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1、华北电力大学 何慧,第6章 虚拟现实技术,本章概述,虚拟现实系统概述,虚拟现实系统的组成,研究内容和关键技术,虚拟现实的应用,4,1,2,3,虚拟现实建模语言VRML,5,1. 虚拟现实技术概述,虚拟现实技术是多媒体技术发展的更高境界，汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人际接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为学研究等多项关键技术。它以其巨大的技术潜力，诱人的应用前景，一经问世就立即受到人们的高度重视。然而，由于各种条件限制，虚拟现实技术尚处在婴儿时期，还存在着很多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。,1.1 虚拟现实的定义,“虚拟现实”（virtual reali
2、ty，简称VR）是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。它可使用户获得与真实世界一样的感觉，可达到代替实际系统的目的。,1.1 虚拟现实的定义,虚拟现实这个概念包括了3层含义： 虚拟实体是用计算机来生成的一个逼真的实体，“逼真”就是要达到三维视觉，甚至包括三维的听觉和嗅觉等。 用户可以通过人的自然技能与这个环境交互，这里的自然技能可以是人的头部转动、眼动、手势或其他的身体动作。 虚拟现实往往要借助一些三维传感设备来完成交互动作，常用的如数据手套、立体头盔显示器HMD、数据
3、衣、三位鼠标、立体声耳机等。,1.1 虚拟现实的定义,1.2 虚拟现实的发展,20世纪50年代至70年代，是VR技术的准备阶段； 80年代初至80年代中期，是VR技术系统化、开始走出实验室进入实际应用的阶段； 80年代末至90年代初，是VR技术迅猛发展的阶段； 此后，各个国家对VR技术的研究更加重视，并将其应用到各个领域。,1.2 虚拟现实的发展,5070年代，为虚拟现实的探索阶段 1965年由美国Morton Heileg开发了一个称作Sensorama的摩托车仿真器，不仅具有三维视频及立体声效果，还能产生风吹的感觉和街道气味。 1966年，美国麻省理工学院的林肯实验室正式开始了头盔式显示器
4、的研制工作。 1970年，Ivan Sutherland在犹他州大学研制了第一个功能较齐全的头盔式立体显示器（HMD）系统。,1.2 虚拟现实的发展,80年代初至80年代中期，开始形成VR技术的基本概念，开始由实验进入实用阶段 1985年在Michael Mc Greevy领导下完成的VIEW虚拟现实系统，装备了数据手套和头部跟踪器，提供了手势、语言等交互手段，使用VIEW成为名副其实的虚拟现实系统，成为后来开发虚拟现实的体系结构。其他如VPL公司开发了用于生成虚拟现实的RB2软件和Data Glove 数据手套，为虚拟现实提供了开发工具。,1.2 虚拟现实的发展,80年代末至90年代初为虚拟
5、现实全面发展阶段 虚拟现实技术已经从实验室的试验阶段走向了市场的实用阶段，对虚拟现实技术的研究也从基本理论和系统构成的研究应用过程中所遇到的具体问题的探讨； 在虚拟现实系统中只有各种交互设备还不够，还必须提供基本的软件支撑环境，用户能方便的构造虚拟环境并与虚拟环境进行高级交互。,1.3 虚拟现实技术的特点,沉浸感,交互性,想象性,指用户感受到被虚拟世界所包围，好像完全置身于虚拟世界中一样。,主要借助于VR系统中的特殊硬件设备、使用户能通过自然的方式，产生同在真实世界中一样的感觉。,指虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。,2. 虚拟现实系统的
6、组成,典型虚拟现实系统的组成 计算机系统 用户 虚拟环境人机界面,2.1 基于基于HMD的虚拟现实系统的构成,2.2 虚拟现实系统的分类,桌面虚拟现实 沉浸式虚拟现实 增强现实系统 分布式虚拟现实,2.2.1 桌面虚拟现实,利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。使用简单的外部设备（如鼠标、轨迹球）来观察360度范围内的虚拟世界，并操纵虚拟场景中的各种物体。 纯软件型,2.2.2 沉浸式虚拟现实,高级虚拟现实系统，提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。 利用头盔式显示器或其他硬件设备、数据手套、位置跟踪器等。,2.2.3 增强现实系
7、统,真实环境和虚拟环境结合起来的系统，部分系统是真实环境，这样既可减少真实环境的资源消耗，又可对实际物体进行操作。 不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受。增强现实中无法感知或不方便的感受。,2.2.4 分布式虚拟现实,如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。,3.研究内容和关键技术,动态环境建模,实时三维图形生成技术,应用系统开发工具,立体显示和传感器技术,系统集成技术,3.研究内容和关键技术,动态环境建模,动态环境建模技术的目的就是获取实
8、际环境的三维数据，并根据应用的需要建立相应的虚拟环境模型.,3.研究内容和关键技术,实时三维图形生成技术,三维图形的生成技术已经较为成熟，为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新频率不低于15帧/秒，最好高于30帧/秒，提高刷新频率是该技术的主要内容.,3.研究内容和关键技术,立体显示和传感器技术,虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展，设备过重、分辨率低、延迟大、有线、跟踪精度低、视场不够宽、眼睛容易疲劳等，因此有必要开发新的三维显示技术.,3.研究内容和关键技术,应用系统开发工具,虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造性.选择适当的应用对象可以大幅度提
9、高生产效率，减轻劳动强度，提高产品质量.,3.研究内容和关键技术,系统集成技术,由于VR系统中包含大量的感知信息和模型，因此系统集成技术起着至关重要的作用.集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术.,4.虚拟现实的应用,教育领域 虚拟学习环境 虚拟实验室 虚拟实训基地 虚拟仿真校园 虚拟远程教育,4.虚拟现实的应用,军事领域 虚拟战场环境 单兵模拟训练与评判 诸军种联合虚拟演习 进行指挥员训练,4.虚拟现实的应用,矿业领域 模拟矿井开采 矿业人员技术培训 矿井设备的虚拟设计和制造 事故模拟与调查分析,4.虚拟现实的应用,商业领域 物品外观展示 物品
10、特性展示 物品的功能参数 物品的价格,4.虚拟现实的应用,房地产领域 最直观的交流方式 最快捷的审批平台 最方便的设计工具 最先进的营销手段,4.虚拟现实的应用,例子 谷歌地图街景 虚拟试衣 虚拟看房,5.虚拟现实建模语言VRML,VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一个在Internet中描述三维造型与交互环境的文本标注语言。 VRML提供对三维世界及其内部基本对象的描述（包括球体、平面、圆锥、圆柱、立方体等）并同二维的页面链接起来。 VRML是描述虚拟环境中场景的一种标准。它定义了三维应用系统中常用的语言描述，如层次变换、光源、视点、几何、动画、
11、雾、材料特性和纹理映射等，并具有简单的行为特征描述功能。,5.虚拟现实建模语言VRML,VRML的诞生与发展 VRML 1.0于1994年面世 VRML 2.0规范于1996年公布 1997年，VRML正式作为国际标准发布，并获得ISO批准，此即VRML 97,5.虚拟现实建模语言VRML,VRML的特点 文件短小，适于网络应用 兼容性强，兼容多种3D文件格式和其他媒体文件格式 实时3D交互 后期维护方便 扩展性强 可支持多种运行环境,5.虚拟现实建模语言VRML,VRML的缺点 三维图象质量一般，场景不能过于复杂，对客户机要求较高，需要使用专门的浏览器 浏览器的控制比较困难 VRML与外界的通信能力比较差 VRML与用户的交互比较弱,本章小结,虚拟现实技术概述 -虚拟现实技术的概念 虚拟现实技术的组成 -虚拟现实技术的分类 研究内容和关键技术 虚拟现实技术的应用 虚拟现实建模语言VRML,
