本概念基本概念 161 1）虚拟现实系统应用最多的专用设备是虚拟现实系统应用最多的专用设备是头盔式立体显示器和数据手套头盔式立体显示器和数据手套。于是，有人以使用这些专用设备为虚拟现实系统的标志，这种观点是不于是，有人以使用这些专用设备为虚拟现实系统的标志，这种观点是不准确的，它们只是当前已经实现的一部分虚拟现实接口设备。准确的，它们只是当前已经实现的一部分虚

16、拟现实接口设备。 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述基本概念基本概念 17 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述基本概念基本概念 2 2）虚拟现实技术，是在计算机应用和人机交互方面开创的全新的学科虚拟现实技术，是在计算机应用和人机交互方面开创的全新的学科领域。这个新领域的发展，还有很多困难，有很多技术难点有待解决，领域。这个新领域的发展，还有很多困难，有很多技术难点有待解决，当前，这一领域还只是走出了第一步。当前，这一领域还只是走出了第一步。3 3）以接口设备为例，头盔式立体显示器和数

17、据手套等设备很不完善。以接口设备为例，头盔式立体显示器和数据手套等设备很不完善。例如，头盔的视场，分辨率，造成眩晕等问题还有待解决。听觉接口和例如，头盔的视场，分辨率，造成眩晕等问题还有待解决。听觉接口和力觉接口等设备还在研究，应用还不多。味觉，嗅觉，运动觉等技术，力觉接口等设备还在研究，应用还不多。味觉，嗅觉，运动觉等技术，还缺乏研究。还缺乏研究。18虚拟现实系统构成虚拟现实系统构成 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述l检测模块：检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟

18、环境。 l反馈模块：反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。 l传感器模块：传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面方面 将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。l控制模块：控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。 l建模模块：建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。获取现实世界组成部分

19、的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。 构成虚拟现实系统的五大模块构成虚拟现实系统的五大模块19一、模仿真实世界中的环境一、模仿真实世界中的环境：建筑物，武器系统，或战场环境：建筑物，武器系统，或战场环境l特点与功能：特点与功能：这种真实环境，可能是已经存在的，也可能是已经设计好但还没有建成这种真实环境，可能是已经存在的，也可能是已经设计好但还没有建成的，这一类虚拟现实系统的功能实际上是系统仿真。的，这一类虚拟现实系统的功能实际上是系统仿真。l要求：要求：为了逼真地模仿真实世界中的环境，逼真地建立几何模型和物理模型，环境的为了逼真地模仿真实世界中的环境，逼真地建立几何模型和物理模型，环境的动态

20、应符合物理规律。动态应符合物理规律。二、人类主观构造的环境：二、人类主观构造的环境：用于影视制作或电子游戏的三维动画。用于影视制作或电子游戏的三维动画。l特点特点：环境是虚构的，几何模型和物理模型就可以完全虚构。：环境是虚构的，几何模型和物理模型就可以完全虚构。l实现实现：常用插值方法来实现系统的动画技术：常用插值方法来实现系统的动画技术三、模仿真实世界中的人类不可见的环境：三、模仿真实世界中的人类不可见的环境：分子的结构，空气中的速度、温度、压力的分分子的结构，空气中的速度、温度、压力的分布等。布等。l特点与功能特点与功能：这种真实环境，是客观存在的，但是人类的视觉和听觉不能感觉到。其：这种

21、真实环境，是客观存在的，但是人类的视觉和听觉不能感觉到。其功能，实际是科学可视化。功能，实际是科学可视化。l实现：实现：对于分子结构这类微观环境，进行放大尺度的模仿，使人能看到。对于空气中对于分子结构这类微观环境，进行放大尺度的模仿，使人能看到。对于空气中的速度这类不可见的物理量，可以用流线显示速度（流线方向表示速度方向，流线密的速度这类不可见的物理量，可以用流线显示速度（流线方向表示速度方向，流线密度表示速度大小）。度表示速度大小）。虚拟现实的虚拟环境分类虚拟现实的虚拟环境分类 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述电影动画的例子电影动画的

22、例子居室环境的仿真和漫游例子居室环境的仿真和漫游例子 由此可见，虚拟现实技术可以用于由此可见，虚拟现实技术可以用于系统系统仿真、科学可视化、三维动画仿真、科学可视化、三维动画等领域。等领域。 20与虚拟现实系统有关的几个系统是遥操作系统，增强现实系统以及合成现实系统。与虚拟现实系统有关的几个系统是遥操作系统，增强现实系统以及合成现实系统。l 遥操作遥操作(Tele operator)(Tele operator)系统系统由人类操作者、人机接口和遥机器人组成。由人类操作者、人机接口和遥机器人组成。l 增强现实（增强现实（Augmented RealityAugmented Reality）系统）

23、系统是将虚拟环境和真实环境组合在一起。是将虚拟环境和真实环境组合在一起。l 合成环境（合成环境（Synthetic Environment, SESynthetic Environment, SE）系统）系统，是遥操作系统，虚拟环境系，是遥操作系统，虚拟环境系统，增强现实系统等的总称。统，增强现实系统等的总称。其他相关系统概念其他相关系统概念 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述虚拟环境虚拟环境(Virtual Environment(Virtual Environment，VE)VE)系统或系统或虚拟现实虚拟现实(Virtual Real

24、ity(Virtual Reality，VR)VR)系统系统由人类操作者、人机接口和计算机组成。由人类操作者、人机接口和计算机组成。21l对于对于虚拟现实系统虚拟现实系统，与用户交互的环境实际是人工构造的，存在于计算机内部的环境。，与用户交互的环境实际是人工构造的，存在于计算机内部的环境。l对于对于遥操作系统遥操作系统，与用户交互的环境实际是在，与用户交互的环境实际是在远地的一个真实的机器人工作环境远地的一个真实的机器人工作环境。l增强现实系统增强现实系统，是虚拟环境，是虚拟环境(VE)与真实环境与真实环境(RE)的组合，与人类交互的既有的组合，与人类交互的既有VE也有也有RE。如虚拟演播室，

25、背景是如虚拟演播室，背景是VE，前景是真实的人，前景是真实的人其他相关系统概念其他相关系统概念 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述 虚拟现实系统、遥操作系统、增强现实系统虚拟现实系统、遥操作系统、增强现实系统之间的区别在于与之间的区别在于与用户交互的环境不同。用户交互的环境不同。遥控机器人代替了计算机，环境实际上是远离操作者或操作者无法到达的远程真实环境遥控机器人代替了计算机，环境实际上是远离操作者或操作者无法到达的远程真实环境（如深海、深空、核爆环境等），用户通过类似虚拟现实系统的人机接口，操作或感受（如深海、深空、核爆环境等），用户通

26、过类似虚拟现实系统的人机接口，操作或感受远处的真实环境。也就是看到真实环境的场景，听到真实环境的声音，感到与环境中物远处的真实环境。也就是看到真实环境的场景，听到真实环境的声音，感到与环境中物体的接触。体的接触。22 1）全景（）全景（Panorama） 2）物体（）物体（Object） 3）场景（）场景（Scenes）虚拟现实的三种表现方式虚拟现实的三种表现方式 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述 在全景（在全景（Panorama）模式下，物体是相对固定而镜头位置是相对移动）模式下，物体是相对固定而镜头位置是相对移动（原地（原地360度

27、转动）的，例如在建筑的顶楼平台环顾四周度转动）的，例如在建筑的顶楼平台环顾四周360度的景观。度的景观。 在场景（在场景（Scenes）模式下，物体和镜头都可以运动，比如客户在看房时，）模式下，物体和镜头都可以运动，比如客户在看房时，从一个房间走到另外一个房间。这时，镜头（眼睛）在运动，从一从一个房间走到另外一个房间。这时，镜头（眼睛）在运动，从一 个节点个节点（房间一）移动到另外一个节点（房间二）。简单的说，这是全景和物体模（房间一）移动到另外一个节点（房间二）。简单的说，这是全景和物体模式的综合。式的综合。 在物体（在物体（Object）模式下，物体运动而镜头相对固定，比如玩手机时，）模式

28、下，物体运动而镜头相对固定，比如玩手机时，物体（手机）运动，而镜头（眼睛）固定。物体（手机）运动，而镜头（眼睛）固定。 23虚拟现实的特点虚拟现实的特点计算机提供计算机提供“环境环境”，不是，不是“数据，信息数据，信息” 操作者由视觉、听觉、力觉感知环境，由自然的动作操作环境，不是由屏幕、键操作者由视觉、听觉、力觉感知环境，由自然的动作操作环境，不是由屏幕、键盘、鼠标和计算机交互盘、鼠标和计算机交互;逼真的感知和自然的动作，使人产生身临其境的感觉逼真的感知和自然的动作，使人产生身临其境的感觉; 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述 该特点该

29、特点改变了人机接口的内容，改变了人机接口的内容，体现了计算机体现了计算机应用的新方向。应用的新方向。以以环境为环境为计算机处理的对象和人机交互的内容计算机处理的对象和人机交互的内容。 l 该特点改变了该特点改变了人机接口的形式，人机接口的形式，体现了计算机人机体现了计算机人机接口的新方向。接口的新方向。l 一般计算机系统的人机接口都是一般计算机系统的人机接口都是面向机器的面向机器的，终端，键盘，鼠标，打印机等接口设备。，终端，键盘，鼠标，打印机等接口设备。它们能很好地完成了各类数据和多媒体信息的交互。它们能很好地完成了各类数据和多媒体信息的交互。l 虚拟现实中的人机接口，则是虚拟现实中的人机接

30、口，则是面向用户的面向用户的。虚拟现实系统中，用户以。虚拟现实系统中，用户以自然的方式自然的方式与虚拟与虚拟环境交互。环境交互。l该特点改变了该特点改变了人机接口的效果人机接口的效果，体现了计算机，体现了计算机人机接口的新要求人机接口的新要求。l 用户通过人机接口与虚拟环境交互的结果，是使用户产生身临其境的虚幻感，沉浸感。用户通过人机接口与虚拟环境交互的结果，是使用户产生身临其境的虚幻感，沉浸感。虚拟现实的概念中有虚拟现实的概念中有三个三个I：（1 1）Immersion(Immersion(沉浸沉浸) )，是指逼真的，身临其境的感觉。，是指逼真的，身临其境的感觉。（2 2）Interacti

31、on(Interaction(交互交互) )，是指用户感知与操作环境。，是指用户感知与操作环境。（3 3）Imagination(Imagination(想象想象) )，是指创造性。，是指创造性。 24虚拟现实的应用领域虚拟现实的应用领域l 娱乐娱乐l 国防国防l 设计、制造和销售设计、制造和销售l 医疗和健康医疗和健康l 危险操作危险操作l 训练训练l 教育教育l 信息可视化信息可视化l 远程交往与远程游历远程交往与远程游历 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述25 把分布式虚拟现实系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、化合物分子结构把分布

32、式虚拟现实系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、化合物分子结构显示等领域，由于数据更加逼真，大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的显示等领域，由于数据更加逼真，大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习兴趣，学习效果十分显著。同时，随着计算机技术、心理学、教育学等多种学习兴趣，学习效果十分显著。同时，随着计算机技术、心理学、教育学等多种学科的相互结合、促进和发展，系统因此能够提供更加协调的人机对话方式，学科的相互结合、促进和发展，系统因此能够提供更加协调的人机对话方式， 虚拟现实的应用领域虚拟现实的应用领域 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部

33、分概述l教育应用教育应用 l工程应用工程应用 当前的工程很大程度上要依赖于图形工具，以便直观地显示各种产品，目当前的工程很大程度上要依赖于图形工具，以便直观地显示各种产品，目前，前，CAD/CAMCAD/CAM已经成为机械、建筑等领域必不可少的软件工具。分布式虚拟现实已经成为机械、建筑等领域必不可少的软件工具。分布式虚拟现实系统的应用将使工程人员能通过全球网或局域网按协作方式进行三维模型的设系统的应用将使工程人员能通过全球网或局域网按协作方式进行三维模型的设计、交流和发布，从而进一步提高生产效率并削减成本。计、交流和发布，从而进一步提高生产效率并削减成本。 26 对于那些期望与顾客建立直接联系

34、的公司，尤其是那些在他们的主对于那些期望与顾客建立直接联系的公司，尤其是那些在他们的主页上向客户发送电子广告的公司，页上向客户发送电子广告的公司，Internet具有特别的吸引力。分布具有特别的吸引力。分布式虚拟系统的应用有可能大幅度改善顾客购买商品的经历。例如，顾式虚拟系统的应用有可能大幅度改善顾客购买商品的经历。例如，顾客可以访问虚拟世界中的商店，在那里挑选商品，然后通过客可以访问虚拟世界中的商店，在那里挑选商品，然后通过Internet办理付款手续，商店则及时把商品送到顾客手中。办理付款手续，商店则及时把商品送到顾客手中。 虚拟现实的应用领域虚拟现实的应用领域 现代仿真技术与应用现代仿真

35、技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述l商业应用商业应用 l娱乐应用娱乐应用 娱乐领域是分布式虚拟现实系统的一个重要应用娱乐领域是分布式虚拟现实系统的一个重要应用领域。它能够提供更为逼真的虚拟环境，从而使领域。它能够提供更为逼真的虚拟环境，从而使人们能够享受其中的乐趣，带来更好的娱乐感人们能够享受其中的乐趣，带来更好的娱乐感觉。觉。 27虚拟现实技术简介虚拟现实技术简介1VR的人机接口的人机接口2VR的计算机系统的计算机系统3VR的建模和仿真的建模和仿真 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述l 给人类操作者提供环境

36、信息；包括位置跟踪和反馈、视觉通道、听觉通给人类操作者提供环境信息；包括位置跟踪和反馈、视觉通道、听觉通道、触觉通道、运动接口和其他接口。道、触觉通道、运动接口和其他接口。l 感觉人类操作者的动作和响应；包括位置跟踪和映射，语音识别等。感觉人类操作者的动作和响应；包括位置跟踪和映射，语音识别等。现有的虚拟系统主要考虑视觉通道。听觉通道和触觉通道还处于研现有的虚拟系统主要考虑视觉通道。听觉通道和触觉通道还处于研究阶段。所以，究阶段。所以，VR的计算机系统主要考虑视觉通道的要求的计算机系统主要考虑视觉通道的要求。l 建模包括几何建模和物理建模。建模包括几何建模和物理建模。l 仿真包括图形绘制、三维

37、动画仿真包括图形绘制、三维动画28虚拟现实的接口设备虚拟现实的接口设备l位姿传感器位姿传感器 l视觉通道视觉通道l听觉通道听觉通道l触觉通道触觉通道l运动接口运动接口 l其他类型接口其他类型接口VRVR的人机接口的人机接口 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述29位姿传感器位姿传感器VRVR的人机接口的人机接口 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述l位置跟踪和映射：位置跟踪和映射：用于测量人体各部位的位用于测量人体各部位的位置和姿态，分析判断人面部的表情。它的目置和姿态，分析判断人面部的

38、表情。它的目的是了解人的身体行为。的是了解人的身体行为。l 这是为了实现人机交互所必需的系统功能，这是为了实现人机交互所必需的系统功能，VR系统由此了解人的行为，然后做出适当系统由此了解人的行为，然后做出适当的响应，实现交互。的响应，实现交互。l常用技术：常用技术：机械链接、磁传感器、声传感器、机械链接、磁传感器、声传感器、光传感器和惯性传感器。光传感器和惯性传感器。l 基本目标基本目标：精确完成位置和姿态的测量。：精确完成位置和姿态的测量。l 三个主要的要求三个主要的要求：大范围的线性响应，高带：大范围的线性响应，高带宽（宽（1kHz），以及允许头和身体的运动。），以及允许头和身体的运动。3

39、0各种位姿跟踪器的比较各种位姿跟踪器的比较 发射源发射源 便携便携 精度精度 价格价格 刷新率刷新率 延迟延迟 范围范围 干扰源干扰源 机械式机械式 无无差差很高很高较高较高高高很小很小很小很小无无 磁场式磁场式 有有好好较高较高较低较低较高较高较大较大单传感器小单传感器小多传感器大多传感器大 金属及磁场金属及磁场 超声式超声式 有有较好较好时间法低时间法低相位法高相位法高 很低很低时间法低时间法低相位法高相位法高 小小较大较大空气流动，空气流动，超声噪声超声噪声 光学式光学式 有有较好较好较高较高昂贵昂贵高高小小大大光反射，光反射，红外光源红外光源 惯性式惯性式 无无好好较低较低昂贵昂贵很高

40、很高随时间和随时间和温度漂移温度漂移 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述31给人的视觉系统提供图形显示。给人的视觉系统提供图形显示。要求要求：a) 显示的像素应该足够小，使人不至感觉显示的像素应该足够小，使人不至感觉到像素的不连续；到像素的不连续；b) 显示的频率应该足够高，使人不至感觉显示的频率应该足够高，使人不至感觉到画面的不连续；到画面的不连续；c) 给两眼提供具有双目视差的图形，形成给两眼提供具有双目视差的图形，形成立体视觉；立体视觉；d) 应该具有足够大的视场，理想情况是显应该具有足够大的视场，理想情况是显示画面充满整个视场。示

41、画面充满整个视场。VRVR的人机接口的人机接口 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述视觉接口通道视觉接口通道32l给人的听觉系统提供声音显示。给人的听觉系统提供声音显示。l要求：要求：能识别声音的类型和强度，能判定声源的位置。能识别声音的类型和强度，能判定声源的位置。l关键技术：关键技术：由接口提供的虚拟声音信号合成，声音在虚拟空间定位问题，以及发声设备由接口提供的虚拟声音信号合成，声音在虚拟空间定位问题，以及发声设备VRVR的人机接口的人机接口 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述听觉

42、通道听觉通道触觉通道触觉通道l触觉通道：触觉通道：给人体表面提供触觉和力觉。当人体在虚拟空间中运动时，如果接触到虚拟给人体表面提供触觉和力觉。当人体在虚拟空间中运动时，如果接触到虚拟物体，虚拟显示系统应该给人提供这种触觉和力觉。物体，虚拟显示系统应该给人提供这种触觉和力觉。l内容：内容：涉及操作以及感觉，包括触觉反馈和力觉反馈。涉及操作以及感觉，包括触觉反馈和力觉反馈。l结构：结构：包括安在身体上的和安在地面上的设备。包括安在身体上的和安在地面上的设备。l人体在环境中的运动包括：人体在环境中的运动包括：身体的被动运动（被动移动，如在车上的运动），身体主动身体的被动运动（被动移动，如在车上的运动

43、），身体主动运动（漫游，如散步）。人体内部的运动感觉器官可以感知运动信息。运动（漫游，如散步）。人体内部的运动感觉器官可以感知运动信息。l感知运动信息的器官包含：感知运动信息的器官包含：前庭系统、运动系统、视觉听觉系统、本体感受、动觉和触前庭系统、运动系统、视觉听觉系统、本体感受、动觉和触觉。觉。l 运动接口的作用即为这些器官提供运动信息。运动接口的作用即为这些器官提供运动信息。运动接口运动接口33 现有的虚拟系统主要考虑视觉通道。听觉通道和触觉通道还处于研究阶段。所以，现有的虚拟系统主要考虑视觉通道。听觉通道和触觉通道还处于研究阶段。所以，VRVR的计算机系统主要考虑视觉通道的要求的计算机系

44、统主要考虑视觉通道的要求。VRVR的计算机系统的计算机系统 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述 一、硬件一、硬件 视觉通道对计算机系统的要求：视觉通道对计算机系统的要求：l 首先是要求维持足够的图形帧速率l 其次要求在指定的时间内（约为0.1秒）计算出两眼的两幅图像l 同时要求提供足够好质量的图像，体现在图像中显示的多边形或三角形的数量上。 要满足以上要求，往往需要专用硬件。图形要满足以上要求，往往需要专用硬件。图形硬件能提供快速几何变换、截取、消隐、硬件能提供快速几何变换、截取、消隐、多边形填充和表面纹理。多边形填充和表面纹理。二、软件

45、二、软件 VRVR系统中的软件主要包括：系统中的软件主要包括：交互软件交互软件-利用人机控制设备的输出去修改利用人机控制设备的输出去修改VEVE；视觉漫游软件视觉漫游软件-控制用户在控制用户在VEVE中运动时看到的场景。中运动时看到的场景。建模软件建模软件-定义虚拟物体形状、外观和属性的模型。定义虚拟物体形状、外观和属性的模型。操作系统操作系统-支持支持VEVE的实时多模态要求。的实时多模态要求。 三、网络三、网络l 分布式交互仿真已经成为现代仿分布式交互仿真已经成为现代仿真技术，特别是军事仿真的潮流。真技术，特别是军事仿真的潮流。l 通讯网络可以把通讯网络可以把VEVE转换成共享的转换成共享

46、的分布式计算环境。分布式计算环境。34 一、建模一、建模 包括包括：几何建模和物理建模。几何建模和物理建模。 几何建模方法几何建模方法：a)a)一般的一般的VRVR工具软件；工具软件；b)b)利用现有的利用现有的CADCAD建模工具；建模工具；c) c) 对实际物体的建模，采用激光扫描等专用设备；对实际物体的建模，采用激光扫描等专用设备；d)d)购买市场上已有的购买市场上已有的商业模型库。几何建模技术在图形学和商业模型库。几何建模技术在图形学和CADCAD领域，已有成熟的成果。领域，已有成熟的成果。 物理建模物理建模：基于物理方程的建模基于物理方程的建模-刚体建模、链接物体的建模及非刚体建模、

47、链接物体的建模及非刚体建模。刚体建模。VRVR的建模和仿真的建模和仿真 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述35VRVR的建模和仿真的建模和仿真 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述二、仿真二、仿真 包括包括：图形绘制、三维动画。图形绘制、三维动画。 图形绘制图形绘制：把三维环境，相对于虚拟摄像机（虚拟视点）投影，形成图像的过程。把三维环境，相对于虚拟摄像机（虚拟视点）投影，形成图像的过程。 要求要求： 1 1）为了提供连续运动的错觉，帧速率须大于每秒）为了提供连续运动的错觉，帧速率须大

48、于每秒8 8到到1010帧；帧； 2 2）为保持瞬间交互控制的错觉，响应时间的延迟须小于）为保持瞬间交互控制的错觉，响应时间的延迟须小于0.10.1秒；秒； 3 3）为绘制可分辨的所有细节，要求有至少）为绘制可分辨的所有细节，要求有至少8 8千万个多边形。千万个多边形。 然而，用今天的硬件，每个画面然而，用今天的硬件，每个画面8 8千万多边形的系统千万多边形的系统 对真正的实时交互是太慢对真正的实时交互是太慢了，于是存在真实图像与实时交互间的折衷。某些应用（如建筑和艺术）可能要了，于是存在真实图像与实时交互间的折衷。某些应用（如建筑和艺术）可能要求照片一样真实的绘制。制造和医疗应用要求更高层次

49、的实时交互。求照片一样真实的绘制。制造和医疗应用要求更高层次的实时交互。三维动画的实现途径：三维动画的实现途径：1 1）基于物理模型的数值计算基于物理模型的数值计算-军事和工业等应用，往往要求这种满足物理规律的军事和工业等应用，往往要求这种满足物理规律的仿真技术；仿真技术；2 2）数学插值数学插值-三维动画电影等。三维动画电影等。36虚拟现实开发系统的框图虚拟现实开发系统的框图 用户通过输入输出设备与输入输出软件用户通过输入输出设备与输入输出软件交互。交互。l 输入软件通过形状编辑器完成几何建模，输入软件通过形状编辑器完成几何建模，通过声音编辑器完成虚拟声音系统建模。通过声音编辑器完成虚拟声音

50、系统建模。在世界编辑器完成虚拟环境的建模。其中在世界编辑器完成虚拟环境的建模。其中的虚拟剪切器，用于模型的剪切。的虚拟剪切器，用于模型的剪切。l 建立的模型，保存在虚拟世界中。建立的模型，保存在虚拟世界中。l 整个工作在计算机系统中完成。整个工作在计算机系统中完成。 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述37小结小结l 虚拟现实或虚拟环境是人工构造的，存在于计算机内部的环境。虚拟现实或虚拟环境是人工构造的，存在于计算机内部的环境。l 用户应该能够以自然的方式与这个环境交互（包括感知环境并干预用户应该能够以自然的方式与这个环境交互（包括感知环境

51、并干预环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感，身临其环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感，身临其境的感觉。境的感觉。l 虚拟现实系统包括虚拟现实系统包括人类操作者、人机接口和计算机。人类操作者、人机接口和计算机。 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述1 1计算机提供计算机提供“环境环境”, , 不是不是“数据数据, , 信息信息”。2 2操作者由视觉操作者由视觉, ,听觉听觉, ,力觉感知环境力觉感知环境, , 由自然的动作操作环境。由自然的动作操作环境。3 3逼真的感知和自然的动作，使人产生身临其境的感觉

52、。逼真的感知和自然的动作，使人产生身临其境的感觉。 虚拟现实有下列三个特点：虚拟现实有下列三个特点：38虚拟现实中有关人的因素虚拟现实中有关人的因素 计算机，接口和用户是计算机，接口和用户是VRVR系统中的三个组成部分。接口设计必系统中的三个组成部分。接口设计必须考虑人的因素，人的因素与须考虑人的因素，人的因素与VRVR系统性能直接相关。下面介绍与系统性能直接相关。下面介绍与VRVR系统直接相关的人的因素问题，包括：系统直接相关的人的因素问题，包括：l 人眼人眼l 人耳人耳l 身体感觉身体感觉 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述39o视觉

53、生理结构视觉生理结构o立体视觉立体视觉o屈光度屈光度o瞳孔瞳孔o分辨力分辨力o明暗适应明暗适应o周围视觉和中央视觉周围视觉和中央视觉o视觉暂留视觉暂留o视场视场 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述虚拟现实中有关人的因素虚拟现实中有关人的因素人眼人眼现有的现有的VR系统中，已经考虑的因素包括：系统中，已经考虑的因素包括：立体视觉，分辨立体视觉，分辨力，视觉暂留，力，视觉暂留，以及以及视场。视场。其他因素还没有充分考虑到。其他因素还没有充分考虑到。 视网膜解剖图视网膜解剖图光感受器解剖图光感受器解剖图40l 图中铅笔的反射光线通过眼睛晶状图中

54、铅笔的反射光线通过眼睛晶状体的透镜。于是，铅笔的倒置图像体的透镜。于是，铅笔的倒置图像直接投影在视网膜上。直接投影在视网膜上。l 视网膜的杆状细胞和锥状细胞负责视网膜的杆状细胞和锥状细胞负责通过视神经把信号传给大脑。通过视神经把信号传给大脑。视觉系统的生理结构图视觉系统的生理结构图 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述虚拟现实中有关人的因素虚拟现实中有关人的因素人眼人眼41立体视觉立体视觉人类立体视觉的原理图人类立体视觉的原理图 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述虚拟现实中有关人的因素

55、虚拟现实中有关人的因素人眼人眼 视觉的另一个重要因素是立体视觉能力。提供视觉的另一个重要因素是立体视觉能力。提供给人类视觉的图像，必须使人感觉是立体的，能使给人类视觉的图像，必须使人感觉是立体的，能使观看者的视觉系统计算出被看物体的远近。观看者的视觉系统计算出被看物体的远近。 对同一个场景，两眼得到稍有差别的视图。对同一个场景，两眼得到稍有差别的视图。l 左视区的信息，送到两眼视网膜的右侧。左视区的信息，送到两眼视网膜的右侧。l 在视交叉处，左眼的一半神经纤维交叉到大在视交叉处，左眼的一半神经纤维交叉到大脑的右半球，左眼的另一半神经纤维不交叉，脑的右半球，左眼的另一半神经纤维不交叉，直接到大脑

56、的左半球。直接到大脑的左半球。l 这样，两眼得到的左视区的所有信息，都送这样，两眼得到的左视区的所有信息，都送到右半球。到右半球。 42l分辨力是人眼区分两个点的能力，限于分辨力是人眼区分两个点的能力，限于10m10m距离上约距离上约1.5-2mm1.5-2mm。l人眼区分两个点的能力，在人眼区分两个点的能力，在2m2m距离上约距离上约0.4mm0.4mm。则宽度。则宽度400mm400mm上应该由上应该由10001000个个0.4mm0.4mm大小的像素。大小的像素。l计算机监视器和高清晰度电视机，都达到了这样的分辨率。计算机监视器和高清晰度电视机，都达到了这样的分辨率。分辨力分辨力 现代仿

57、真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述虚拟现实中有关人的因素虚拟现实中有关人的因素人眼人眼43l 视觉暂留视觉暂留是视网膜的是视网膜的电化学现象电化学现象造成视觉的反应时间。当观看很短的光脉冲时，造成视觉的反应时间。当观看很短的光脉冲时，视杆细胞得到约视杆细胞得到约0.25s 0.25s 的峰，视锥细胞快的峰，视锥细胞快4 4倍，得到约倍，得到约0.04s0.04s的峰。这种现象造成的峰。这种现象造成视觉暂留视觉暂留 。l 临界熔合频率（临界熔合频率（Critical Fusion Frequency, CFFCritical Fusion Fre

58、quency, CFF）效果）效果会产生把离散图像序会产生把离散图像序列组合成连续视觉的能力，列组合成连续视觉的能力，CFFCFF最低最低20Hz20Hz，并取决于图像尺寸和亮度。英国电视，并取决于图像尺寸和亮度。英国电视帧频帧频25Hz25Hz，美国电视帧频，美国电视帧频30Hz30Hz。电影帧频。电影帧频24Hz24Hz。眼对闪烁的敏感正比于亮度，所。眼对闪烁的敏感正比于亮度，所以若白天的图像更新率为以若白天的图像更新率为60Hz60Hz，则夜间只要，则夜间只要30Hz30Hz。视觉暂留视觉暂留 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述虚拟

59、现实中有关人的因素虚拟现实中有关人的因素人眼人眼视场视场双目的视场约为水平双目的视场约为水平10001000，垂直，垂直600600，而水平的双目重叠视场，而水平的双目重叠视场12001200。实际。实际的全景显示可能产生水平的全景显示可能产生水平10001000，垂直，垂直300300视场，这已经有强的沉浸感。视场，这已经有强的沉浸感。44l 声音声音l 声音感觉声音感觉l 频率范围频率范围l 声强声强l 声音方向声音方向l 声音舞台声音舞台l 头部有关的传递函数头部有关的传递函数 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第七章虚拟现实第一部分概述第七章虚拟现实第一部分概述虚拟现实中有关人的因

60、素虚拟现实中有关人的因素人耳人耳现有的现有的VRVR系统中，已经考虑的因素包括：声音方向，声音舞台，系统中，已经考虑的因素包括：声音方向，声音舞台，以及头部有关的传递函数。其他因素还没有充分考虑到。以及头部有关的传递函数。其他因素还没有充分考虑到。 45l音速在空气中，音速在空气中，00时时331m/s331m/s，2020时时344m/s344m/s。在海水中，。在海水中，11时音速时音速1453m/s1453m/s。在铸铁棒中，音速。在铸铁棒中，音速3500m/s3500m/s。 耳听到的频率范围约耳听到的频率范围约20Hz20Hz到到20kHz20kHz。随年岁增加，频率范围缩小，。随年岁增加