虛擬現(xiàn)實技術基礎與應用課件-第1章-虛擬現(xiàn)實技術概述

1、虛擬現(xiàn)實技術基礎與應用 虛擬現(xiàn)實技術基礎與應用 Contents:1基本概念2特性與系統(tǒng)組成3 發(fā)展歷程應 用5分 類4虛擬現(xiàn)實技術虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)成為信息領域中繼多媒體技術、網(wǎng)絡技術之后被廣泛開發(fā)與應用的熱點，目前，虛擬現(xiàn)實技術、理論分析、科學實驗已經(jīng)成為人類探索客觀世界規(guī)律的三大手段。Contents:1基本概念2特性與系統(tǒng)組成3 發(fā)展歷程應 * 概述1.1虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實是從英文Virtual Reality 一詞翻譯過來的，簡稱“VR”，是由美國VPL Research公司創(chuàng)始人 Jaron Lanier在1989年提出的，目前在學術界被廣泛使用。錢學森院士翻譯為“靈境”Virtual

2、的英文本意是表現(xiàn)上具有真實事物的某些屬性，但本質上是虛幻的。Reality的英文本義是 “真實”而不是 “現(xiàn)實“。* 概述1.1虛擬現(xiàn)實 虛擬現(xiàn)實技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機技術，它利用計算機生成一種虛擬環(huán)境，借助一些特殊的輸入/輸出設備，讓用戶與虛擬環(huán)境進行交互，實時感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而通過視覺、觸覺和聽覺等獲得身臨其境的真實感受。人機交互的飛躍1.1.1 基本概念 虛擬現(xiàn)實技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機51.1.1 理解定義可以簡單地理解為：虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是利用計算機生成的能給人多種感官刺激的人機交互系統(tǒng)。反應動作感官刺激虛擬環(huán)境感知系統(tǒng)反應系統(tǒng)兩個方面

3、的理解：計算機生成的虛擬環(huán)境必須能提供多種感官刺激，讓人有沉浸的感覺。一種高級的人機交互系統(tǒng)，人機交互是核心。51.1.1 理解定義可以簡單地理解為：反應動作感官刺激虛擬虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的“虛擬環(huán)境” ： 模擬真實世界中的環(huán)境。例如地理環(huán)境、建筑場館、文物古跡等。這種真實環(huán)境可能是已經(jīng)存在的，也可能是已經(jīng)設計好但還沒有建成的，或者是曾經(jīng)存在但現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生變化、消失或者受到破壞的。 1.1.1 理解定義虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的“虛擬環(huán)境” ： 1.1.1 理解定義虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境：人類主觀構造的環(huán)境。例如影視制作中的科幻場景，電子游戲中三維虛擬世界。此環(huán)境完全是虛構的，用戶也可以參與，并與之進行交

4、互的非真實世界。1.1.1 理解定義虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境：1.1.1 理解定義虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境：模仿真實世界中人類不可見的環(huán)境。例如分子的結構，空氣中的速度、溫度、壓力的分布等。這種環(huán)境是真實環(huán)境，客觀存在的，但是受到人類視覺、聽覺器官的限制不能感應到。1.1.1 理解定義虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境：1.1.1 理解定義 1.1.2 虛擬現(xiàn)實的原理和本質圖1 -1虛擬現(xiàn)實技術原理圖 圖1- 2 多感知交互模型 1.1.2 虛擬現(xiàn)實的原理和本質圖1 -1虛擬現(xiàn)1.1.3 虛擬現(xiàn)實技術與其它技術的關系1 虛擬現(xiàn)實技術與可視化仿真技術的關系虛擬現(xiàn)實與可視仿真技術有著密切的聯(lián)系：兩者都視為現(xiàn)

5、代圖形學的應用主流和技術生長點?？梢哉f虛擬現(xiàn)實技術將是可視化的仿真發(fā)展的終極目標。2 多媒體技術與虛擬現(xiàn)實技術的關系多媒體技術與虛擬現(xiàn)實技術的最大區(qū)別就在于虛擬現(xiàn)實人參與其中的沉浸感、深刻的交互作用和構想與創(chuàng)意程度，可以說多媒體技術的進一步發(fā)展和應用就達到了虛擬現(xiàn)實這個重要領域。3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與一般圖形系統(tǒng)的關系虛擬現(xiàn)實與一般圖形系統(tǒng)(圖形工作站)的區(qū)別在于：對于普通的計算機圖形系統(tǒng)來說，使用者是一個外部觀察者，他只能通過屏幕或窗口來觀察某些綜合環(huán)境。而虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不僅僅是一個更快、更好、更強有力的計算機圖形系統(tǒng)，重要的是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過其各項功能的有機結合，能讓使用者成為合成環(huán)境中的一個內

6、部參加者。1.1.3 虛擬現(xiàn)實技術與其它技術的關系1 虛擬現(xiàn)1.2 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展歷程發(fā)展歷史伊萬薩瑟蘭在The Ultimate Display的論文中首次提出虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想。出現(xiàn)了第一個功能較齊全的HMD（頭盔顯示器）系統(tǒng)。Jaron Lanier 提出了Virtual Reality一詞，美國的一系列研究成果，引起了人們的廣泛關注。迅速發(fā)展的計算機軟硬件技術，促進了人機交互系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展。各學科交叉融合共同發(fā)展，新技術雨后春筍般出現(xiàn)并廣泛應用，不斷改變著我們的生活。1990s1980s1970s1960sNowFuture？中國古代（公元前468年-公元前376年）的戰(zhàn)

7、國時期,據(jù)“墨子. 魯問”記載“公輸般竹木為鵲，成而飛之，三日不下”。人們在風箏上系上竹哨，利用風吹竹哨，聲如箏鳴，故稱“風箏”。1.2 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展歷程發(fā)展歷史伊萬薩瑟蘭在1.3.1 基本特征沉浸感(Immersion)：指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。交互性(Interaction)：指參與者對虛擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境中得到反饋的自然程度。想象性(Imagination)：指用戶沉浸在多維信息空間中，依靠自己的感知和認知能力全方位獲取知識，發(fā)揮主觀能動性，尋求解答，形成新的概念。 ImaginationInteractionImmersion3I1.3.1 基

8、本特征沉浸感(Immersion)：指用戶感到計算機頭盔顯示器3D立體顯示器3D立體眼鏡CAVE 展示系統(tǒng)影像分離器力反饋系統(tǒng)游戲手柄/搖桿3D鼠標器3D數(shù)據(jù)手套位置追蹤器動作捕捉器輸出設備輸入設備虛擬現(xiàn)實設計/ 瀏覽軟件虛擬世界1.3.2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成計算機頭盔顯示器游戲手柄/搖桿輸出設備輸入設備虛擬現(xiàn)實設計/1.4.1 虛擬現(xiàn)實技術的分類分布式虛擬現(xiàn)實 增強式虛擬現(xiàn)實 桌面式虛擬現(xiàn)實 沉浸式虛擬現(xiàn)實 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)按交互和浸入程度的不同：1.4.1 虛擬現(xiàn)實技術的分類分布式增強式桌面式沉浸式虛擬現(xiàn)15 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（Desktop VR）： 1)用戶處于不完全沉浸

9、的環(huán)境，缺少完全沉浸、身臨其境的感覺，即使戴上立體眼鏡，仍能感受到周圍現(xiàn)實世界的干擾。 2)對硬件設備要求極低，簡單型的只需要計算機，或增加數(shù)據(jù)手套，空間跟蹤設置等。 3)成本相對較低，應用相對比較普遍，也具備了沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一些技術要求。利用PC 機或中低檔工作站作虛擬環(huán)境產(chǎn)生器；計算機屏幕或投影屏幕作為觀察窗口；參與者僅使用鍵盤、鼠標和力矩球等簡單外部設備。15 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（16沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（Immersive VR）：各種高檔工作站、高性能圖形加速卡和交互設備。是一種高級的、較理想的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，參與者置身于虛擬環(huán)境之中，能得到完全沉浸的體驗。例如，在

10、消防仿真演習系統(tǒng)中，消防員會沉浸于極度真實的火災場景并做出不同反應。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是用戶可完全沉浸到虛擬世界中去，缺點是系統(tǒng)設備尤其是硬件價格相對較高，難以大規(guī)則普及推廣。 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類16沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（Immersive VR）：各17 1)真實世界和虛擬世界融為一體； 2)具有實時人機交互功能； 3)真實世界和虛擬世界在三維空間中整合。增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（Augmented VR）：真實世界和虛擬對象疊加在一起；部分真實環(huán)境由虛擬環(huán)境取代，減少構成復雜真實環(huán)境的開銷； 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類17 1)真實世界和18分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（Distributed VR）：虛擬現(xiàn)實技術和網(wǎng)絡技

11、術結合的產(chǎn)物；以沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)為基礎，多個用戶或虛擬世界通過網(wǎng)絡相連接；多個用戶同時參與到同一個虛擬空間，共享信息，協(xié)同工作達到一個更高的境界。分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特征： 1)共享的虛擬工作空間； 2)偽實體的行為真實感； 3)支持實時交互，共享時鐘； 4)多個用戶以多種方式相互通信； 5)資源信息共享以及允許用戶自然操作環(huán)境中對象。 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類18分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（Distributed VR）1.4.3 虛擬現(xiàn)實技術的應用VR具有良好的可控性、可多次重復，安全、經(jīng)濟、節(jié)能降污，不受外界環(huán)境限制等優(yōu)點，因此具有廣泛的用途。（1）軍事領域1.4.3 虛擬現(xiàn)實技術的應用VR具有良好的

12、可控性、（2）工業(yè)領域隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，其應用從軍工大幅進入民用市場。在工業(yè)領域，VR技術多用于產(chǎn)品論證、設計、裝配、人機工效和性能評價等代表性的應用。如圖所示。（2）工業(yè)領域（3）文化領域文化領域也是VR技術的一個重要應用領域?，F(xiàn)在VR已經(jīng)成為數(shù)字博物館/科學館、大型活動開閉幕式彩排仿真、沉浸式互動游戲等應用系統(tǒng)的核心支撐技術。在數(shù)字博物館/科學館方面，利用VR技術可以進行各種文獻、手稿、照片、錄音、影片和藏品等文物的數(shù)字化和展示。如紐約大都會博物館、大英博物館、俄羅斯冬宮博物館和法國盧浮宮等都建立了自己的數(shù)字博物館。 （3）文化領域 VR可以為大型文藝演出、大型活動開閉幕式等提供具有

13、沉浸感和逼真性的仿真彩排手段，從而使這些活動流程編排更合理、藝術效果更好。這類應用的范例是2008年北京奧運會開閉幕式使用VR技術進行煙火創(chuàng)意設計和視覺效果模擬展示，如圖1-22所示；2013年春節(jié)晚會創(chuàng)意兒童節(jié)目剪花花是視覺效果最為震撼的，萬花筒般絢爛為觀眾營造了一個童話和想象的世界。如圖1-23所示。 VR可以為大型文藝演出、大型活動開閉幕式等提供具有沉浸感和逼（4）教育領域虛擬現(xiàn)實技術應用于教育領域是教育技術發(fā)展的一個飛躍。虛擬現(xiàn)實技術能夠為學生提供生動、逼真的學習環(huán)境，如建造人體模型、電腦太空旅行、化合物分子結構示等，在廣泛的科目領域提供無限的虛擬體驗，從而加速和鞏固學生學習知識的過程

14、。親身去經(jīng)歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力，主動交互與被動的灌輸有本質的差別。 （4）教育領域 醫(yī)療應用虛擬手術虛擬人體模型醫(yī)療應用虛擬手術虛擬人體模型（6）電子商務在商業(yè)方面，近年來，虛擬現(xiàn)實技術被廣泛應用于產(chǎn)品展示及推銷。利用虛擬現(xiàn)實技術全方位地對商品進行展覽，展示商品的多種功能；另外還能模擬工作時的情景，包括聲音、圖像等效果，比單純使用文字或圖片宣傳更加具有吸引力。這種展示可用于Internet中，可實現(xiàn)網(wǎng)絡上的三維互動，為電子商務服務，同時顧客在選購商品時可根據(jù)自己的意愿自由組合，并實時看到它的效果。（6）電子商務（7）公共安全領域虛擬現(xiàn)實技術應用于反恐、緊急突發(fā)事件等公共安全問題，在國外已經(jīng)開始廣泛應用。虛擬現(xiàn)實技術應用在反恐、突發(fā)緊急事件中，具有明顯的社會價值和經(jīng)濟價值。表現(xiàn)為降低了演練成本；數(shù)字化技術提供了 豐富、多變的內容；提供了長期、便利的訓練方法；可以反復分析、評估強化了關鍵技能；培養(yǎng)了公眾在危難時刻，救護和自保的能力。（7）公共安全領域一、名詞解釋 VR 二、填空題 1. 虛擬現(xiàn)實技術的特性有（ ）、