虚拟地理环境第二章虚拟现实概论第一节虚拟现实简介课件PPT课件.ppt

第二章第二章 虚虚拟现实技技术概述概述 1 虚虚拟现实简介介v1.1 虚拟现实的产生与发展历史 (1)虚拟现实的技术背景(2)虚拟现实技术的起源 (3)虚拟现实技术的迅速发展时期 0.v20世纪50年代末期，Morton Heiling开始尝试设计多感觉的虚拟经历，他开发了一台名为Sensorma的机器，综合了电影的播放、音效、振动、风和味觉效果，让电影观众有如身临其境。头盔式屏幕的创意也是由他提出的。1.v1965年，具有“计算机图形学之父”美誉的美国麻省理工学院的科学家兼美国高等研究计划局信息处理技术办公室主任伊凡萨瑟兰(Ivan Sutherland)发表了一篇题为“The Ultimate Display”（最终显示）的论文，提出使计算机显示屏成为观察客观世界窗口的设想，这被看作是研究虚拟现实技术的开端。v1966年，他完成了第一台能使用户观看“虚拟世界”的头盔显示器，通过这种立体观察装置，可以使用户看不到计算机的存在，而是完全进入到计算机生成的环境中。2.v1968年Douglas Engelbart发明了可以与计算机进行交互的装置，即最早的鼠标，人机交互这一面向用户的计算机技术从此诞生。3.v1971年Frederick Brooks开发出了反馈力系统(Force-Feedback System)。4.v1982年Thonmas Zimmerman等人设计出了数据手套，可以作为虚拟现实的输入装置。5.v1984年，米切尔麦格里威和他的同事在美国航空航天局开发了数据护目镜，它允许使用者环视在计算机屏幕上描绘的图形世界。v随后美国Ames航天研究中心利用流行的液晶显示电视和其它设备开始研究低成本的虚拟现实系统，极大地推动了虚拟现实技术软硬件的研制和开发。6.v1985年，Jaron Lanier与Jean Jaeques Grimaud创建了VPL Research公司，这是第一个虚拟现实的商业化公司，也是一个虚拟现实王国。v他们不仅正式提出了虚拟现实(Virtual reality)的概念，而且开发研制出了实现人机自然交互的装置数据手套。如今HMD和数据手套已经成为虚拟现实的硬件象征。7.v1986年美国航天局的Ames研究中心研制出了VIEW(Virtual Interactive Environment Workstation)，这是世界上第一个较为完整、多用途、多感知的VR系统。v它使用了立体头盔显示、数据手套、语音识别技术、跟踪技术与遥现技术。v用户可以从中看到立体图像、听到三维声音，可口头发出命令，伸手捉取由软件生成的虚拟物体。v虚拟现实技术的研究需要充足的经费支持，美国国防部为此投入了大量的经费（它也因此被称为虚拟现实的摇篮），因此其研究成果主要在军事领域得到应用。8.v1989年Autodesk公司开发了第一个以PC为平台的虚拟现实系统。9.v1990年，在美国达拉斯召开的SIGGRAPH国际会议上，首次将虚拟现实用三种基本技术进行了概括：三维计算机图形学技术;采用多种功能传感器的交互式接口装置;高清晰度显示装置。10.v至90年代，由于计算机芯片能力的增强及浮点处理器和图形加速器的引入，陆续研制出一批较实用的头盔三维显示器、六自由度手套、立体声耳机。v充分的硬件支持使软件系统得到了飞速的发展，互联网的出现则促使VRML的提出及相关标准的制定。v尽管从虚拟现实技术的基本目标来看，目前的研究尚处于初级阶段，但从已有的研究成果看，它已显示出十分诱人的应用前景。人们对它越来越感兴趣，它也正从研究领域走向实际应用领域。11.v1.2 1.2 虚虚拟现实的概念的概念 v(1)(1)虚虚拟现实的定的定义 虚拟现实技术发展到今天，也只能说处于初级阶段。目前的系统受软、硬件条件的限制，只是在一定程度上给予用户“真实感”的体验，许多技术问题尚有待解决。现在还没有明确的定义。此处给出几个基于虚拟现实系统特征的定义v 12.定定义一一：v 是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的沉浸式虚拟交互环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。13.定定义二：二：v虚虚拟现实技技术三角形（三角形（3I3I）:v Burdea G在1993年召开的Electro 93国际会议上所发表的“Virtual Reality System and Application”一文中，提出了虚拟现实技术三角形，简捷地概括了虚拟现实技术在人机关系上的基本特征。此即三个I的定义：沉浸感(Immersion)交互性(Interaction)想象力(Imagination)14.定定义三：三：v 在Steuer J.发表的报告Defining Virtual Reality：Dimension Determining Telepresence中，对虚拟现实的定义如下：虚拟现实是沉浸式的(Immersive)，用户进入虚拟现实后，会暂时与真实世界隔绝，置身于另一个世界当中;这个世界是由人类将数据输入计算机处理而产生的;虚拟现实提供给用户各种感觉，包括视觉、听觉、触觉、味觉与嗅觉；虚拟现实是由用户主动浏览的(Active)，一般多媒体、如电影和电视，用户只能接受事先安排的内容，而虚拟现实提供用户在虚拟的空间中自由游走的权力；虚拟现实是交互式的(Interactive)，用户可以使用某些方式影响虚拟现实中的对象与环境，例如改变对象属性或创造新的对象。虚拟现实中的空间会根据某些给定的规则，对用户的行为做出反应。15.v(2)虚拟现实与其他相关名词的区别 虚虚拟与与“虚幻虚幻”虚虚拟现实和多媒体的区和多媒体的区别 虚虚拟现实技技术与与现有仿真技有仿真技术的区的区别 虚虚拟现实与与动画技画技术的区的区别 虚虚拟现实与可与可视化的区化的区别 几个相同意几个相同意义的名的名词:人工现实(Artifical Reality)、灵境、幻真、虚拟环境 16.v虚虚拟与与“虚幻虚幻”：两者虽只一字之差，内涵却大相径庭。虚幻仅仅是个人头脑中的幻想而已，没有可感知、可触摸的性质，是纯意识的产物，无法在其中从事实践活动。虚幻好比是“海市蜃楼”，可望而不可及。而虚拟则不然，在虚拟的世界里，事物不仅可看、可听，还具有一定的可操作的性质。17.v虚虚拟现实和多媒体的区和多媒体的区别：多媒体是在屏幕上顺序地展现一系列二维图象，而虚拟现实是从各个方位来显示实体的三维图象。两者另一个重要区别就是硬件设备，普通的计算机交互设备包括键盘，鼠标等，再由显示器和音箱构成多媒体系统；而VR系统的跟踪器有机械的，超声的，磁感应的，光学的和无源的几种，其灵巧程度远比一般交互设备优越得多。虚拟现实强调的是身临其境的感觉，多媒体技术是利用计算机综合组织、处理和操作多种媒体信息的技术，它虽然具有多种媒体，但是在感知范围上没有VR广泛，例如多媒体不包括触觉、力觉等感知。另外多媒体处理的对象主要是二维的，因此在存在感和交互性方面与VR有着本质的区别。18.v虚虚拟现实技技术与与现有仿真技有仿真技术的区的区别：被试者不再是坐在现实世界中通过人机界面去观察分析所研究对象的参数，而是沉浸到由计算机创造的一种虚拟世界之中，如同在真实世界中一样与周围的虚拟环境事物进行交互作用。19.v虚虚拟现实与与动画技画技术的区的区别：三维动画沿着某一条路径浏览动画，而且可以反复播放这个动画，但这条路径是固定的。虚拟现实中用户可以沿任意路径走进这个环境并操纵场景中的对象，他的图形渲染是实时的，这是它与动画的最大区别。20.v虚虚拟现实与可与可视化的区化的区别：可视化是虚拟现实的基础;可视化重点在于表现事物的本质，而不追求逼真的模拟；虚拟现实则重点在于逼真描绘环境的实际情况，而对本质的要求是次要的;在技术上，虚拟现实比可视化复杂庞大的多。21.v几个相同意几个相同意义的名的名词：如人工现实(Artifical Reality)、灵境、幻真、虚拟环境等等。22.v1.3 虚拟现实技术的最基本特征 ImmersionImmersion（沉浸）（沉浸）InteractionInteraction（交互）（交互）ImaginationImagination（构想）（构想）23.（1 1）ImmersionImmersion（沉浸）（沉浸）：指用户身心置于模拟环境中的体验，理想的模拟环境应该达到用户难以分辨真假的程度;其意义在于可以使用户集中注意力，可以将抽象的数据变换成熟悉的体验，且从中获取知识。理想的VR系统应具有一切人所具有的感知功能，如视觉感知、听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、味觉感知、嗅觉感知等。由于相关技术的限制，特别是传感器技术的限制，VR技术无论是从感知范围还是从感知精度都无法于人相比拟。24.（2 2）InteractionInteraction（交互）：（交互）：指用户对模拟环境内的物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度。例如，用户用脚去踢模拟环境中的足球，随着足球飞起、落地等，用户脚上有踢球刹那间的反弹感觉，且可听到“嘭”的一声，一切如同真实的一样；又如，用户去抓虚拟物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的硬度和重量，被抓的物体随着手的移动而移动。目前输入和输出设备主要实现视觉和听觉效果，而其它感知效果如力觉、触觉等正在开发与研究，味觉、嗅觉则有待于研究。25.（3 3）ImaginationImagination（构想）（构想）虚拟现实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并获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。这种构思结果输入到系统中去，系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。如此反复，这是一个学习创造再学习再创造的过程。因而可以说，VR是启发人的创造性思维的活动。26.v3I的基本特征，强调了人在虚拟现实技术中的主导作用。从过去人只能从计算机系统的外部去观测计算机的处理结果，到人能够沉浸到计算机系统所制造的环境之中；从过去人只能通过键盘、鼠标与计算环境中的单维数字化信息发生交互作用，到人能用多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用；从过去的人只能从以定量计算为主的结果中得到启发从而加深对事物的认识，到人有可能从定性和定量综合集体的环境中得到感性和理性的认识从而深化对概念的认识和萌发新意。一个虚拟现实技术系统，正是通过3I才能真正实现虚拟世界对真实世界的替代，从而对人达到一种境界虚拟，但感觉却是真实的效果。27.I3Imagination构想构想Interaction交互交互Immersion沉浸沉浸图3虚虚拟现实三角形三角形28.THANK YOUSUCCESS2024/3/18 周一周一29.1.4 虚拟现实的分类(1)按表现形式 参数化虚参数化虚拟现实：增增强现实：(2)按虚拟夸张程度 合理的虚合理的虚拟现实 夸夸张的虚的虚拟现实 虚构的虚虚构的虚拟现实：(3)按支持的用户数量 单机型机型：网网络型：型：30.(1)(1)按表按表现形式形式参数化虚参数化虚拟现实：就是一般所说的完全的虚拟环境。增增强现实：是把预先获取的或预先计算好的数据和视频影像重叠在真实成像环境上。增强现实技术允许用户看见现实环境中的物体，同时又把虚拟环境的图形叠加在真实的物体上。穿透型头戴式显示器可将计算机产生的图形和用户实际的即时环境重叠在一起。例如一个维修工程师戴上一个穿透型头戴式显示器后，通过观察与一台激光打印机重叠的图形去维修该打印机。这些图形可能提供各种图形化箭头、插图和说明，甚至可以指导他的维修。增强现实性系统依赖于虚拟现实位置跟踪技术，以达到精确的重叠，但目前的技术还不能完全做到这一点。31.32.(2)(2)按虚按虚拟夸夸张程度程度合合理理的的虚虚拟现实：就是根据真实的物理法则由计算机模拟真实世界。在这种虚拟世界中人所体验到的一切都是符合客观规律的。在真实世界中只要条件具备，就可出现虚拟现实中的情况，因而从中所获得的知识都是有用的。例如英国出售的“模拟滑雪器”，“滑雪者”只要穿上滑雪服，蹬上滑雪板，拄上滑雪棍，带上头盔式显示器，就可以看到真正滑雪场中白雪皑皑的高山深谷，并根据自己的状况做出相应的各种滑雪动作，学习、体验滑雪。33.夸夸张的虚的虚拟现实：也是根据真实的物理法则由计算机进行虚拟的，但它模拟的对象不是人们的五官所能感受到的现实世界，而是人们无法接触到的世界，如浩瀚的宇宙世界、微小的原子世界等。虚构的虚虚构的虚拟现实：这是无视物理法则的对幻想的模拟。它运用计算机的图像、声音功能把完全凭空想象出来的东西变成可以看到、听到的世界，如“海底龙宫”。虚构的虚拟现实主要用于娱乐。34.(3)(3)按支持的用按支持的用户数量数量单机型机型：一般只在本机建立场景供本机使用。常应用于电子商务、网站建设、驾驶训练、科学可视化、商业数据可视化、工程设计等领域。网网络型：型：在服务器建立场景，供其它计算机用特定客户软件通过网络来访问。多应用于娱乐、聊天室、虚拟社区、远程教育、会议、手术和军事模拟等领域。35.(4)(4)按照其功能不同按照其功能不同投入（沉浸）型虚投入（沉浸）型虚拟现实系系统：是一套比较复杂、功能强大的VR系统。用户必须戴头盔显示器、数据手套等传感跟踪装置，或穿上特制的外套，置身于安装在运动平台上的封闭空间内以产生更为真实的环境效果，才能与虚拟世界进行交互。这些设备使得用户完全投入一个虚拟境界而看不到现实世界，将用户的视觉、听觉与外界隔离，以排除外界干扰，全身心地投入到虚拟现实中去。这种系统的优点是用户可以完全沉浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备昂贵，难以普及推广。投入式VR系统又可分为：头盔型(HMD)、洞空型(CAVE)、遥现型(telepresence)VR系统。36.桌面桌面简易型虚易型虚拟现实系系统：是指将一个或多个计算机屏幕作为参与者观察虚拟环境的一个窗口，以通常的键盘、鼠标、数据手套、眼镜为交互工具，用简便的光闸立体眼镜创造立体视觉效果、增加沉浸程度。例如苹果公司推出的快速虚拟系统(Quick Time VR)，是采用360度全景拍摄来生成逼真的虚拟情景，用户在普通的电脑上，利用鼠标和键盘，就能真实地感受到所虚拟的情景。这种系统的缺点是在投入性方面较差，沉浸感不强，因为参与者坐在监视器前观察虚拟境界时会受到周围现实环境的干扰，优点是结构简单、价格低廉，易于普及推广，是一套经济实用的系统。在演示、教学等较多人观看的场合，常用投影式VR系统，即在桌面VR系统的基础上，增加了一种大屏幕投影机或数字显示墙以显示VR三维环境。37.分布式虚分布式虚拟现实系系统概述概述当前虚拟现实系统研究中一个最热门的主题就是分布式虚拟现实(Distributed Virtual Reality,DVR)，有的研究者称之为网络化的VR(Networked Virtual Reality)。DVR是指基于网络的虚拟环境。在这个环境中，常使用单个或多个计算机作为主机，主机维持虚拟环境的状态，它与多个图形计算机通过高速网进行通信，每个图形计算机负责图形生成的计算以及提供与用户的接口。产生DVR概念的原因非常简单，就是一个虚拟的世界不可能总是运行在一台计算机上，而是要运行在通过网络连接在一起的多台计算机上。这个网络可能是一个局域网，也可能是全球INTERNET。处于不同地理位置的用户可以进入到同一个虚拟世界，进行交流、学习、研讨、娱乐，甚至协同完成同一件比较复杂的产品设计或进行一个艰难任务的演练。38.与一般的VR系统相比，DVR的实现有很多困难:首先，人们要呆在家里通过计算机和网络彼此交互，就受到网络频宽的限制；其次，要容忍信息刷新的延迟；此外，人们使用的是不同硬件平台和软件平台的计算机，设计的VR应用要适应这种现状，即VR应用的兼容性要好。DVR的研究有两大阵营。一个是国际互联网上的分布式虚拟现实，如基于VRML标准的远程虚拟购物；另一个是由军方投资的高速专用网上的实现方法，如采用ATM技术的美国军方国防仿真互联网DSI。39.v1.5 虚拟现实技术的发展现状与存在的问题 40.(1)(1)国内外研究国内外研究现状状 v目前VR的研究课题比较广泛：有显示器和数据手套等硬件课题；有图像分析研究的软件课题；也有探索虚拟现实技术本质人机接口的新框架之类的非常抽象的课题。这些课题在某些意义上代表了当前国际上对虚拟现实技术的研究发展水平。就当前VR技术而言，最先要解决的是视觉处理中临场真实感这一关键问题。41.国外情况国外情况v军事：十多年来，虚拟现实已在武器装备设计与试验，战机驾驶训练和作战模拟等军事为首的领域得到了深入的应用，并取得了十分显著的效益。为此，美国国防部已将其列为21世纪主要的军事训练工具。v航空航天：目前，VR在航空航天领域的应用发展最快，波音777运输机的全无纸化设计、哈勃太空望远镜修复前的宇航员训练和飞行仿真的成功证明VR技术所具有的潜力。v其他典型的VR系统:如法国达索的CATIA仿真虚拟系统、日本MEWOO的虚拟建筑物系统。42.43.国内情况国内情况v90年代以来，VR技术引起我国各界人士的兴趣与关注。研究与应用VR技术建立虚拟环境、虚拟场景模型和分布式虚拟现实系统的开发正朝着深度与广度发展 44.v军事上虚拟现实用于地形环境仿真并最终形成地景表示方法，是人类对环境认知的深化与科技进步的必然结果。v军测进行虚拟战场环境的建设研究，现已取得了一系列实用成果，使我军的地景仿真研究乃至训练水平进入到了国际先进行列。45.v我国第一个VR技术与电子出版物结合的产物是清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”，它采用Quick Time技术实现大全景VR制作，并且开发了Quick Time与多种应用程序的接口。v但由此方法生成的VR是假三维，用户只能在由照片构造的环境看到照片拍摄到的景物，而不能绕到场景对象的背后。也就是说，此场景无深度信息。46.v利用VR技术开发的“虚拟故宫”是根据故宫真实大小用实时软件建立的三维VR系统，用头盔显示器模拟在虚拟故宫中骑自行车进行漫游。v北京大学设计了基于PC机的虚拟现实系统PCVRS。v浙江大学进行了分布式图形系统和工作站机群系统的应用研究，并给出了系统结构框架。v香港中文大学研究了虚拟地理环境并建立了一个城门公园的虚拟社区实例。47.(2)(2)存在的存在的问题48.-须满足众多矛盾的要求：高质量的图形绘制和实时刷新的矛盾(一般来说，人脑检测延迟的阈值约10ms，所以VR系统要求的延迟应低于10ms。因为延迟越长，系统越不逼真，过长甚至产生负效应（如运动病）)另外，使用多边形越多，视景效果越真实，但是增加多边形，会使其延迟时间拉长，这样，视景生成对计算机硬件的速度要求更高；计算精度和速度的矛盾；大容量和高速的数据存储的矛盾；全彩色高分辨率显示和绘制速度的矛盾等。从目前技术来看，要实现低于10ms的延时，成本较昂贵。49.模拟病：VR系统毕竟是一种虚拟化的事物，不同于真实世界，因此，如何平衡被试者的心理负荷，避免操作失误以及焦虑、紧张等状态，让其将VR技术真正作为一项实用的研究工具，提高工作效率，摆脱不必要的心理负担，也是虚拟现实技术应用中必不可少的课题。50.导致模拟病产生的原因有两个层次：一是基本层，是由于当今技术不足，如跟踪系统的延迟、可视反馈的延迟均能形成模拟病；另一个是模拟过程本身有问题，如飞行模拟器往往会导致恶心、呕吐、疲劳、体能下降及头痛等模拟病；还有因为改变反馈回路涉及到肌肉动作和头部运动，因而在人的头部施加重量（戴上头盔）后可导致运动病。可以预料随着现代科学技术的不断发展，大多数问题将会逐步消除。51.目前的虚拟现实系统大都用图形生成，在逼真程度上远远落后于图像。如何由照片拍摄成的图像生成虚拟现实场景也是当前的研究课题。52.v1.6 虚拟现实的意义 虚拟现实中强调的是人的主导作用 VR是利用人类知觉能力和操作能力的一种方法 虚拟现实不仅是一门综合的技术，而且是一门艺术 虚拟现实创造了一种新的实在形式虚拟实在 53.（1 1）虚）虚拟现实中中强调的是人的主的是人的主导作用作用v VR技术不仅实现了从“计算机为主体”到“人为主体”的转变，而且实现了从“计算机化的单维信息空间”到“人化的多维信息空间”的转变。在传统的单维信息空间内，信息处理的工具或环境是计算机，人通过键盘、二维鼠标和显示屏幕等与计算机发生联系，人类以往的经验是以数字化形式存储在数据库内的。在以人为主体的多维信息空间内，信息处理的工具或环境则是虚拟现实，人通过各种先进的传感器和作用器与虚拟现实发生联系，人类以往的经验与体验（全部的感性和理性知识）都是解决问题、寻求解答和提出新概念的基础。在VR系统的帮助下，人将过去已有的对自然情景的经验、在自然环境中的现实体验以及VR系统的现实输出综合集成以获得对该客观世界的认识和提高。54.（2 2）VRVR是利用人是利用人类知知觉能力和操作能力的一能力和操作能力的一种方法种方法v通过将人工数据定型到虚拟现实中，用户感到自己成了一个“发现者和行动者”，而不是通过思考分析数据。v 发现者和行动者可以通过感觉和操作找出数据的重要特性。思考通常是又慢又吃力，而感觉则可以是几乎无意识地表达结果，并且很快。55.（3 3）虚）虚拟现实不不仅是一是一门综合的技合的技术，而且，而且是一是一门艺术。有时在应用中艺术的成份往往会超过技术成份，给人一种艺术享受，如交互式虚拟音乐会、虚拟演播室等。类似于其它艺术作品，虚拟现实能够进行教育或传授知识，而且可以超越时空、生命本身的限制。如飞行仿真VR系统，飞行员可在安全的虚拟环境中获得飞行经验。虚拟现实技术在具有艺术魅力的同时，也具有一定的情感魅力。VR技术的三“I”特征大大增加了情感的韵味。尤其在VR技术与通信技术相结合时，其情感魅力表现的更为明显，如临场感通信。56.（4 4）虚）虚拟现实创造了一种新的造了一种新的实在形式在形式虚虚拟实在在v 在现实世界中，人从外部世界获取信息的渠道是五种感觉（视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉），其中主要来源是视觉（70%）和听觉（20%）。v 由于虚拟现实技术给人们的感觉和现实技术给人们的感觉是一致的，甚至还能够制造某种世界上难以实现或本身就不存在的感觉，也就是说，人的意识对虚拟现实的反映同对真实的现实的反映是相同的，因此，人在虚拟环境中发现的现象与规律可以借用到现实生活中。这就意味着虚拟现实给我们提供了一个新的实践场所。57.THANK YOUSUCCESS2024/3/18 周一周一58.