多媒体虚拟现实技术-专业讲座.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Multimedia Technology&Application *,Multimedia Technology&Application *,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VRML 2.0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,Multimedia Technology&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。,Multimedia Technology&Application *,第3页,虚拟现实技术示意图,Multimedia Technology&Application *,第4页,10.1.2 虚拟现实发展,1965年 Ivan Sutherland 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 Ivan Sutherland 研制成功第一个功效较为齐全HMD,1975年Myron Krueger,提出“人工现实”思想,20世纪80年代 虚拟现实深入发展，出现,”,Virtual Reality,”,(,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,Multimedia Technology&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,(,Loma Linda),大学医学中心,华盛顿大学人机界面技术试验室,(HIT Lab),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,Multimedia Technology&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,),Multimedia Technology&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,Multimedia Technology&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,Multimedia Technology&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。,Multimedia Technology&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,Multimedia Technology&Application *,第11页,桌面虚拟现实系统与,临境虚拟现实系统,Multimedia Technology&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。,Multimedia Technology&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,Multimedia Technology&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,Multimedia Technology&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,Multimedia Technology&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,Multimedia Technology&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,Multimedia Technology&Application *,第18页,Multimedia Technology&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,Multimedia Technology&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,Multimedia Technology&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,Multimedia Technology&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,Multimedia Technology&Application *,第23页,被动式立体投影原理,Multimedia Technology&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,Multimedia Technology&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。,Multimedia Technology&Application *,第26页,虚拟现实技术在设计中应用图象,Multimedia Technology&Application *,第27页,飞机机舱图象,Multimedia Technology&Application *,第28页,虚拟仪表图象,Multimedia Technology&Application *,第29页,水下航行模拟图象,Multimedia Technology&Application *,第30页,飞行模拟图象,Multimedia Technology&Application *,第31页,虚拟现实在军事训练中应用,Multimedia Technology&Application *,第32页,虚拟现实在医学上应用,Multimedia Technology&Application *,第33页,10.8 虚拟现实建模语言VRML,10.8.1,概述,10.8.2 VRML,诞生与发展,10.8.3 VRML2.0,介绍,10.8.4 VRML,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,Multimedia Technology&Application *,第34页,10.8.1,概述,虚拟现实建模语言,VRML,（,Virtual Reality Modeling Language,）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。,Multimedia Technology&Application *,第35页,10.8.2 VRML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,Multimedia Technology&Application *,第36页,10.8.3 VRML2.0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,Multimedia Technology&Application *,第37页,10.8.3 VRML2.0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,Multimedia Technology&Application *,第38页,10.8.4 VRML,世界浏览和公布,支持VRML浏览器,Microsoft VRML 2.0 Viewer,Cosmo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。,Multimedia Technology&Application *,第39页,Multimedia Technology&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|Wavefront Animator、3D studio、Maya、LightWave等,VRML文件转换器,VRML创作工具,Multimedia Technology&Application *,第41页,Multimedia Technology&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,Multimedia Technology&Application *,第43页,Multimedia Technology&Application *,第44页,10.9,使用,VRML 2.0,结构虚拟世界,VrmlPad介绍,使用VRML 2.0,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,Multimedia Technology&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,VRML 2.0使用,Multimedia Technology&Application *,第46页,附录,#VRML V2.0 utf8,Group children Shape geometry Box ,Multimedia Technology&Application *,第47页,附录,#VRML V2.0 utf8,Group children Shape,appearance Appearance,material Material diffuseColor 1 0 0 ,geometry Box ,Multimedia Technology&Application *,第48页,附录,#VRML V2.0 utf8,Group children,DEF B,Transform,translation 8 0 0,children,Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 1 0 0 ,geometry Box ,DEF S,Transform,translation 0 0 0,children,Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 0 1 0 ,geometry Sphere ,DEF C,Transform,translation-8 0 0,children,Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 0 0 1 ,geometry Cone ,返回,Multimedia Technology&Application *,第49页,附录,#VRML V2.0 utf8,Group children Transform translation 8 0 0,children,Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 1 0 0 ,geometry Box ,DEF touchSensorTouchSensor,返回,Multimedia Technology&Application *,第50页,附录,#VRML V2.0 utf8,DEF view1 Viewpoint,position 0 0 10,description view1,DEF view2 Viewpoint,position 4 2 10,description view2,Group children Transform translation 8 0 0,children,Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 1 0 0 ,geometry Box ,DEF touchSensor TouchSensor,返回,Multimedia Technology&Application *,第51页,附录,#VRML V2.0 utf8,DEF view1 Viewpoint,position 0 0 10,description view1,DEF view2 Viewpoint,position 4 2 10,description view2,Group children Transform translation 8 0 0,children,Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 1 0 0 ,geometry Box ,DEF touchSensor TouchSensor,ROUTE touchSensor.isActive TO view2.set_bind,返回,Multimedia Technology&Application *,第52页,附录,#VRML V2.0 utf8,DEF view1 Viewpoint,position 0 0 10,description view1,DEF view2 Viewpoint,position 4 2 10,description view2,Group children Transform translation 8 0 0,children,Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 1 0 0 ,geometry Box ,DEF touchSensorTouchSensor,DEF touchscript Script,eventIn SFBool touchSensorIsActive,eventOut SFBool bindView2,url javascript:,function touchSensorIsActive(),bindView2=TRUE;,ROUTE touchSensor.isActive TO touchscript.touchSensorIsActive,ROUTE touchscript.bindView2 TO view2.set_bind,返回,Multimedia Technology&Application *,第53页,附录,#VRML V2.0 utf8,DEF box Transform rotation 2 2 2 0,children,Shape,appearance Appearance material Material diffuseColor 1 0 0 ,geometry Box ,DEF TouchS TouchSensor ,DEF r Script,eventIn SFBool startRevolving,eventOut SFRotation revolve,field SFFloat angle 0,url javascript:,function startRevolving(),revolve0=2;revolve1=2;revolve2=2;revolve3=angle;,angle+=0.1;,ROUTE TouchS.isOver TO r.startRevolving,ROUTE r.revolve TO box.set_rotation,返回,Multimedia Technology&Application *,第54页,附录,#VRML V2.0 utf8,DEF box Transform rotation 2 2 2 0,children,Shape appearance Appearance material Material diffuseColor 1 0 0 ,geometry Box ,DEF TouchS TouchSensor ,DEF r Script,eventIn SFTime startRevolving,eventOut SFRotation revolve,field SFFloat angle 0,url javascript:,function startRevolving(active),revolve0=2;revolve1=2;revolve2=2;revolve3=angle;,angle+=0.1;,DEF t TimeSensor cycleInterval 0.2,loop TRUE,enabled FALSE,ROUTE TouchS.isOver TO t.set_enabled,ROUTE t.cycleTime TO r.startRevolving,ROUTE r.revolve TO box.set_rotation,返回,Multimedia Technology&Application *,第55页,附录,#VRML V2.0 utf8,DEF box Transform rotation 2 2 2 0,children,Shape,appearance Appearance,material Material diffuseColor 1 0 0 ,geometry Box ,DEF TouchS TouchSensor ,DEF t TimeSensor cycleInterval 1,loop TRUE,enabled FALSE,DEF r OrientationInterpolator key 0,0.5,1,keyValue 0.8 0.8 0.8 0,0.8 0.8 0.8,3.14159,0.8 0.8 0.8 6.28318,ROUTE TouchS.isOver TO t.set_enabled,ROUTE t.fraction_changed TO r.set_fraction,ROUTE r.value_changed TO box.set_rotation,返回,Multimedia Technology&Application *,第56页,