《多媒體技術》虛擬現實技術.ppt

1、虛擬現實技術介紹,虛擬現實技術介紹,1.引言 1.虛擬現實的定義 2.舉例說明應用 3.虛擬人 5.主要技術和設備VR系統(tǒng)制作 6.將來發(fā)展展望,虛擬現實技術,我們先來看一個例子，這是日本松下公司用來招攬買主的“廚房世界”。你只要戴上特殊的頭盔和一只銀色的手套，就可以去“漫游”廚房世界了。你伸手去開門，門隨手而開，廚房內的所有設備就會映人你的眼簾。你可以用手打開柜櫥的門和抽屜，查看里面的結構和質量，可從碗架上拿下盤子看看，也可以打開水龍頭，立即看見水流出來，聽見流水聲，還可查看水池下面的排水是否流暢，也可查看照明是否亮堂，試試通風排氣是否正常?？墒钱斈隳孟骂^盔，摘下手套時，這一切又都消失了。,

2、虛擬現實技術,杭州大學開發(fā)了虛擬故官游玩系統(tǒng)。只要你戴上特制的頭盔，騎上不動的自行車，你從頭盔顯示器里就看見了形象逼真的天安門城樓。你登上自行車的腳踏板，你就會感到自己騎車來到了午門前的大道上，飛快地穿過午門，越過金水橋、越過太和門，來到太和殿廣場。由于你的自行車太快，一下子破墻而入，到了太和殿。金鑾殿內盤龍的柱子，莊嚴的殿堂和真實的景像完全一樣，你又騎車來到了御花園、綠樹、紅亭、碧池令你陶醉，好像身臨其境。但是，當你摘下頭盔時，仍然是騎在自行車上，一步也沒有動。,虛擬現實技術,虛擬現實的定義,虛擬與現實兩詞具有相互矛盾的含義，把這兩個詞放在一起，似乎沒有意義，但是科學技術的發(fā)展卻賦予了它新的

3、含義。虛擬現實的明確定義不太好說，按最早提出虛擬現實概念的學者J.Laniar的說法，虛擬現實，又稱假想現實，意味著“用電子計算機合成的人工世界”。這個領域與計算機有著不可分離的密切關系，信息科學是合成虛擬現實的基本前提。生成虛擬現實需要解決以下三個主要問題： 以假亂真的存在技術。即，怎樣合成對觀察者的感官器官來說與實際存在相一致的輸入信息，也就是如何可以產生與現實環(huán)境一樣的視覺，觸覺，嗅覺等。（浸沒性） 相互作用。觀察者怎樣積極和能動地操作虛擬現實，以實現不同的視點景象和更高層次的感覺信息。實際上也就是怎么可以看得更像，聽得更真等等。（交互性）自律性現實。感覺者如何在不意識到自己動作、行為的

4、條件下得到栩栩如生的現實感。（思想性）,虛擬現實的定義,為了成功地開發(fā)這三大技術，虛擬現實必須處理好如下圖所示的各個要素之間的相互關系。在這里，觀察者、傳感器、計算機仿真系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)構成了一個相互作用的閉環(huán)流程。,數字城市,（總面積40平方公里，500萬個面，332 兆貼圖，鳥瞰瀏覽速率不低于15ftp,多媒體數據庫，運行環(huán)境微機win2000),數字城市,數字城市,埃及新建國家博物館,在新聞發(fā)布會上，埃及政府宣稱： “大埃及博物館將充分運用計算機和網絡技術，從而使它成為 第一個全球第一個大規(guī)模運用信息技術的虛擬現實博物館,虛 擬 人,“數字化虛擬人”研究是一項信息醫(yī)學、生物技術、計算機技術

5、等學科相互交叉、綜合發(fā)展起來的前沿性交叉學科，對人類科技發(fā)展和社會進步有深遠意義。 “數字化虛擬人”由美國科學家于20世紀末提出，并率先進行研究。此后，世界許多國家都予以高度重視，特別是西方發(fā)達國家一直積極醞釀，或啟動專項研究計劃。 “數字化虛擬人”包括“虛擬可視人”、“虛擬物理人”和“虛擬生物人”三個階段。具有幾何圖型有視覺效果為“虛擬可視人”也稱“虛擬解剖人”；附加物理化學信息的為“虛擬物理人”；而附加人體各種生物信息的，則為“虛擬生物人”。 目前，一些發(fā)達國家僅初步達到了“虛擬可視人”階段，即獲取了“虛擬可視人”幾何圖像信息。而對“虛擬物理人”和“虛擬生物人”的研究和探討，僅限于局部器官

6、。,虛 擬 人 的 用 處,一、醫(yī)學參考：有利于培養(yǎng)優(yōu)秀外科醫(yī)生。以往要想成為一個手到病除、技藝高超的外科醫(yī)生，都要通過師傅帶徒弟式的反復實踐，在病人身上練習操作技術，現在有了虛擬人，就可以在電腦操縱的虛擬人體模型上培訓外科醫(yī)生。在動手術之前，也可以先在虛擬人的身上開刀，電腦上會顯示刀口斷層及組織斷面，為醫(yī)生制訂術前計劃提供科學參考。 二、制藥實驗：有了虛擬人，醫(yī)生和制藥公司就可以先在與病人身體數據一模一樣的虛擬人身上試驗新藥，醫(yī)生可以先將藥物影響數據輸入電腦，讓“虛擬病人”先試“吃”一下，電腦里的“虛擬病人”會顯示服藥后的生理反應，從而協(xié)助醫(yī)生對癥下藥。這種方法可以提高用藥準確性和研制新藥及

7、新藥上市的效率。相關實驗已經在美國開展。,虛 擬 人 的 用 處,三、軍事應用：虛擬人在軍事醫(yī)學上也很有價值。比如，可以用虛擬人來試驗核武器、化學武器、生物武器的威力?，F在的核爆炸試驗都是利用動物進行。試驗前在離核爆中心的不同距離放置動物，核爆后再把動物收回來檢驗。有了虛擬人就可以直接拿她來做試驗。 四、腫瘤治療：放射治療是目前治療腫瘤疾病的一個重要手段，但由于現在做放射治療的醫(yī)生只能憑經驗進行輻射量的調節(jié)，病人往往擔心在此過程中受到過量的輻射。現在有了虛擬人，醫(yī)生就可以先對虛擬人作放射治療，通過其身體的變化來測定實際輻射量的使用，最后再用到真正的病人身上。這樣就進一步提高了治療的安全性。,虛

8、 擬 人,目前，獲取“數字化虛擬人”一般采用的是人工斷層解剖學的方法，只能經過對正常、健康尸體的嚴格篩選，通過高精度切削，獲取解剖形態(tài)學信息，而不是一般人認為的X光斷層掃描所得的影像學信息。 先要選取一具尸體，將人體切成非常薄的片，每切一次片，都會利用數碼相機和掃描儀對已切片的切面進行拍照、分析，之后將數據輸入電腦，最后由電腦合成三維的立體人類生理結構。 “中國虛擬人號”是國家“863計劃”項目之一，由中國科學院、首都醫(yī)科大學、華中科技大學和解放軍第一軍醫(yī)大學協(xié)作攻關。,虛 擬 人,“中國虛擬人號”為男性，是專家精心選取的一個最具有代表性的中國人，高1.66米，28歲，漢族，祖籍湖南，體重58

9、公斤，去年4月死亡，自愿捐獻尸體。 由于切片厚度僅有0.1毫米，估計需要將整個人切成1.6萬多片。據鐘世鎮(zhèn)院士介紹：中國是世界上第三個用人體切片合成虛擬人的國家，目前美國的虛擬人切片是0.33毫米厚，韓國的是0.2毫米厚，所以“中國虛擬人號”的逼真度最高。另外，“中國虛擬人號”還首次將切片者的靜脈和動脈血管區(qū)分開。,虛 擬 人,中國首例女性虛擬人數據集于2003年2月18日17時18分在廣州第一軍醫(yī)大學構建成功。這標志著我國在完成數字化虛擬人體若干關鍵技術之后，建立了有知識產權的中國虛擬人數字平臺，為開發(fā)各種用途的軟件和參與國際合作與競爭搶占了應有的地位。 “中國虛擬人2號”為女性，是我國首個

10、女虛擬人。據介紹，該虛擬人的數據采集者年齡為19歲，身高1.56米，是廣西人，去年在廣東因食物中毒而急性死亡。鐘院士認為雖然她不是一個健康人，但由于是急性死亡，骨骼身體結構保持完好，加上年紀很輕，是一個條件很不錯的標本。 切片斷面僅0.2毫米，共切片8556片。,虛 擬 人,虛 擬 人,3D掃描儀,當你需要一個快速又簡便的方法創(chuàng)作三維圖像時，POLHEMUS公司出品的FastSCAN 實時三維手持激光掃描儀可以幫你實現夢想！,虛 擬 味覺,自動檢測用戶的精神壓力并產生香味的產品，由監(jiān)視精神壓力的專用鼠標和噴射香味成分的噴霧器組成。,虛 擬 觸覺,與畫面顯示相結合再現觸覺的皮膚感覺顯示器，利用貼

11、在監(jiān)視器上的薄型電極與卷到手指上的薄膜間產生的靜電力，就能再現出物體表面的凹凸感。由東京大學開發(fā) 。,數 據 手 套,數 據 手 套,該數據手套共有18個傳感器，分別完成手指關節(jié)彎曲角度和手指開合程度的測量。當用戶戴上數據手套時，計算機通過A/D采樣板和信號轉換電路對各個傳感器進行采樣，即可將用戶手的姿態(tài)和動作信息傳遞給計算機，從而達到人機交互的目的。,數 據 手 套,彎曲傳感器是一種具有很好柔性的角度傳感器（中科院自動化所專利技術），厚度僅為1mm左右，而長度和寬度則可以根據需要制作。如圖2所示。該傳感器具有輕、薄、柔性好的特點，與計算機采樣電路配合，可以完成對物體彎曲角度的檢測，尤其適用于

12、人體各個關節(jié)的動態(tài)檢測。,數 據 手 套,手指力覺反饋裝置是一種可以產生真實的接觸和受力感覺的裝置（專利技術）。如圖3所示。該裝置具有體積小，結構簡單，可產生較大的驅動力的特點。它可以被安裝在用戶的手指或其它部位，利用安裝在接觸觸頭上的力傳感器對作用力進行反饋控制，保證用戶得到真實的力覺反饋。將多個力反饋單元安裝在同一個手指上，可以構成具有力反饋功能的“力覺反饋數據手套”。,數 據 手 套,力覺反饋數據手套結構示意圖,3D 眼 鏡,3D 眼 鏡,肉眼所看到的景像是一種具有層次、深度的立體影像。一般我們所謂3D游戲，實際上并非真正的3D；顯示卡雖以x、y、z軸來處理資料，然而輸出至屏幕時仍須再次

13、轉換成2D，因為屏幕先天即是2D，所以我們稱呼這種3D為平面3D。 讓我們先做個簡單的實驗，首先伸出您的一根手指頭，并凝視這根手指，然后閉上右眼、張開左眼；再來張開右眼、閉上左眼，仔細觀察左、右眼所見是否有些不同？這個不同即為視差(parallax)。立體3D的技術即是要將這個視差持續(xù)在屏幕上表現出來。因此為使觀賞者得以觀看真正立體，每個眼睛所看到景物必須與另一眼稍有不同。事實上，在真實生活里左、右眼所看到的景物即有些不同，而這理論即被應用在立體3D科技之中。,3D 眼 鏡,液晶立體眼鏡(Liquid Crystal Shutter Glasses)技術可以讓這個視差持續(xù)在屏幕上表現出來。藉由

14、控制IC送出立體訊號(左眼-右眼-左眼-右眼-依序連續(xù)互相交替重復)至屏幕，并同時送出同步訊號至液晶眼鏡使其同步切換左、右眼影像，換句話說，左眼看到左眼該看到的景像，右眼看到右眼該看到的景像。 液晶立體眼鏡為一穿透液晶鏡片，藉由電路對液晶眼鏡開、閉的控制 ( 開：眼鏡鏡片全黑以便遮住一眼影像；閉：眼鏡鏡片為透明以便另一眼看到另一眼該看到的影像)，液晶眼鏡即可模仿真實的狀況，使左、右眼畫面連續(xù)互相交替呈現在屏幕上，并同步配合液晶眼鏡，使眼睛看到正確畫面-左眼看到左眼、右眼看到右眼該看的影像，加上人眼的視覺暫留生理特性，如此就能看到真正立體3D影像。,3D 眼 鏡,用來將左、右眼影像表現在屏幕上的

15、硬件格式有四種： 交錯式(Interlacing)、畫面交換(Page Flipping)、同步倍頻(Sync Doubling)、線遮蔽(line blanking)，理論上以上四種格式都可以應用在立體3D游戲，但實際上僅有畫面交換與同步倍頻廣泛應用于立體3D游戲。 畫面交換(Page Flipping)：畫面交換系由一特殊程序改變顯示卡工作原理，使新的工作原理可以用來表現立體3D，因為每一顯示卡芯片有其自己獨特的工作原理，所以若要使用畫面交換，那么必須針對各個顯示芯片發(fā)展獨特的立體驅動程序以驅動3D硬件線路，因此畫面交換僅限于某些特定顯示卡芯片(以目前而言，多用于 nVidia VGA chip)。 同步倍頻 (Sync-Doubling)：同步倍頻與畫面交換不同，它是用硬件線路而非軟件去產生立體訊號，所以無需任何驅動程序來驅動3D硬件線路