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1、第三讲虚拟现实技术q一种人与通过计算机生成的虚拟环境可自然交互的人机界面VR（虚拟现实）q主要内容主要内容一虚拟现实技术的基本概念二虚拟现实技术的内容三虚拟现实技术的应用一一虚拟现实技术定义虚拟现实技术定义qq 虚拟现实技术（虚拟现实技术（VirtualRealityTechnologyVirtualRealityTechnology，VRTVRT）是由计算机技术、图像图形技术、传感）是由计算机技术、图像图形技术、传感器技术、网络技术及器技术、网络技术及“ “人人- -机机” ”接口技术相结合接口技术相结合的产物。的产物。qqVRTVRT在军事、医学、娱乐中都有广泛的应用。在军事、医学、娱乐中
2、都有广泛的应用。qVRT以计算机为中心，创建一个三维视觉、听觉和触觉环境；用户利用系统提供的“人-机”对话工具，同虚拟环境（VirtualEnvironment,VE）中的虚拟对象（VirtualObject）交互操作，使用户仿佛置身于现实中。二二虚拟现实系统的内容虚拟现实系统的内容1 1构成构成构成构成计算机计算机计算机计算机传感器传感器传感器传感器音频输出设备音频输出设备音频输出设备音频输出设备视频输出设备视频输出设备视频输出设备视频输出设备机械设备机械设备机械设备机械设备相应配套软件相应配套软件相应配套软件相应配套软件建模程序建模程序特殊应用编辑特殊应用编辑三维图像模型三维图像模型纹理映
3、射图纹理映射图动态合成动态合成着色：着色：三维图像三维图像空间声响空间声响输出附件：输出附件：HMD视频视频HMD音频音频运动平台运动平台CAD数据库数据库输入附件：输入附件：数据手套数据手套头部跟踪器头部跟踪器麦克风麦克风用户动作：用户动作：转动转动抓抓讲话讲话 建模程序建模程序建模程序建模程序用于构造虚拟环境中的单个对象用于构造虚拟环境中的单个对象物体，视待虚拟的具体系统而定。物体，视待虚拟的具体系统而定。 CADCAD数据库数据库数据库数据库 保存系统中绘制和渲染虚拟物保存系统中绘制和渲染虚拟物体的数据，它包括物理模型、数学模型及生理体的数据，它包括物理模型、数学模型及生理模型的相关数据
4、。模型的相关数据。 建模程序建模程序建模程序建模程序 通过调用通过调用CADCAD数据库中的资源数数据库中的资源数据选择恰当的三维模型和纹理映射图，为三维据选择恰当的三维模型和纹理映射图，为三维视觉和听觉编程确定相应的虚拟对象。视觉和听觉编程确定相应的虚拟对象。三维图像模型及纹理映射图三维图像模型及纹理映射图建立虚拟对象所需的“部件”，包括各种三维模型和表面纹理映射图。特殊应用编程特殊应用编程 实现系统对虚拟对象的各种特定操作，包括模拟解剖、旋转、动画演示动态过程等。动态合成动态合成 把特殊应用编程和用户操作应用到虚拟对象上，这是实现虚拟操作的关键环节。着色着色将虚拟对象和虚拟环境及三维视觉（
5、图像）和三维听觉（空间声响）等方式进行修饰和渲染。输出附件输出附件 以音频、视频和运动触觉3种方式输出给用户，使用户获得更真实的体验。用户动作用户动作包括用户在虚拟环境中对虚拟对象的各类操作，他们经输出附件（传感器）将各种动作告诉系统，系统再通过输出附件表现出来。输入设备：输入设备：3D3D位置跟踪器、传感手套、数据衣、位置跟踪器、传感手套、数据衣、三维鼠标、跟踪球、三维探针及三维操作杆三维鼠标、跟踪球、三维探针及三维操作杆等。等。数据手套三维鼠标三维鼠标输出设备：立体显示设备、输出设备：立体显示设备、3D3D声音生成器、触觉和声音生成器、触觉和力反馈的装置力反馈的装置快速响应工作台头盔显示器
6、桌面立体显示器2 2 特点特点: :qq沉浸感：用户可以沉浸于计算机生成的虚拟环境中沉浸感：用户可以沉浸于计算机生成的虚拟环境中和使用户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力，和使用户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力，用户在虚拟场景中有用户在虚拟场景中有“ “身临其境身临其境” ”之感。他所看到之感。他所看到的、听到的、嗅到的、触摸到的，完全与真实环境的、听到的、嗅到的、触摸到的，完全与真实环境中感受到的一样。它是中感受到的一样。它是 VRVR系统的核心。系统的核心。 q交互性：用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力。它是人机和谐的关键性因素。用户进入虚拟环境后，通过多种传感器与多维化信息的
7、环境发生交互作用，用户可以进行必要的操作。q想象力：通过用户沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟环境进行了各种交互作用，从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而可以深化概念，萌发新意，产生认识上的飞跃。3分类分类标准：用户参与VR的形式以及沉浸的程度 桌面虚拟现实：利用个人计算机和低级工作站进行桌面虚拟现实：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仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部设备包括鼠标，追踪球，力矩充分交互，这些外部设备包括鼠
8、标，追踪球，力矩球等。球等。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察 360360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围时参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。现实环境的干扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，但是成本也相对较低，因而，应用比较广泛。常见桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实QuickTimeVR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。沉浸的虚拟现实 高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使高级虚
9、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。它利用用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器（见图）或其它设备，把参与者的头盔式显示器（见图）或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套（见图）、其它手控输入设备、声音等使得手套（见图）、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示的感觉。常见的沉浸式系
10、统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。 增强现实性的虚拟现实 增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术增强现实性的虚拟现实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，也就是增强现实中增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。无法感知或不方便的感受。典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员
11、面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。力盯着敌人的飞机或导航偏差。 分布式虚拟现实分布式虚拟现实 如果多个用户通过计算机网络连接在一起，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。布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网
12、络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。同工作的目的。目前最典型的分布式虚拟现实系统是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。通过SIMNET，位于德国的仿真器可以和位于美国的仿真器一样运行在同一个虚拟世界，参与同一场作战演习。4相关术语：人工现实（ArtificialReality）、虚拟环境（VirtualEnvironment）、赛伯空间(Cyberspace)等桌面虚拟现实系统桌面虚拟现实系统概念：一种在概念：一种在PCPC上实现的综合立体图形、自然交上实现的综合立体图形、自然交互等技术，以营造
13、与客观世界高度类似的逼互等技术，以营造与客观世界高度类似的逼真、虚拟环境的应用系统。常见的有：基于真、虚拟环境的应用系统。常见的有：基于静态图像的虚拟现实技术、静态图像的虚拟现实技术、VRMLVRML、桌面、桌面CADCAD系统系统特性：生动的计算机图形图像场景、自然的人机特性：生动的计算机图形图像场景、自然的人机交互、通用的图形软件平台交互、通用的图形软件平台 基本配置基本配置渲染引擎技术：渲染引擎技术：VRMLVRML：VRML(VirtualRealityModelingLanguage)VRML(VirtualRealityModelingLanguage)即虚拟现实建模语言即虚拟现实
14、建模语言 , ,是一项和多媒体通讯是一项和多媒体通讯 、 因特网因特网 、 虚拟现实等领域密切相关的新技术虚拟现实等领域密切相关的新技术 , ,用来描述一个目标对象是如何呈现在用来描述一个目标对象是如何呈现在 WebWeb上上的的 和和 HTMLHTML一一 样样 ,VRML,VRML也是可由浏览器解也是可由浏览器解释的描述语言释的描述语言 , ,只不过只不过 VRMLVRML不是描述成一不是描述成一个个 PagePage的格式的格式 , ,而是描述成而是描述成 3D3D环境和目标的环境和目标的布局它的主要特征有三维性布局它的主要特征有三维性 、交互性、交互性 、动态、动态性性 、实时性等。、
15、实时性等。 QTVRQTVRQTVRQTVR是是QuickTimeVirtualRealityQuickTimeVirtualReality的简称的简称, ,它是美国苹果公司开发的新一代虚拟现实技术。它是美国苹果公司开发的新一代虚拟现实技术。概括地讲是一种基于静态图象处理的概括地讲是一种基于静态图象处理的, ,在微机在微机平台上能够实现的初级虚拟现实技术。平台上能够实现的初级虚拟现实技术。QTVRQTVR属于桌面虚拟现实的一种。虽然它是初级的虚属于桌面虚拟现实的一种。虽然它是初级的虚拟现实技术拟现实技术, ,但是它有其自身的特色与优势但是它有其自身的特色与优势. .它它的出现使得往专业实验室中
16、的成本昂贵的虚拟的出现使得往专业实验室中的成本昂贵的虚拟现实技术的应用普及有了广阔的前景。现实技术的应用普及有了广阔的前景。三三虚拟现实技术的应用虚拟现实技术的应用1在医学教育中的应用l在虚拟环境中学习解剖学、生理学、病理学l医院急救室工作人员的培训l内窥镜手术训练l放射疗法计划2虚拟现实技术在外科手术中的应用l l 外科手术计划和模拟可以利用虚拟现实技术解决器官移植手术排异性问题利用虚拟现实技术，手术前先在虚拟环境中建立病人的模型，医生可以在模型上进行模拟手术，根据效果不断调整手术方案，直至患者满意为止。l放射诊断虚拟现实技术可以将放射诊断带入全新境地。采用这种技术，首先是获取病人的有关数据，然后在虚拟环境中用计算机模型去提取这些数据并显示出来。能更近的观察真正的人体器官而不是看一些灰度等级图。3基于虚拟现实的手术训练和学习q传统的医疗手术训练和学习是按照“师傅带徒弟”的方式进行的，手术室就是教室，也是特殊的实验室。有经验的医生通过“作一个，看一个，学一个”的方式训练初学者。q教学内容随机的依赖于病人的出现，有很大的不可预见性，难于进行系统的教学。q上述训练方法将延长手术时间，增加手
