多媒体虚拟现实技术-专业讲座

第10章：虚拟现实技术虚拟现实技术概述虚拟现实系统分类虚拟现实系统组成虚拟现实技术研究内容虚拟现实关键技术虚拟现实应用虚拟现实所追求久远目标虚拟现实建模语言VRML使用VRML2.0结构虚拟世界第1页10.1虚拟现实技术概述虚拟现实定义虚拟现实发展及研究现实状况虚拟现实主要研究内容虚拟现实特点沉醉感MultimediaTechnology&Application*第2页10.1.1虚拟现实定义包含了三层含义：虚拟实体是用计算机来生成一个逼真实体，“逼真”就是要到达三维视觉，甚至包含三维听觉及嗅觉等；用户能够经过人自然技能与这个环境交互，这里自然技能能够是人头部转动、眼动、手势或其它身体动作；虚拟现实往往要借助一些三维传感设备来完成交互动作。MultimediaTechnology&Application*第3页虚拟现实技术示意图MultimediaTechnology&Application*第4页10.1.2虚拟现实发展1965年IvanSutherland提出虚拟现实基本思想1966年MIT林肯试验室第一个HMD样机完成,并融入力反馈装置1970年IvanSutherland研制成功第一个功效较为齐全HMD1975年MyronKrueger提出“人工现实”思想20世纪80年代虚拟现实深入发展，出现

”VirtualReality”(虚拟现实)一词20世纪90年代明确提出虚拟现实研究主要内容，虚拟现实技术飞速发展MultimediaTechnology&Application*第5页10.1.3虚拟现实研究现实状况国外研究北卡罗来纳大学(UNC)计算机系麻省理工学院(MIT)媒体试验室

洛玛琳达(LomaLinda)大学医学中心华盛顿大学人机界面技术试验室(HITLab)美国宇航局(NASA)Ames试验室伊利诺斯州立大学

其它机构国内研究北京航空航天大学计算机系

浙江大学（CAD&CG国家重点试验室、心理试验室）清华大学计算机科学和技术系西安交通大学信息工程研究所

北方工业大学CAD研究中心

中国科技开发院威海分院

其它机构MultimediaTechnology&Application*第6页10.1.4虚拟现实特点沉醉感(Immersion)视觉浸入听觉浸入触觉浸入嗅觉浸入与味觉浸入交互性(Interaction)构想性(Imagination)MultimediaTechnology&Application*第7页10.1.5沉醉感造成沉醉感原因是用户对计算机环境虚拟物体产生了类似于现实物体存在意识或幻觉。沉醉感必须具备三个要素：图象(imagery)交互(interaction)行为(behavior)沉醉感存在感存在感存在感存在感认知MultimediaTechnology&Application*第8页10.2虚拟现实系统分类依照虚拟现实与外界交互分类依照虚拟现实特点分类MultimediaTechnology&Application*第9页10.2.1依照虚拟现实与外界交互分类从虚拟现实与外界交互考虑能够分成三类：封闭式虚拟现实，即与外部现实世界不产生直接交互；开放式虚拟现实，即经过各种传感装置与外界组成反馈闭环；以上两类结合，即兼备封闭式或开放式特点，是一个较实用虚拟现实系统。MultimediaTechnology&Application*第10页10.2.2依照虚拟现实组成特点分类依照虚拟现实组成特点可分为：桌面虚拟现实系统，利用微机或低级工作站进行模拟，在一些专用硬件和软件支持下，参加者可在仿真过程中设计各种环境；临境虚拟现实系统，也称投入式虚拟现实系统。利用使参加者完全投入各种设备把用户视觉、听觉和其它感觉封闭起来，产生一个与世隔绝而被虚拟环境笼罩错觉，到达完全投入目标。分布式虚拟现实系统，在临境虚拟现实系统基础上将不一样用户联接在一起，共享同一个虚拟空间，使用户到达一个更高境界。传感真实环境控制虚拟环境表现虚拟环境

MultimediaTechnology&Application*第11页桌面虚拟现实系统与临境虚拟现实系统MultimediaTechnology&Application*第12页10.3系统组成虚拟现实系统由可交互虚拟环境、虚拟现实软件、虚拟现实硬件(包含计算机、虚拟现实输入输出设备)三部分组成虚拟现实系统模型在系统组成上普通包含检测、反馈、传感器、控制、三维模型及建模模块。桌面虚拟现实系统和临境虚拟现实系统之间主要差异在于：参加者身临其境程度，这也是他们系统结构、应用领域和成本都大不相同原因；前者以常规CRT彩色显示器和立体眼镜来增加身临其境感觉，主要交互装置为6自由度鼠标或三维操纵杆，后者采取HMD现实，主要交互装置为数据手套和头部跟踪器。MultimediaTechnology&Application*第13页虚拟现实系统基本组成输入设备虚拟现实软件虚拟世界计算机输出设备MultimediaTechnology&Application*第14页虚拟现实系统模型图操作虚拟环境反馈外部世界传感装置操作显示MultimediaTechnology&Application*第15页虚拟系统组成图虚拟环境现实世界系统建模3D模型检测反馈传感器控制用户MultimediaTechnology&Application*第16页桌面虚拟现实系统基本组成图虚拟环境发生器声音合成2

6自由度控制器立体视觉显示器触觉/视觉系统声音显示器声音合成MultimediaTechnology&Application*第17页临境虚拟现实系统基本组成图虚拟环境发生器头盔显示器/数据手套声音合成声音定位语言识别显示电子装置头/眼/手/体跟踪触觉/动觉系统命令图形图象头位置眼位置手位置MultimediaTechnology&Application*第18页MultimediaTechnology&Application*第19页10.4虚拟现实主要研究内容基于视觉、听觉、触觉和嗅觉逼真模拟世界生成技术三维实时动画视觉环境建模（体视图生成原理）空间定位和空间仿真技术

声像一体化仿真技术

虚拟环境中标定

人与技术融为一体临场感技术

宽视场立体显示技术

感知并识别用户视点改变，头、手、肢体、身躯动作和语音基于自然方式人机交互技术

快速、高精度三维跟踪技术

人原因与用户心理学研究

MultimediaTechnology&Application*第20页10.4虚拟现实主要研究内容虚拟环境控制系统

实时、低延时控制软硬件设计传感技术和传感设备研究多传感器数据融合遥感技术虚拟环境与现实环境一致性保持开发新非应用虚拟环境技术不可领域虚拟现实系统开发平台研制

分布式虚拟现实技术

虚拟现实实用系统开发MultimediaTechnology&Application*第21页10.5虚拟现实关键技术提升图形系统实时性三维位置方位跟踪与视觉、听觉、嗅觉等传感及识别技术高速计算能力及计算复杂性问题面向对象技术应用动态环境三维建模技术纹理贴图、全局光照建模技术、立体显示技术（体视图等）、几何建模（NURBS建模技术、过程建模技术）、运动建模、物理建模、基于图像建模等系统集成技术MultimediaTechnology&Application*第22页NURBS技术生成图像空间点左视图左视点右视点右视图体视图生成原理MultimediaTechnology&Application*第23页被动式立体投影原理MultimediaTechnology&Application*第24页10.6虚拟现实应用可视化研究与应用工程计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)医学方面应用军事模拟和飞行模拟教育和艺术遥在和遥控游戏和娱乐MultimediaTechnology&Application*第25页10.7虚拟现实技术所追求久远目标虚拟显示系统扩大人类感知和认知能力；虚拟技术必定会推进生产管理模式改变；虚拟技术不但支持着灵捷制造系统建立，而且能够使整个设计制造过程对用户是透明，使用户有可能参加设计；虚拟现实技术将引发设计制造业巨变；虚拟现实技术将造成医学革命；虚拟现实技术将促使遥在技术发展；虚拟现实技术帮助残疾人和增强残疾人自理能力；虚拟现实技术还将有效地辅助人类进行决议和行动。MultimediaTechnology&Application*第26页虚拟现实技术在设计中应用图象MultimediaTechnology&Application*第27页飞机机舱图象MultimediaTechnology&Application*第28页虚拟仪表图象MultimediaTechnology&Application*第29页水下航行模拟图象MultimediaTechnology&Application*第30页飞行模拟图象MultimediaTechnology&Application*第31页虚拟现实在军事训练中应用MultimediaTechnology&Application*第32页虚拟现实在医学上应用MultimediaTechnology&Application*第33页10.8虚拟现实建模语言VRML10.8.1概述

10.8.2VRML诞生与发展

10.8.3VRML2.0介绍

10.8.4VRML世界浏览和公布

10.8.5建模软件和创作工具

10.8.6开辟一个虚拟世界

MultimediaTechnology&Application*第34页10.8.1概述虚拟现实建模语言VRML（VirtualRealityModelingLanguage）是一个描述虚拟现实场景专用语言，其作用是描述三维场景方便建立交互式、可导航三维世界，可用于万维网WWW（和HTML一样）。VRML允许用有限交互行为结构虚拟世界，这些虚拟世界包含有同其它“世界”超链接对象VRML提供三维元素有站点地图、库、科学知识可视化代表、数据库可视化代表、模拟地理信息系统、交互式广告等。MultimediaTechnology&Application*第35页10.8.2VRML诞生与发展VRML提出（1994年春，第一届国际互联网络年会）VRML设计主要目标浏览器负责解释VRML文件，使VRML描述3D景象可见。当前VRML数据经过HTTP协议传输。VRML两个版本(1.0、2.0)VRML1.0存在问题：景象游历细节水平没有原型没有独一无二名字VRML2.0提出MultimediaTechnology&Application*第36页10.8.3VRML2.0介绍VRML2.0推出主要目标是扩展其静态景象描述语言从而使其成为虚拟现实描述语言，其中包含交互和对象行为以及对媒体规范，其中最主要改变表达在节点类型扩充上。VRML2.0是基于节点建模语言，共有54种标准节点类型，按功效分成9类。VRML2.0特点增强三维建模能力声音和动画交互式能力编程能力MultimediaTechnology&Application*第37页10.8.3VRML2.0介绍支持VRML世界交互行为三种设计模型扩展VRML语言规范，加入新代码和关键字，使之能很轻易地结合到扩展、开放VRML语言规范中去。提供与场景接口并实现外部脚本描述行为。在景象行为语言中嵌入VRML景象描述。扩展到多用户世界需要处理问题可缩放性持久性锁定同时行为协议代理MultimediaTechnology&Application*第38页10.8.4VRML世界浏览和公布支持VRML浏览器MicrosoftVRML2.0ViewerCosmo播放器其它VRML播放器VRML世界大多以.wrl为扩展名文件进行公布。为了让浏览器知道.wrl文件内保留是何种类型VRML，.wrl文件必须在顶部包含单独一行设置信息，除此之外，还包含一个三维世界描述。

MultimediaTechnology&Application*第39页MultimediaTechnology&Application*第40页10.8.5建模软件和创作工具三维建模软件和动画应用软件Alias|WavefrontAnimator、3Dstudio、Maya、LightWave等VRML文件转换器VRML创作工具MultimediaTechnology&Application*第41页MultimediaTechnology&Application*第42页10.8.6开辟一个虚拟世界基本框架设计构建物体并组成世界添加动画和脚本修改和测试MultimediaTechnology&Application*第43页MultimediaTechnology&Application*第44页10.9使用VRML2.0结构虚拟世界VrmlPad介绍使用VRML2.0利用节点构建静态形体让形体含有交互能力检测器(Sensor)节点观察点(Viewpoint)节点事件路由传递机制使用脚本节点定义行为场景中动画实现使用接触检测器，结合脚本节点实现动画使用时间检测器，结合脚本节点实现动画使用插补器，结合时间检测器实现动画MultimediaTechnology&Application*第45页10.10本

章

小

结虚拟现实技术基本概念虚拟现实系统分类与组成虚拟现实技术研究内容虚拟现实关键技术虚拟现实应用及久远目标虚拟现实建模语言VRML介绍VRML2.0使用MultimediaTechnology&Application*第46页附录#VRMLV2.0utf8

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MultimediaTechnology&Application*第47页附录#VRMLV2.0utf8Group{children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}

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返回MultimediaTechnology&Application*第52页附录#VRMLV2.0utf8DEFview1Viewpoint{position0010description"view1"}DEFview2Viewpoint{position4210description"view2"}Group{children[Transform{translation800children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}DEFtouchSensor TouchSensor{}]}DEFtouchscriptScript{eventInSFBooltouchSensorIsActiveeventOutSFBoolbindView2url"javascript:functiontouchSensorIsActive(){bindView2=TRUE;}"}ROUTEtouchSensor.isActiveTOtouchscript.touchSensorIsActiveROUTEtouchscript.bindView2TOview2.set_bind返回MultimediaTechnology&Application*第53页附录#VRMLV2.0utf8DEFboxTransform{rotation2220children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}DEFTouchSTouchSensor{}]}DEFrScript{eventInSFBoolstartRevolvingeventOutSFRotationrevolvefieldSFFloatangle0url"javascript:functionstartRevolving(){revolve[0]=2;revolve[1]=2;revolve[2]=2;revolve[3]=angle;angle+=0.1;}"}ROUTETouchS.isOverTOr.startRevolvingROUTEr.revolveTObox.set_rotation

返回MultimediaTechnology&Application*第54页附录#VRMLV2.0utf8DEFboxTransform{rotatio