多媒体技术与应用虚拟现实技术教程

1、第八章 虚拟现实技术与系统开发8.1 虚拟现实技术概述 8.1.1 虚拟现实技术的概念 8.1.2 虚拟现实技术的特征 8.1.3 虚拟现实系统的分类 8.1.4 虚拟现实技术的运用 8.2 虚拟现实系统的组成 8.2.1 虚拟现实系统的硬件设备 8.2.2 虚拟现实系统的开发软件 8.3 虚拟现实系统的开发 8.3.1 Virtools软件特点及任务流程 8.3.2 Virtools软件的界面与工具简介 8.3.3 建模与模型导入 8.3.4 角色动作与挪动控制 8.3.5 场景属性设定 8.3.6 系统的输出学习目的1.掌握虚拟现实技术的相关概念和关键特性；2.了解虚拟现实系统的组成；3.

2、了解虚拟现实系统的开发流程；4.掌握Virtools虚拟现实软件的根本操作。 8.1.1虚拟现实技术 虚拟现实技术就是采用以计算机技术为中心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围内虚拟的环境如飞机驾驶舱、分子构造世界。 6. 虚拟现实技术(Virtual Reality)从本质上讲,虚拟现实技术是一种崭新的人机界面,是三维的,对物理现实的仿真.虚拟现实系统实践上是一种多媒体计算机系统,它利用多种传感器输入信息仿真人的各种觉得,经过计算机高速处置,再由头盔显示器,声音输出安装,触觉输出安装及语音合成安装等输出设备,以人类感官易于接受的方式表现给用户.虚拟现实技术能实现人与环境的一致,

3、仿真人在自然环境之中.人的觉得是多方面的,要想使处于虚拟现实中的人在各种觉得上都能仿真是很困难的,要到达智能就更困难了.但是,虚拟现实技术提供了一种崭新的人机界面设计的方向,在国民经济许多领域都会有重要运用,是多媒体系统重要的开展方向. 虚拟现实技术它综合集成了计算机图形学,人机交互技术,传感与丈量技术,仿真,人工智能,微电子等科学技术 虚拟现实技术主要运用于工程设计,数据可视化,飞行模拟,模拟实验,多媒体远程教育,远程医疗,旅游文娱等方面 网络通讯与虚拟现实技术的结合具有诱人的前景和宏大的潜在运用价值,它将在某种程度上改动人类的思想方式和时空观,实现真正意义上的远程交互式教育 虚拟现实技术的

4、开展必需有大容量的数据存储,快速的数据处置和宽频信息通道的技术支撑 虚拟现实技术所谓虚拟现实,就是采用计算机技术生成一个逼真的视觉,听觉,触觉及嗅觉的觉得世界,用户可以用人的自然技艺对这个生成的虚拟实体进展交互调查.这个概念包含三层含义:- 虚拟实体用计算机来生成的一个逼真的实体;- 用户可以经过人的自然技艺(人的头部转动,眼动,手势或其它的身体动作)与这个环境交互;- 要借助于一些三维传感设备来完成交互动作,常用的如头盔立体显示器,数据手套,数据服装,三维鼠标等. 虚拟现实技术它综合集成了计算机图形学,人机交互技术,传感与丈量技术,仿真,人工智能,微电子等科学技术 虚拟现实技术主要运用于工程

5、设计,数据可视化,飞行模拟,模拟实验,多媒体远程教育,远程医疗,旅游文娱等方面 网络通讯与虚拟现实技术的结合具有诱人的前景和宏大的潜在运用价值,它将在某种程度上改动人类的思想方式和时空观,实现真正意义上的远程交互式教育 虚拟现实技术的开展必需有大容量的数据存储,快速的数据处置和宽频信息通道的技术支撑 8.1.2虚拟现实技术的特征 沉浸性Immersion3I想象性Imagination交互性Interactivity沉浸性交互性想象性8.1.3虚拟现实系统的分类1按虚拟世界模型的建立方式分类 1影像式虚拟现实 影像式虚拟现实又分为针对环境的全景虚拟现实和针对物体的环物虚拟现实两类 全景虚拟现实

6、 环物虚拟现实8.1.3虚拟现实系统的分类23D/VR虚拟现实 3D/VR虚拟现实Polygon base Virtual Reality是运用三维模型设计软件，经过多个多边形组合成一个三维模型，再给模型添加上纹理、材质、贴图等完成虚拟场景及人物的三维呈现。图8-4 3D/VR虚拟现实2按虚拟现实系统的功能和实现方式分类1桌面式虚拟现实3D/VR虚拟现实2沉浸式虚拟现实系统 沉浸式虚拟现实系统Immersive VR是一种高级的、较理想的虚拟现实系统，它提供一个完全沉浸的体验，运用户有一种仿佛置身于真实世界之中的觉得。它通常采用洞穴式立体显示安装CAVE系统或头盔式显示器HMD等设备，首先把用

7、户的时间、听觉和其他觉得封锁起来，并提供一个新的、虚拟的觉得空间，利用三维鼠标、数据手套、空间位置跟踪器等输入设备和视觉、听觉等设备，运用户产生一种身临其境、完全投入和沉浸于其中的觉得 图8-6沉浸式虚拟现实系统 3加强现实系统 加强现实AR Augmented Reality是一个较新的研讨领域，是一种利用计算机对运用者所看到的真实世界产生的附加信息进展景象加强或扩张的技术 .加强现实系统是利用附加的图形或文字信息，对周围真实世界的场景动态地进展加强。在加强现实的环境中，运用者可以在看到周围真实环境的同时，看到计算机产生的加强信息。图8-7加强现实头盔显示器 4分布式虚拟现实系统 分布式虚拟

8、现实系统DVR是指一个支持多人实时经过网络进展交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，经过计算机与其它用户进展交互，并共享信息。8.1.4 虚拟现实技术的运用 军事模拟数字城市工业仿真数字教学数字文娱电子商务8.2 虚拟现实系统的组成 一个典型的虚拟现实系统主要由计算机、输入输出设备、虚拟现实设计/阅读软件运用软件系统等组成。用户以计算机为中心，经过输入输出设备与运用软件设计的虚拟世界进展交互。 8.2虚拟现实系统构成 计算机头盔显示器3D立体显示器3D立体眼镜CAVE 展现系统影象分别器力反响系统虚拟现实设计/ 阅读软件游戏手柄/摇杆3D鼠标器3D数据手套位置追踪器动作捕捉器输出设备输

9、入设备虚拟世界虚拟现实设计/ 阅读软件8.2.1虚拟现实系统的硬件设备1输入设备13D鼠标器 2数据手套8.2.1虚拟现实系统的硬件设备3位置追踪器 三维定位跟踪设备是虚拟现实系统中关键传感设备之一。它的义务是检测位置与方位，并将其数据报告给虚拟现实系统。8.2.1虚拟现实系统的硬件设备43D扫描仪 三维扫描仪是当前运用的对实践物体三维建模的重要工具，能快速方便地将真实世界的立体彩色的物体转换为计算机能直接处置的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。8.2.1虚拟现实系统的硬件设备5动作采集器 运动采集系统利用网络衔接的运动捕捉摄像机和其它相应设备来进展实时运动捕捉和分析 8.2.1虚拟现实

10、系统的硬件设备2输出设备 1头盔显示器 23D立体眼镜8.2.1虚拟现实系统的硬件设备33D立体显示器 运用特殊的光学元件改动显示器和人眼的成像系统。利用通用的TFT LCD液晶显示器作为图像显示部件，经过科学设计符合立体显示照明原理的照明板部件，与液晶盒精细装配在一同组成裸眼立体显示屏，配合电路系统和显示软件完成裸眼立体显示器的系统构造设计。8.2.1虚拟现实系统的硬件设备4CAVE 展现系统 CAVE洞穴式是一种基于多通道视景同步技术和立体显示技术的房间式投影可视协同环境 .该系统可提供一个房间大小的最小三面或最大七十六面2004年立方体投影显示空间，供多人参与，一切参与者均完全沉浸在一个

11、被立体投影画面包围的高级虚拟仿真环境中，借助相应虚拟现实交互设备如数据手套、力反响安装、位置跟踪器等，从而获得一种身临其境的高分辨率三维立体视听影像和6自在度交互感受。8.2.2虚拟现实系统的开发软件1建模工具软件 在建筑设计、游戏场景及角色设计和动画设计等数字文娱领域比较通用的有Autodesk公司的3DS Max和Maya，Avid公司的Softimage XSI及NewTek公司的Lightwave等；在飞机设计、船舶设计、汽车设计等工业机械设计领域主要被法国达索公司Dassault Systemes的Catia，美国PTCParametric Technology Corporatio

12、n公司的Pro/EPro/Engineer和美国UGS公司的UGUnigraphics三大厂商的产品占据主流市场。8.2.2虚拟现实系统的开发软件2虚拟现实交互设计工具软件 虚拟现实技术的迅猛开展 ，从美国Sende8公司开发的WTKWorldToolKit，到在军事仿真领域占据统治位置的美国MultiGen-Paradigm公司的Vega及开展到后来的Vega Prime，另外包括Virtools、Cult 3D、EON Studio、Quest3D、Anark等Web 3D技术。8.3 虚拟现实系统的开发 虚拟现实系统的开发三个步骤:第一步：虚拟现实作品三维模型建立，包括设计3D型、3D场

13、景、贴图、骨骼系统、 角色动作等等。第二步：虚拟现实作品交互设计，对第一步建立的三维模型进展整合、参与互动、物体行为、镜头特效、光影效果、粒子效果等。第三步：系统集成，即将输入输出设备与虚拟现实作品内容整合起来，完成读取虚拟世界资料、接纳输入设备信号、送交计算机运算、将结果传到输出设备等功能，构成一套完好的系统，以供用户运用。三维建模辅助硬件设备三维扫描仪动作捕捉器三维建模软件3DS MaxMayaLightwaveSoftimageAuto CadCatiaPro/EUG输入设备数据手套运动跟踪器摄像头三维鼠标输出设备数字头盔影分别器CAVE系统力反响系统立体显示器运用领域虚拟现实软件作品内

14、容VegaVirtools工业仿真军事模拟数字城市数字文娱数字教学电子商务8.3.1 Virtools软件特点及任务流程 Virtools 是一套整合软件，可以将现有常用的文件格式整合在一同，如3D的模型、2D图形或是音效等。Virtools 不是3D Engine，Virtools 是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件，可以制造出许多不同用途的3D产品 .Virtools软件的特点 Virtools软件开发流程 Virtools 4根本平台部分就拥有超越500个以上的互动模块可供运用，经由编辑后的互动模块群可以组合成一个新的单一互动模块以方便反复运用、编辑，甚至可以交换

15、或卖给需求的运用者。 8.3.2 Virtools软件的界面 8.3.2 Virtools软件的界面 Virtools的编辑界面以许多的Tab所组成，每一个编辑器、设定界面等都放在Tab中。13D Layout Virtools 3D场景编辑区域 8.3.2 Virtools软件的界面2Building Blocks 行为模块组库 8.3.2 Virtools软件的界面3Virtools Resources Virtools外部资源库 8.3.2 Virtools软件的界面4Level Manager Virtools内部资源管理器 8.3.2 Virtools软件的界面5Schematic

16、Virtools脚本编辑区域 8.3.2 Virtools软件的界面63D Layout 工具形变工具. 对象建立工具 .场景阅读工具 8.3.3建模与模型导入1静态场景输出1安装Plug-in For 3DS MAX。2执行File/Open命令 8.3.3建模与模型导入3执行File/Expor命令。Step 1选择存档类型，并输入文件称号 8.3.3建模与模型导入Step 2在Virtools Export对话框中，选择“Export as Objects，然后按“确定即可完成场景的输出。 8.3.3建模与模型导入2动态主角与动作1执行File/Open命令 8.3.3建模与模型导入2执

17、行File/Export命令 Step 1在图8-34中选择存档类型，并输入文件称号。 8.3.3建模与模型导入Step 2选择“Export as a Character，并输入“Character Name的称号，按“OK确定。3输入场景与人物至Virtools中测试。 8.3.4角色动作与挪动控制1开启资源文件Resources 8.3.4角色动作与挪动控制2参与场景、人物 8.3.4角色动作与挪动控制3参与人物动作，将一切的动作全选后，拖曳至角色Warrior上。 8.3.4角色动作与挪动控制4参与挪动控制 运用的行为模块为：1Character ControllerCharacter

18、s / Movement 8.3.4角色动作与挪动控制2Keyboard ControllerController / Keyboard 8.3.4角色动作与挪动控制Step 1分别将Character Controller、Keyboard Controller行为模块加至角色“武士上。Character Controller设定 8.3.4角色动作与挪动控制直接将Keyboard Controller拉至人物主角即可。完成后 8.3.4角色动作与挪动控制Step 2按Play 钮执行测试结果如图。8.3.5场景属性设定1重力属性设定1场景部分的设定Step 1 在欲设定为地板的物体上按鼠标

19、右键，选择第一项 “Show 3D Object Setup。8.3.5场景属性设定 Step 2 画面下方会出现 “3D Object Setup的Tab，如图。选择 “Attribute，将会显示此物的属性。8.3.5场景属性设定Step 3点选 “Create Attribute8.3.5场景属性设定Step 4展开“Floor Manager，选择 “Floor，再按 “Add Selected。完成后按 “Close。Step 5设置结果如下图。8.3.5场景属性设定2人物主角部分的设定 设定完成地板的属性后，还要再新增一个行为模块作用于角色上，通知Character必需站在我们所设

20、定的地板上，运用Building Blocks。 Enhance Character Keep On Floor ( Character / Constraint ) “Enhanced Character Keep On Floor行为模组 图8-49 武士角色的脚本 2碰撞属性设定 1设定碰撞属性 假设场景中欲设定为碰撞的物体不多时，可用此方法，设定的方法与添加地板属性类似。Step 1在欲设定为碰撞的物体上按鼠标右键，出现如下图的选单，选择第一项 “Show 3D Object Setup。图8-50 碰撞属性设定图8-51 添加碰撞属性Step 2画面下方会出现 “3D Object

21、Setup的Tab，选择 “Attribute，将会显示此物的属性。Step 3点选 “Create Attribute，出现如下图的对话框。Step 4展开“Collision Manager，选择 “Fixed Obstacle，再按 “Add Selected。完成后按 “Close .Step 5在人物主角的部分，参与BB：Prevent from Collision(Collision / 3D Entity)。Step 6 按Play 钮执行测试结果。2运用Group 此为较方便的方法，可以不用为每一个妨碍物设定碰撞属性，只需将物体参与指定的Group中，再由行为模块“Object

22、 Slider控制即可。 运用的行为模块Object SliderCollisions / 3D Entity Step 1点选 “ Create Group Step 2重新命名此Group的称号，以方便辨识,这里命名为“Collision Group。Step 3 在 Level View的3D Object中，将欲设定为妨碍物的物体，迁延至新增的Group中。Step 4将Object SliderCollisions / 3D Entity 行为模块加在角色上，出现一个对话框，将其中的参数设定,Group设定为刚刚新增的 Collision Group。图8-55 “Object Slider行为模块参数设置Step 5 按Play 钮执行测试结果。3运用Grid 运用的行为模块 Layer Slider Grid Step 1 建立一个新的GRID。点选 “ Create Group，如下图。Step 2将GRID缩放至适当的位置。Step 3 在GRID Setup中，图8-58所示的红色圈选的区域内按鼠标右键，会出现“New Layer Type选项，以鼠标左键选择此项，就可以新增一个 “Layer Type。Step 4将新增的Layer称号定为“Collision，以方便辨识 Step 5将此新增的Layer迁延至左方的区域中 Step 6确定C