【新编】虚拟现实及其应用总复习

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1、虚拟现实技术 虚拟现实中的 现实 是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上 的任何事物或环境 它可以是实际上可实现的 也可以是实际上难以 实现的或根本无法实现 的 而 虚拟 是指用计算机生成的意思 因此 虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境 人可以通过使用各种 特殊装置将自己 投射 到这个环境中 并操 作 控制环境 实现特殊 的目的 即人是这种环境的主宰 虚拟现实技术 Virtual Reality 简称VR技术 是20世纪末逐渐兴起的 一门综合性信息技术 融合了数字图像处理 计算机图形学 人工智 能 多媒体 传感器 网络以及并行处理等多个信息技术分支的最新 发展成果 虚拟现实是人们通过计

2、算机对复杂数据进行可视化 操作以及实时交 互的环境 与传统的计算机人 机界面 如键盘 鼠标器 图形 用 户界面以及流行的Windows等 相比 虚拟现实无论在技术上还是思 想上都有质的飞跃 传统的人 机界面将用户和计算机视为两个独 立的实体 而将界面视为信息交换的媒介 由用户把要求或指令输入 计算机 计算机对信息或受控对象作出动作反馈 虚拟现实则将用户 和计算机视为一个整体 通过各种直观的工具将信息进行可视化 形 成一个逼真的环境 用户直接置身于这种三维信息空间中自由地使用 各种信息 并由此控制计算机 1 1 虚拟现实技术的发展史 1929年 Edward Link设计出用于训练飞行员的模拟器

3、 使乘坐 者的感觉和坐在真的飞机上是一样的 1956年 Morton Heilig开发出摩托车仿真器 Sensorama Sensorama具有三维显示及立体声效果 并能产生振动和风吹的感 觉 1968年 Ivan Sutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器 Head Mounted Display HMD 1972年 Nolan Bushnell Ivan Sutherland 学生 开发出第一个 交互式电子游戏Pong 在一台机器上模拟乒乓球 1977年 Dan Sandin Tom DeFanti和Rich Sayre研制出第一个数 据手套 Sayre Glove 20世纪

4、80年代 美国国家航空航天局 NASA 组织了一系列有关 VR技术的研究 1984年 NASA Ames研究中心的M McGreevy 和 J Humphries开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器 1987年 Jim Humphries设计了双目全方位监视器 BOOM 的最早原 型 1965年 Ivan Sutherland发表论文 Ultimate Display 终极的显示 1965年 Ivan Sutherland在篇名为 The Ultimate Display 终极的显示 的论文中首 次提出了包括具有交互图形显示 力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统 的基本思想 从此 人们正式开

5、始了对虚拟现实系统的研究探索历程 1966年 美国的MIT林肯实验室在海军科研办公室的资助下 研制出了第一 个头盔式显示器 HMD 随后又将模拟力和触觉的反馈装置加入到系统中 1967年 美国北卡罗来纳大学开始了Grup计划 研究探讨力反馈 Force Feedback 装置 该装置可以将物理压力通过用户接口引向用户 可以使人感 到一种计算机仿真力 1990年 在美国达拉斯召开的Siggraph会议上 明确提出VR技术研究的主要 内容包括实时三维图形生成技术 多传感器交互技术和高分辨率显示技术 为VR技术的发展确定了研究方向 从20世纪90年代开始 VR技术的研究热潮也开始向民间的高科技企业转

6、移 著名的VPL公司 发出第一套传感手套命名为 DataGloves 第一套HMD命名 为 EyePhones 20世纪90年代 迅速发展的计算机软件 硬件系统使得基于大型数据集合的 声音和图像的实时动画制作成为可能 越来越多的新颖 实用的输入输出设 备相继进入市场 而人机交互系统的设计也在不断创新 这些都为虚拟现实 系统的发展打下了良好的基础 其中 利用虚拟现实技术设计波音777获得 成功 是近几年来又一件引起科技界瞩目的伟大成果 1 2虚拟现实技术的概念 1 虚拟现实技术是指利用计算机生成一种模拟环境 并通过多种专用设 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

7、VR让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行操作 并能提 供视觉 听觉 触觉 等直观自然的实时感知 2 一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境 以高性能计算机为核心的虚拟 环境处理器 以头盔显示器为核心的视觉系统 以语音识别 声音合成 与声音定位为核心的听觉系统 以方位跟踪器 数据手套和数据衣为主 体的身体方位姿态跟踪设备 以及味觉 嗅觉 触觉与力觉反馈系统等 功能单元构成 3 BOOM可移动式显示器 它是一种半投入式视觉显示设备 使用时 用户 可以把显示器方便地置于眼前 不用时可以很快移开 BOOM使用小型的 阴极射线管 产生的像素数远远小于液晶显示屏 图像比较柔和 分辨 率为1280 102

8、4像素 彩色图像 TELETACT手套 它是一种用于触觉和力觉反馈的装置 利用小气袋向手提供触觉和 力觉的刺激 这些小气袋能被迅速地加压和减压 当虚拟手接触一件虚 拟物体时 存储在计算机里的该物体的力模式被调用 压缩机迅速对气 袋充气或放气 使手部有一种非常精确的触觉 数据衣 为了让VR系统识别全身运动而设计的输入装置 数据衣对人体大约 50多个不同的关节进行测量 包括膝盖 手臂 躯干和脚 通过光电转 换 身体的运动信息被计算机识别 通过BOOM显示器和数据手套与虚拟 现实交互数据衣 1 3虚拟现实技术的特征 VR技术的三角形 交互性 Interactivity 指用户对虚拟环境中对象的可操作

9、程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度 包 括实时性 主要借助于各种专用设备 如头盔显示器 数据手套等 产生 从而使用户以自 然方式如手势 体势 语言等技能 如同在真实世界中一样操作虚拟环境中的对 象 沉浸感 Immersion 又称临场感 是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真 实程度 VR技术最主要的特征 VR 的 沉浸感 特性使它与一般的交互式三维图形有较大的不同 用户可以沉浸于 数据空间 可以从数据空间向外观察 从而可以使用户能以更自然 更直接的方 式与 数据交互 利用沉浸功能 使用户暂时与现实隔离 投入到虚拟环境中去 从而能更真实地注视数据 VR界面也可以给技术人员及创作人员提供真实

10、数据 以便正 确创建虚拟环境 这样有助于用户更快 更全面地分析理解数据 因此 VR技术将从根本上改变人与计算机系统的交互操作方式 想象力 Imagination 指用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统 中的行为 通过逻辑判断 推理和联想等思维过程 随着系统的运行状态变化而 对其未来进展进行想象的能力 随意构想客观不存在或不可能发生的环境 对适当的应用对象加上虚拟现实的创意和想象力 可以大幅度提高生产效率 减 轻劳动强度 提高产品开发质量 1 4虚拟现实系统的分类 1 4 1 桌面式VR系统 使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互场景 用户会受到周围现实环境的干扰而不能获得完

11、全的沉浸感 但由于其成本相对较低 桌面式VR系统仍然比较普及 与一般用户接过 最大的优点 便宜 1 4 2 沉浸式VR系统 利用头盔显示器 洞穴式显示设备和数据手套等交互设备把用户的视觉 听觉和其 他感觉封闭起来 而使用户真正成为VR系统内部的一个参与者 产生一种身临其 境 全心投入并沉浸其中的体验 系统中有个用户的替身 用户在系统外面 用 户与替身在感觉上有一个距离 这个距离越小 沉浸感超强 当用户与替身完全重 合是 用户就完全进入到系统中了 与桌面式VR系统相比 沉浸式VR系统的主要特点在于高度的实时性和沉浸感 1 4 3 增强式VR系统 允许用户对现实世界进行观察的同时 将虚拟图像叠加在

12、真实物理对象之上 为用户提供与所看到的真实环境有关的 存储在计算机中的信息 从而增强用户对 真实环境的感受 又被称为叠加式或补充现实式VR系统 可以使用光学技术或视频技术实现 1 4 4 分布式VR系统 指基于网络构建的虚拟环境 将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过 网络相连接并共享信息 从而使用户的协同工作达到一个更高的境界 主要被应用于远程虚拟会议 虚拟医学会诊 多人网络游戏 虚拟战争演习等领 域 第二章 VRML基础知识 2 1 什么是VRML VRML Virtual Reality Modeling Language 即虚拟现实建模语言 是一种用 于建立真实世界的场景模型或

13、人们虚构的三维世界的场景建模语言 也具有 平台无关性 是目前Internet上基于 WWW的三维互动网站制作的主流语 言 2 2 vrml 发展历史 1993 12 Parisi和Pesce开始开发第一个VRML测览器 1994 03 首届WWW大会在日内瓦召开 提出VRML 1994 06 开始VRML邮件列表 1994 10 产生了基于SGI的Open Inventor文件格式的VRMLl 0第一稿 1996 03 VRML结构组通过Moving World 并就VRML2 0标准进行投票 1996 08 通过VRML2 0标准 1998年12 vrml组织 web3d vrml java

14、 xml x3d 2 3 VRML工作原理 Vrml的设计是从WEB上欣赏实时3D图象开始的 VRML可以是一个浏览器插 件 也是一个独立的应用程序 它与传统的虚拟现实中使用同样 的3D着色 引擎 使它从三维建模和动画分离出来 三维建模与动画应用中可以预先对 场景着色 但是不能选择方向 而VRML提供6 1个自由度 可以三个方向移 动 也可以转动 还可以与其它3D超链接 VRML定义一个把3D图形与多媒体集成一起文件格式 从语法角度看 VRML定式定义组织 3D多媒体对象 又语义看 VRML描述的基于时间的交互式3D多媒体信息抽 象功能行为 这个3D空间就称为虚拟境界 VRML使用场景图来建立

15、3D境界 它是一种代表所有3d世界静态特征 的节点等级 几何关系 材质 纹理 转换 光线 视点等 几乎所有3D厂家 无论CAD 动画 建模 VR 它们的核心都有场景图 VRML 中的对象属性用节点来描述 节点按一定规则 构成场景图 场景图有二类节点 一是用于视觉与听觉角度表现对象 反映空间结构 另一类对于事件和路由 确定虚拟 世界随时间动 态变化 对三维虚拟世界描述 建模 渲染 交互 动画 细节及碰撞 超链接 4 VRML浏览器 Cortona3d CosmoPlayer Bitmanagment VRML工具 VRMLPAD VRML文件 VRML文件主要包括VRML文件头 造型 事件 路由

16、 事件体系 脚本 原型等体 系元素 1 VRML文件类型 VRML文件是由通用文本编辑系统或专用VRML开发工具编 辑的ASCII文件格式的场景描述性语言 其文件类型扩展名为 wrl或 wrz 一般使用 wrl文件扩展名 2 VRML文件头 VRML V2 0 utf8 VRML文件头由四部分组成 各部分意义说明如下 1 VRML文件头由 字符起始 字符说明后为一个文本型的说明字符串 2 VRML文件头的第二部分是 VRML 字符串 该字符串提示浏览器该文件是 一个VRML文件 3 VRML文件头的第三部分是 V2 0 字符串 该字符串提示浏览器该VRML文 件遵循VRML规范2 0版本 4 VRML文件头的第四部分是 utf8 字符串 该字符串提示浏览器该VRML文 件是一个使用国际标准UTF 8字符集的文件 UTF 8的英文全称是UCS Transform Format 而UCS是Universal Character Set的缩写 VRML节点 每个VRML文件都是一个基于时间的三维空间表示 它包含了可通 过多种机制动态变化的由视 听和对象组成的虚拟环境 VRML节点名称 DEF