虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電子

1、1,第十一章 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電子政務(wù)中的應(yīng)用,一、虛擬現(xiàn)實(shí)的定義和特征 二、虛擬現(xiàn)實(shí)涉及的關(guān)鍵技術(shù) 三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與電子政務(wù) 四、本章問題,2,一、虛擬現(xiàn)實(shí)的定義和特征,一）虛擬現(xiàn)實(shí)的定義 1、定義 VR（Virtual Reality）技術(shù)就是借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)及硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)一種人們可以通過視聽觸嗅等手段所感受到的虛擬幻境，故VR技術(shù)又稱幻境或靈境技術(shù)。 2、定義的含義 （1）模擬環(huán)境 就是由計(jì)算機(jī)生成的具有雙視點(diǎn)的、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像。逼真就是要達(dá)到三維視覺，甚至包括三維聽覺、觸覺及嗅覺等的逼真，而模擬環(huán)境可以是某一特定現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)實(shí)現(xiàn)，也可以是虛擬構(gòu)想的世界。 （2）感知 是

2、指理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知。除了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)所生成的視覺感知外，還有聽覺、觸覺、力覺、運(yùn)動(dòng)等感知，甚至還包括嗅覺和味覺等，也稱為多感知(Multi Sensation,返 回 下一頁,3,3）自然技能,是指人的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，眼睛、手勢或其他人體行為動(dòng)作，由計(jì)算機(jī)來處理與參與者的動(dòng)作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對用戶的輸入(手勢、口頭命令等)作出實(shí)時(shí)響應(yīng)，并分別反饋到用戶的五官，使用戶有身臨其境的感覺，并成為該模擬環(huán)境中的一內(nèi)部參與者，還可以和在該環(huán)境中的其他參與者打交道。 （4）傳感設(shè)備 是指三維交互設(shè)備。常用的有立體頭盔、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)衣等穿戴于用戶身上的裝置和設(shè)置于現(xiàn)實(shí)環(huán)境

3、中的傳感裝置，如攝像機(jī)、地板壓力傳感器等。 VR并不是真實(shí)的世界，也不是現(xiàn)實(shí)，而是一種可交替更迭的環(huán)境。從技術(shù)上看，VR與各相關(guān)技術(shù)有著或多或少的相似之處(計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能等)，但在思想方法上，VR已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍。VR是一門系統(tǒng)性技術(shù)，它需要將所有組成部分作為一個(gè)整體去追求系統(tǒng)整體性能的最優(yōu)。脫離不同的應(yīng)用背景看，VR技術(shù)是把抽象、復(fù)雜的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)空間表示為直觀的、用戶熟悉的事物。它的技術(shù)實(shí)質(zhì)在于提供了一種高級的人與計(jì)算機(jī)交互的接口,上一頁 下一頁,4,二）虛擬現(xiàn)實(shí)的特征,從本質(zhì)上來說，虛擬現(xiàn)實(shí)就是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口，通過給用戶同時(shí)提供諸如視覺、

4、聽覺、觸覺等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，最大限度地方便用戶操作。該技術(shù)的主要特征有以下幾方面： 1、多感知性(Multi-Sensation) 是指不僅包括視覺、聽覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)感知，而且還應(yīng)該包括味覺、嗅覺、感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。 2、沉浸感(Immension) 又稱存在感，是指操作者存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度，理想的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)該達(dá)到使操作者感覺和真實(shí)環(huán)境一樣的程度。 3、交互性(Interaction) 有兩個(gè)方面：一是指操作者對虛擬環(huán)境中物體的可操作程度；另一個(gè)是指操作者從虛擬環(huán)境中得到實(shí)時(shí)反饋的自然程度。 4、自主性(Autonomy) 是指虛

5、擬環(huán)境中的物體依據(jù)現(xiàn)實(shí)世界物理運(yùn)動(dòng)定律動(dòng)作的程度。 5、思想性（或構(gòu)想性，Imagination） 可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境,上一頁 下一頁,5,三）基本硬件,1、圖像生成器 圖像生成是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中最耗費(fèi)時(shí)間的一項(xiàng)任務(wù)。 2、3D鼠標(biāo) 與虛擬世界交互的關(guān)鍵之一是跟蹤真實(shí)物體的位置。 3、數(shù)據(jù)手套(Data Glove) 這種手套的手指裝有傳感器，整個(gè)手套裝有位置/方向跟蹤器。 4、頭盔 是和虛擬現(xiàn)實(shí)聯(lián)系極其密切的一種硬件裝置，看起來象頭盔或風(fēng)鏡。頭盔在使用者眼睛的前面裝有小型視頻顯示器，利用特殊的光學(xué)系統(tǒng)聚焦和拓展使用者視

6、野。 5、聲音發(fā)生器：虛擬境界中要求的聲音系統(tǒng)為三維聲音，即真實(shí)境界中的聽覺方式,上一頁 下一頁,6,四）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括虛擬環(huán)境產(chǎn)生器、效果產(chǎn)生器、應(yīng)用系統(tǒng)和幾何造型系統(tǒng)等。 1、虛擬環(huán)境產(chǎn)生器 虛擬環(huán)境產(chǎn)生器是VR系統(tǒng)的核心部件，它由計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，軟件開發(fā)工具及配套硬件組成。它實(shí)質(zhì)是一個(gè)包括數(shù)據(jù)庫和產(chǎn)生立體圖像的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其主要功能有：對虛擬環(huán)境中物體對象及其運(yùn)動(dòng)、行為、碰撞作用等特性進(jìn)行描述；生成左、右眼視圖合成三維立體圖像；為聲音系統(tǒng)實(shí)時(shí)地提供參與者頭部的位置和方向信號；處理輸入、輸出數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)融合在虛擬環(huán)境中。 2、效果產(chǎn)生器 是

7、完成人與虛擬環(huán)境交互的硬件接口裝置，包括能產(chǎn)生沉浸感的各類輸出裝置，例如頭盔顯示器、立體聲耳機(jī)等。 3、應(yīng)用系統(tǒng) 是面向具體問題的軟件部分，描述仿真的具體內(nèi)容，包括仿真的動(dòng)態(tài)邏輯、結(jié)構(gòu)以及仿真對象之間和仿真對象與用戶之間的交互關(guān)系，它的內(nèi)容直接取決于VR系統(tǒng)的應(yīng)用目的,上一頁 下一頁,7,五）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展,1、概念的提出 1965年，Sutherland在篇名為的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本思想。 1966年，美國MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室正式開始了頭盔式顯示器的研制工作。樣機(jī)完成不久，研制者又把能模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個(gè)系統(tǒng)中。

8、1970年，出現(xiàn)了第一個(gè)功能較齊全的系統(tǒng)。 在80年代初，美國正式提出了“Virtual Reality”一詞。 2、80年代和90年代實(shí)際進(jìn)展 1984年，NASA Ames研究中心虛擬行星探測實(shí)驗(yàn)室組織開發(fā)了用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器，將火星探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。 90年代，迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)，使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖象的實(shí)時(shí)動(dòng)畫制作成為可能。例如1993年的11月，宇航員利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)成功地完成了從航天飛機(jī)的運(yùn)輸艙內(nèi)取出新的望遠(yuǎn)鏡面板的工作，波音777涉及獲得成功，等等,上一頁 下一頁,8,3、未來發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)

9、技術(shù)也是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。它的研究內(nèi)容涉及到人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、傳感器、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、智能控制、心理學(xué)等，應(yīng)用前景很廣闊，但仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術(shù)障礙。 目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所取得的成就，絕大部分還僅僅限于擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)的接口能力，僅僅是剛剛開始涉及到人的感知系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的結(jié)合作用問題，還根本未涉及“人在實(shí)踐中得到的感覺信息是怎樣在人的大腦中存儲和加工處理成為人對客觀世界的認(rèn)識”這一重要過程。只有當(dāng)真正開始涉及并找到對這些問題的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑時(shí)，人和信息處理系統(tǒng)間的隔閡才有可能被徹底的克服了。 （六）虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言 VRML（Virtual

10、Reality Modeling Language）是“虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言”的首字母縮寫，是一種用于描述三維造型與交互環(huán)境的簡單的文本語言,上一頁 下一頁,9,七）虛擬現(xiàn)實(shí)在Internet上的應(yīng)用,1、遠(yuǎn)程醫(yī)療 2、商業(yè)應(yīng)用 3、娛樂 4、其他應(yīng)用 （1）軍事 （2）文物展示、復(fù)員和保護(hù) （3）過程應(yīng)用,上一頁 返 回,10,二、虛擬現(xiàn)實(shí)涉及的關(guān)鍵技術(shù),虛擬現(xiàn)實(shí)是多種技術(shù)的綜合，包括實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，廣角（寬視野）立體顯示技術(shù)，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù)，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、語音輸入輸出技術(shù)等。 1、實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù) 利用計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生圖形圖像并不太難。如果有足夠準(zhǔn)確的模

11、型，又有足夠的時(shí)間，就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)。例如在飛行模擬系統(tǒng)中，圖像的刷新相當(dāng)重要，同時(shí)對圖像質(zhì)量的要求也很高，再加上非常復(fù)雜的虛擬環(huán)境，問題就變得相當(dāng)困難。 2、廣角（寬視野）的立體顯示 用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數(shù)幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數(shù)幀圖像，奇、偶幀之間的視差就產(chǎn)生了立體感。 用戶（頭、眼）的跟蹤：看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來確定的。 跟蹤頭部運(yùn)動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)頭套：利用頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來。用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認(rèn)識環(huán)境，而且可以通過頭部的運(yùn)動(dòng)去觀察環(huán)

12、境,返 回 下一頁,11,3、立體聲,人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強(qiáng)度的差別來確定聲音的方向，因?yàn)槁曇舻竭_(dá)兩只耳朵的時(shí)間或距離有所不同。常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來實(shí)現(xiàn)的，所以會有一種方向感?，F(xiàn)實(shí)生活里，當(dāng)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，聽到的聲音的方向就會改變。但目前在VR系統(tǒng)中，聲音的方向與用戶頭部的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。 4、觸覺與力覺反饋 在一個(gè)VR系統(tǒng)中，用戶可以看到一個(gè)虛擬的杯子。你可以設(shè)法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內(nèi)層安裝一些可以振動(dòng)的觸點(diǎn)來

13、模擬觸覺。 5、語音輸入輸出 在VR系統(tǒng)中，要求虛擬環(huán)境能聽懂人的語言，并能與人實(shí)時(shí)交互。 使用人的自然語言作為計(jì)算機(jī)輸入目前有兩個(gè)問題，首先是效率問題，為便于計(jì)算機(jī)理解，輸入的語音可能會相當(dāng)羅嗦。其次是正確性問題，計(jì)算機(jī)理解語音的方法是對比匹配，而沒有人的智能,上一頁 返 回,12,三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與電子政務(wù),一）電子政務(wù)與電子政府的區(qū)別和聯(lián)系 電子政務(wù)與電子政府不是兩個(gè)完全對應(yīng)的概念，更不能相互替代。電子政府，是現(xiàn)有的政府機(jī)構(gòu)在開展電子政務(wù)的過程中，對現(xiàn)有的政府組織結(jié)構(gòu)和工作流程進(jìn)行優(yōu)化重組之后所重新構(gòu)造成的新的政府管理形態(tài)；而電子政務(wù)，則是從政府業(yè)務(wù)角度上講的，是政府機(jī)構(gòu)應(yīng)用電子信息化和

14、網(wǎng)絡(luò)通訊手段，將管理與服務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行集成，在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)政府組織結(jié)構(gòu)和工作流程的優(yōu)化，突破時(shí)間、空間和部門分隔的限制，全方位地向社會提供優(yōu)質(zhì)、規(guī)范、透明、符合國際水準(zhǔn)的管理和服務(wù)。 電子政府是電子政務(wù)發(fā)展的目標(biāo)。政府在開展電子政務(wù)過程中，進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)和工作流程的優(yōu)化和重組，克服過去部門分隔和時(shí)空的限制，最終實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)上辦公。這也就是電子政府的本義。它對于提高政府辦事效率，改善決策質(zhì)量，增加辦公透明度，乃至最終轉(zhuǎn)換政府職能，調(diào)整政府角色，更好地為社會服務(wù)，都有深刻的推動(dòng)作用,返 回 下一頁,13,二）用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建設(shè)三維電子政務(wù)系統(tǒng),三維電子政務(wù)系統(tǒng)，就是利用先進(jìn)的三維信息平臺，結(jié)合完善的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，整合OA、業(yè)務(wù)系統(tǒng)等，建立“電子政府”，面向公眾提供政府部門的各種服務(wù)。 三維電子政務(wù)系統(tǒng)將空間分析、自動(dòng)導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù)與視頻、聲音、圖像等媒體信息有機(jī)地結(jié)合在一起，將城市、園區(qū)現(xiàn)狀與規(guī)劃情況、基礎(chǔ)設(shè)施、招商、辦公流程等重要信息形象、直觀、有條不紊地展示給用戶，使社會公眾可以形象直觀地以仿真方式來進(jìn)行場景瀏覽、部門展示、辦公引導(dǎo)和實(shí)時(shí)探訪，