虚拟现实技术课件

1、第一章 虚拟现实概述虚拟现实定义虚拟现实特点虚拟现实的发展简史虚拟现实研究内容虚拟现实应用虚拟现实系统一、什么是虚拟现实?（1）虚拟现实是媒体的最新进展虚拟现实是计算机综合技术媒体：舞蹈、音乐洞穴绘画书写语言（文字）报纸、书籍、电影、电视、视频传递、表达和交流思想、常识和事件字面意义：“Virtual Reality”Virtual：”being in essence or effect,but not in fact”“本质或效果上存在，但事实上不存在”Reality：”the state or quality of being real. Something that exists ind

2、ependently of ideas concerning it. Something that constitutes a real or actual thing as distinguished from something that is merely apparent”“存在并且能够获得体验的地方”从虚拟世界中获取现实的体验（1）虚拟世界：VR的内容，单独存在于创建者心中，也可通过共享进行传播是媒体的内容，如电影通过演员、场景、道具布置和音乐等把观众带入到另一种生活中时，观众体验的是剧本表达的虚拟世界；虚拟世界通常是一种想象空间，想象是虚拟世界的起点，也是许多虚拟世界的体验方式；虚

3、拟现实体验的关键要素（2）沉浸在一个环境中的感觉；可以是一种纯粹的精神状态，也可以通过物理的方法完成。虚拟现实被认为是在另一个现实或视点下的沉浸 另一个现实：如小说中的世界，电影中的角色身体沉浸：肉体上全部进入媒体中，通过技术的使用获得对身体感官的合成刺激，但并不意味着全部感觉或整个身体都沉浸或卷入其中精神（感觉）沉浸：一种深深地投入其中的状态，深信不疑；包含于其中；身体沉浸是虚拟现实的本质特性，用于增强或替代参与者的感官刺激；而精神沉浸是大多数媒体创作者的目的。（3）感觉反馈：虚拟现实使用户获得一种模拟体验，接近于物理实验中的体验，还允许用户有目的的减少物理实验中的危害，创造现实世界中不可能

4、存在的场景；虚拟现实系统基于参与者的自身位置提供直接的感觉反馈（触觉反馈、视觉反馈等）在虚拟现实中，用户可以通过多种身体的感觉来体验一个构想的现实；（4）交互性虚拟现实必须能够对用户的动作做出响应，即可以进行交互；比如游戏、自然现象和非自然现象的计算机仿真、飞行仿真；交互性可以是用户影响基于计算机的世界的能力，或是用户在世界中改变视点（有利观察点）的能力虚拟现实体验的四个要素虚拟世界沉浸 感觉反馈交互性 要素组合：虚拟现实：由交互式计算机仿真组成的一种媒体，能够感知参与者的位置和动作，替代或增强一种或多种感觉反馈，从而产生一种精神沉浸或出现在仿真环境（虚拟世界）中的感觉。虚拟现实是一种技术一、

5、什么是虚拟现实？（2）狭义定义：虚拟现实技术是一种先进的人机交互方式。基于自然的人机接口看：彩色的、立体的、随视点不同而变化的景象；听：虚拟环境中的声响；手脚身体部位：感受到虚拟环境反馈给他的作用力；广义定义：虚拟现实技术是对虚拟想象或真实的、多感官的三维虚拟世界的模拟。不仅仅是人机交互接口对虚拟世界内部的模拟；采用以计算机技术为核心的现代高科技手段生成逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等一体化的虚拟环境，用户从自己的视点出发，借助特殊的输入输出设备，采用自然的方式与虚拟世界的物体进行交互，相互影响。虚拟现实定义：用户戴一个头盔（用来显示立体图象的头式显示器），手持传感手套，置身于一个幻觉世界

6、中，在虚拟环境中漫游，并允许操作其中的“物体”虚拟楼房，内有各种设备、物品，操作者通过各种传感装置在屋内行走查看、开门关门、搬动物品；对房屋设计上的不满意之处，可随意改动。利用虚拟现实进行建筑、机械、兵器的设计，进行技术操作训练、军事演习要容易得多，也便宜得多。 其他相关概念Virtual RealityVirtual EnvironmentArtificial RealityCyber City幻境或灵境(钱学森院士)技术人工现实（Artificial Reality）：用户可以交互参与的合成环境；人工现实根据参与者的身体与图形世界的关系感知参与者的动作，并且产生响应，以维持在这个世界中发生

7、动作的错觉；赛博空间（Cyberspace）：仅在参与者心中存在的场所，通常指的是能够使具有一定地理距离的人相互沟通的技术的产物；如电话、聊天室、视频会议、电话会议等；常被看作一个实际位置 增强现实：（Augmented Reality ）把虚拟表现与物理世界中的感觉结合起来，给用户提供关于物理世界的额外信息，这些信息靠人自身的感知能力是无法感知到的工程承建者：在建筑物中时，看到管道和管道系统；医生：看到病人身体外观的同时可看到病人内部器官；对虚拟现实概念的理解虚拟现实与仿真：仿真：通过对系统模型的实验来研究一个存在的或设计中的系统；仿真环境即运用仿真技术描述现实环境；虚拟环境是用虚拟现实技术

8、来描述真实环境，使人和计算机融为一体，带来沉浸感，交互感和想象力虚拟现实与仿真的不同：虚拟现实与3D动画共同点：从3D数字内容的角度来看，两者都是以计算机图学模型为基础所构建的3D数字内容。差异性：（1）3D动画：静态对象执行预先设定的动作虚拟场景：按预先设定的路径执行动画效果有主动的行为动作（2）虚拟场景：对象与使用者互动，当使用者接触或点选场景中对象时，对象会响应和使用者互动。3D动画：没有互动。（3）虚拟场景互动要求场景以实时算图方式算出，即每秒最少要算图画出158次以上影像画面，才不会让使用者有跳格的感觉；3D动画画格是事先准备的，可应用许多费时的3D计算机图学技术，花几分钟甚至几小时

9、去算图以得到逼真的视觉效果。（4）虚拟环境：基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求，属于科学仿真系统。场景画面：根据材料或想象直接画制而成，与真实的环境和数据有较大的差距，属于演示类艺术作品。（5）虚拟环境实时感受运动带来的场景变化，步移景异，并可亲自布置场景，具有双向互动的功能。 3D动画单向演示，场景变化,画面需要事先制作生成，耗时、费力、成本较高。 （6）虚拟环境：没有时间限制，可真实详尽地展示，并可导出动画视频文件，同样可以用于多模体资料制作和宣传，性价比高。 3D动画受动画制作时间限制，无法详尽展示，性价比低。 （7）虚拟环境：实时三维环境，支持方案调整

10、、评估、管理、信息查询等，适合大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理等需要，具有更真实和直观的多媒体演示功能。 3D动画：只适合简单的演示功能。 二、虚拟现实的特征虚拟现实系统具有四个重要特征：临 境 性交 互 性想 象 性多 感 知 性一个虚拟现实系统， 可以形象地用一个“ 3 I ”图加以描述。分别是 Immersion-Interaction-Imagination (沉浸 -交互 -构想 )的缩写。ImmersionImaginationInteraction临境性（沉浸感）Immersion：用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境：难辨真假多方面“迷惑”

11、：可看、听、触及嗅这个虚拟世界中所发生的一切。全方位地沉浸在虚幻世界中交互性Interaction用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。如手抓物体可感觉物体的重量，物体随着手的移动而移动。 对输入（如手势，语言命令）作出响应。如拿起一虚拟的火炬并打开其开关；想象性（构想性）Imagination：广阔的想像空间，拓宽认知范围，再现真实环境，也可构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。 虚拟现实反映设计者的思想，如盖一座现代化大厦：图纸虚拟现实多感知性视觉听觉触觉嗅觉味觉受力感等理想的虚拟现实应具有人所具有的感知功能。 三、虚拟现实发展历程1962年： Mor

12、ton Heilig申请专利 “全传感仿真器” Sensorama Simulator 功能：模拟骑车穿越纽约市曼哈顿街 特点：三维视频，运动，颜色，立体声 音，香气，风，震动1962年： Morton Heilig申请专利 “仿真面罩” 功能：仿真三维滑动，集中控制，产生光学图像，立体声和气味 1965年： 美科学家Ivan Sutherland发表论文 “The Ultimate Display” 描述：一种全新富有挑战性的图形显示技术： 不使用计算机屏幕，人直接沉浸其中，景随人动，可以交互，身临其境。 作用：里程碑的理论；计算机图形学之父；虚拟现实之父 Sutherland博士对虚拟现实

13、概念的经典描述计算机生成的虚拟世界提供视觉、听觉、触觉等多种感官刺激；虚拟世界给人一种身临其境的沉浸感；人能以自然方式与虚拟世界中的对象进行交互操作1968年： Ivan Sutherland 研制了头盔式显示器（HMD），CRT式的。 发表论文 “A HeadMounted 3DDisplay”， 给出了HMD的设计要求、构造原理和设计原型。 作用：三维立体现实技术的奠基性成果1970年： Ivan Sutherland 研制成功一个功能齐全的HMD系统，加入力反馈和触觉反馈装置。1972年：Nolan Bushnell 开发了第一个交互式电子游戏Pong，实现了交互性；1984年： NAS

14、A Ames虚拟行星探测实验室的McGreevy和Humphries博士 开发了用于火星探测的虚拟世界视觉系统，能构造火星表面的三维虚拟世界。1985年： 第一套商用虚拟现实硬件：Intel 386； 第一套商用虚拟现实软件：美国空军的 Supercockpit飞行模拟器1985年：Scott Fisher “数据手套” VIEW ，测量手指关节动作、手掌的弯曲以及手指间的分合，可编程实现各种“手语”1987年：VPL研究公司 数据服1989年：Jaron Lanier 提出了“虚拟现实”这个名词，指“计算机产生的三维交互环境，在使用中用户是投入到这个环境中去的”；1985年由Jaron La

15、nier与Thomas Zemmerman等人创办，专门从事VR的研究及VR产品的推广；Jaron LanierVR天才Zemmerman数据手套VPL的兴衰 LanierVR天才富有创造性的思想火花推动VR技术的发展；在当时几乎看不到一篇有关VR报道文章的情况下,使得媒介对“Virtual Reality”的概念倍加注意；并引起了大众对VR技术的关心和重视。1985年，Zimmerman想要找到一种方法来实现其少年时代空气吉它的梦想,即通过操作假想的乐器来产生实在的音乐。他试验了用手套作为输入/输出设备。VPL的发展：Lanier的积蓄； 朋友的资助美国国家航空航天局(NASA)的资助NAS

16、A的开发合同带来了资金和技术,使得VPL能够稳占VR系统的硬件开发市场NASA Ames实验室Michael McGreery和Scott Fisher的鼓励。Fisher给VPL带来了第一份数据手套的合同,并与Michael一起鼓励Lanier生产头盔显示器(HMD),这后来成为VPL的Eyephone头盔显示器。但后来,由于VPL与NASA在HMD与数据手套的专利申请及研究项目目标上发生分歧,使得VPL的第一份NASA合同也是它的最后一份合同。 VPL的产品：吸引了许多领域科学家的兴趣,各式各样的公司或政府研究机械(不只是美国,也包括日本以及欧洲的一些国家)购买了几百数据手套和头盔。VPL

17、的成功：朋友的影响力； 媒介的吹捧VPL制造出了他人所不能的产品。Lanier本人也成为VR领域的权威,他的有关VR方面的言论被人们反复引用,VPL产品的价格也因没有竞争对手,只需考虑用户的承受能力即可。Lanier为了进一步巩固其霸主地位,于19901991年申请了两项专利。一项光纤弯曲感受器“另一项计算机数据输入及操作装置和方法“VPL要求他的竞争对手停止销售未经VPL许可或注册的产品。这一行为被认为是违背自由、开放原则,人们联合起来反对这一专利,也促使人们去寻找数据手套的替代物。VPL和Lanier的声望急剧下降,并从此陷于无休止的法律纠纷之中。有人评论他们当时的日常工作就是研究与法律有

18、关的事务。VPL曾不止一次地被认为盗用他人的思想与成果,或发布并不存在的专利权来威胁其他公司。而这时VPL的产品也因其在商业展示上的不良表现引起了用户的不满。特别是在SIGGRAPH91上,它的一种新式头盔不能正常工作的印象依然使人难以忘记。这些使得人们对VPL的产品提出了疑问。以至于到1992年春,在USENET和WELL电子公告牌上的VR会议上,VPL收到了许多用户对其服务的投诉。 由于专利保护的诉讼花费了VPL巨额费用,VPL流动资金发生困难,不得不开始裁员。VPL发布的新产品Microcosm VR工作站和一种高分辨率的头盔显示器,由于不够成熟和不具备生产条件,反而损害了已有的市场,使

19、得其产品的市场份额下降。VPL逐渐发现它的产品没人要了。终于,VPL由于经营上(而非技术上)的失败,于1992年12月2日宣布公司倒闭。 1993年 两个值得注意的事件：借助虚拟系统的训练，美宇航员成功地完成了在航天飞机中的一些工作。使用虚拟现实技术，波音公司设计出了由300万个零件组成的波音777飞机。1996年 英国开通世界第一个虚拟现实环球网 虚拟观光、虚拟参观、虚拟听讲、虚拟城市环境1996年 英国伦敦举办了世界第一个虚拟现实技术博览会： 完全虚拟，基于Internet，三维，互动21世纪 虚拟现实技术和应用迅速发展：计算机硬件技术的飞速发展：计算速度，存储空间，图形硬件计算机软件技术

20、的飞速发展：软件系统，数据库技术，多媒体技术，网络技术。实用输入输出设备的出现：虚拟现实发展方向：借助于计算机技术、网络技术、投影技术等的发展，出现了分布式虚拟现实系统、CAD Wall、VR Center、CAVE、IDesk等新技术；与专业技术相融合，产生了数字地球研究、虚拟规划设计、虚拟现实机械装备、虚拟考古、虚拟手术、虚拟驾驶、虚拟管线设计、虚拟军事对抗等应用系统虚拟现实研究大约始于80年代初期,大多数研究机构在美国。国外研究VR的主要机构 1.The Xerox Palo Alto研究中心(PARC) 施乐帕洛阿尔托研究中心是施乐公司成立的最重要的研究机构; 用VR技术建立“未来办公

21、室”。设计一项基于VR的使数据存取更容易的窗口系统，Room。Room中的数据都是以可视化的三维图形room表示的,各room之间通过door连接。2.SRI International(斯坦福研究院)建立了“视知觉计划”(Visual Perception Program), 研究VR技术的进一步发展。主要从事定位光标、视觉显示器、光学部件、触觉与力反馈、三维输入装置及语言交互等研究。1991年后,SRI利用VR技术对军用飞机或车辆驾驶的训练,试图通过仿真来减少飞行事故。SRI在NASA、美国国防部和国家科学基金会的资助下,进行了利用遥控技术进行外科手术仿真的研究；3.AT&T贝尔实验室从电

22、话(Telephone)向遥在(Telepresence)的转变感兴趣在VR环境下的语音建模及提高人与人之间的通讯联系能力等问题 4.北加利福尼亚大学(UNC)最早且最著名的VR研究，主要在四个方面:分子建模、航空驶驶问题、外科手术仿真、建筑仿真。在显示技术上,UNC开发了一个帮助用户在复杂视景中建立实时动访态显示的并行处理系统,叫做像素飞机(Pixel Planes)。UNC与空军技术学院合作,开发一套头盔显示系统,采用LEEP广角镜及3英寸液晶电视屏幕。采用了Polnemus跟踪球,用于头部定位,VPL的数据手套用于输入。开发了一套名为Walk Though的系统。在这一环境中,人可以像坐

23、直升机一样在建筑物中漫游。其设计的第一个建筑物,就是UNC的计算机系大楼。 5.NASA的Ames实验室完善了HMD将VPL的数据手套工程化,成为可用性较高的产品。致力于一个叫“虚拟行星探索”(VPE)的试验计划。这一项目能使“虚拟探索者”(Virtual Explorer)利用虚拟环境来考察遥远的行星,他们的第一个目标是火星。早在1981年, NASA的Ames开始研究空间信息显示,1984年开始了虚拟视觉环境显示(VIVED)项目。Scott Fisher还开发了虚拟界面环境(VIEW)工作站。 NASA研究的重点放在对空间站操纵的实时仿真,大多是在NASA的约翰逊空间中心完成的。大量运用

24、了面向座舱飞行的模拟技术。对哈勃太空望远镜的仿真6.MIT媒体实验室(Media Lab)MIT研究人工智能、机器人和计算机图形及动画的先锋,这些技术是VR技术的基础。建立了一个名叫BOLIO的测试环境,用于进行不同图形仿真技术的实验。利用这一环境,MIT建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。 “虚拟蟑螂”：VR实验的一个原形。这个项目的目的在于学习如何在图形环境中表达与控制日常行为,这个项目取得了很大的成功。7.Loma Linda大学医学中心从事高难或或有争议医学项目研究将计算机图形及VR的设备用于探讨与神经疾病相关的问题,如帕金氏症、舞蹈症等。将VPL的数据手套笔为测量手颤动的工具将手的运动实时地在计算机上用图形表示出来,从而进行分析论断。8.人机界面技术实验室(Human Interface Technology Lab,HIT Lab)美国华盛顿大学华顿技术中心的一部分,它是于1989年由Tom Furness创办的。HIT发展VR的新技术,关心可能带来的技术与社会的影响。 将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域1991年,HIT发起了一场很有影响的研讨会,“虚拟环境技术产业研讨会”。参加的有波音公司等500家大型企业的代表,探讨