虚拟现实ppt模版课件.ppt

1、虚拟现实,Mu Rui Assistant Professor, Dept. of MEE, Xiamen University, 361005, China Email: iris_,参考文献,汪成为. 人类认识世界的帮手虚拟现实.清华大学出版社，暨南大学出版社，2000年6月 周祖德等. 虚拟现实与虚拟制造. 湖北科学技术出版社，2005年2月 肖田园等. 虚拟制造. 清华大学出版社，2004年8月 William R. Sherman, Alan B. Craig. 虚拟现实系统接口、应用与设计. 电子工业出版社，2004年11月 李欣等. 虚拟现实及其教育应用. 科学出版社，2008年

2、6月 张树生等. 虚拟制造技术. 西北工业大学出版社，2006年2月,虚拟制造概述,DELMIA 数字化工厂,虚拟现实（Virtual Reality） 虚拟现实技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。,虚拟制造概述,丰田公司利用VR技术改进上车下车的舒适度,虚拟与现实,Question?,知识改变命运，数码改变生活，虚拟改变什么？,什么是虚拟现实,人类在不断地认识世界和改造世界时仍迫切需要 各种强有力的工具，用工具来增强、延伸、扩大自己 的感官、肢体和大脑的功能。,能够基于对研究对象的认

3、识，根据研究问题的需要，提供一个具有尽可能逼真的虚拟对象、虚拟环境的虚拟世界； 帮助我们沉浸在这个虚实结合的环境中，身临其境地体验这个虚拟世界中的一切，在这样的环境中研究和分析问题； 能够根据需要，灵活地扩大或缩小虚拟世界的时间尺度和空间尺度。例如，在数秒内观察地壳的演变历程，在数分钟内细细品味子弹穿过玻璃时的精细过程，亲眼领略火星探测车降落火星时的壮观场面。 能够帮助我们跟虚拟世界交流，跟虚拟世界发生相互作用，我们不只是能够移动和触摸虚拟世界中的虚拟物体，还能在虚拟世界的街巷楼宇之间漫游。,Dream： 晋代儒学家陆机“文赋”： 观古今于须臾，抚四海于一瞬。 创建一个时域与空域可变的虚拟世界

4、，人与这个世界 的关系是： 沉浸其中，超越其上，进出自如，交互作用。,虚拟现实技术的前身,中国古代（公元前468年-公元前376年）的战国时期 据“墨子. 鲁问”记载“公输般竹木为鹊，成而飞之，三日不下”。 人们在风筝上系上竹哨，利用风吹竹哨，声如筝鸣，故称“风筝”。,虚拟现实技术的诞生,1961年Morton HeiligSensorama “沉浸式虚拟环境”概念的先驱者 1962年 J.C.R.Licklider被任命为美国国防高级研究计划局（DARPA）信息处的处长 “人计算机共生”(Man-Computer Symbiosis) 1962年，Licklider主持计算机图形处理的研讨会

5、 MIT: Ivan Sutherlandsketchpad 1965年 Ivan Sutherland发表“终极的显示” 将计算机的显示屏进化为“观看虚拟世界的窗口” “只要运用恰当的计算机程序，就有可能在计算机的屏幕上重现文学上的爱丽丝漫游仙境的绚丽奇景”,虚拟现实技术的发展,60年代 Ivan Sutherland的“终极显示”，Ivan Sutherland的博士论文: SKETCHPAD: stereo HMD, position tracking, and a graphics engine 1966年Sutherland 在MIT 研究了HMD (Head Mounted Dis

6、play) 1967， Tom Furness: display systems for pilots,Ivan Sutherlands HMD (1966+),1966年，Sutherland在MIT林肯实验室开始研制人类的第一个头盔显示器（HMD） TX-2计算机、限幅除法器、矩阵乘法器、矢量生成器、头盔和头部位置跟踪器。 Nicolas Negroponte推动虚拟现实应用的先锋 1976年提出研制具有随机存取功能的多媒体系统。 1979年在MIT成立了媒体实验室，特别邀请建筑大师贝聿铭设计了一座在多媒体技术、人机接口技术、人工智能技术、虚拟现实技术等领域中一直享有盛名的建筑。 1981

7、年，Michael McCreevey “空间感知和先进显示”,虚拟现实技术的诞生,1985年， Michael McCreevey建成了供航空和航天人员使用的虚拟现实环境。 J.Zimmermn和Jaron Lanier (MIT)合作发明了一种在每个活动关节上都配有传感器的特殊手套。,虚拟现实技术的诞生,虚拟现实技术的发展,70年代 1977，Brooks 开发了力反馈系统 GROPE 1977， Sandin and Sayre发明了 具有弯曲度感知的数据手套 1979 ，Raab 等人发明了 Polhemus 跟踪系统,GROPE,虚拟现实技术的发展,80年代 1980年，SIMNET

8、计划 1989年，Jaron Lanier杜撰了新词“virtual reality” 1989年，NASA发明LCD HMD ，开发了“Virtual Interface Environment Workstation” (VIEW),虚拟现实技术的发展,90年代 NASA的VIEW继续研究 Large simulation and training needs; Could not send humans to other planets; Relatively small budgets STOW计划 The Synthetic Theater of War-Architecture 军

9、事 仿真 国内DVENET 1996年开始,清华大学 浙江大学 北京航空航天大学 上海大学 中科院计算所,虚拟现实技术的发展,虚拟现实技术的概念,背景 从60年代末起，在计算机技术的支持下已对科学计算提出可视化的要求 不仅仅是获得和计算数据，并且要解释数据、理解数据。即把计算所得的数字信息转换为直观的、用视频或声频信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或模拟的物理现象 先进的科学计算将能洞察到传统科学计算所不可能看见的结果（To see the unsee），可视化是把某些不可见对象或抽象事物转化为可见的、可感知的结果 “ The purpose of computing is insight

10、, not number ” -Richard Hamming, Numerical Methods for Scientists and Engineers,虚拟现实技术的概念,背景（续） 自90年代初起，在高性能计算的支持下要求实现沉浸式、协同式的可视化计算 人机和谐、定性定量结合是创造性研究的源泉，要求不仅仅是观察计算所得的数据，希望还能感受计算所得的形象结果和全局观念 研究人员甚至还希望能沉浸在计算所得、计算所创建的三维空间中，能交互地控制、驾驭和修改所“看见和感受到”的计算结果 为研究人员在认识世界和改造世界时，提供了有效的、定性和定量相结合的研究手段，为创建和谐的人机环境提供基础,

11、虚拟现实技术的概念,背景（续） 自90年代中旬以来在网络计算技术的支持下要求实现协同式的可视化计算 解决复杂问题，必须跨领域合作集体攻关 网络技术已基本成熟，基于网络计算可实现资源共享 基于统一的开放体系框架结构、应用程序接口和面向对象的中间件，已能实现“优势互补”、“即插即用”的协同式的可视化计算,虚拟现实技术的概念,背景（续） 总之，高性能计算机为沉浸式、协同式的可视化计算提供基础 高性能计算机和高性能网络技术 大量的、快速的、分布的、基于网络的数值计算 开放体系结构、中间件、人机接口和经验模型的建立 把数据映射成可视化的、具有某种物理属性的对象（虚物实化） 把实物转化为可融入虚拟环境的虚

12、拟对象（实物虚化）,虚拟现实技术的概念,背景（续） 前30年计算机技术的发展，减少人的认知空间和计算机的处理空间的差异,人思考问题的认知空间 并行的 多维的 开放的 归纳演绎,传统计算机的处理空间 串行的 单维的 封闭的 预定程序,建立和谐人机环境 M大规模并行 M多媒体 O开放系统 O面向对象 N网络计算 逐步减小人和 机器间的隔阂,虚拟现实技术的概念,背景（续） 后20年计算机技术的发展，从MMOON到AKV有望实现和谐的人机环境 Archive Storage and Processing - 海量信息存储与处理 Knowledge Processing - 知识处理 Visualize

13、d Computing & Virtual Reality - 可视化计算与虚拟现实,虚拟现实技术的概念,虚拟现实 Virtual Reality 钱学森院士翻译为“灵境” Virtual的英文本意是表现上具有真实事物的某些属性，但本质上是虚幻的。Reality的英文本义是 真实而不是 现实 是一种基于可计算信息的沉浸式人机交互环境 虚拟现实是利用计算机构造一个视景真实、动作真实、声音真实、感觉真实的虚拟环境(Virtual Environment)的技术,虚拟现实技术的概念,虚拟现实（续） 采用以计算机技术为核心的现代高技术生成逼真的视、听、触觉一体化的一定范围的虚拟环境，用户可以借助必要的

14、装备以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响，从而获得亲临等同真实环境的感受和体验（赵沁平等定义） A high-end user-computer interface that involves real-time simulation and interaction through multiple sensorial channels (vision, sound, touch, smell, taste),虚拟现实的定义,狭义 用于创建人造世界的计算机系统，在这个世界里，使用者有沉浸于其中的感觉，能在其内漫游并能操纵其内的物体。 广义 指由计算机技术所创建的三维环境。这个环

15、境既可以是虚拟想象的三维环境（三维可视化），也可以是对真实世界的三维模拟。,虚拟现实是利用计算机生成一种三维模拟环境，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。,虚拟现实的定义,传感设备包括：立体头盔、数据手套、数据衣等。,自然交互指日常使用的方式对虚拟环境中的物体进行操作并得到实时立体反馈。,虚拟现实技术的概念,VR的特征 沉浸感 （Immersion） 用户产生一种沉浸于虚拟环境的感觉 （视觉、听觉等） 交互性（Interaction） 虚拟现实环境可以通过控制与监视 装置影响或被使用者影响 想象性 （Imagination） 可感知形式反映了设计者

16、的思想,沉浸 （Immersion） VR系统的核心，表示用户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力，用户在虚拟场景中有身临其境之感。 交互性 （Interaction）用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力，它是人机和谐的关键性因素。交互性包含对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度，以及虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等。VR 是自主参考系，即以用户的视点变化进行虚拟交换。 构想 （Imagination） VR不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。因此 ，VR是启发人的创造性思维的活动。,虚拟现实特征3I图

17、,虚拟现实与仿真的区别,设备：三维立体眼镜,立体眼镜是用于3D模拟场景VR效果的观察装置，它利用液晶光阀高速切换左右眼图像原理，有有线和无线之分，可支持逐行和隔行立体显示观察，也可用无线眼镜进行多人团体VR效果观察，是目前最为流行和经济适用的VR观察设备。,设备：数据手套,数据手套是虚拟现实应用的主要交互设备，它作为一只虚拟的手或控件用于3DVR场景的模拟交互，可进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制，有有线和无线、左手和右手之分，可用于WTK、Vega等3D VR或视景仿真软件环境中。,设备：头盔显示器,头盔显示器（又称数据头盔或数 字头盔）是虚拟现实应用中的 3DVR图形显示与观察设备，可

18、单独与主机相连以接受来自主机 的3DVR图形信号。使用方式为 头戴式，辅以空间跟踪定位器可 进行VR输出效果观察，同时观察 者可做空间上的自由移动，如； 自由行走、旋转等，VR效果非常 好，沉浸感极强，在VR效果的观 察设备中，头盔显示器的沉浸感 优于立体眼镜。,设备：三维空间交互球,三维空间交互球是虚拟现实应用中的另一重要的交互设备，用于六个自由度VR场景的模拟交互，可从不同的角度和方位对三维物体观察、浏览、操纵；也可作为3D Mouse来使用；并可与数据手套或立体眼镜结合使用，作为跟踪定位器。也可单独用于CAD/CAM， (Pro/E、UG)。,设备：位置跟踪器,三维空间跟踪定位器是VR系

19、统中用于空间跟踪定位的装置，一般与其他VR设备结合使用，如：数据头盔、立体眼镜、数据手套等，使参与者在空间上能够自由移动、旋转，不局限于固定的空间位置，操作更加灵活、自如、随意。产品有六个自由度和三个自由度之分。,位置测量原理,根据刚体动力学分析，能够用运动物体上参考点的坐标表示该物体的位置坐标，并通过测量该参考点到空间三个静止的非共线点之间的距离唯一确定,设备：力反馈器,力反馈器是VR研究中的一种重要的设备，该设备能使参与者实现虚拟环境中除视觉、听觉之外的第三感觉触觉和力感，进一步增强虚拟环境的交互性，从而真正体会到虚拟世界中的交互真实感，该设备广泛应用于虚拟医疗、虚拟装配等诸多领域。 触觉

20、反馈分为：接触反馈和力反馈。,设备：三维显示器,这种三维显示器并不需要使用者在头部佩戴任何特制眼镜之类的装备，而是应用当前的计算机的计算能力回放或实时渲染显示三维影像。,视觉显示技术,立体视觉 一般地，人脑有两类用以感知物体深度（立体感）的信息：绝对距离和相对距离。 人脑从四个方面获得深度信息： 静态图像的深度信息； 运动中产生的深度信息； 生理上的深度信息（眼球的转动、晶状体的调解）； 双目视差产生的深度信息。,方法是为每只眼睛各产生一幅图象，左右两幅图象是通过 把视点左右各偏移两眼距离的一半而计算出来的，用户可以分 别用左右眼盯着这两幅图象，然后将目光交汇在一起；或者使 图象通过不同偏振滤

21、光镜，用户佩带相应的滤光眼镜。此外， 用户还可以佩带显示同步的液晶快门眼镜（LC快门眼镜）观察 在监视器上快速交错显示的左右两幅图象，大脑会将它们合成 为立体景象。,视觉显示技术,多通道立体投影系统, 专业的VR-Platform多通道投影系统 采用5台高亮度等离子显示器（最多可支持24台） 每台等离子显示尺寸为1020 X 610 mm（可替换为更大尺寸） 可支持24个通道同步显示 高沉浸感的虚拟现实仿真显示系统 演示效果出色，适合大中型机构或项目使用,虚拟现实体验的四个关键要素,虚拟世界 沉浸 虚拟现实最简化的定义：在另一个现实或视点下的沉浸。 感觉反馈 交互性,虚拟现实的类型,桌面式虚拟

22、现实系统 沉浸式虚拟现实系统 分布式虚拟现实系统 增强式虚拟现实系统,桌面虚拟现实,桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。,沉浸式虚拟现实,高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。,桌面虚拟现实系统和沉浸式虚拟现实系统比较,（1）沉浸度差异 桌面虚拟现实系统采用CRT彩色显示器和三维立体眼镜 增加身临其境感觉，而沉浸式虚拟现实系统则采用头盔显示 器（HMD）增强身临其境感觉。 （2）交互装置差异 桌面虚拟现实系统采用的交互装置是六自由度鼠标器或 三维操纵杆，而沉浸式虚拟现实系统采用的是数据手套和头盔。,增

23、强现实的虚拟现实,增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。,分布式虚拟现实,如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。,分布式虚拟现实系统的应用,分布式虚拟现实系统在远程教育、工程技 术、建筑、电子商务、交互式娱乐、远程医疗、 大规模军事训练等领域都有着极其广泛的应用 前景。利用它可以创建多媒体通信、设计协作 系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区 全新的应用系统。,虚拟现实技术的应

24、用,应用广泛 Helsel与Doherty曾对全世界范围内已经进行的805项VR研究项目作了统计 ，主要分布在：,影视娱乐对虚拟现实发展的影响,1995年11月 Disney 和 Pixar “玩具总动员” 76个角色，11.4万个画面 1998年11月 “虫虫特工队” 侏罗纪公园 金刚,钢铁侠,Windows 7多点触摸技术,2008.5.28 Julie Larson-Green,虚拟现实技术的应用,医学 在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，可以很容易了解人体内部各器官结构 Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外

25、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及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术 远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测,虚拟现实技术的应用,军事仿真 SIMNET、NPSNET、DVENET（国内北航） 航天技术 “ 火星探路者”利用三维虚拟的环境对火星车进行全面的仿真，当一切确定无误后把指令发送给位于1.9亿公里外的火星车，火星车行进后所获得的数据经过11分钟延迟后送回NASA的JPL,虚拟现实模拟仿真的实战训练案例,1976年

26、 103名以色列人 法国航空公司 雅典 非洲乌干达“恩德培机场”,VR的四个重要特征,多感知性 除了一般的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉感知等。 存在感 指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。 交互性 指用户对模拟环境内物体的可操作程度和环境得到反馈的自然程度。 自主性 指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。,实现虚拟现实的关键技术支持,硬件方面 跟踪系统：确定参与者头、手和躯干的位置； 触觉系统：提供力与压力的反馈； 音频系统：提供立体声源和判定空间位置； 图像生成和显示系统：产生空间图像和立体显示； 高性能计算机处理系统：具有高处

27、理速度，大存储容量、强联网特性。 软件方面 能够接收高性能传感器的信息，如头盔的跟踪信息； 能生成立体的显示图形，并可对虚拟环境作实时渲染； 能提供对各种数据库、各种CAD软件进行调用和互联的集成环境。,在虚拟现实系统中，为了使人与计算机能够融洽的交互，让人沉浸到计算机所创造的虚拟环境中去，必须配备相应的硬件设备。常用的交互设备包括： 跟踪系统 跟踪系统的任务是要实时检测出虚拟现实系统中人的头、身体和手的位置与指向，以便把这些数据反馈给控制系统，生成随视线变化的图象。 电磁跟踪电磁跟踪系统由励磁源、磁接收器和计 算模块组成。励磁源由 3个磁场方向相互垂直的交流 电流产生的双极磁源构成，磁接收器由3套分别测试3 个励磁源的方向上相互垂直的线圈组成，经3次测 量，可以测得9个数据，由此可确定被测目标的6个参 数，即空间坐标x、y、z和旋转角、。,虚拟现实系统的硬件,声学跟踪利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差及声压差，可以进行定位与跟踪。与电磁跟踪法相似，超声波式传感器也有