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1、虚拟现实的空间定位,09电信许羽东,概念、特征与发展历程,技术实现,空间定位的实现,应用与展望,4,1,2,3,提纲目录,虚拟现实的概念,虚拟现实(Virtual Reality，简称VR，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。 虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。,虚拟现实的特征,浸没感（Immersion） 又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维
2、虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。,虚拟现实的特征,交互性（Interactivity） 指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。,虚拟现实的特征,构想性（Imagination） 强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。,由于
3、浸没感、交互性和构想性三个特性的英文单词的第一个字母均为I，所以这三个特性又通常被统称为3I特性。,发展历史,1961年，Morton Heilig的设想-体验剧场（Sensorama），以布鲁克林街道为背景，模拟漫步的感受-先驱者 1965年，计算图形学之父Ivan Sutherlang发表论文“终极的显示”，提出“应将计算的显示屏进化为观看虚拟世界的窗口” 次年，他开始研制第一个头盔显示器， 1970年，在犹他大学成功演示了它的功能。 其他成就：用计算机生成的图形代替了摄制图像，并开始设计场景生成器-图形加速卡。,发展历史,70-80年代，美国军方投巨资研究“飞行头盔”和其他军用仿真器，成
4、为虚拟现实技术发展的主要推动力。 1981年，美国国家航空和宇宙航行局（NASA）制作了当时最先进的液晶显示器头盔。 80年代中期，J.Zimmermn 和Jaron.Lanier发明了数据手套。 1989年组建VPL Research公司 同年Jaron Lanier在文章中正式使用虚拟现实这一术语。,虚拟现实系统的硬件-跟踪设备,1.电磁波跟踪器 此类跟踪器利用小型天线发出的磁场，由多个接收天线接收信号并通过计算得到三维的位置坐标和方向。 2. 超声波跟踪器 超声波跟踪器发出高频超声波脉冲，由装在天花板上的三个接收器接收信号，通过延迟即可计算距离。 3. 机械跟踪器 机械跟踪器通过精密的机
5、械框架和连接来测量指定点的位置和指向。 4. 惯性跟踪器 惯性跟踪器采用机械方法，利用小型陀螺仪测量倾角、偏角和转角。,虚拟现实系统的硬件-跟踪设备,5. 光学跟踪器 光学跟踪器是一种红外跟踪器。它利用摄像机获取图像，通过立体视觉计算确定目标位置，并通过观测多个参照点来确定目标的表面指向。 6. 图像提取跟踪器 图像提取跟踪器是一种计算密度最高的跟踪器。它是最易于使用但又最难开发的跟踪器。一台(组)视频摄像机拍摄人及其动作，然后由图像处理技术来确定人的位置及动作。,虚拟现实系统的硬件-数据手套,1. 力学反馈手套 力学反馈手套是在计算机的控制下，通过对手指的运动产生阻尼，从而使用户的手产生力感
6、。阻尼的大小由被抓物体的物理属性决定。 力学反馈手套技术提供给用户一种虚拟手控制系统，使用户可以选择或操纵机器子系统并能自然感觉到触觉和力量模拟反馈。 2. 压力反馈系统 当一个虚拟物被用户抓取时，一些虚拟环境系统要求真正的压力反馈，来防止手穿过固体。压力反馈系统是把压力加到操纵者手上，从而使人能够根据运动及压力的感受情况进行控制。,虚拟现实系统的硬件-数据手套,3. 表面压力反馈装置 表面显示的概念是把虚拟物体本身的表面提供给用户的一个思想，而不是力的感知或与虚拟物体的接触而产生的触觉。在虚拟环境的实现中，存在于现实世界中的用户和在计算机中定义的虚拟物体之间的交互作用不得不通过一个力反馈设备
7、调解。目前这类表面压力反馈装置包括：点阵式表面压力反馈装置和SPICE触觉接口。,虚拟现实系统的硬件-数据手套,力觉反馈数据手套结构示意图,超声波三维空间定位原理,利用三角形测量原理可以实现三维定位与定向。设在参考坐标系的原点、X轴、Y轴上分别安装有3个超声波接收器RO、RX、RY,同时在要检测的物体(如头盔或数据手套的手指)安装有3个超声波发射器Fa、Fb、Fc.如图1所示。,超声波测距原理,超声波发射与接收系统框图2所示,超声波测距原理,经过繁杂的数学推演，可得到超声波测距公式：,其中, Cultra为声速;Tprecise为渡越时间, Tenv为测量时的环境温度, fcount为系统时钟
8、, ,fultrasonic为超声波的发射频率. Ldelay是因温度差异而产生的电路延时,虚拟现实技术的应用,虚拟现实的未来展望,虚拟现实发展前景十分诱人，而与网络通信特性的结合，更是人们所梦寐以求的。在某种意义上说它将改变人们的思维方式，甚至会改变人们对世界、自己、空间和时间的看法。它是一项发展中的、具有深远的潜在应用方向的新技术。利用它，我们可以建立真正的远程教室，在这间教室中我们可以和来自五湖四海的朋友们一同学习、讨论、游戏，就像在现实生活中一样。使用网络计算机及其相关的三维设备，我们的工作、生活、娱乐将更加有情趣。 虚拟现实向人们描绘了未来的生活片段，很美妙。由此用户也可以发挥自己丰富的想象力，在我们的电脑前就可以实现与大西洋底的鲨鱼嬉戏；参观非洲大陆的天然动物园；感受古战场的硝烟与刀光剑影；发幽古思今之情；还可以体验开国大典的庄严和东方巨人站立起来的壮志豪情,Thank You!,
