什么是虛擬現(xiàn)實又該如何運作ppt課件

1、當(dāng)他第一次聽到VRVirtual Reality這個詞時，他的第一反響是什么？他能否聯(lián)想到某個人帶著一個插著密集銜接線與電腦銜接的怪異的頭盔？還是被他眼前近視+散光+飛蚊癥的影像眼花繚亂頭暈?zāi)垦＃恳嗷蚴呛诳偷蹏斜煌庑侨水?dāng)做生物能源的可憐人類？或者干脆他對這個新奇玩意畏之如虎希望它走開？ 假設(shè)他是最后一種情況，那他有點像大部分現(xiàn)如今從事VR行業(yè)技術(shù)開發(fā)的計算機科學(xué)家或者工程師一樣。今天，所謂的VR虛擬現(xiàn)實更多地是指群眾熟知的VEVirtual Environment，也就是虛擬環(huán)境。畢竟，在虛擬環(huán)境都不夠理想的境況下，其它的如多感知、自然技藝、傳感設(shè)備等連個雛形都沒有。因此我們會在下文中用VE

2、和VR互聯(lián)。即用VE虛擬環(huán)境的概念來替代VR虛擬現(xiàn)實的概念拋開兩個概念的差別不談，虛擬環(huán)境包含著和虛擬現(xiàn)實一樣的經(jīng)過計算機技術(shù)發(fā)明一個即時的3D虛擬世界，在這個虛擬世界中用戶可以進展操作和探求，產(chǎn)生像在真實世界一樣的覺得?？茖W(xué)家，實際家和工程師曾經(jīng)發(fā)明了許多的設(shè)備和運用來到達(dá)這一目的。雖然他們在關(guān)于什么才是構(gòu)成真正的VR體驗上的觀念發(fā)生分歧，不過大致上都包含如下觀念：1 用戶視角看來與實物完全一致的3D影像2捕捉用戶動作的才干，尤其是頭部和眼睛的運動，并且根據(jù)用戶視角的變化相應(yīng)地調(diào)整呈現(xiàn)給用戶的影像。首先我們來看看專家是如何定義虛擬環(huán)境的，以沉浸感為出發(fā)點。虛擬現(xiàn)實沉浸在一個虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，用

3、戶體驗到沉浸感，也就是所謂的覺得到成為虛擬現(xiàn)實環(huán)境的一部分。同時用戶也可以和他所處的虛擬環(huán)境經(jīng)過有意義的方式交互。沉浸感和交互感的結(jié)合統(tǒng)稱為臨場感Telepresence)。計算機科學(xué)家喬納森斯特爾Jonathan Steuer 將之定義為“與直接的物理環(huán)境相比個體處在這種間接的虛擬環(huán)境中覺得到真實的程度。換言之，一個有效的VR體驗使得他可以忽略外部環(huán)境而專注于虛擬環(huán)境的存在。喬納森斯特爾進一步提出了沉浸感的兩個重要組成部分：信息深度，信息廣度。信息深度指的是用戶和虛擬環(huán)境交互過程中收到的信號所包含的數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量。對于用戶來說，信息深度可以表現(xiàn)為顯示分辨率，虛擬環(huán)境圖像復(fù)雜性，以及系統(tǒng)音頻

4、輸出的復(fù)雜性等等。斯特爾將信息寬度定義為“同時呈現(xiàn)的感官維度數(shù)量。理想的虛擬環(huán)境必需同時滿足人的一切感官。大部分虛擬環(huán)境優(yōu)先滿足滿足的是人的視覺感知和聽覺感知，不過越來越多的科學(xué)家和工程師正在尋覓新的方式來結(jié)合觸覺感知。給予用戶力反響和觸覺交互的系統(tǒng)被稱為觸覺系統(tǒng)Haptic Systems。有效的虛擬現(xiàn)實沉浸感必需使得用戶可以探求與現(xiàn)實同步的虛擬環(huán)境和360度無縫隙地改動視角。假設(shè)虛擬環(huán)境中包含某個房間中部的一個基座，用戶可以從恣意角度來察看這個基座，而基座的圖像隨著用戶的視角相應(yīng)變化。VR科技和實際方面的先鋒佛瑞德布魯克斯表示虛擬現(xiàn)實影像必需堅持最少每秒20-30幀才干發(fā)明出真實可信的用戶

5、體驗。 虛擬現(xiàn)實環(huán)境當(dāng)用戶探求虛擬環(huán)境時虛擬環(huán)境系統(tǒng)中的其它感官輸出應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)實時間調(diào)整。假設(shè)虛擬環(huán)境中包含3D音效，必需使得用戶置信他在環(huán)境中閃轉(zhuǎn)騰挪所產(chǎn)生的聲音的方位轉(zhuǎn)變是自然而然的。當(dāng)用戶沉浸在虛擬環(huán)境中的感官刺激必需堅持一致。假設(shè)虛擬環(huán)境正展現(xiàn)一個絕對靜止的場景，他當(dāng)然不能讓用戶有被強風(fēng)吹的覺得。同樣地，當(dāng)虛擬環(huán)境中用戶處在颶風(fēng)的中心，他當(dāng)然不能讓用戶覺得清風(fēng)拂面仿佛在玫瑰園中。用戶行為和虛擬環(huán)境反響之間的遲延時間被稱為埋伏期Latency。潛伏期通常指介于用戶頭部轉(zhuǎn)動或者眼睛挪動與影像變化之間的延遲，而它也可以用來表示其他感知輸出的延遲。飛行模擬器的研討顯示人類可以覺察到超越50毫秒

6、的延遲。所以當(dāng)用戶覺察到埋伏期，這會讓他留意四處在一個人造環(huán)境中從而破壞沉浸感。 當(dāng)用戶感遭到現(xiàn)實世界時也就意味著沉浸感到此為止。真實的沉浸感會讓用戶忘記周遭的現(xiàn)實環(huán)境。為了到達(dá)這一目的，VR開發(fā)者不得不找出對于用來說更自然的輸入方式。只需用戶可以感覺到交互設(shè)備的存在，就算不上真正的沉浸感。 虛擬現(xiàn)實交互為了讓用戶真實地沉浸在虛擬環(huán)境中，一個關(guān)鍵的要素就在于交互性。早期的虛擬現(xiàn)實運用運用和如今的虛擬環(huán)境系一致樣的技術(shù)來讓用戶有一個相對的被動體驗。用戶可以經(jīng)過穿戴頭盔顯示器來觀看一部早就錄好的電影。用戶可以坐在一個模擬座椅上觀看這些影片，系統(tǒng)會給予他們各種感官刺激，比如往臉上吹氣以模擬風(fēng)。早期的

7、運用智能讓用戶感遭到某種單一的沉浸感，而不具備交互性，由于并不能處理視角變換的問題。然而早期的探求具有決議性意義，對VR開展的促進功不可沒。今天，他可以發(fā)現(xiàn)運用一樣技術(shù)的虛擬過山車。在位于美國弗羅里達(dá)州奧蘭多的迪士尼探求世界，資助人可以在電子空間中的山嶺上設(shè)計本人的過山車，然后經(jīng)過模擬器進展體驗。不過由于并不存在交互性，這不能算是一個真正意義的虛擬環(huán)境。交互性依賴許多要素。斯特爾從中提出了三點要素：速度Speed、幅度Range、映射Mapping。斯特爾將速度定義為用戶行動與計算機模型相結(jié)合并反響到用戶的頻率。幅度指的是計算機模型對于用戶行動給出的反響的數(shù)量。映射指的是系統(tǒng)對于用戶行動所產(chǎn)生

8、的自然技藝。計算機科學(xué)家瑪麗慧頓指出設(shè)計粗糙的交互系統(tǒng)會減少沉浸感的體驗。當(dāng)一個虛擬環(huán)境變得有趣且可操作時，用戶才會消除本人的疑慮有更大的志愿來沉浸。真實的交互性也包括對環(huán)境的修正。一個好的虛擬環(huán)境會對用戶在合理范圍內(nèi)的有意義的行動作出合理的反映。假設(shè)一個虛擬環(huán)境的變化稀奇古怪不合常理，會極大的破壞用戶的臨場感。 虛擬現(xiàn)實設(shè)備今天，大多數(shù)的虛擬環(huán)境系統(tǒng)是由個人電腦搭載。個人電腦有足夠杰出的性能來運轉(zhuǎn)和發(fā)明虛擬環(huán)境的軟件。虛擬環(huán)境的影像通常需求一個支持高配游戲的高端顯卡支持。這個高端顯卡顯然是個人電腦虛擬環(huán)境軟件的標(biāo)配。虛擬環(huán)境系統(tǒng)需求經(jīng)過某種方式來向用戶展現(xiàn)影像。許多系統(tǒng)運用一個包含兩個分別對

9、應(yīng)雙眼的頭盔顯示器。頭盔顯示器的影像通常有立體的效果，使得用戶進入深度感知。早期的頭盔顯示器普通運用CRT顯示器或者LCD顯示器即液晶顯示屏。這兩種顯示器各有優(yōu)劣，CRT顯示器益處是不錯的分辨率和良好的影響質(zhì)量，害處是體積龐大，LCD顯示器價錢廉價本錢低廉但是無法呈現(xiàn)出CRT顯示器質(zhì)量的影像。不過由于技術(shù)的開展和提高，LCD顯示器在分辨率和顏色飽和度方面獲得了長足的提高，因此變得比CRT顯示器更主流。 其它的在房間的墻上、地板上、天花板上呈現(xiàn)圖像的虛擬環(huán)境系統(tǒng)被稱為室內(nèi)虛擬環(huán)境CAVE，Cave Automatic Virtual Environment。伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校設(shè)計了世界上第一

10、個CAVE顯示，他們利用反面投影技術(shù)在房間的墻上、地板上、天花板上呈現(xiàn)影像。用戶佩戴上特殊的眼鏡可以在CAVE影像中四處挪動以體驗完好的室內(nèi)虛擬環(huán)境。CAVE影像給予用戶更廣大的視野運用戶更容易獲得沉浸感。CAVE同時也允許一群人實時地分享他們在虛擬環(huán)境中的體驗不過由于只能捕捉某個用戶的視角作為主視角，也就意味著其他人只能是被動的旁觀者。比起其它虛擬環(huán)境系統(tǒng)，CAVE影像造價更昂貴而且需求更多的空間。 虛擬環(huán)境影像呈現(xiàn)技術(shù)的關(guān)鍵在于捕捉系統(tǒng)。捕捉系統(tǒng)在對用戶的視角方位做出分析判別后再由計算機系統(tǒng)給用戶傳輸準(zhǔn)確的圖像獲得視覺刺激。多數(shù)的捕捉系統(tǒng)要求用戶在線路銜接的分析系統(tǒng)的范圍內(nèi)活動，限制了用戶

11、活動的范圍和幅度。捕捉技術(shù)的開展要略微滯后于其它VR技術(shù)的開展，由于捕捉技術(shù)的市場主要是VR領(lǐng)域的關(guān)注者。在沒有對VR運用和產(chǎn)品的需求支持下，投資者并沒有多少興趣來開展新的捕捉技術(shù)。 另外輸入設(shè)備在VR系統(tǒng)中也非常重要，輸入設(shè)備的范圍從有兩三個按鈕的控制器到電子手套和聲音識別軟件不等。在VR體系中還沒有一致的控制系統(tǒng)規(guī)范。VR科學(xué)家和工程師正為了探求出讓用戶更自然地進展系統(tǒng)輸入臨場感十足的方式而不懈努力。一些比較普遍的輸入設(shè)備如下所示：1支配桿Joysticks2力球/捕捉球Force balls/Tracking balls)3手柄Controller Wands4聲音識別Voice rec

12、ognition5動作捕捉/捕捉服Motion tracker/bodysuits6Treadmills 虛擬現(xiàn)實游戲科學(xué)家正在不斷的開展和探索適宜VR用戶的生物傳感器。生物傳感器可以探測和闡明神經(jīng)和肌肉的運動。在一個精準(zhǔn)的生物傳感器的支持下，電腦可以探測用戶是如何在物理空間挪動并把它轉(zhuǎn)換成虛擬空間中相對應(yīng)地運動。生物傳感器可以和用戶的皮膚直接銜接，也可以是經(jīng)過電子手套或者捕捉服。生物傳感器的局限性在于其只能對應(yīng)某個用戶而不能量產(chǎn)。換言之，某個用戶的生物傳感器假設(shè)換成其它用戶這沒有實踐效果。來自北卡大學(xué)教堂山分校的瑪麗慧頓置信文娛產(chǎn)業(yè)是推進VR技術(shù)向前開展的最大動力。尤其是電子游戲產(chǎn)業(yè)對于工程

13、師們在VR系統(tǒng)中的聲音和圖形設(shè)計做出了宏大奉獻(xiàn)?，旣惢垲D最感興趣的是搭配任天堂Wii模擬器的手柄。Wii手柄不僅可以實現(xiàn)某些捕捉追蹤功能，而且對于那些不怎樣玩電子游戲人來說也可以輕松上手。由于捕捉和輸入設(shè)備這兩個領(lǐng)域的開展不斷落后其它VR技術(shù)的開展，Wii手柄對于VR系統(tǒng)的第一次技術(shù)新浪潮具有艱苦意義。一些程序師攝像將因特網(wǎng)開展成一個3D的虛擬空間，用戶可以經(jīng)過探求這些虛擬空間來獲得信息和文娛。網(wǎng)站可以以三維坐標(biāo)的方式呈現(xiàn)，使得用戶可以更好的進展探求。計算機程序師為此開展了好幾種不同的C預(yù)言和閱讀器，如下所示：1虛擬現(xiàn)實模型言語VRML，Virtual RealityModeling Lang

14、uage最早的3D網(wǎng)絡(luò)模型言語23DML一種經(jīng)過安裝插件以后用戶可以運用大多數(shù)閱讀器閱讀網(wǎng)站3D模型言語3X3D取代VRML作為發(fā)明網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境規(guī)范的言語4COLLADA協(xié)同設(shè)計作業(yè)一種允許3D程序呼喚的格式 當(dāng)然，許多VR專家以為沒有頭盔顯示器的網(wǎng)絡(luò)虛擬系統(tǒng)不是真正意義上的虛擬環(huán)境。它缺乏沉浸感的關(guān)鍵要素，尤其是捕捉并展現(xiàn)實物大小的影像。 虛擬現(xiàn)實運用在上個世紀(jì)90年代早期，公眾對于VR的認(rèn)識有限，無非就是一些被粗糙的翼手龍在棋盤上追逐的簡單的塊狀圖像。雖然文娛產(chǎn)業(yè)對于虛擬現(xiàn)實運用的興趣點依然停留在游戲和電影領(lǐng)域，VR系統(tǒng)真正有意思的運用卻發(fā)生在其它領(lǐng)域。一些建筑師根據(jù)他們的建筑方案創(chuàng)建了一

15、些虛擬模型，使得人們可以在建筑物實踐建成以前在這些虛擬模型里自在走動。顧客可以在模型里進進出出并提出問題，甚至對建筑設(shè)計提出意見。比起微縮模型，虛擬模型可以讓他更好的體驗建筑物的美感和適用性。汽車公司曾經(jīng)開場運用虛擬技術(shù)來構(gòu)造新車的虛擬原型，在消費實踐的零部件之前進展測試。設(shè)計師可以在不破壞整體模型的根底上進展修正，而以前他們只能在實物根底上進展修正，從而大大地提高了效率，降低設(shè)計本錢。虛擬環(huán)境在軍隊、太空、醫(yī)學(xué)方面的培訓(xùn)工程中也有運用。軍隊不斷以來都是VR技術(shù)有力的支持者和開發(fā)者。虛擬訓(xùn)練工程可以包擴從軍事駕駛到小組戰(zhàn)斗等內(nèi)容。從整體而言，比起其它培訓(xùn)工程，VR系統(tǒng)不僅更加平安，而且從長久思

16、索，更加省錢。經(jīng)過深度VR訓(xùn)練的士兵也比傳統(tǒng)軍事訓(xùn)練的士兵更有效率。在醫(yī)學(xué)方面，從業(yè)人員可以運用虛擬環(huán)境培訓(xùn)從手術(shù)治療到診斷病人的一切工程。外科醫(yī)生不僅曾經(jīng)運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來進展培訓(xùn)和教育還經(jīng)過機器人安裝進展遠(yuǎn)程手術(shù)。世界上第一例1988年發(fā)生在巴黎的一家醫(yī)院。運用VR技術(shù)進展機器人手術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)在于埋伏期，由于如此精細(xì)的手術(shù)過程中任何的延遲對于外科醫(yī)生來說都是無法接受的。而且這種系統(tǒng)也需求給患者提供良好的手術(shù)過程和術(shù)后效果。 VR技術(shù)在心思治療方面的運用同樣有趣。來自艾莫利大學(xué)的芭芭拉蘿特鮑姆和喬治亞理工學(xué)院的拉瑞侯杰是運用虛擬環(huán)境治療恐懼癥和其它心思疾病的先鋒。他們運用虛擬環(huán)境作為一種

17、暴露療法，病人在遭到控制的條件下被暴露在那些使他們感到苦楚的刺激物下。比起傳統(tǒng)的暴露療法，VR技術(shù)支持的暴露療法有兩大優(yōu)點：更加便利并且病人更情愿嘗試這種療法，由于病人知道他們不是出在真實世界中。他們的研討直接促成了Virtually Better公司的成立，公司已經(jīng)在14個國家向醫(yī)生出賣VR心思治療系統(tǒng)。 虛擬現(xiàn)實面臨的挑戰(zhàn)和問題虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)主要有三方面：開展處更好的捕捉系統(tǒng)，尋覓到用戶與虛擬環(huán)境更自然的交互方式，減少創(chuàng)建虛擬空間的延遲時間。雖然有幾家從VR開展早期的捕捉系統(tǒng)公司曾經(jīng)遍及全球，但是大多數(shù)公司的規(guī)模還是偏小并且曇花一現(xiàn)。同樣地，在為VR運用效力的輸入設(shè)備領(lǐng)域也沒有幾家

18、公司。大多數(shù)的VR開發(fā)人員不得不依賴來源于其它行業(yè)的技術(shù)開展再將其援用到VR領(lǐng)域，因此他們不得不希望這些發(fā)明此類技術(shù)的公司停留在商業(yè)用途。在發(fā)明虛擬世界時，需求大量的時間來發(fā)明一個可信度高的虛擬環(huán)境虛擬環(huán)境越真實，破費的時間就越多。在虛擬空間中準(zhǔn)確地復(fù)制一個真實的房間通常要破費一個程序小組超越一年的時間。虛擬環(huán)境系統(tǒng)開發(fā)者還面臨著另外一種挑戰(zhàn)：如何防止差勁的人體感知。許多虛擬環(huán)境系統(tǒng)依賴各種硬件從而妨礙了用戶的體驗或者限制了用戶的選擇。假設(shè)沒有設(shè)計巧妙的硬件，用戶的感知會大打折扣，輕那么出現(xiàn)愚鈍降低臨場感，重那么伴隨著迷失和眩暈的電子病病癥。并不是一切的VR用戶都有電子病的風(fēng)險，有些人能夠可以

19、在虛擬環(huán)境中待幾小時啥事沒有，有些人能夠幾分鐘就惡心嘔吐。一些心思學(xué)家對沉浸在虛擬環(huán)境中導(dǎo)致用戶出現(xiàn)心思問題表示擔(dān)憂。他們表示假設(shè)虛擬環(huán)境系統(tǒng)讓用戶處在暴力環(huán)境中，尤其是長時間處在暴力中，能夠?qū)е掠脩糇兊寐槟静蝗省，F(xiàn)實上，還有人擔(dān)憂虛擬環(huán)境系統(tǒng)能夠培育出反社會的一代。其他人倒是沒有這么敏感，不過他們擔(dān)憂逼真的虛擬體驗會導(dǎo)致電子沉浸。畢竟曾經(jīng)出現(xiàn)了不少關(guān)于游戲玩家由于沉浸網(wǎng)絡(luò)游戲而忽略生活的新聞故事。虛擬環(huán)境體驗顯然更容易令人沉浸。 虛擬現(xiàn)實簡史雖然群眾直到20世紀(jì)90年代才留意到，虛擬現(xiàn)實的概念可以追溯到好幾十年前。在20世紀(jì)50年代中期，一位名叫摩登海里戈的攝影師想象一種全新的觀影體驗：調(diào)到

20、觀眾一切的感官，使得他們更好地融入電影故事。1960年他發(fā)明了一種被稱為傳感影院Sensorama包含立體影像、風(fēng)扇、嗅覺安裝、立體揚聲器、挪動椅的單人用安裝。他還發(fā)明了一種可以讓用戶以3D方式觀看電視的頭戴電視安裝。雖然用戶運用這些安裝只是獲得被動的電影體驗，但是海里戈的想法成為了以后VR領(lǐng)域的先鋒概念。1961年P(guān)hilcoCorporation的工程師發(fā)明了世界上第一個HMD，稱之為“Headsight。這個頭盔包含一個電子顯示屏和捕捉系統(tǒng)并銜接到一個相近的電路攝影系統(tǒng)。他們期望這些頭盔可以運用在一些危險的環(huán)境中，用戶可以經(jīng)過轉(zhuǎn)動頭部調(diào)整攝影角度在遠(yuǎn)處察看這些環(huán)境。他們把HMDs和紅外相機搭配在一同裝在直升飛機的底部，使得直升飛機在黑暗中飛行時也能有一個良好的視野。 1965年，一位名叫伊凡蘇澤蘭虛擬現(xiàn)實之父的計算機科學(xué)家提出了一種被他稱為“Ultimae Display的想象安裝。經(jīng)過這個安裝，用戶可以看到一個和他居住的真實世界一模一樣的虛擬世界。這次預(yù)期也成為了VR領(lǐng)域幾乎偶有開展的先行概念。蘇澤蘭的概念包括：1一個經(jīng)過HMD觀看和3D音效、觸覺刺激加強對任何察看者都看上去真實的虛擬世界2一臺實時堅持這個虛擬世界的計算機3用戶可以