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1、第二章 虚拟现实技术VM2022/6/4usst 吴恩启吴恩启2主要内容主要内容 2.1 2.1 定义定义 2.22.2发展史发展史 2.3VR2.3VR系统分类系统分类 2.4 VR2.4 VR系统组成系统组成 2.52.5虚拟现实工具虚拟现实工具 2.6 2.6 虚拟现实建模技术虚拟现实建模技术 2.72.7建模工具软件建模工具软件 2.82.8开发工具软件开发工具软件VM2022/6/4usst 吴恩启吴恩启3 p虚拟现实：u 由计算机生成的，通过视听、触觉、嗅觉等多通道作用于用户，使之产生身临其境的感觉的交互式计算机仿真，是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统u是一门集成了人与信息的
2、科学。其核心是由一些三维的交互式计算机生成的环境组成。这些环境可以是真实的，也可以是想象的世界模型，其目的是通过人工合成的经历来表示信息。u融合了许多人的因素，且放大了它对个人感觉影响的工程u建立在集成诸多学科如心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学、机器人及多媒体技术等之上2.1 2.1 定义定义虚拟现实的例子草地男孩虚拟现实的例子草地男孩Virtual RealityVMuu19291929年，年，Edward LinkEdward Link设计出设计出用于训练飞行员的模拟器用于训练飞行员的模拟器u1956年，Morton Heilig开发出多通道仿真体验系统Sen
3、sorama 2.2 2.2 发展史发展史VM 19651965年，年，Ivan SutherlandIvan Sutherland发表论发表论文文“Ultimate DisplayUltimate Display”（终极（终极的显示）的显示）l l19681968年，年，Ivan SutherlandIvan Sutherland研制研制成功了带跟踪器的头盔式立体成功了带跟踪器的头盔式立体显示器（显示器（Head Mounted Head Mounted DisplayDisplay，HMDHMD） 2.2 2.2 发展史发展史VM1972年，Nolan Bushnell开发出第一个交互式电
4、子游戏Pong 1977年，Dan Sandin、Tom DeFanti和Rich Sayre研制出第一个数据手套Sayre Glove20世纪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的最早原型。 2.2 2.2 发展史发展史VM1990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，
5、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移。著名的VPL公司开发出第一套传感手套命名为“DataGloves”，第一套HMD命名为“EyePhones”。进入21世纪后，VR技术更是进入软件高速发展的时期，一些有代表性的VR软件开发系统不断在发展完善，如MultiGen Vega、OpenSceneGraph、Virtools等。2.2 2.2 发展史发展史VM2022/6/4usst 吴恩启吴恩启82.3 2.3 基本概念基本概念1. 1. 1. 1.特征特征特征特征虚拟技术三角形虚拟技术三角形VM2022/6/4usst 吴恩启
6、吴恩启9沉浸性沉浸性ImmersionImmersion沉浸性：是指用户感觉到好像完全置身于虚拟世界之中一样，被虚拟世界所包围。虚拟现实技术的主要特征就是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由被动的观察者变成主动的参与者沉浸于虚拟世界之中，参与虚拟世界的各种活动。比较理想的虚拟世界可以达到使用户难以分辨真假的程度，甚至超越真实，实现比现实更逼真的照明和音响等效果。 (1) 视觉沉浸 (2) 听觉沉浸 (3) 触觉沉浸 (4) 嗅觉沉浸 (5) 身体感觉沉浸，味觉沉浸等VM2022/6/4usst 吴恩启吴恩启10交互性交互性 InteractionInteraction
7、交互性：虚拟现实系统强调人与虚拟世界之间要以自然的方式进行交互，实时产生在真实世界中一样的感知，甚至用户自己都意识不到的计算机的存在。交互性具有以下特点：(1)虚拟环境中人的参与和反馈：在虚拟现实系统中，人是一个重要的因素，这是产生一切变化的前提，正因为有了人的参与和反馈，才会有虚拟环境中实时交互的各种要求与变化。(2)人机交互的有效性：人与虚拟现实系统之间的交互是基于真实感的虚拟世界，并与人进行自然的交互，人机交互的有效性是指虚拟场景的真实感，真实感是前提和基础。(3)人机交互的实时性：实时性是指虚拟现实系统快速响应用户的输入。没有人机交互的实时性，虚拟环境就失去存在的必要性和前提VM202
8、2/6/4usst 吴恩启吴恩启11构想性构想性 ImaginationImagination构想性：用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位的获取知识，发挥主观能动性，寻求答案并做出判断。n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。n例：当在盖一座现代化的大厦之前，1）首先要对这座大厦的结构做细致的构思，2）为了使之定量化，需设计许多图纸。这些图纸只能内行人读懂，反映的是设计者的构思，3）虚拟现实同样反映的是某个设计者的思想，只不过它的功能远比那些呆板的图纸生动，强大的多。 VM2022/6/4usst 吴恩启吴恩启122.3
9、VR2.3 VR系统分类系统分类VRVR系统分类系统分类桌面式桌面式(Desktop VR)(Desktop VR)沉浸式沉浸式( (Immersive VR)Immersive VR)增强式增强式( (Augmented VR)Augmented VR)分布式分布式(Distributed VR)(Distributed VR)VM桌面式VR系统l l使用个人计算机和低级工作站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。来产生三维空间的交互场景。l l用户会受到周围现实环境的干用户会受到周围现实环境的干扰而不能获得完全的沉浸感，扰而不能获得完全的沉浸感，但由于其成本相对较低桌面式但由
10、于其成本相对较低桌面式VRVR系统仍然比较普及。系统仍然比较普及。 VM沉浸式VR系统l l利用头盔显示器、洞穴式显示设备利用头盔显示器、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，而觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为使用户真正成为VRVR系统内部的一个系统内部的一个参与者，产生一种身临其境、全心参与者，产生一种身临其境、全心投入并沉浸其中的体验。投入并沉浸其中的体验。l l与桌面式与桌面式VRVR系统相比，沉浸式系统相比，沉浸式VRVR系系统的主要特点在于高度的实时性和统的主要特点在于高度的实时性和沉浸感。沉浸感。VM增强式
11、VR系统l允许用户对现实世界进行观察的同时，将虚拟图像叠加在真实物理对象之上。l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。l可以使用光学技术或视频技术实现。虚实结合VM分布式分布式VR系系统l l指基于网络构建的虚拟环境，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的协同工作达到一个更高的境界。界。l l主要被应用于远程虚拟会议、主要被应用于远程虚拟会
12、议、虚拟医学会诊、多人网络游戏、虚拟医学会诊、多人网络游戏、虚拟战争演习等领域。虚拟战争演习等领域。3D异形投影互动展示法国视觉舞台剧cinematiqueVM2022/6/4usst 吴恩启吴恩启172.4 VR2.4 VR系统的组成系统的组成 典型的典型的VRVR系统主要由系统主要由计算机软、硬件系统计算机软、硬件系统（包括（包括VRVR软件和软件和VRVR环环境数据库）和境数据库）和VRVR输入、输入、输出设备等组成。输出设备等组成。VM2022/6/4usst 吴恩启吴恩启18进一步分类进一步分类：检测输入装置：位置跟踪系统、数据手套、三维鼠标等检测输入装置：位置跟踪系统、数据手套、三
13、维鼠标等图像生成和现实系统：图像生成和现实系统：音频系统音频系统力和触觉系统力和触觉系统高性能计算机系统高性能计算机系统建模系统建模系统2.4 VR2.4 VR系统的组成系统的组成VM2022/6/4usst 吴恩启吴恩启191.3D1.3D1.3D1.3D位置跟踪器位置跟踪器位置跟踪器位置跟踪器虚拟现实系统中虚拟现实系统中3D3D位置的描述：位置的描述：6 6个参数：个参数：3 3个平移参数：个平移参数： x,y,z x,y,z3 3个旋转参数：个旋转参数： Pitch Pitch俯仰角：俯仰角：围绕围绕X X轴轴旋旋转转 Yaw Yaw 转动角：转动角：围绕围绕Y Y轴轴旋旋转转 Roll
14、 Roll 偏转角：偏转角：围绕围绕Z Z轴轴旋旋转转 物体坐标的设置：物体坐标的设置： 物体的左右方向为物体的左右方向为x x， 前后方向为前后方向为y y， 上下方向为上下方向为z z2.5 2.5 虚拟现实工具虚拟现实工具3D位置跟踪器：主要用在沉浸式VR系统中，用来测量用户的头部或者身体的某个部位的空间位置和角度，一般与其他VR设备结合使用，如：头盔、立体眼镜、数据手套等，用户在空间上能够自由移动、旋转。目前有六自由度和三自由度两种产品 VM2022/6/4usst 吴恩启吴恩启20uu磁场式跟踪器磁场式跟踪器uu超声波式跟踪器超声波式跟踪器uu光学跟踪器光学跟踪器组成：磁发射器，磁接
15、收器， 计算模块原理：磁接收器安装在运动物体上，根据接受到的磁场信息，经计算模块计算出相对磁发射器的方向和位置2.5 2.5 虚拟现实工具虚拟现实工具1.3D1.3D1.3D1.3D位置跟踪器位置跟踪器位置跟踪器位置跟踪器VM2022/6/4usst 吴恩启吴恩启21uu磁场式跟踪器磁场式跟踪器uu超声波式跟踪器超声波式跟踪器uu光学跟踪器光学跟踪器组成：超声波发射器，超声波接收器，计算机原理：1.通过测量超声波从发射器到接收器的传播时间来测量物体的方向和距离；2.通过比较接收器收到的声波相位与参考波相位来测量距离2.5 2.5 虚拟现实工具虚拟现实工具1.3D1.3D1.3D1.3D位置跟踪
16、器位置跟踪器位置跟踪器位置跟踪器VM2022/6/4usst 吴恩启吴恩启22uu磁场式跟踪器磁场式跟踪器uu超声波式跟踪器超声波式跟踪器uu光学跟踪器光学跟踪器组成：发光装置，光探测器，计算机原理：通过光学成像计算物体位置； 固定转换器系统：利用光探测器（或发射器）的固定距离计算出跟踪物体位置图像处理型系统：利用两个或两个以上摄像机的图像来计算出物体的三维信息2.5 2.5 虚拟现实工具虚拟现实工具1.3D1.3D1.3D1.3D位置跟踪器位置跟踪器位置跟踪器位置跟踪器VM2022/6/4usst 吴恩启吴恩启232.2.2.2.视觉设备视觉设备视觉设备视觉设备uu立体眼镜立体眼镜双色镜双色镜双色镜双色镜： 左镜片具有蓝色膜，右镜片具有红色膜，而左右眼视左镜片具有蓝色膜，右镜片具有红色膜，而左右眼视图则分别以红蓝显示，并同时投影到屏幕上，左眼通过蓝色图则分别以红蓝显示，并同时投影到屏幕上，左眼通过蓝色滤光膜只能看到红色的左眼视图，右眼通过红色滤光膜只能看滤光膜只能看到红色的左眼视图，右眼通过红色滤光膜只能看到蓝色右眼视图，从而产生强烈的立体感到蓝色右眼视图，从而产生强烈的立体感偏光镜
