直接操縱及虛擬環(huán)境

1、5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí) 虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱VR）：）：是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主，綜合利用計(jì)算機(jī)圖形、圖像、可視化、人機(jī)交互、人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、高性能計(jì)算等許多領(lǐng)域的技術(shù)。是一個(gè)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)。生成一個(gè)逼真的三維視覺、觸覺以及嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自身的功能和一些設(shè)備對(duì)所產(chǎn)生的虛擬世界這一客體進(jìn)行瀏覽和交互式考察。 虛擬現(xiàn)實(shí)的三大特點(diǎn)：虛擬現(xiàn)實(shí)的三大特點(diǎn)：浸沉感、交互性和構(gòu)想性浸沉感：指的是人浸沉在虛擬環(huán)境中，具有和在真實(shí)環(huán)境中一樣的感覺交互性：指在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)者不是被動(dòng)地感受，而是可以通過自己的 動(dòng)作改變感受的內(nèi)容構(gòu)想性：指虛擬的環(huán)境是人

2、構(gòu)想出來的，因而可用于實(shí)現(xiàn)一定目標(biāo)的用途5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大體可分為四類：虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大體可分為四類： 1、桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)也稱窗口中的VR。它可以通過個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站進(jìn)行仿真，將計(jì)算機(jī)的屏幕作為用戶觀察虛擬世界的一個(gè)窗口。所以成本較低，功能也最簡(jiǎn)單，主要用于建筑設(shè)計(jì)、桌面游戲等領(lǐng)域。5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)2、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個(gè)新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生

3、一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。常見的沉浸式系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)。5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)3、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)它在因特網(wǎng)環(huán)境下，充分利用分布于各地的資源，協(xié)同開發(fā)各種虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。它通常是沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的發(fā)展，也就是把分布于不同地方的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來，共同實(shí)現(xiàn)某種用途。目前最典型的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是SIMNET(模擬網(wǎng)絡(luò))，SIMNET由坦克仿真器通過網(wǎng)絡(luò)連接而成，用于部隊(duì)的聯(lián)合訓(xùn)練。5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)4、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)又稱混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)又稱混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)它把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來，利

4、用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來增強(qiáng)參與者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，也就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中無法感知或不方便的感受。典型的實(shí)例是戰(zhàn)機(jī)飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數(shù)和武器瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而可集中精力盯著敵人的飛機(jī)或?qū)Ш狡?。虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用飛行模擬器飛行模擬器 他們的設(shè)計(jì)員努力為戰(zhàn)斗機(jī)和民航的飛行員創(chuàng)建最真實(shí)地體驗(yàn)。駕駛艙的顯示器和控制器都是真實(shí)的。而窗戶用高分辨率的計(jì)算機(jī)顯示器代替，精心編制聲音，給人真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和反推力的效果。在爬升和轉(zhuǎn)彎期間的振動(dòng)和傾斜，有液壓千斤頂和復(fù)雜的懸架系統(tǒng)創(chuàng)建。這樣使訓(xùn)練更安全、更有用。建筑建筑 建筑師一直使

5、用計(jì)算機(jī)來繪制具有用戶生成內(nèi)容的、建筑物的三維表示。他們的設(shè)計(jì)工具把建筑物顯示在標(biāo)準(zhǔn)的顯示器上，但使用投影儀來創(chuàng)建墻面，這樣就給預(yù)期客戶更逼真的效果?，F(xiàn)在又通過在踏車上行走增加動(dòng)畫效果，允許客戶穿過門或上樓梯。最后用頭盔顯示器代替投影儀，用頭部追蹤監(jiān)視頭部移動(dòng)。虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用醫(yī)生醫(yī)生 外科醫(yī)生能夠通過“察看”視頻圖像而受益，這些圖像來自病人心臟內(nèi)部，通過光纖照相機(jī)拍得，使用了將浸入式手術(shù)減少到最少的遠(yuǎn)程直接操縱設(shè)備，但是醫(yī)生似乎不想要那種戴著頭盔顯示器在病人體內(nèi)的沉浸式體驗(yàn)。手術(shù)計(jì)劃和遠(yuǎn)程操作也能用于現(xiàn)實(shí)在桌面顯示器上并被手持式支架導(dǎo)引的三維“察看”可視化來完成。虛擬現(xiàn)實(shí)的遙現(xiàn)方面打破了

6、空間的物理限制，允許用戶表現(xiàn)的似乎他們?cè)趧e的地方。虛擬環(huán)境已在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得成功。如：虛擬世界可用于治療恐高癥病人，其方式是給病人一種能控制視角和移動(dòng)的沉浸式體驗(yàn)。安全的沉浸式環(huán)境使患者可以自我調(diào)節(jié)以適應(yīng)令人驚懼的刺激。虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)成功的虛擬環(huán)境依成功的虛擬環(huán)境依賴多種技術(shù)平滑集成：賴多種技術(shù)平滑集成：視覺顯示器頭部位置傳感器手部位置傳感器手持操縱力反饋與觸覺聲音的輸入與輸出其他傳感器協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)的虛擬環(huán)境5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)視覺視覺顯示器：顯示器：處于正常的觀看距離、正常尺寸的計(jì)算機(jī)顯示器對(duì)向一個(gè)大約5的角度；大屏幕顯示器能覆蓋2030的范圍，頭盔顯示器覆蓋的水平范圍為100、垂直范圍是

7、60。頭盔顯示器阻擋其他圖像，所以其效果更具有戲劇性，并且頭部移動(dòng)能產(chǎn)生新的圖像，所以用戶能得到360覆蓋范圍的效果。飛行模擬器也能阻擋外來的圖像，但它們不強(qiáng)迫用戶戴上有笨重的頭盔顯示器能做到這點(diǎn)。另一種方法是裝在吊桿上的顯示器，它感知用戶的位置而不要求他們戴上沉重的護(hù)目鏡。5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)頭部位置傳感：頭部位置傳感：頭盔顯示器能夠提供依賴于頭部位置的不同視圖。向右看，能看到森林；向左看，森林被城市替代。有些頭部跟蹤器戴起來可能很笨重，但嵌入帽子或眼睛中的較小變體便于移動(dòng)。頭部位置的視頻識(shí)別時(shí)可能的。傳感器精度應(yīng)該是高且快的。識(shí)別注意點(diǎn)的眼動(dòng)跟蹤可能是有用的，但當(dāng)用戶正在移動(dòng)和正在戴頭

8、盔顯示器時(shí)，卻難以完成。手部位置傳感：手部位置傳感：數(shù)據(jù)手套是一項(xiàng)被持續(xù)改進(jìn)的創(chuàng)新發(fā)明，其改進(jìn)是針對(duì)舒適性、準(zhǔn)確性和采樣率。手指位置的準(zhǔn)確測(cè)量?jī)H關(guān)系到1個(gè)或2個(gè)手指甚至1個(gè)或2個(gè)關(guān)節(jié)。裝在手套或手腕上的6自由度跟蹤器提供手的方位。人體其他部位，如膝蓋、臂或腿的傳感器正用于體育訓(xùn)練和移動(dòng)捕捉。5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)手持操作：手持操作：富于想象力的方法包括了電動(dòng)手術(shù)工具和小玩偶。用戶能夠操作這些物體產(chǎn)生輸入、運(yùn)行設(shè)備、創(chuàng)作繪畫或制作雕塑。一種變體，經(jīng)常稱為“微型世界”，它有房子或科學(xué)儀器的小模型，用戶能夠操縱它們來創(chuàng)建在更大的現(xiàn)實(shí)世界物體上的操作，通常在遠(yuǎn)距離位置。力反饋與觸覺：力反饋與觸覺：用

9、于完成化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)或處理核原料的手動(dòng)遠(yuǎn)程控制設(shè)備提供力反饋，給予用戶抓住或碰到物體時(shí)的良好感覺。對(duì)汽車司機(jī)和飛行員的力反饋，精心配置以提供真實(shí)有用的觸覺信息。軟件模型的反饋在加速執(zhí)行具有復(fù)雜分子的對(duì)接任務(wù)方面是成功的。對(duì)外科醫(yī)生來說，在他們進(jìn)行困難的手術(shù)時(shí)感受到力反饋，可能是有幫助的。5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)聲音的輸入與輸出：聲音的輸入與輸出：聲音的輸出增加了彈跳的球、跳動(dòng)的心臟或掉下的花瓶的真實(shí)性，視頻游戲設(shè)計(jì)人員早就發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。在正確的時(shí)刻發(fā)出具有全三維效果的、使人信服的聲音是可能的，但也是一項(xiàng)困難的工作。數(shù)字聲音硬件是足夠的，但軟件工具仍不足夠。虛擬樂器的音樂輸出是有希望的；這個(gè)領(lǐng)

10、域中的大多數(shù)早期工作是模擬現(xiàn)有的樂器，但新奇的的樂器也已經(jīng)出現(xiàn)了。用于啟動(dòng)動(dòng)作和做出菜單選擇的語(yǔ)音識(shí)別可能是有用的，因?yàn)殒I盤和鼠標(biāo)的使用是受限制的。5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)其他傳感器：其他傳感器：飛行模擬器的傾斜和振動(dòng)可能為一些設(shè)計(jì)人員提供靈感。傾斜且振動(dòng)的虛擬過山車已經(jīng)存在，如果用戶以每小時(shí)60,600或6000英里的速度飛馳，并沖過高山或進(jìn)入軌道，那么甚至能變得更流行。為什么不包含帶有雨滴的、真實(shí)的陣風(fēng)，讓它變熱或變冷來表達(dá)虛擬天氣呢？最好，嗅覺計(jì)算已被嘗試過，但還沒有發(fā)現(xiàn)和開發(fā)恰當(dāng)?shù)膶?shí)際的應(yīng)用。5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)的虛擬環(huán)境：協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)的虛擬環(huán)境：協(xié)同是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，

11、協(xié)同虛擬環(huán)境也一樣，一個(gè)開發(fā)者把它們稱作“孿生虛境”。這種環(huán)境允許處于遠(yuǎn)程場(chǎng)所的兩個(gè)人一起工作，可能是設(shè)計(jì)一個(gè)物體，同時(shí)看到彼此的動(dòng)作和感興趣的對(duì)象。虛擬壁球之類的競(jìng)爭(zhēng)游戲已經(jīng)開發(fā)來供兩個(gè)玩家玩。當(dāng)設(shè)計(jì)從與計(jì)算機(jī)對(duì)抗變成向其他坦克的成員設(shè)計(jì)和擔(dān)心他們攻擊時(shí)，用于訓(xùn)練陸軍坦克乘員的軟件就變得更有吸引力。逼真的聲音創(chuàng)造的如此的投入感，以至于乘員體驗(yàn)到心率提高、呼吸更急促和排汗量增多。與之相反，有些虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)帶來愉悅 和與他人的愉快相遇，以增強(qiáng)社會(huì)媒體參與方面。從業(yè)人員的總結(jié)：從業(yè)人員的總結(jié)：在提供相同的功能性和可靠性的交互系統(tǒng)中，有些系統(tǒng)已經(jīng)顯現(xiàn)出在競(jìng)爭(zhēng)中居于主導(dǎo)地位。通常，具有吸引力的系統(tǒng)都有

12、令人愉快的用戶界面，具有制定的用戶生成內(nèi)容，提供任務(wù)對(duì)象和動(dòng)作的自然表示。這些界面易于學(xué)習(xí)、使用和長(zhǎng)時(shí)間保持。新用戶能夠獲得動(dòng)作的簡(jiǎn)單子集，然后提高到更精細(xì)的動(dòng)作。動(dòng)作是快速的、增量的和可逆的，能用物理移動(dòng)而不是以復(fù)雜的語(yǔ)法形式來執(zhí)行。動(dòng)作的結(jié)果是立即可見的，需要出差消息比以前少。在界面中使用直接操作原則并不能確保其成功。設(shè)計(jì)差、實(shí)現(xiàn)慢或功能不適當(dāng)能夠損害驗(yàn)收。對(duì)某些應(yīng)用來說，菜單選擇、表格填充或命令語(yǔ)言可能仍是適當(dāng)?shù)摹Ｈ欢?，直接操縱編程、3D界面和遠(yuǎn)程操作的潛力是巨大的。有吸引力的虛擬與增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)的演示正在應(yīng)用于具有增強(qiáng)的社會(huì)交往、日益增長(zhǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)集合。迭代測(cè)試在測(cè)試高級(jí)直接操縱系統(tǒng)方面特

13、別重要，因?yàn)檫@些方法的新奇性可能給設(shè)計(jì)人員和用戶造成出乎意料的問題。直接操縱的定義、好處和缺點(diǎn)：直接操縱的定義、好處和缺點(diǎn)：定義： “動(dòng)作世界”的視覺表示對(duì)象和動(dòng)作被顯示模擬推理被選定快速的、增量的和可逆的動(dòng)作用指點(diǎn)和選擇替代鍵入動(dòng)作結(jié)果的立即可見性優(yōu)于命令的好處： 控制/顯示的兼容性較少的語(yǔ)法降低了出錯(cuò)率錯(cuò)誤是可預(yù)防的較快的學(xué)會(huì)和較高的記憶力鼓勵(lì)探索關(guān)注： 可能增加系統(tǒng)資源有些動(dòng)作可能是麻煩的宏技術(shù)經(jīng)常很弱 歷史和其他跟蹤可能是困難的視覺障礙的用戶可能有較多困難研究人員的議程：研究人員的議程：需要通過研究來提高我們對(duì)每個(gè)直接操縱特性貢獻(xiàn)的理解：模擬表示、增量動(dòng)作、可逆性、物理動(dòng)作而不是語(yǔ)法、結(jié)果的立即可見性、圖形顯示和圖標(biāo)?？赡嫘匀菀淄ㄟ^普通的取消動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)，但是為每個(gè)動(dòng)作設(shè)計(jì)自然的反向動(dòng)作可能更具吸引力。用直接操縱更好的表示復(fù)雜的動(dòng)作，但為了新用戶優(yōu)雅進(jìn)化成專家用戶而使用的多層設(shè)計(jì)策略可能是一個(gè)主要貢獻(xiàn)。對(duì)專家用戶來講，直接操縱編程仍是個(gè)機(jī)會(huì)，但需要好的方法來保存歷史記錄和編輯動(dòng)作序列，還要更加關(guān)注用戶生成的內(nèi)容。3D交互的誘惑十分巨大，但研究