虚拟现实基础.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 虚拟现实基础,虚拟现实基础,第1页,目 录,5.2,虚拟现实历史发展,5.1,虚拟现实基本概念,5.3,虚拟现实关键技术,5.4,虚拟现实制作与应用,5.5,虚拟现实主要设备与产品,5.6,虚拟现实主要应用,虚拟现实基础,第2页,5.1,虚拟现实基本概念,5.1.1,虚拟现实定义,5.1.2,虚拟现实特征,5.1.3,虚拟现实类型,返回,虚拟现实基础,第3页,5.1.1,虚拟现实定义,Virtual Reality,（,VR,）,(J.Lanier,1989),译为,:,虚拟现实、灵境、幻真,.,定义：,1,让使用者在人工合成环境里取得,“,进入角色,”,体验。,这包括到三维立体显示跟踪头盔、立体声耳机、数据手套等,2,是计算机生成一个模拟环境（如飞机驾驶舱、分子结,构世界等），经过各种传感设备使用户,“,投入,”,到该环境,中，实现用户与该环境直接进行自然交互技术,。,“,模拟环境,”,：计算机生成有立体感图形；,“,传感设备,”,：穿戴在用户身上装置，如立体头盔、数据手套；,“,投入,”,：用户有身临其境感觉；,“,自然交互,”,：指日常使用方式对环境内进行操作。,虚拟现实基础,第4页,包括,计算机图形学、人机接口技术、图像处理与模式识别、多传感器技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术、高性能计算机系统、人工智能技术,.,需要,计算机教授、人类工程学,(Ergonomics),教授,、,心理学教授等共同开发研究。,虚拟现实是一项综合技术,虚拟现实基础,第5页,5.1.2,虚拟现实特征,沉醉感（,Immersion,）,:,能给人们以真实世界感,觉，让人感觉全方位地沉醉在这个虚幻世界中，,难以分辨真假。,交互性（,Interaction,）,:,虚拟现实与通常,CAD,系统所产,生模型是不一样，它不是一个静态世界，而,是能够对使用者输入作出反应。虚拟现实环境可,以经过控制与监视装置影响或被使用者影响。,想象（,Imagination,）,:,它应用能处理在工程、医,学、军事等方面一些问题,这些应用是与设,计者并行操作,为发挥它们创造性而设计,这极,大地依赖于人类想象力。,虚拟现实基础,第6页,虚拟现实基础,第7页,5.1.3,虚拟现实类型,(1),桌面级虚拟现实,：成本低，应用面比较广，但缺乏完全投入,基于静态图像虚拟现实技术,：将连续拍摄图像和视频在计算机中拼接以建立实景化虚拟空间。,VRML,（虚拟,现实造型语言）,：采取描述性文本语言描述基本三维物体造型，经过一定控制，将这些基本三维造型组合成虚拟场景，当浏览器浏览这些文本描述信息时，在当地进行解释执行，生成虚拟三维场景。,虚拟现实基础,第8页,（,2,）投入虚拟现实,：,完全投入,，利用头盔式显示器或其它设备，把参加者视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新、虚拟感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参加者产生一个身在虚拟环境中、并能全心投入和沉醉其中感觉。惯用有基于头盔式显示器系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。,（,3,）增强现实性虚拟现实,：,模拟现实世界、仿真现实世界，增强参加者对真实环境感受，比如,战机飞行员平视显示器。,（,4,）分布式虚拟现实,：,多个用户同时参加一个虚拟空间。,虚拟现实基础,第9页,利用计算机结构一个真实世界模拟，地理上分布用户能够经过网络共享该环境，并与周围环境以及在相互之间进行交互。共享虚拟环境包括到虚拟现实、分布对象、网络、人机交互、智能代理等领域。,（,Distributed Virtual Environment),其它同义词包含,:,Networked VE(VR),Shared VE(VR),Multi-User VE,etc.,其实质是一个人机交互界面,分布式虚拟现实,虚拟现实基础,第10页,因特网技术广泛使用,:Internet,已经成为娱乐、商业等主要媒体,硬件基础：网络带宽提升（宽带网逐步普及），个人计算机图形处理能力增强,软件基础：虚拟现实技术和网络技术结合,日益复杂数据使得原来界面不能满足需要，人们希望愈加直观表示信息，使用愈加自然方式进行人机交互以及经过网络实现人与人之间实时、形象交流,分布式虚拟环境发展原动力,虚拟现实基础,第11页,各用户含有共享虚拟工作空间；,伪实体行为真实感；,支持实时交互，共享时钟；,多个用户能够各自不一样方式相互通信；,资源信息共享以及允许用户自然操纵虚拟世界中对象。,分布式虚拟现实特点,虚拟现实基础,第12页,军事训练,美国,SIMNET,系统,网络会议与远程协作,Sony,企业基于,DIVE,一个系统,娱乐和虚拟小区,Cybertown(,使用,Blaxxun,）,电子商务,VR commerce of IBM,分布式虚拟现实应用,虚拟现实基础,第13页,Blaxxun Interactive Inc,危险场所进行各类,“,遥控操作,”,(5).,游戏,驾驶汽车、潜艇航行,5.2,虚拟现实历史发展,虚拟现实基础,第16页,1962,年，美国电影摄影师,Morton Heilig,研制出一套称为,Sensorama,立体电影系统。这套系统供一个人观看，含有各种感官刺激立体显示设备。,1965,年，计算机图形学奠基人美国科学家,Ivan Sutherland,首次提出了一个全新、富有挑战性图形显示技术，即能不经过计算机屏幕这个窗口来观看虚拟世界，而是观察者能够直接沉醉在计算机生成虚拟世界中。伴随观察者随意地转动头部或身体，他所看到场景就会随之发生改变。同时，观察者还能够用手、脚等部位以自然方式与虚拟世界进行交互，虚拟世界会产生对应反应，从而使观察者有一个身临其境感觉。所以，也称,Ivan Sutherland,为“虚拟现实技术”之父。,重 要 事 件,虚拟现实基础,第17页,1968,年，,Ivan Sutherland,在麻省理工学院研制出了第一个头盔式显示器，并发表了“,A Head-Mounted 3D Display”,论文，对头盔式显示器装置设计要求、结构原理进行了深入分析，并描绘出这个装置设计原型，成为三维立体显示技术奠基性结果。,20,世纪,80,年代初，美国,VPL,企业创始人,Jaron Lanier,正式提出了“,Virtual Reality”,一词。,1985,年，,Krueger,正式发表无障碍人工现实。,1984,年，美国宇航局,Ames,研究中心虚拟行星探测试验室,M.McGreevy,和,J.Humphries,组织开发了用于火星探测虚拟世界视觉显示器，将火星探测器发回数据输入计算机，为地面研究人员结构了火星表面三维虚拟世界。在随即虚拟交互世界工作站（,VIEW,）项目中，他们又开发了通用多传感器和遥控设备。,虚拟现实基础,第18页,1993年11月，宇航员利用虚拟现实系统训练成功地完成了从航天飞机运输舱内取出新望远镜面板工作。,1996年10月31日，世界第一个虚拟现实技术博览会在伦敦开幕。,1996年12月，世界上第一个虚拟现实环球网在英国投入运行。,进入二十一世纪以来，虚拟现实技术研究在中国开始迅速发展，在国家高科技“八六三”计划支持下，有关虚拟现实技术研究取得了巨大成就，开始在不一样领域得到了应用。,虚拟现实基础,第19页,5.3,虚拟现实关键技术,5.3.1,视觉技术,5.3.2,听觉技术,5.3.3,触觉技术,返回,虚拟现实基础,第20页,大规模数据场景建模技术；,动态实时立体视觉、听觉等生成技术,;,三维定位、方向跟踪、触觉反馈等传感技术和设备；,符合人类认知心理三维自然交互技术,;,三维交互软件及系统集成技术。,关 键 技 术,虚拟现实基础,第21页,5.3.1,视觉技术,影响（沉醉感）立体 视觉原因,宽视野（）,立体显示,彩色,高分辨率,头部跟踪,虚拟现实基础,第22页,红蓝滤色眼镜,液晶开关体视眼镜,三维头盔显示器（,HMD,）,双筒全方位监视器（,BOOM,）,墙式显示器自动声象虚拟环境（,CAVE,）,类型：透明,/,不透明；佩戴,/,不佩戴；液晶,/,CRT/LED/,投影,视 觉 设 备,虚拟现实基础,第23页,5.3.2,听觉技术,听觉：,3D&Stereo,声源定位：强度（高频）和时差（低频）,问题：声音从头里发出，随强度差而偏左或偏右,原因：与耳朵形状相关,处理：,Convolvotron($15,000),耳内录音 +计算,虚拟现实基础,第24页,5.3.3,触觉技术,触觉（,Haptic),Haptic:机械感受器（压力与纹理）与本体感受器,(proprioceptor)（重量、形状、大小）,机械臂，空气囊，记忆金属，小马达，小探针。,Sandpaper(Minsky,1990)将小马达连到游戏杆；搅动,虚拟现实基础,第25页,三维操纵棍,力反馈原理图,虚拟现实基础,第26页,适当（简单）触觉和,/,或听觉提醒与反馈能极大地改进人机交互质量,两个基本性能指标,:,帧 频,16fps,，响应时间,0.1s,虚拟现实基础,第27页,5.4,虚拟现实制作与应用,5.4.1,虚拟现实制作方法,5.4.2,虚拟现实制作工具,返回,虚拟现实基础,第28页,5.4.1,虚拟现实制作方法,第一步是选择世界外表、声音和感觉，,建立模型；,第二步是使用软件工具制作虚拟现实表示；,第三步是将软件系统与硬件（虚拟现实各种,装置）结合，实现最终虚拟世界。,虚拟现实基础,第29页,5.4.2,虚拟现实制作工具,Virtual Reality Modeling Language(VRML),World Tool Kit(WTK),Java 3D,虚拟现实基础,第30页,Virtual Reality Modeling Language(VRML),这是一个用于描述三维造型与交互环境简单文本语言,是在,Internet,上建立,3D,多媒体和共享虚拟世界一个开放标准。,它优点是：,与平台无关：不论你平台是,PC,还是,SGI,，都能够浏览,VRML,世界,基于,Web,，能够建立三维可视化服务器,大量可用资源：越来越多,Internet,站点含有与,VRML,相关内容,它缺点是：,渲染速度较慢,没有底层控制,有限界面,虚拟现实基础,第31页,World Tool Kit(WTK),WTK,是在,20,世纪,90,年代初开发，是用来创建虚拟世界工具包。它是一个用于开发可实时交互三维图形程序，跨平台开发环境，包含,1000,多个,C,语言函数函数库，用函数库中这些函数我们能够方便创建虚拟世界。因为它支持大多数商业,I/O,商业（比如跟踪器、立体眼镜、传感手套等），含有多平台可移植性（从运行,Windows,操作系统,PC,机，到运行某种版本,Unix,SGI,，,HP,和,Sun,平台），包含丰富代码实例，能够很方便地建立一个新仿真程序，所以在虚拟现实非常普及。尽管许多早期工具包都已经消失了，不过,WTK,不论从功效还是大小都得到了很大发展。（从,1994,年,400,个函数发展到最新版本,1000,多个函数）。,WTK,函数使用面向对象命名通例，而且被组织成类。,虚拟现实基础,第32页,Java 3D,Java,是由,Sun Microsystems,企业在,20,世纪,90,年代中期开发，当前已成为一个开发与平台无关分布式应用程序编程环境。,Java 3D,是,Java API,中一个，用于开发面向对象交互式三维图形应用程序。与,WTK,类似，,Java 3D,在实现中也使用了,OpenGL,和,Direct3D,底层图形库函数以及图形加速卡。不过，与,WTK,不一样是，,Java 3D 1.3,能够从网上无偿下载。,虚拟现实基础,第33页,5.5.1,虚拟现实主要设备,5.5.2,主要市场产品,返回,5.5,虚拟现实主要设备与产品,虚拟现实基础,第34页,5.5.1,虚拟现实主要设备,数据手套,VPL,企业采取三维定位装置,Polhemus,数据手套,虚拟现实基础,第35页,最早数据手套由美国,VPL,企业开发，看来简单，但制作技术相当复杂。,手套由很轻弹性材料组成，紧贴在手上。这个系统包含位置、方向传感器和沿着每个手指背部安装一组有保护套光导纤维，他们用于检测手指和手运动。,作为传感器光纤可测量每个手指弯曲和伸展。每条光纤从控制器线路板引出，经过一段由柔韧织物组成管子，抵达手套上腕部固定器。光纤从这里延伸到手上，经过手指关节，然后回到腕部固定器和控制器。,虚拟现实基础,第36页,在控制器内部，每根光纤一端配置一只发光二极管，另一断连接一个光电传感器，将接收到光信号转换成电信号。当你戴了手套，弯曲手指时，发光二极管发出光经过光纤弯曲部分时，会发生光弯曲损耗（泄漏），关节越是弯曲，光损耗越多，到达光电传感器光越少。光多少就反应了手指弯曲程度。,计算机依据光电信号数据算出哪个手指和关节在弯曲以及它们弯曲程度怎样。每个手指最少有两条光纤，一条检测指前部关节，一条检测中间关节。为了增加准确性，也可在多加几条光纤。,虚拟现实基础,第37页,位置跟踪器,数据手套中光纤传感器只能测量手指所做活动。而绝正确位置（,X,、,Y,、,Z,坐标）和三个转角方向（转动、俯仰、摇摆）需要用另外一个测量仪器来实现。,Polhemus,磁跟踪器,虚拟现实基础,第38页,位置和方向磁跟踪器工作原理：,交流电流经过线圈产生改变磁场，假如把一个线圈放在这个磁场中，线圈会产生感生电流，感生电流强弱将由这两个线圈距离以及他们之间角度来确定。,在磁跟踪器中，三个相互垂直线圈组成了发射器（蓝色）。另外三个相互垂直线圈组成接收器（红色）。经过计算机比较接收器三个线圈中电流，能够确定接收器与发射器之间相对位置和方向。,虚拟现实基础,第39页,InterTrax,三维跟,踪器,虚拟现实基础,第40页,动力手套（,PowerGlove,）,成本比数据收到低，最早用于游戏机系统作为控制器。依靠超声波测距原理来实现定位。,虚拟现实基础,第41页,手势传感装置,这种传感器精度很高，远比数据手套和动力手套高。采取机械联动装置测量手指关节复杂运动。装在每个指关节处装置为霍尔效应传感器。,这种传感器高精度对于控制机器人手指极为有用。对于需要准确控制应用场所，比如训练机器人手去拾取和安装某物，或准确地与虚拟物体相互作用。,虚拟现实基础,第42页,头盔式显示器,虚拟现实基础,第43页,三维触觉系统,虚拟现实基础,第44页,多伦多大学 设计变形带,自由弯曲带有弹性带子,每隔,6,厘米 共分布了,32,个传感器,带子,(,实物,),和自由曲线,(,虚拟对象,),连接,带子形状直接映射为曲线形状,虚拟现实基础,第45页,日本,ATR,试验室：虚拟筷子,数据手套跟踪手部运动,准确 操作,虚拟现实基础,第46页,市场上已经有产品：（硬件）,液晶开关体视眼镜,SEGA LCD Glasses,StereoGraphics CrystalEyes,Toshiba 3D Scope LCD Glasses,三维头盔显示器（,HMD,）,LEEP Systems Cyberface 2/3,Polhemus Laboratories Looking Glass,RPI HMSI(Head-Mounted Sensory Interface),Virtual Reality Group HMD,Virtual Research Flight Helmet,5.5.2,主要市场产品,虚拟现实基础,第47页,控制和接口设备,:,VPL Data Glove,（数据手套）,Mattel Power Glove,（动力手套）,Global 3D controller(,三维定位器）,Logitech,3D Mouse and Head Tracker,（三维鼠标、头部跟踪器）,ISCAN Head-Mounted Eye Imaging System,（视线跟踪器）,SENS,ible Technologies PHANToM,（触觉反馈设备）,虚拟现实基础,第48页,SGI,企业,虚拟现实中心,(Reality Center)CAVE,仿真工作室 (Reality Studio)Onyx2(8 CPU),仿真工作站 (,Reality Station,)Onyx2,桌上型 仿真工作站(Reality Desktop)Octane 320 NT 工作站,SGI,IRIS Performer,仿真开发环境,SGI OpenGL Optimizer(,Open Inventor,),仿真开发环境(中、低级）,SGI Fahrenheit(,沸点）三维图形接口库,(for Windows NT),MultiGen,Paradigm/Vega,三维应用建模软件,虚拟现实基础,第49页,Anote AB,企业,专利技术,瑞典,Anote AB,企业在年代末开发出了使用数码笔电脑输入专利技术,Anote,数码纸和,Anote,数码笔。,虚拟现实基础,第50页,Anote,数码纸,(,普通纸,),纸上印刷了,Anote,专利关键技术,Anote,微细点状形坐标。,Anote,数码笔,(,普通圆珠笔,),微型摄相头：读入笔尖高速书写字迹和,Anote,数码纸微点坐标；,微处理器：分析处理后经过兰牙无线或,USB,等方法转送到电脑或携带手机之中。,Anote,技术必将带来新世纪革命,人们只需用,Anote,数码笔在,Anote,数码纸上与日常一样书写与统计、就能够将信息简便输入电脑。这将给办公室自动化及信息产业带来新一轮革命。,虚拟现实基础,第51页,军 事,航空航天,计算机辅助设计,返回,科学研究和计算可视化,远程控制,在医疗上应用,教育、艺术以及娱乐,5.6,虚拟现实主要应用,虚拟现实基础,第52页,在军事上，由虚拟现实技术创建军事仿真已经成为军事训练主要伎俩，正如美国国防部和军方所认为那样，虚拟现实技术将在武器系统性能评价、武器操纵训练及指挥大规模军事演练三方面发挥重大作用。为此，世界上许多国家制订有战争综合演示计划、防务仿真交互网络计划、综合战役桥计划、及虚拟座舱、卫星塑造者等应用环境，并在核武器试验及许多局部战争中进行了应用，不但节约了大量军事费用，更主要是提升了当代化作战指挥方面能力。,假如愈加详细讲，虚拟现实技术能够用于单兵训练、指挥员训练、舰船、飞机、坦克等大型武器操作训练等。,军 事,虚拟现实基础,第53页,在航空航天方面，美国宇航局是研究虚拟现实最早单位和应用者。宇宙飞船及各类航空器是需花费巨款当代化工具，而进入宇宙有大量未知、危险原因，因而模拟各种航空器可能碰到环境，不但可节约大量费用，而且是十分必要。虚拟风洞就是一例。另外，利用虚拟现实技术能够进行宇航员各种训练，不但能够提升训练水平，而且节约了大量经费。,航空航天,虚拟现实基础,第54页,虚拟现实技术是计算机辅助设计主要伎俩之一。比如，利用虚拟现实技术能够设计出虚拟样机、虚拟建筑物等，愈加直观有效地帮助修改和提供设计方案。,在工业产品设计中，往往需要重复构思和设计，但用户假如仍不满意，可否在设计早期就给用户一个逼真产品样机？比如，对于汽车设计者来说，装配质量是至关主要。那么在实际装配之前，人们能够在虚拟汽车上先进行各种试验和训练，从而确保装配质量。,美国波音企业为了提升飞机设计水平，曾由,Butler,设计了一个称为,VS-X,虚拟飞机，它可使设计人员有身临其境观察飞机外形、内部结构及布局效果。,另外，建筑设计师可在盖楼前经过虚拟建筑物，让用户自己来观察外形和内部房间部位，也便于设计师修改设计，从而代替以前单纯依靠图纸或花费大量资金进行实物仿真工作。,计算机辅助设计,虚拟现实基础,第55页,在医学上，外科医生培训是一项投资大、时间长工作，这是因为不能随便让实习医生在病人身上动手术。可是不亲自动手，又怎样学会手术呢？虚拟手术台已能部分模仿外科医生现场。一样，提供模拟人体器官，可让学生逼真地观察器官内部结构和病灶，含有极高试验价值。,另外，利用虚拟现实技术，还能够帮助医生学习病人判别分类和诊疗、应对紧急情况下病人救治。虚拟现实技术还直接应用到一些疾病治疗上，如前列腺触诊、内窥镜检验、静脉注射、开放性手术、微创外科以及一些康复性治疗。,在医疗上应用,虚拟现实基础,第56页,各种分子结构模型、大坝应力计算结果、地震石油勘探数据处理等，均十分需要三维（甚至多维）图形可视化显示和交互浏览，虚拟现实技术为科学研究探索微观形态等提供了形象直观工具。用户控制输入设备，如跟踪器、传感手套等，指定要看可视化数据和区域。这些输入被送去进行数据提取处理。数据提取处理把数据转化为三维图形，并发送到绘制硬件渲染着色，最终以可视形式展现给用户。总之，利用虚拟现实技术实现可视化，为科学研究和计算提供了巨大便利条件。,科学研究和计算可视化,虚拟现实基础,第57页,虚拟现实可采取遥控伎俩，经过机械手、机器人对危险或有毒环境进行操作。当远程控制一个机器人时，操作员在主臂上下达各种指令（位置、速度和力量）。这些命令被传送到机器人，由机器人来完成操作并把信息反馈给操作员。假如这些指令能够实时传输，被机器人忠实地执行，而且把来自远程任务反馈信息正确地传回给使用者，这个遥操作是透明。一个含有丰富反馈信息（视频反馈、声音反馈和力反馈）透明系统，能够让用户感觉似乎沉醉在远方真实环境中，就像沉醉于虚拟环境中感觉一样。这也就是远程控制主要作用。,远程控制,虚拟现实基础,第58页,这是向人们、尤其是青少年提供生动课堂和娱乐伎俩好方法。它含有三维声象效果、能进行交互操作功效，因而已为商家们看好，纷纷开发低级虚拟现实产品。在教育上，人们设计出虚拟教室、虚拟校园等。在艺术上，人们建造出虚拟博物馆，使观众能够经过互联网在家中就能够参观博物馆。另外，为了保护古代文化遗产，人们创建了虚拟文化遗产，用于文物保护和研究。在娱乐行业中，人们利用虚拟现实技术开发了大量计算机游戏和主题公园，使娱乐方式愈加逼真，愈加吸引人。,教育、艺术以及娱乐,虚拟现实基础,第59页,总 结,在虚拟现实应用中，人们主要考虑虚拟现实以下适用特点：,需要高成本制造设备，如航天器，军用设备等。,对人有危险环境，如核试验、飞行训练等。,受时间、空间限制，人类直接操纵比较困难，如显微外科手术、远程教育等。,当前还未出现环境，如建筑物、天体物理等。,虚拟现实基础,第60页,本 章 总 结,本章重点介绍了虚拟现实技术基本概念、发展历史、关键技术、虚拟现实制作方法、虚拟现实主要设备和产品以及虚拟现实主要应用等，从而对虚拟现实技术有一个全方面了解，为今后深入学习和研究打下基础。本章所概述内容将在后续章节中将详细讲解相关内容。,虚拟现实基础,第61页,