虚拟现实背景了解

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1、虚拟现实技术与系统开发学习目标 掌握虚拟现实技术的相关概念和关键特性 了解虚拟现实系统的组成 了解虚拟现实系统的开发流程8.1虚拟现实技术概述虚拟现实(Virtual Reality)技术是近年来一项十分活跃的研究与应用技术。从20世纪 80年代被人们关注以来，发展极为迅速。目前已经在教育学习(E-Learning)、数字娱乐(Games)、虚拟导览(Virtual tour)、数字城市(Digital City)、模拟训练(E-training)、 工业仿真(Industry Simulation)、虚拟医疗(Virtual Medical)、数字典藏(Digital Preservatio

2、n) 电子商务(EC)等从军事到民用的诸多领域得到广泛应用。虚拟现实技术是二十一世纪信息技术的代表，它融合了数字图像处理、计算机图形学、 多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支。虚拟现实技术是对这些技术更高层次的集成、 渗透与综合应用。8.1.1虚拟现实技术的概念自1962年，美国青年Morton Heilig发明了实感全景仿真机开始，虚拟现实技术越来越 受到人们的关注。艾凡萨瑟兰(Ivan Sutherland)领导研制成功的第一个头盔显示器于1970 年1月1日进行了首次的正式演示。Virtual Reality的概念由美国VPL Research公司的创始 人加隆兰里尔(Jaron L

3、anier)在1989年正式提出来，中文通常译作“虚拟现实”。虚拟现实技术就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体 化的特定范围内虚拟的环境(如飞机驾驶舱、分子结构世界)。用户使用必要的特定装备(如 数字化服装、数据手套、数据鞋以及头盔、立体眼镜等)，就可以自然地与虚拟环境中的客 体进行交互，相互影响，从而产生亲临现场的感受和体验。8.1.2虚拟现实技术的特征自从人类发明计算机以来，人机的和谐交互一直是人们追求的方向。虚拟现实系统提供 了一种先进的人机界面，它通过为用户提供视觉、听觉、嗅觉、触觉等多种直观而自然的实 时交互的方法与手段，最大程度的方便了用户的操作，从而减

4、轻了用户的负担、提高了系统 的工作效率。美国科学家Burdea G.和Philippe Coiffet在1993年世界电子年会上发表了一篇 题为“Virtual Reality System and Applications ”的文章，在该文中提出一个“虚拟现实技术 的三角形”，它表示出虚拟现实技术具有的三个突出特征：沉浸性(Immersion).交互性(Interactivity)和想象性(Imagination),如图 8-1 所示。交互性(Interactivity)沉浸性（Immersion）想象性（Imagination）图8-1虚拟现实技术的三个特性虚拟现实技术的三个特性：（1）沉

5、浸性沉浸性又称浸入性，是指用户感觉到好象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技术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。虚拟现实的沉浸性来源于对虚拟世界的多感知性，除了我们常见的视觉感知、听觉感知 外，还有力觉感知、触觉感知、运动感知、味觉感知、嗅觉感知、身体感觉等。从理论上来 讲，虚拟现实系统应该具备人在现实客观世界中具有的所有感知功能。但鉴于目前科学技

6、术 的局限性，在虚拟现实系统中，研究与应用较为成熟或者相对成熟的主要是视觉沉浸（立体 显示）、听觉沉浸（立体声X触觉沉浸（力反馈）、嗅觉沉浸（虚拟嗅觉），有关味觉等其他 的感知技术正在研究之中，还很不成熟。（2）交互性在虚拟现实系统中，交互性的实现与传统的多媒体技术有所不同，在传统的多媒体技术 中，人机之间的交互工具从计算机发明直到现在，主要是通过键盘与鼠标进行一维、二维的 交互，而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，并且借助于虚拟现 实系统中特殊的硬件设备（如数据手套、力反馈设备等），以自然的方式与虚拟世界进行交 互，实时产生在真实世界中一样的感知，甚至连用户本人都意识不

7、到计算机的存在。例如， 用户可以配戴力反馈数据手套，用手直接抓取虚拟世界中的物体，这时手有触摸感，并且可 以感觉到物体的重量，能区分所拿的是石头还是海绵，并且场景中被抓的物体也立刻随着手 的运动而移动。（3）想象性想象性是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。所以说虚拟现实技术不仅仅是一个媒体或一个高级用户界面，它 同时还可以是为解决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件，通常 它以夸大的形式反映设计者的思想，虚拟现实系统的开发是虚拟现实技术与设计者并行操作， 为发挥他们的创造性而设计的。虚拟现实技术的应用，为人类认识世

8、界提供了一种全新的方 法和手段，它可以使人类突破时间与空间，去经历和体验世界；可以使人类进入宏观或微观 世界进行研究和探索；也可以完成那些因为某些条件限制难以完成的事情。8.1.3虚拟现实系统的分类随着计算机技术、网络技术等新技术的高速发展及应用，虚拟现实技术也发展迅速，并 呈现出多样化的发展趋势，其内涵也已经大大扩展。虚拟现实的分类主要可以从两种角度来 划分，一方面是虚拟世界模型的建立方式；另一方面是虚拟现实系统的功能和实现方式。1.按虚拟世界模型的建立方式分类我们说虚拟现实就是人们利用计算机技术建立一个虚拟世界，而虚拟世界的建模有两种 方式，一种是通过影片缝合成一个三维虚拟环境，也就是所谓

9、的影像式虚拟现实；另外一种 三维虚拟环境的模型是人们运用建模工具软件(如Max、Maya等)手工绘制的多边形构成， 即 3D/VR 虚拟现实(Polygon base VR)。(1) 影像式虚拟现实影像式虚拟现实又分为针对环境的全景虚拟现实和针对物体的环物虚拟现实两类，如图 8-2、图8-3所示。在基于全景图像的虚拟现实系统中，虚拟场景是按以下步骤生成的：首先利用采集的离 散图像或连续的视频作为基础数据，经过处理形成全景图像；然后通过合适的空间模型把多 幅全景图像组织为虚拟全景空间。用户在这个空间中可以进行前进、后退、环视、仰视、俯 视、近看、远看等操作。全景虚拟现实主要应用在旅游景观及酒店建

10、筑等环境展示。环物虚拟现实是以所拍摄物体为中心，采集一系列连续的帧序列，然后缝合成三维物体， 可以进行旋转、拉远、拉近观看。环物虚拟现实主要用于博物馆文物数字化及在线商品展示 方面。图8-2全景虚拟现实图8-3环物虚拟现实(2) 3D/VR虚拟现实3D/VR虚拟现实(Polygon base Virtual Reality)是使用三维模型设计软件，通过多个多 边形组合成一个三维模型，再给模型增加上纹理、材质、贴图等完成虚拟场景及人物的三维呈现。3D/VR虚拟现实如图8-4所示。影像式虚拟现实与3D/VR虚拟现实相比，前者能够提供高度逼真的效果、最大限度的 保存真实物体的原有信息，但只能进行旋转

11、及有限度的拉远、拉近观看，交互性不够；而后 者由于手工建模，有误差的存在，很难达到影像式虚拟现实所能保存原始信息的程度，但其 能够提供丰富的交互行为，方便用户对虚拟世界进行各种自然、和谐的交互。图8-4 3D/VR虚拟现实2.按虚拟现实系统的功能和实现方式分类虚拟现实技术不仅指那些采用高档可视化工作站、高档头盔显示器等一系列昂贵设备的 技术，也包括一切与其有关的具有自然交互、逼真体验的技术与方法。虚拟现实技术的目的 在于达到真实的体验和基于自然的交互，而对一般的单位或个人不可能承受昂贵的硬件设备 及相应软件的价格，现在人们根据不同用户应用的需要，提供了桌面式、沉浸式、增强式、 分布式虚拟现实系

12、统等从初级到各种高端应用的解决方案。(1) 桌面式虚拟现实桌面式虚拟现实系统(Desktop VR)是应用最为方便、灵活的一种虚拟现实系统。它抛 开其他或复杂或大型或昂贵的虚拟现实输出设备，用户采用个人计算机作为可视化输出设备， 搭配主动立体眼镜观看立体效果；而在输入设备部分，我们可以选用基本的鼠标键盘进行操 作，也可以根据需要搭配三维鼠标、追踪球、力矩球、空间位置跟踪器、数据手套甚至于力 反馈设备进行仿真过程的各种设计。桌面式虚拟现实系统如图8-5所示。图8-5桌面式虚拟现实系统桌面式虚拟现实系统主要具有以下三个特点：a, 实现成本低，应用方便、灵活。b, 对硬件设备要求极低，最简单的方式可

13、以通过CRT显示器计算机配合主动立体眼镜 来实现虚拟现实系统。c, 用户处于不完全沉浸的环境，会受到周围现实世界的干扰，缺少身临其境的感受， 因此有时候为了增强桌面虚拟现实系统的效果，在桌面虚拟现实系统中还可以借助立体投影 设备，增大显示屏幕，达到增加沉浸感及多人观看的目的。对于从事虚拟现实研究工作的初始阶段的开发者及应用者，实现成本低、应用方便灵活， 实用性强的桌面虚拟现实系统是非常合适的解决方案。（2）沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统（Immersive VR）是一种高级的、较理想的虚拟现实系统，它提供 一个完全沉浸的体验，使用户有一种仿佛置身于真实世界之中的感觉。它通常采用洞穴式立

14、体显示装置（CAVE系统）或头盔式显示器（HMD）等设备，首先把用户的时间、听觉和 其他感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，利用三维鼠标、数据手套、空间位 置跟踪器等输入设备和视觉、听觉等设备，使用户产生一种身临其境、完全投入和沉浸于其 中的感觉，如图8-6所示。图8-6沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统具有以下五个特点：a. 具有高度沉浸感。沉浸式虚拟现实系统采用多种输入、输出设备从视觉、听觉、甚 至于触觉、嗅觉等各方面来模拟，营造一个虚拟的世界，并使用户与真实世界隔离，不受外 面真实世界的影响，沉浸于虚拟世界之中。b. 具有高度实时性与交互性。沉浸式虚拟现实系统中，要达到与真实

15、世界相同的感受， 必须具有高度实时性能。c. 具有良好的系统集成度与整合性能。为了实现用户产生全方位的沉浸，就必须要多 种设备与多种相关软件相互作用，且相互之间不能有影响，所以系统必须有良好的兼容与整 合性能。d. 具有良好的开放性。虚拟现实技术之所以发展迅速是因为它采用了其他先进技术的 成果。在沉浸式虚拟现实系统中要尽可能利用最先进的硬件设备、软件技术，这就要求虚拟 现实系统能方便地改进硬件设备与软件技术，因此必须用比以往更灵活的方式构造虚拟现实 系统的软、硬件结构体系。e. 能支持多种输入、输出设备并行工作。为了实现沉浸性，可能需要多个设备综合应 用，如用手拿一个物体，就必须要数据手套、空

16、间位置跟踪器等设备同步工作。所以说，支 持多种输入与输出设备的并行处理是实现虚拟现实系统的一项必备技术。常见的沉浸式虚拟现实系统有：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。基于头盔式虚拟现实系统是采用头盔显示器来实现单用户的立体视觉输出、立体声音输 出的环境，它把现实世界与之隔离，使用户从听觉到视觉都能投入到虚拟环境中去，可以使 用户完全沉浸。投影式虚拟现实系统是采用一个或多个大屏幕投影来实现大画面的立体视觉效果和立 体声音效果，使多个用户同时具有完全投入的感觉。远程存在系统是一种远程控制形式，也称遥操作系统。它由人、人机接口、遥操作机器 人组成。实际上是遥操作机器人代替了计算机，这里的环境是机器人工作的真实环境，这个 环境是远离用户的，可能是人类无法进