虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述(PPT 58頁)

1、汪日偉 天津理工大學 計算機與通信學院第一講 虛擬現(xiàn)實概述第二講 虛擬現(xiàn)實顯示技術(shù) 計算機三維圖形技術(shù) 立體圖形顯示技術(shù) 聲音、力覺顯示第三講 虛擬現(xiàn)實跟蹤技術(shù) 位置跟蹤器 數(shù)據(jù)手套 人體運動跟蹤第四講 人體動畫技術(shù)1. 為什么要研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)2. 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成與特點3. 主要問題與研究方向 計算科學已發(fā)展成為與理論和實踐并列的第三種科學研究方法，為解決一些傳統(tǒng)方法無法解決的問題提供了新途徑、新方法。 人機交互方式 計算機表達信息的形式更真實 見CG_Wrl_5_011.wrl中數(shù)據(jù)1） 產(chǎn)品設(shè)計與人機功效產(chǎn)品設(shè)計與人機功效(飛機，空間站等飛機，空間站等) 虛擬原型的設(shè)計和驗證 虛擬裝

2、配 虛擬人機工程學 機器人領(lǐng)域 工程的設(shè)計和規(guī)劃 波音公司完全使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計波音 777 新型客機獲得成功 多倫多市（ Toronto ）的城市規(guī)劃與管理 城市規(guī)劃 大型工程漫游 名勝古跡虛擬旅游 數(shù)字化酒店展示系統(tǒng) 2） 科學計算可視化科學計算可視化3） 虛擬組裝虛擬組裝4） 仿真訓練仿真訓練5） 協(xié)同工作環(huán)境的仿真協(xié)同工作環(huán)境的仿真6） 娛樂娛樂游戲半條命2 教育虛擬校園，虛擬實驗和教學，遠程教育和特殊教育，技能培訓，建筑設(shè)計與城市規(guī)劃 娛樂 1990,battle Tech center 1991, W-Industries Ltd 浙大虛擬乒乓球 寧波新文三維：室內(nèi)高爾夫運動模擬

3、器，虛擬主持人等 騰訊的3D QQ show. 藝術(shù) 文化遺產(chǎn)保護：北大故宮，浙大和德國合作敦煌數(shù)字化 虛擬博物館和虛擬旅游：故宮，盧浮宮 虛擬音樂：東京Waseda大學開發(fā)的musical virtual space. 虛擬演播室：1991NHK的Nano space 虛擬演員 電影：侏羅紀公園，泰坦尼克，星球大戰(zhàn)，動捕 中視典數(shù)字科技有限公司中視典數(shù)字科技有限公司，總部注冊于深圳高新技術(shù)園區(qū)，成立于2002年，北京分公司成立于2005年1月。是從事虛擬現(xiàn)實與仿真、多媒體技術(shù)、三維動畫研究與開發(fā)的專業(yè)機構(gòu)，是國際領(lǐng)先的虛擬現(xiàn)實技術(shù)（virtual reality Technology）整體解

4、決方案供應(yīng)商和相關(guān)服務(wù)提供商。 以清華大學工業(yè)系仿真實驗室雄厚的技術(shù)開發(fā)實力為基礎(chǔ)，自成立之日起就以開發(fā)和制作適合中國虛擬仿真市場的仿真系統(tǒng)解決方案和適于推廣的可視化軟件平臺為主要方向，立志創(chuàng)造中國虛擬仿真軟硬件的旗幟名牌。公司現(xiàn)已獨立研發(fā)了包括數(shù)據(jù)手套，虛擬環(huán)境的力反饋等系統(tǒng)，并成功實現(xiàn)了中國第一套動作捕捉系統(tǒng)填補了國內(nèi)空白，成績豐碩，已成為用戶中國仿真界中首選的理想合作企業(yè)。 計算科學的應(yīng)用與存在的問題計算科學的應(yīng)用與存在的問題(續(xù)續(xù))1. 計算科學已發(fā)展成為與理論和實踐并列的第三種科計算科學已發(fā)展成為與理論和實踐并列的第三種科學研究方法，為解決一些傳統(tǒng)方法無法解決的問題學研究方法，為解決

5、一些傳統(tǒng)方法無法解決的問題提供了新途徑、新方法。提供了新途徑、新方法。 傳統(tǒng)人機交互方法： 人與計算機間的交互通過鍵盤、鼠標、顯示屏等工具實現(xiàn)。 虛擬現(xiàn)實方法： 將計算科學處理對象統(tǒng)一看作一個計算機生成空間（虛擬空間或虛擬環(huán)境），并將操作它的人看作是這個空間的一個組成部分(man-in-the-loop)。 人與計算機空間的對象之間的交互是通過各種先進的感知技術(shù)與顯示技術(shù)（即虛擬現(xiàn)實技術(shù)）完成。 人可以感受到虛擬環(huán)境中的對象，虛擬環(huán)境也可以感受到人對它的各種操作（類似于人與真實世界的交互方式）。 1956年, 美國的Morton Heileg開發(fā)了一個被稱為 Sensorama(傳感景院）的摩

6、托車仿真器，具有以下功能： 三維視頻及立體聲效果， 振動風吹的感覺， 城市街道的氣味， 用戶可以坐在仿真器的座位上經(jīng)歷一種開摩托車漫游美國紐約曼哈頓的感覺。固定的超聲波擴大器超聲波接收器頭盔主計算機控制器接接收收器器發(fā)發(fā)送送器器液液晶晶顯顯示示屏屏光光學學裝裝置置立立體體聲聲耳耳機機立立體體聲聲產(chǎn)產(chǎn)生生器器位位置置和和方方向向跟跟蹤蹤器器左左眼眼影影象象產(chǎn)產(chǎn)生生器器右右眼眼影影象象產(chǎn)產(chǎn)生生器器 1965年，美國的年，美國的 Ivan Sutherland 發(fā)表了一篇名為發(fā)表了一篇名為“The Ultimate Display”（終極的顯示）的文章。的文章。 1968年，年，他在哈佛大學組織開發(fā)

7、出第一個計算機圖形驅(qū)動的頭盔顯示器（Helmet-Mounted Display，即 HMD），并開），并開發(fā)發(fā)了與了與HMD相配的相配的頭部位置跟蹤系統(tǒng)。 這些探索過程中，人們開始形成與虛擬環(huán)境相關(guān)的以下一些概念： 人工現(xiàn)實（Artificial Reality） 虛擬現(xiàn)實（靈境）（Virtual Reality） 虛擬環(huán)境（Virtual Environment） 電腦空間（Cyberspace） 等 這些可以理解為對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不同稱呼，其中以 Virtual Reality一詞影響最廣。 VIDEOPLACE系統(tǒng) VIDEOPLACE是由M.W.Krueger基于視頻的方法設(shè)計的一個

8、虛擬環(huán)境。他 認為，與計算機相比，人類的進化要緩慢得多；因此，人機接口研究應(yīng)該將重點放在相對不變的人類特性上。計算機應(yīng)該適應(yīng)人，而不是讓人去適應(yīng)計算機。在這種思想指導(dǎo)下，當其他早期研究者考慮穿著或戴著設(shè)備時，Krueger 將目標瞄準無障礙的環(huán)境式人工現(xiàn)實。 VIEW 在虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展史上的地位舉足輕重。當1985年VIEW系統(tǒng)的雛形在美國NASA Ames 研究中心完成時，該系統(tǒng)以低廉的造價、讓參與者有“真實體驗”的效果引起有關(guān)專家的注目。該系統(tǒng)的雛形是在Michael McGreevy領(lǐng)導(dǎo)下完成的。VIEW系統(tǒng)有以下特點： 保持了低造價的優(yōu)勢 裝備了數(shù)據(jù)手套、頭部跟蹤器等硬件設(shè)備 提供了

9、語音、手勢等交互式手段。虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實 = virtual + reality 虛擬現(xiàn)實 (virtual reality，簡稱 VR ) 或稱虛擬環(huán)境 (virtual environment)，是一種逼真的視、聽、觸覺一體化的計算機生成環(huán)境，用戶可以借助必要的裝備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的物體進行交互作用、相互影響，從而獲得親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗。 虛擬現(xiàn)實的主要目的是實現(xiàn)自然人機交互，即實現(xiàn)一種逼真的視、聽、觸覺一體化的計算機生成環(huán)境。 虛擬現(xiàn)實的主要實現(xiàn)方法是借助必要的裝備，實現(xiàn)人與虛擬環(huán)境之間的信息轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)人與環(huán)境之間的自然交互與作用。J.J.Gibson總結(jié)的總結(jié)的感

10、知系統(tǒng)系統(tǒng)目的應(yīng)用相關(guān)系統(tǒng)調(diào)整姿勢適應(yīng)重力及加速度維持身體平衡前庭器官定向通過部分身體運動獲得外部剌激考察或感覺各種信息所有相關(guān)感覺走動通過身體運動進入其它環(huán)境從一個位置走到另一個位置定向及調(diào)整姿勢飲食通過部分身體運動獲取或給予吸收或排除品嘗、吸收及其它身體功能行動有利于個人的行為操作、自我保護等走動及相關(guān)行為表達用于表達、表明或識別姿勢、面部或語言表達 語言表達、聆聽及面部表情語義用信號通知或表達語言表達基于信號的相關(guān)系統(tǒng)行為系統(tǒng) 行為 感知 參與者 行為系統(tǒng) 感知系統(tǒng) 外界環(huán)境 虛擬環(huán)境實物虛化人虛物實化王兆其，虛擬環(huán)境中物體運動逼真性的研究，博士學位論文，北京航空航天大學，1999.6.

11、 應(yīng)用領(lǐng)域：維修，醫(yī)學檢查，培訓等 主要問題：虛實一致性反饋虛擬環(huán)境真實環(huán)境操作實物虛化人虛物實化實物虛化虛物實化王兆其虛擬環(huán)境中物體運動逼真性的研究博士論文，北京航空航天大學，1999.6. R. T. Azuma,A Survey of Augmented Reality, Presence: Teleoperators and Virtual Environments, 1997, 6(4):355385 一次允許多個用戶參與。 典型的系統(tǒng)有：mWorld, CAVE，DIVE等 主要應(yīng)用：虛擬研討環(huán)境(聊天室), 虛擬社區(qū) 主要問題：保證多個用戶對虛擬環(huán)境有一致的感受 虛擬環(huán)境實物虛化

12、人虛物實化實物虛化虛物實化人王兆其虛擬環(huán)境中物體運動逼真性的研究博士論文，北京航空航天大學，1999.6. 分布于不同地理位置的多臺計算機通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián) 主要應(yīng)用：軍事仿真，多用戶虛擬環(huán)境 典型系統(tǒng)：SIMNET ，NPSNET，STOW， DVENET 主要問題：系統(tǒng)的一致性(由數(shù)據(jù)分布與網(wǎng)絡(luò)延遲引起) 計算機 實物虛化 人 虛物實化 計算機 虛物實化 實物虛化 計算機網(wǎng)絡(luò) 人 分布式虛擬環(huán)境 王兆其虛擬環(huán)境中物體運動逼真性的研究博士論文，北京航空航天大學，1999.6. 真實世界與操作人員相隔兩地 主要應(yīng)用：遠程手術(shù)，遠程探測等 計算機 實物虛化 人 虛物實化 計算機或機器人 虛物實化 實物

13、虛化 計算機網(wǎng)絡(luò) 虛擬環(huán)境 真實世界 王兆其虛擬環(huán)境中物體運動逼真性的研究博士論文，北京航空航天大學，1999.6.ImmersionImaginationInteractionI3 沉浸感(immersion): 參與者全身心地沉浸于計算機所生成的三維虛擬環(huán)境，并產(chǎn)生身臨其境的感覺。 交互性(interaction): 參與者可以利用各種感官功能及人類自然技能虛擬環(huán)境進行交互考察與操作。 構(gòu)想性(imagination): 參與者借助VR系統(tǒng)給出的逼真視聽觸覺信號而產(chǎn)生的對虛擬空間的想象 虛物實化 如何根據(jù)虛擬環(huán)境生成人可直接感受到的真實信號（聲、光、電）。是一個顯示（輸出）問題。 實物虛化

14、 如何將真實世界中的物（特別是人）與事件（特別是人的動作）傳入虛擬環(huán)境中。是一個感知的問題。 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 如何讓多個用戶（特別是不在同一地理位置的多個用戶）參與到同一個虛擬環(huán)境中。研究如何感知真實世界中人和物的存在及相關(guān)事件的發(fā)生：電磁感知：三維定位跟蹤技術(shù)。數(shù)據(jù)手套與數(shù)據(jù)衣感知技術(shù)。視覺感知：基于計算機視覺原理感知技術(shù)。聽覺感知：基于聲音定位原理的感知技術(shù)。觸覺與力覺感知：觸覺與力覺感知技術(shù)。 多種感知信息的融合技術(shù)。 研究虛擬環(huán)境的合成顯示，包括圖像、聲音、觸覺和力覺的輸出。 立體顯示技術(shù) 聲音合成技術(shù) 觸覺與力覺合成顯示技術(shù) 研究虛擬環(huán)境的表示技術(shù) 虛擬環(huán)境的幾何空間表示技術(shù) 逼真環(huán)境建模技術(shù)(紋理技術(shù)，LOD技術(shù)) 基于物理特性的建模技術(shù)（仿真） 研究多用戶共享虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)技術(shù)。 1) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（帶寬，延遲問題） 2) 數(shù)據(jù)共享技術(shù)(一致性處理） 支持開