12虚拟现实技术29ppt课件

1、虚拟现实技术1背景与意义科学技术的开展促使人们为了顺应未来信息社会的需求，必需提高人与信息社会的接口才干，提高人对信息的了解才干。而对信息处置的方法要求建立一个多维化的信息空间，建立一个定性和定量相结合，感性认识和理性认识相结合的综合环境，虚拟现实技术将是支撑这个多维信息空间的关键技术。虚拟现实技术归根结底就是要把计算机从擅优点理数字化的单维信息改动为擅优点理人所能感遭到的、在思想过程中所接触到的、除了数字化信息之外的其他各种表现方式的多维信息。加强现实成果，并给用户一个将现实世界和计算机中的虚拟模型结合起来的任务环境。 2虚拟现实的概念虚拟现实技术近年来在技术研讨领域非常活泼，它聚集了计算机

2、图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为研讨等多项关键技术。虚拟现实是多媒体技术开展的更高境界，是这些技术高层次的承继和浸透；它给用户以逼真的体验，它为人们探求宏观世界和微观世界中由于种种缘由不便于直接察看事物的运动变化规律，提供了极大的便利。虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)，又译为临境，灵境等，这个词最早始创于2O世纪80年代是1989年由美国的Jarn Lanier正式提出的。然而，关于虚拟现实的研讨可以追溯到20世纪60年代最初的研讨主要集中在美国军方对飞行驾驶员与宇航员的模拟训练。然而，随着冷战后美国军费的削减。这些技

3、术逐渐转为民用。由于虚拟现实技术可以借助计算机构建出一个与现实环境非常逼真的虚拟环境。且支持用户运用自然技艺来亲身感受，因此引起了人们及大的兴趣。曾经被称为梦境般的技术和人机接口的最后一道妨碍。 3虚拟现实系统虚拟现实系统通常指用头盔显示器和传感手套等一系列新型交互设备构造出的一种计算机软硬件环境，人们经过这些设备以自然的技艺。比如头的摇动、手的摆动，向计算机送入命令，同时得到计算机对用户的视觉、听觉等多种感官的反响。随着人们动作的变化。这些感官反响也随之改动。但是如今与虚拟现实有关的内容曾经扩展到与之相关的许多方面，如：人工现实(Artificial Reality)、遥在(Telepres

4、ence)、虚拟环境(Virtual Environment)、赛伯空间(Cyberspace)等等。 4虚拟现实的技术特征交互性 ：指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反响的自然程度 沉浸感：又称为临场感，指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度； 想象性：又称想像性，指用户沉浸在多为信息空间中、依托本人的感知和认知才干全方位地获取知识，发扬客观能动性、寻求解答，构成新概念。 5虚拟现实的技术特征6虚拟现实开展历史美国是虚拟现实技术研讨的发源地。第一个虚拟设备是在1962年由Morton Heiling设计的全传感仿真器该仿真器仿真骑车穿越纽约市的过程。骑车人能感遭到风，感

5、遭到路面的颠簸，当经过饭店时。骑车人甚至能闻到食品的香味。1984年，美国宇航局Ames研讨中心开场了虚拟视觉环境显示工程的研讨。后来还开发虚拟界面环境任务站Ames。研讨中心的虚拟行星探测实验室的McGreevy和J HumDhfies博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器将发回的数据输入到计算机中为地面研讨人员构造了火星外表的三维虚拟环境。1986年美国宇航局的科学家们胜利研制出了第一套基于HMD及数据手套的虚拟交互环境任务站VIEW 。成为世界上第一个较为完善的多用途多感知的虚拟现实系统 到了20世纪90年代。迅速开展的计算机硬件技术与不断改良的计算机软件系统相匹配，使基于大型数

6、据集合的声音和图像的实时动画制形成为能够。1992年大型虚拟现实系统CAVE的建立标志着虚拟现实技术与网络的结合变的越来越严密。与此同时，新的网络编程言语的出现促使了新的虚拟现实建模言语的诞生。如X3D Java3D等。7虚拟现实开展历史在我国虚拟现实技术的研讨和一些兴隆国家相比还有很大的一段间隔但是近十年来虚拟现实技术曾经得到了相当的注重。国家科委国防科工委都已将虚拟现实技术的研讨列为重点攻关工程国内许多研讨机构和高校也都在进展虚拟现实的研讨和运用并获得了一些不错的研讨成果如北京航空航天大学计算机系虚拟现实与可视化新技术研讨室集成的分布式虚拟环境清华大学国家光盘工程研讨中心所做的布达拉宫实现

7、了大全景虚拟现实等。如今，虚拟现实系统已突破了过去航空航天、军事、文娱等几个特定运用领域，突破了只需政府才干用得起的技术，渗入到了生活的各个方面，比如航空、航天、铁道、建筑、土木、科学计算可视化等各个领域。 8虚拟现实技术开展趋势桌面级虚拟现实开展，特别是在商业领域 高性能沉浸式虚拟现实开展 9虚拟现实技术开展瓶颈虚拟现实设备的“贵族化 要构建一个高质量的虚拟现实系统，首先需求昂贵的外部设备。无论是高分辩率的头盔显示器HMD，还是立体投影显示器；无论是空间定位器，还是高精度的数据手套，都是价钱不菲的。其次，在一些公用领域，为完成复杂场景的实时渲染，还需求高性能的图形任务站以及相应的软件。但普通

8、的信息系统用户能够会望而却步。 10虚拟现实技术开展瓶颈繁琐的三维建模 基于图形的虚拟环境首先要处理的问题便是三维外型。当图形渲染技术在向实现真实感大踏步前进的时候，生成准确三维模型的过程还像二十几年前一样困难。在三维激光扫描技术上的提高提供了简化模型构造过程的一些承诺。然而，这些自动化模型获取方法也验证了真实世界的几何是极端复杂的。大部分的模型仍需求人工绘制，而且需求聘请高程度的专业人士，其费用是相当惊人的。比如在电影中，为实现场景三维建模及各种特技处置，所花的人工费用高达2500万美圆，这笔钱足以制造一艘同样规模的真船。繁琐的三维建模也是制约虚拟现实技术开展的严重妨碍。 11虚拟现实技术开

9、展瓶颈数据量大 虚拟现实技术要想得到很大的开展，需求与Intenet结合，这已是不争的现实。目前虚拟现实技术运用的数据量依然很大，在现有网络整体速度较慢的情况下，Intenet用户必需等待较长时间，这往往令人难以忍受。因此应该在虚拟现实系统中思索数据紧缩问题，这个问题能够如今还未引起人们的注重，但是随着运用的深化，这是一个不可逃避的问题。 12虚拟现实系统构成虚拟现实系统模型13虚拟现实系统构成虚拟现实系统构成14虚拟现实系统构成检测模块:检测用户的操作命令，并经过传感器模块作用于虚拟环境。反响模块:接受来自传感器模块的信息，为用户提供实时反响。传感器模块:一方面接受来自用户的操作命令，并将其

10、作用于虚拟环境；另一方面将操作后产生的结果以各种反响的方式提供应用户。控制模块:对传感器进展控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。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。建模模块运用知识库、方式识别、人工智能等技术建立模型，经过三维动画实现虚拟环境的视觉模拟，经过音响制造声音模拟，人的动作由传感器进展检测，然后经过控制模块对虚拟环境进展支配。同时，经过反响作用给人以动感、触觉、力觉等感受。 15虚拟现实系统分类桌面式虚拟现实系统桌面式虚拟显示系统又称为非沉浸式虚拟显示系统，这种系统经过计算机屏幕、投影屏幕作为用户察看虚拟环境的一个窗口，参与者仅运用一些简单外

11、部设备来控制虚拟环境和支配虚拟场景中的物体。在桌面虚拟现实系统中，用户可以经过事先设置的交互操作或者阅读器已附带的功能来实现虚拟环境的物体平移和旋转，以便从各个角度观看三维模型；也可以利用阅读器中的“walk功能在虚拟环境中阅读。如汽车模拟器、飞机模拟器、电子会议等都属于桌面式虚拟现实系统。桌面式虚拟现实系统适宜推行运用，投资比较低，而且经过附加一些低本钱的辅助设备，如立体察看器、液晶显示光闸眼镜等就能到达比较理想的模拟显示的效果。 16虚拟现实系统分类沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统又称为配带型虚拟显示系统，是利用头盔显示器和数据手套等各种交互设备把用户的视觉、听觉和其他觉得封锁起来，运

12、用户完全置于计算机生成的虚拟环境之中，并利用这些交互设备游弋于虚拟环境，产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的觉得。有的沉浸式虚拟显示系统能提供处决功能，使参与者产生人在其中的效果。沉浸式虚拟显示系统具有以下主要特点：高效的实时性能、高度的沉浸感、能支持多种I/O设备并行任务。相比桌面式虚拟现实系统，建立沉浸式虚拟现实系统投资本钱太高，因此制约了沉浸式虚拟现实系统的推行运用。 17虚拟现实系统分类叠加式虚拟现实系统叠加式虚拟现实系统又称为补充现实系统，是用户一边对现实世界进展察看，一边经过穿透型头戴式显示器计算生成虚拟图像叠加的现实世界上，为操作员提供与他所看到的现实环境有关的、存储在计算机中

13、的信息，从而加强操作员对真实世界的感受。因此，叠加式虚拟现实系统不仅能模拟现实世界，而且能加强现实中无法感知或者不方便的感受。这种系统在我们的现实生活中有广泛的运用前景，如外科医生运用该系统进展外科手术，可以让医生用另外来源得到的3D虚拟图像与病人患病部位的实践图像进展对比，判别，加强手术的胜利率。由于叠加式虚拟现实系统中的运用到的传感器技术的准确性方面的限制，这种技术在目前实践运用中还有一定的局限性。 18虚拟现实系统分类分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟环境，是在沉浸式虚拟现实系统的根底上，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境经过网络相衔接，并共享信息，从而运用户的

14、协同任务到达一个更高的境界。分布式虚拟现实系统充分利用计算机系统的强大计算才干和网络功能，使在共同领域的专长专家学者，进展信息共享，到达处于不同地域的设计人员进展协同设计的目的。分布式虚拟现实系统的操作系统必需能在不同计算机上处置不类似的虚拟世界，因此必需用专门的操作系统分布式操作系统。目前，分布式虚拟现实系统主要运用于远程虚拟会议、虚拟医学会诊，虚拟战争模拟等领域。 19虚拟现实关键技术实物虚化技术虚物实话技术高性能计算处置技术分布式虚拟实现技术20实物虚化技术根本模型构建技术 空间跟踪技术 声音跟踪技术视觉跟踪与视点感应技术 21虚物实化技术视觉感知 听觉感知 力觉和触觉感知 22高性能计

15、算技术虚拟现实是以计算机技术为中心的现代高科技，高性能的计算处置技术是直接影响系统性能的关键所在。具有高计算速度，强处置才干，大存储容量和强联网特性等特征的高性能计算处置技术主要包括以下研讨内容：1效力于实物虚化和虚物实化的数据转换和数据预处2实时、逼真图形图像生成与显示技术。3多种声音的合成与声音空间化技术。4多维信息、数据的交融、数据转换、数据紧缩、数据规范化以及数据库的生成。5方式识别。如命令识别、语音识别、以及手势和人的面部表情信息的检测、合成和识别。6高级计算模型的研讨。如专家系统、自组织神经网、遗传算法等。7分布式与并行计算，以及高速、大规模的远程网络技术。 23分布式虚拟实现分布

16、式虚拟现实的研讨目的是建立一个可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境，处于不同地理位置的用户好像进入到一个真实世界，不受物理时空的限制，经过姿态、声音或文字等“在一同进展交流、学习、研讨、训练、文娱，甚至协同完成同一件比较复杂的产品设计或进展同一困难义务的演练。分布式虚拟现实的研讨有两大阵营。一个是国际互联网上的分布式虚拟现实，如基于VRML规范的远程虚拟购物。另一个是在由军方投资的高速公用网，如采用ATM技术的美国军方国防仿真互联网DSI。 24典型运用医学。虚拟现实技术运用大致上有两类。一是虚拟人体，也就是数字化人体，这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能。另一是虚拟手术系统，可用于

17、指点手术的进展。Pieper及Satara等研讨者在上世纪90年代初，基于两个SGI任务站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具如手术刀、注射器、手术钳等，虚拟的人体模型与器官等。借助于HMD及觉得手套，运用者可以对虚拟的人体模型进展手术。但该系统有待进一步改良，如需提高环境的真实感，添加网络功能，使其能同时培训多个运用者，或可在外地专家的指点下任务等。 25典型运用文娱、艺术与教育。丰富的觉得才干与3D显示环境使得虚拟现实技术成为理想的视频游戏工具。由于在文娱方面对虚拟现实的真实感要求不是太高，故近些年来虚拟现实技术在

18、该方面开展最为迅猛。如Chicago(芝加哥)开放了世界上第一台大型可供多人运用的虚拟现实文娱系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality的虚拟现实游戏系统，配有HMD，大大加强了真实感；1992年的一台称为“Legeal Qust的系统由于添加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大加强了兴趣性及难度，使该系统获该年度虚拟现实产品奖。 26典型运用军事与航天工业。模拟训练不断是军事与航天工业中的个重要课题。这为虚拟现实技术提供了宽广的运用前景。美国国防部高级研讨方案局DARPA自80年代起不断努力于研讨称为SIMNET的虚拟战场系统，以提供坦克协同训练，该系统可结合200多台模拟器。利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的多快好省的研讨