論文匯報(bào)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀ppt課件

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的 研討與開(kāi)展現(xiàn)狀.主講內(nèi)容技術(shù)概論相關(guān)技術(shù)建模言語(yǔ)開(kāi)展歷程技術(shù)概念系統(tǒng)特征簡(jiǎn)單引見(jiàn)VRML開(kāi)展史 系統(tǒng)分類開(kāi)展與運(yùn)用系統(tǒng)組成VRML運(yùn)用 研討現(xiàn)狀 開(kāi)展趨勢(shì) 運(yùn)用 VRML根本特點(diǎn) .虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念 虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，簡(jiǎn)稱VR)，又譯為臨境，靈境技術(shù)等。是以沉浸性、交互性和想象性為根本特征的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面。經(jīng)過(guò)視、聽(tīng)、觸等感知行為使得用戶產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的覺(jué)得，并與虛擬環(huán)境相互作用從而引起虛擬環(huán)境的實(shí)時(shí)變化，并可以經(jīng)過(guò)言語(yǔ)、手勢(shì)等自然的方式與之進(jìn)展實(shí)時(shí)交互，創(chuàng)建了一種適人化的多維信息空間，具有寬廣的運(yùn)用前景 .開(kāi)展歷程20 世紀(jì)50 年代至70

2、年代,是VR 技術(shù)的預(yù)備階段；80 年代初至80 年代中期,是VR 技術(shù)系統(tǒng)化、開(kāi)場(chǎng)走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)踐運(yùn)用的階段； 80 年代末至90 年代初,是VR 技術(shù)迅猛開(kāi)展的階段 ；.第一階段 5070 年代,為虛擬現(xiàn)實(shí)的探求階段。1965 年由美國(guó)的Morton Heileg 開(kāi)發(fā)了一個(gè)稱做Sensorama 的摩托車仿真器,不僅具有三維視頻及立體聲效果,還能產(chǎn)生風(fēng)吹的覺(jué)得和街道氣味。1968年,美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家I1E1Sutherland 在哈佛大學(xué)組織開(kāi)發(fā)了第一個(gè)計(jì)算機(jī)圖形驅(qū)動(dòng)的頭盔顯示器HMD 及頭部位置跟蹤系統(tǒng),成為VR 技術(shù)開(kāi)展史上的一個(gè)重要里程碑,為虛擬現(xiàn)實(shí)的開(kāi)展奠定了根底。.第二階段8

3、0 年代初至80 年代中期,開(kāi)場(chǎng)構(gòu)成VR 技術(shù)的根本概念,開(kāi)場(chǎng)由實(shí)驗(yàn)進(jìn)入適用階段,其重要標(biāo)志是:1985 年在Michael Mc Greevy 指點(diǎn)下完成的VIEW 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),配備了數(shù)據(jù)手套和頭部跟蹤器,提供了手勢(shì)、言語(yǔ)等交互手段,使VIEW 成為名副其實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),成為后來(lái)開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)的體系構(gòu)造。其他如VPL 公司開(kāi)發(fā)了用于生成虛擬現(xiàn)實(shí)的RB2 軟件和Data Glove 數(shù)據(jù)手套,為虛擬現(xiàn)實(shí)提供了開(kāi)發(fā)工具。.第三階段80 年代末至90 年代初,為虛擬現(xiàn)實(shí)全面開(kāi)展階段。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)曾經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)階段走向了市場(chǎng)的適用階段,對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研討也從根本實(shí)際和系統(tǒng)構(gòu)成的研討轉(zhuǎn)向運(yùn)用過(guò)

4、程中所遇到的詳細(xì)問(wèn)題的討論。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中只需各種交互設(shè)備還不夠,還必需提供根本的軟件支撐環(huán)境,用戶能方便地構(gòu)造虛擬環(huán)境并與虛擬環(huán)境進(jìn)展高級(jí)交互。 .系統(tǒng)特征主要借助于VR 系統(tǒng)中的特殊硬件設(shè)備、運(yùn)用戶能經(jīng)過(guò)自然的方式，產(chǎn)生同在真實(shí)世界中一樣的覺(jué)得。 指用戶感遭到被虛擬世界所包圍，好似完全置身于虛擬世界之中一樣。 指虛擬的環(huán)境是人想象出來(lái)的，同時(shí)這種想象表達(dá)出設(shè)計(jì)者相應(yīng)的思想，因此可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的目的。 沉浸性交互性想象性.系統(tǒng)組成 計(jì)算機(jī) 輸入輸出設(shè)備 運(yùn)用軟件系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫(kù) 用戶.系統(tǒng)分類VR系統(tǒng)加強(qiáng)式 桌面式 沉浸式 分布式.沉浸式VR 系統(tǒng)沉浸式 VR 系統(tǒng)提供完全沉浸的體驗(yàn)，運(yùn)用戶

5、有一種完全置身于虛擬世界之中的覺(jué)得。它通常把參與者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其他覺(jué)得封鎖起來(lái)，并提供一個(gè)新的、虛擬的覺(jué)得空間，利用空間位置跟蹤定位設(shè)備、數(shù)據(jù)手套、其他手控輸入設(shè)備、聲音設(shè)備等使得參與者產(chǎn)生一種完全投入并沉浸于其中的覺(jué)得，是一種較理想的VR 系統(tǒng)。 .桌面式VR 系統(tǒng)桌面式 VR 系統(tǒng)也稱窗口VR，它是利用個(gè)人計(jì)算機(jī)或圖形任務(wù)站等設(shè)備，采用立體圖形、自然交互等技術(shù)，產(chǎn)生三維立體空間的交互場(chǎng)景，利用計(jì)算機(jī)的屏幕作為察看虛擬世界的一個(gè)窗口，經(jīng)過(guò)各種輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)與虛擬世界的交互。.加強(qiáng)式VR 系統(tǒng)加強(qiáng)式VR 系統(tǒng)簡(jiǎn)稱加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR，它既允許用戶看到真實(shí)世界，同時(shí)也能看到疊加在真實(shí)世界上的虛擬對(duì)象，它

6、是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來(lái)的一種系統(tǒng)，既可減少構(gòu)成復(fù)雜場(chǎng)景的開(kāi)銷，又可對(duì)實(shí)踐物體進(jìn)展操作，真正到達(dá)了亦真亦幻的境界。在加強(qiáng)式VR 系統(tǒng)中，虛擬對(duì)象所提供的信息往往是用戶無(wú)法憑仗其本身覺(jué)得器官直接感知的深層信息，用戶可以利用虛擬對(duì)象所提供的信息來(lái)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知，這就是加強(qiáng)式VR 系統(tǒng)。.分布式VR 系統(tǒng) 分布式VR 系統(tǒng)DVR是一個(gè)較為典型的實(shí)例。DVR 系統(tǒng)是VR 技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)展和結(jié)合的產(chǎn)物，是一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)的虛擬世界中，位于不同物理位置的多個(gè)用戶或多個(gè)虛擬世界，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)銜接成共享信息的系統(tǒng)。 .環(huán)境建模 技術(shù) 實(shí)時(shí)三維圖 形繪制技術(shù) 三維虛擬聲音的顯示技術(shù) 自然交互與傳感技術(shù) 碰撞

7、檢測(cè)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的相關(guān)技術(shù).Title物理建模技術(shù)幾何建模技術(shù)行為建模技術(shù)環(huán)境建模技術(shù).幾何建模技術(shù)幾何建模技術(shù)主要研討對(duì)象是對(duì)物體幾何信息的表示與處置，它是涉及表示幾何信息數(shù)據(jù)構(gòu)造，以及相關(guān)的構(gòu)造與支配數(shù)據(jù)構(gòu)造的算法建模方法。 .物理建模技術(shù) 建模技術(shù)進(jìn)一步開(kāi)展的產(chǎn)物是物理建模，也就是在建模時(shí)要思索對(duì)象的物理屬性。典型的物理建模技術(shù)有分形技術(shù)和粒子系統(tǒng)。 .行為建模技術(shù) 行為建模技術(shù)主要研討的是物體運(yùn)動(dòng)的處置和對(duì)其行為的描畫，表達(dá)了虛擬環(huán)境中建模的特征。 .基于幾何圖形的實(shí)時(shí)繪制技術(shù) 基于圖像的實(shí)時(shí)繪制技術(shù) .實(shí)時(shí)三維圖 形繪制技術(shù) . 基于幾何圖形的實(shí)時(shí)繪制技術(shù) 為了保證三維圖形的顯

8、示能實(shí)現(xiàn)刷新頻率不低于30 幀/秒，除了在硬件方面采用高性能的計(jì)算機(jī)外，還必需選擇適宜的算法來(lái)降低場(chǎng)景的復(fù)雜度即降低圖形系統(tǒng)處置的多邊形數(shù)目。目前，用于降低場(chǎng)景的復(fù)雜度，以提高三維場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)顯示速度的常用方法有預(yù)測(cè)計(jì)算、脫機(jī)計(jì)算、場(chǎng)景分塊、可見(jiàn)消隱、細(xì)節(jié)層次模型等，其中細(xì)節(jié)層次模型運(yùn)用較為普遍 .1預(yù)測(cè)計(jì)算根據(jù)物體的各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如手的挪動(dòng)，可在下一幀畫面繪制之前用預(yù)測(cè)的方法推算出手的位置，從而減少由輸入設(shè)備所帶來(lái)的延遲。.2脫機(jī)計(jì)算由于 VR 系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，在實(shí)踐運(yùn)用中可以盡能夠?qū)⒁恍┛深A(yù)先計(jì)算好的數(shù)據(jù)進(jìn)展預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，這樣可加快需求運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的速度。.3場(chǎng)景分塊將一個(gè)復(fù)雜

9、的場(chǎng)景劃分成假設(shè)干個(gè)子場(chǎng)景，各個(gè)子場(chǎng)景間幾乎不可見(jiàn)或完全不可見(jiàn)。這樣，系統(tǒng)就能有效地減少在某一時(shí)辰所需求顯示的多邊形數(shù)目，從而有效降低了場(chǎng)景的復(fù)雜度。.4可見(jiàn)消隱運(yùn)用這種方法，系統(tǒng)僅顯示用戶當(dāng)前能“看見(jiàn)的場(chǎng)景，當(dāng)用戶僅能看到整個(gè)場(chǎng)景中很小部分時(shí)，由于系統(tǒng)僅顯示相應(yīng)場(chǎng)景，此時(shí)可大大減少所需顯示的多邊形的數(shù)目。然而，當(dāng)用戶“看見(jiàn)的場(chǎng)景較復(fù)雜時(shí)，這種方法就作用不大。.5細(xì)節(jié)層次模型所謂細(xì)節(jié)層次模型Level Of Detail，LOD，是對(duì)同一個(gè)場(chǎng)景或場(chǎng)景中的物體使器具有不同細(xì)節(jié)的描畫方法得到的一組模型。在實(shí)時(shí)繪制時(shí)，對(duì)場(chǎng)景中不同的物體或物體的不同部分采用不同的細(xì)節(jié)描畫方法。.基于圖像的實(shí)時(shí)繪制技術(shù)

10、 基于圖像的繪制技術(shù)Image Based Rendering，IBR是采用一些預(yù)先生成的場(chǎng)景畫面，對(duì)接近于視點(diǎn)或視野方向的畫面進(jìn)展變換、插值與變形，從而快速得到當(dāng)前視點(diǎn)處的場(chǎng)景畫面。目前，基于圖像的繪制技術(shù)主要有 兩種 1全景技術(shù) 2圖像的插值及視圖變換技術(shù).全景技術(shù)全景技術(shù)是指在一個(gè)場(chǎng)景中的一個(gè)察看點(diǎn)用相機(jī)每旋轉(zhuǎn)一下角度拍攝得到一組照片，再在計(jì)算機(jī)采用各種工具軟件拼接成一個(gè)全景圖像。它所構(gòu)成的數(shù)據(jù)較小，對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求低，適用于桌面式VR 系統(tǒng)，建模速度快，但普通一個(gè)場(chǎng)景只需一個(gè)察看點(diǎn)，因此交互性較差。.圖像的插值及視圖變換技術(shù) 研討人員研討了根據(jù)在不同察看點(diǎn)所拍攝的圖像，交互地給出或自動(dòng)

11、得到相鄰兩個(gè)圖像之間對(duì)應(yīng)點(diǎn)，采用插值或視圖變換的方法，求出對(duì)應(yīng)于其他點(diǎn)的圖像，生成新的視圖，根據(jù)這個(gè)原理可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)遨游的要求 .三維虛擬聲音的顯示技術(shù) 三維虛擬聲音的概念 ：VR系統(tǒng)中的三維虛擬聲音，使聽(tīng)者能覺(jué)得到聲音卻是來(lái)自圍繞聽(tīng)者雙耳的一個(gè)球形空間中的任何地方，即聲音能夠來(lái)自于頭的上方、后方或者前方。 .三維虛擬聲音的特征：1全向三維定位特性2三維實(shí)時(shí)跟蹤特性3沉浸感與交互性 .語(yǔ)音識(shí)別與合成技術(shù)：語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)Automatic Speech Recognition，ASR，是指將人說(shuō)話的語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被計(jì)算機(jī)程序所識(shí)別的文字信息，從而識(shí)別出說(shuō)話人的語(yǔ)音指令以及文字內(nèi)容的技術(shù)。語(yǔ)音識(shí)別普

12、通包括參數(shù)提取、參考方式建立、方式識(shí)別等過(guò)程。 .手勢(shì)識(shí)別 面部表情識(shí)別 眼動(dòng)跟蹤 觸覺(jué)、力覺(jué)反響傳感技術(shù) 自然交互與傳感技術(shù) .手勢(shì)識(shí)別 手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)根據(jù)輸入設(shè)備的不同，主要分為基于數(shù)據(jù)手套的識(shí)別和基于視覺(jué)圖像的手語(yǔ)識(shí)別系統(tǒng)兩種?；跀?shù)據(jù)手套的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，就是利用數(shù)據(jù)手套和空間位置跟蹤定位設(shè)備來(lái)捕捉手勢(shì)在空間運(yùn)動(dòng)的軌跡和時(shí)序信息，對(duì)較為復(fù)雜的手的動(dòng)作進(jìn)展檢測(cè)，包括手的位置、方向和手指彎曲度等，并可根據(jù)這些信息對(duì)手勢(shì)進(jìn)展分類，因此較為適用。.面部表情識(shí)別 在 VR 系統(tǒng)中，人的面部表情的交互在目前來(lái)說(shuō)，還是一種不太成熟的技術(shù)。普通人臉檢測(cè)問(wèn)題可以描畫為：給定一幅靜止圖像或一段動(dòng)態(tài)圖像序列，從

13、未知的圖像背景中分割、提取并確認(rèn)能夠存在的人臉。假設(shè)檢測(cè)到人臉，提取人臉特征。 .眼動(dòng)跟蹤 眼動(dòng)跟蹤技術(shù)的根本任務(wù)原理是利用圖像處置技術(shù)，運(yùn)用能鎖定眼睛的特殊攝像機(jī)，經(jīng)過(guò)攝入從人的眼角膜和瞳孔反射的紅外線延續(xù)地記錄視野變化，從而到達(dá)記錄、分析視野追蹤過(guò)程的目的。視野跟蹤技術(shù)可以彌補(bǔ)頭部跟蹤技術(shù)的缺乏之處，同時(shí)又可以簡(jiǎn)化傳統(tǒng)交互過(guò)程中的步驟，使交互更為直接，因此，目前多被用于軍事領(lǐng)域如飛行員察看記錄等，閱讀以及協(xié)助殘疾人進(jìn)展交互等領(lǐng)域。.觸覺(jué)、力覺(jué)反響傳感技術(shù) 觸覺(jué)、力覺(jué)反響傳感技術(shù)是運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段，將虛擬物體的空間運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成特殊設(shè)備的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，在覺(jué)得到物體的外表紋理的同時(shí)，也運(yùn)用戶可以體驗(yàn)

14、到真實(shí)的力度感和方向感，從而提供一個(gè)嶄新的人機(jī)交互界面，即運(yùn)用“作用力與反作用力的原理來(lái)到達(dá)傳送力度和方向信息的目的。 . 碰撞檢測(cè)技術(shù)1碰撞檢測(cè)的要求為了保證虛擬世界的真實(shí)性，碰撞檢測(cè)必需有較高的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。所謂實(shí)時(shí)性，基于視覺(jué)顯示的要求，碰撞檢測(cè)的速度普通至少要到達(dá)24 次/秒，而基于觸覺(jué)要求，碰撞檢測(cè)的速度至少要到達(dá)300 次/秒才干維持觸覺(jué)交互系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只需到達(dá)1 000 次/秒才干獲得平滑的效果。而準(zhǔn)確性的要求那么取決于VR 系統(tǒng)在實(shí)踐運(yùn)用中的要求，比如對(duì)于小區(qū)遨游系統(tǒng)，只需近似模擬碰撞情況，此時(shí)，假設(shè)兩個(gè)物體之間的間隔比較近，而不論能否實(shí)踐有沒(méi)有發(fā)生碰撞，都可以將其當(dāng)做是發(fā)

15、生了碰撞，并粗略計(jì)算其發(fā)生的碰撞位置。.2碰撞檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法由于物體本身的模型能夠很復(fù)雜，直接采用物體的原模型來(lái)檢測(cè)兩個(gè)物體的碰撞，計(jì)算量依然過(guò)大。對(duì)兩物體間的準(zhǔn)確碰撞檢測(cè)的加速實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有的碰撞檢測(cè)算法主要可劃分為兩大類：層次包圍盒法和空間分解法。. 虛擬現(xiàn)實(shí)建模言語(yǔ)VRML VRML的開(kāi)展史 ：1994 年5 月，第一屆Internet 國(guó)際會(huì)議上，有關(guān)專家發(fā)表的在Web 上運(yùn)轉(zhuǎn)三維立體世界的研討引起了廣泛的討論。短短的幾個(gè)月后，在1994 年10 月，VRML1.0 規(guī)范正式發(fā)布。這以后，許多專家、企業(yè)積極投身于VRML 的推行和研討，特別是VRML 技術(shù)組VAG不懈的努力，使VRML 得

16、到了迅速的開(kāi)展。1996 年，VRML2.0 規(guī)范正式確定。1998 年1 月被ISO 正式確定為國(guó)際規(guī)范的VRML 正是如今我們常說(shuō)的VRML97。. VRML 的運(yùn)用 VRML 交融了二維和三維圖像技術(shù)、動(dòng)畫技術(shù)和多媒體技術(shù)，借助于網(wǎng)絡(luò)的迅速開(kāi)展，構(gòu)建了一個(gè)交互的虛擬空間。VRML 技術(shù)和其他的計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，在Web 環(huán)境中創(chuàng)建虛擬城市、虛擬校園、虛擬圖書館以及虛擬商店曾經(jīng)不再是一種夢(mèng)想。比如在電子購(gòu)物中，用戶在虛擬商店里感遭到的是和真實(shí)商品一樣真實(shí)的質(zhì)地，而不再是簡(jiǎn)單的圖片。 .VRML 文件的根本特點(diǎn) 1VRML 文件的根本要素節(jié)點(diǎn)Node和域Field VRML 文件的擴(kuò)展名為w

17、rl，文件中最為 重要的兩個(gè)根本要素是節(jié)點(diǎn)Node和域Field。節(jié)點(diǎn)是VRML 文檔中根本的組成單元，VRML 借助于節(jié)點(diǎn)來(lái)描畫對(duì)象某一方面的特征，比如外形、材質(zhì)和顏色等。 .2事件Event和路由Route在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，事物往往隨著時(shí)間會(huì)有相應(yīng)的變化，比如，物體的顏色隨著時(shí)間發(fā)生變化。在VRML 中借助事件Event和路由Route的概念反映這種現(xiàn)實(shí)情況。 .3VRML 的通用語(yǔ)法構(gòu)造.4VRML 的空間坐標(biāo)與計(jì)量單位在實(shí)踐環(huán)境中，構(gòu)成場(chǎng)景的外型有大小的差別，物體間有不同的相對(duì)位置，并且外型還會(huì)有旋轉(zhuǎn)、挪動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，因此在VRML 中，采用空間直角坐標(biāo)系確定外型的位置，并且用特定的計(jì)量單位定

18、量表示長(zhǎng)度。在VRML 場(chǎng)景中，空間直角坐標(biāo)滿足右手螺旋法那么，就是說(shuō)，右手四指從x 方向轉(zhuǎn)到y(tǒng) 方向，那么拇指的指向是z 方向。在默許情況下，x 坐標(biāo)向右為正，y 坐標(biāo)向上為正，而z 坐標(biāo)指向察看者為正。在VRML 中，長(zhǎng)度及坐標(biāo)的計(jì)量單位采用VRML 單位計(jì)量，可以簡(jiǎn)稱為單位。在本書中，為表達(dá)簡(jiǎn)練而省去單位字樣。.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研討現(xiàn)狀 計(jì)算機(jī)的開(kāi)展提供了一種計(jì)算工具和分析工具，并因此導(dǎo)致了許多處理問(wèn)題的新方法的產(chǎn)生。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)生與開(kāi)展也同樣如此，概括的國(guó)內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它主要涉及到三個(gè)研討領(lǐng)域：經(jīng)過(guò)計(jì)算圖形方式建立實(shí)時(shí)的三維視覺(jué)效果；建立對(duì)虛擬世界的察看界面；運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)加強(qiáng)諸如科學(xué)計(jì)算技術(shù)等方面的運(yùn)用。.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研討現(xiàn)狀 在美國(guó)的研討現(xiàn)狀 在歐洲的研討現(xiàn)狀 在日本的研討現(xiàn)狀 在國(guó)內(nèi)研討現(xiàn)狀 VR技術(shù) .虛擬