《多媒体技术》虚拟现实技术

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1、虚拟现实技术介绍虚拟现实技术介绍n1.引言n1.虚拟现实的定义n2.举例说明应用n3.虚拟人n5.主要技术和设备VR系统制作n6.将来发展展望虚拟现实技术我们先来看一个例子，这是日本松下公司用来招揽 买主的“厨房世界”。你只要戴上特殊的头盔和一只银 色的手套，就可以去“漫游”厨房世界了。你伸手去开 门，门随手而开，厨房内的所有设备就会映人你的眼 帘。你可以用手打开柜橱的门和抽屉，查看里面的结 构和质量，可从碗架上拿下盘子看看，也可以打开水 龙头，立即看见水流出来，听见流水声，还可查看水 池下面的排水是否流畅，也可查看照明是否亮堂，试 试通风排气是否正常。可是当你拿下头盔，摘下 手套时，这一切又

2、都消失了。虚拟现实技术杭州大学开发了虚拟故官游玩系统。只要你戴上 特制的头盔，骑上不动的自行车，你从头盔显示器里 就看见了形象逼真的天安门城楼。你登上自行车的脚 踏板，你就会感到自己骑车来到了午门前的大道上， 飞快地穿过午门，越过金水桥、越过太和门，来到太 和殿广场。由于你的自行车太快，一下子破墙而入， 到了太和殿。金銮殿内盘龙的柱子，庄严的殿堂和真 实的景像完全一样，你又骑车来到了御花园、绿树、 红亭、碧池令你陶醉，好像身临其境。但是，当你摘 下头盔时，仍然是骑在自行车上，一步也没有动。 虚拟现实技术虚拟现实的定义虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义，把这两个词放在一起，似乎没 有意义，但是科学

3、技术的发展却赋予了它新的含义。虚拟现实的明确定义 不太好说，按最早提出虚拟现实概念的学者J.Laniar的说法，虚拟现实，又 称假想现实，意味着“用电子计算机合成的人工世界”。这个领域与计算机有 着不可分离的密切关系，信息科学是合成虚拟现实的基本前提。生成虚拟现实需要解决以下三个主要问题：以假乱真的存在技术。即，怎样合成对观察者的感官器官来说与实 际存在相一致的输入信息，也就是如何可以产生与现实环境一样的视觉， 触觉，嗅觉等。（浸没性）相互作用。观察者怎样积极和能动地操作虚拟现实，以实现不同的 视点景象和更高层次的感觉信息。实际上也就是怎么可以看得更像，听得 更真等等。（交互性）自律性现实。感

4、觉者如何在不意识到自己动作、行为的条件下得到 栩栩如生的现实感。（思想性）虚拟现实的定义为了成功地开发这三大技术，虚拟现实必须处理好如下图所示的各个 要素之间的相互关系。在这里，观察者、传感器、计算机仿真系统与显示 系统构成了一个相互作用的闭环流程。数字城市（总面积40平方公里，500万个面，332 兆贴图，鸟瞰浏览速 率不低于15ftp,多媒体数据库，运行环境微机win2000) 数字城市数字城市埃及新建国家博物馆 在新闻发布会上，埃 及政府宣称：“大埃及博物馆将充 分运用计算机和网络 技术，从而使它成为第一个全球第一个大 规模运用信息技术的 虚拟现实博物馆 虚 拟 人“数字化虚拟人”研究是

5、一项信息医学、生物技术、计算机技术 等学科相互交叉、综合发展起来的前沿性交叉学科，对人类科 技发展和社会进步有深远意义。“数字化虚拟人”由美国科学家于20世纪末提出，并率先进行研 究。此后，世界许多国家都予以高度重视，特别是西方发达国 家一直积极酝酿，或启动专项研究计划。 “数字化虚拟人”包括“虚拟可视人”、“虚拟物理人”和“虚拟生 物人”三个阶段。具有几何图型有视觉效果为“虚拟可视人”也 称“虚拟解剖人”；附加物理化学信息的为“虚拟物理人”；而附 加人体各种生物信息的，则为“虚拟生物人”。目前，一些发达国家仅初步达到了“虚拟可视人”阶段，即获取 了“虚拟可视人”几何图像信息。而对“虚拟物理人

6、”和“虚拟生 物人”的研究和探讨，仅限于局部器官。 虚 拟 人 的 用 处一、医学参考：有利于培养优秀外科医生。以往要想成为一个 手到病除、技艺高超的外科医生，都要通过师傅带徒弟式的反 复实践，在病人身上练习操作技术，现在有了虚拟人，就可以 在电脑操纵的虚拟人体模型上培训外科医生。在动手术之前， 也可以先在虚拟人的身上开刀，电脑上会显示刀口断层及组织 断面，为医生制订术前计划提供科学参考。二、制药实验：有了虚拟人，医生和制药公司就可以先在 与病人身体数据一模一样的虚拟人身上试验新药，医生可以先 将药物影响数据输入电脑，让“虚拟病人”先试“吃”一下，电脑 里的“虚拟病人”会显示服药后的生理反应，

7、从而协助医生对症 下药。这种方法可以提高用药准确性和研制新药及新药上市的 效率。相关实验已经在美国开展。虚 拟 人 的 用 处三、军事应用：虚拟人在军事医学上也很有价值。比如， 可以用虚拟人来试验核武器、化学武器、生物武器的威力。现 在的核爆炸试验都是利用动物进行。试验前在离核爆中心的不 同距离放置动物，核爆后再把动物收回来检验。有了虚拟人就 可以直接拿她来做试验。四、肿瘤治疗：放射治疗是目前治疗肿瘤疾病的一个重要 手段，但由于现在做放射治疗的医生只能凭经验进行辐射量的 调节，病人往往担心在此过程中受到过量的辐射。现在有了虚 拟人，医生就可以先对虚拟人作放射治疗，通过其身体的变化 来测定实际辐

8、射量的使用，最后再用到真正的病人身上。这样 就进一步提高了治疗的安全性。虚 拟 人目前，获取“数字化虚拟人”一般采用的是人工断层解剖学 的方法，只能经过对正常、健康尸体的严格筛选，通过高 精度切削，获取解剖形态学信息，而不是一般人认为的X 光断层扫描所得的影像学信息。 先要选取一具尸体，将人体切成非常薄的片，每切一次片 ，都会利用数码相机和扫描仪对已切片的切面进行拍照、 分析，之后将数据输入电脑，最后由电脑合成三维的立体 人类生理结构。“中国虚拟人号”是国家“863计划”项目之一，由中国科 学院、首都医科大学、华中科技大学和解放军第一军医大 学协作攻关。 虚 拟 人“中国虚拟人号”为男性，是专

9、家精心选取的一个最具有代表 性的中国人，高1.66米，28岁，汉族，祖籍湖南，体重58公斤 ，去年4月死亡，自愿捐献尸体。由于切片厚度仅有0.1毫米，估计需要将整个人切成1.6万多片 。据钟世镇院士介绍：中国是世界上第三个用人体切片合成虚 拟人的国家，目前美国的虚拟人切片是0.33毫米厚，韩国的是 0.2毫米厚，所以“中国虚拟人号”的逼真度最高。另外，“中 国虚拟人号”还首次将切片者的静脉和动脉血管区分开。 虚 拟 人中国首例女性虚拟人数据集于2003年2月18日17时18分在广 州第一军医大学构建成功。这标志着我国在完成数字化虚拟 人体若干关键技术之后，建立了有知识产权的中国虚拟人数 字平台

10、，为开发各种用途的软件和参与国际合作与竞争抢占 了应有的地位。 “中国虚拟人2号”为女性，是我国首个女虚拟人。据介绍， 该虚拟人的数据采集者年龄为19岁，身高1.56米，是广西人 ，去年在广东因食物中毒而急性死亡。钟院士认为虽然她不 是一个健康人，但由于是急性死亡，骨骼身体结构保持完好 ，加上年纪很轻，是一个条件很不错的标本。 切片断面仅0.2毫米，共切片8556片。虚 拟 人虚 拟 人3D扫描仪当你需要一个快速又简便的方法创作三维图像时，POLHEMUS公司 出品的FastSCAN 实时三维手持激光扫描仪可以帮你实现梦想！ 虚 拟 味觉自动检测用户的精神压力并产生香味的产品，由监视精神压力

11、的专用鼠标和喷射香味成分的喷雾器组成。虚 拟 触觉与画面显示相结合再现触觉的皮肤感觉显示器，利用贴在监视 器上的薄型电极与卷到手指上的薄膜间产生的静电力，就能再 现出物体表面的凹凸感。由东京大学开发 。数 据 手 套数 据 手 套该数据手套共有18个传感器，分别完成手指关节弯曲角度和手指 开合程度的测量。当用户戴上数据手套时，计算机通过A/D采样 板和信号转换电路对各个传感器进行采样，即可将用户手的姿态 和动作信息传递给计算机，从而达到人机交互的目的。 数 据 手 套弯曲传感器是一种具有很好柔性的角度传感器（中科院自动化 所专利技术），厚度仅为1mm左右，而长度和宽度则可以根据 需要制作。如图

12、2所示。该传感器具有轻、薄、柔性好的特点 ，与计算机采样电路配合，可以完成对物体弯曲角度的检测， 尤其适用于人体各个关节的动态检测。数 据 手 套手指力觉反馈装置是一种可以产生真实的接触和受力感觉的装 置（专利技术）。如图3所示。该装置具有体积小，结构简单 ，可产生较大的驱动力的特点。它可以被安装在用户的手指或 其它部位，利用安装在接触触头上的力传感器对作用力进行反 馈控制，保证用户得到真实的力觉反馈。将多个力反馈单元安 装在同一个手指上，可以构成具有力反馈功能的“力觉反馈数 据手套”。 数 据 手 套力觉反馈数据手套结构示意图3D 眼 镜3D 眼 镜肉眼所看到的景像是一种具有层次、深度的立体

13、影像。一般我 们所谓3D游戏，实际上并非真正的3D；显示卡虽以x、y、z轴 来处理资料，然而输出至屏幕时仍须再次转换成2D，因为屏幕 先天即是2D，所以我们称呼这种3D为平面3D。让我们先做个简单的实验，首先伸出您的一根手指头，并凝视 这根手指，然后闭上右眼、张开左眼；再来张开右眼、闭上左 眼，仔细观察左、右眼所见是否有些不同？这个不同即为视 差(parallax)。立体3D的技术即是要将这个视差持续在 屏幕上表现出来。因此为使观赏者得以观看真正立体，每个眼 睛所看到景物必须与另一眼稍有不同。事实上，在真实生活里 左、右眼所看到的景物即有些不同，而这理论即被应用在立体 3D科技之中。3D 眼

14、镜液晶立体眼镜(Liquid Crystal Shutter Glasses)技术可以让这 个视差持续在屏幕上表现出来。藉由控制IC送出立体讯号( 左眼-右眼-左眼-右眼-依序连续互相交替重复)至屏幕，并 同时送出同步讯号至液晶眼镜使其同步切换左、右眼影像，换 句话说，左眼看到左眼该看到的景像，右眼看到右眼该看到的 景像。液晶立体眼镜为一穿透液晶镜片，藉由电路对液晶眼镜开、闭 的控制 ( 开：眼镜镜片全黑以便遮住一眼影像；闭：眼镜镜片 为透明以便另一眼看到另一眼该看到的影像)，液晶眼镜即可模 仿真实的状况，使左、右眼画面连续互相交替呈现在屏幕上， 并同步配合液晶眼镜，使眼睛看到正确画面-左眼看

15、到左眼、 右眼看到右眼该看的影像，加上人眼的视觉暂留生理特性，如 此就能看到真正立体3D影像。3D 眼 镜 用来将左、右眼影像表现在屏幕上的硬件格式有四种：交错式(Interlacing)、画面交换(Page Flipping)、同步倍频 (Sync Doubling)、线遮蔽(line blanking)，理论上以上四种 格式都可以应用在立体3D游戏，但实际上仅有画面交换与同步 倍频广泛应用于立体3D游戏。画面交换(Page Flipping)：画面交换系由一特殊程序改变显示 卡工作原理，使新的工作原理可以用来表现立体3D，因为每一 显示卡芯片有其自己独特的工作原理，所以若要使用画面交换 ，

16、那么必须针对各个显示芯片发展独特的立体驱动程序以驱动 3D硬件线路，因此画面交换仅限于某些特定显示卡芯片(以目 前而言，多用于 nVidia VGA chip)。 同步倍频 (Sync-Doubling)：同步倍频与画面交换不同，它是 用硬件线路而非软件去产生立体讯号，所以无需任何驱动程序 来驱动3D硬件线路，因此任一3D加速显示卡芯片皆可支持。3D 眼 镜3D 眼 镜夏普发布了首款同时支持2D/3D显示的笔记本电脑，该笔记本能够在没有 3D眼镜的情况下生成3D图象。该产品属于Mebius系列，型号为PC-RD3D 。将在10月27日上市，价格为2995美元。 该3D成像技术基于“parallax barrier(视差栅栏)”原理，在3D模式下，该技 术可以对人眼进行欺骗，以达到生成立体效果的目的。在2D模式下，该栅 栏将呈透明状态。数 字 头 盔数 字 头 盔三 维 鼠 标