虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)與vrml編程-1講課稿

虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)與VRML編程-1參考資料段新，虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)與VRML編程，武漢大學(xué)出版社1/13/2023第1

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院第一講虛擬現(xiàn)實(shí)概論1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)2.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類(lèi)3.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件組成4.虛擬現(xiàn)實(shí)研究?jī)?nèi)容5.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與隨身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)1/13/2023第2

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是21世紀(jì)三大最具發(fā)展?jié)摿Φ挠?jì)算機(jī)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality,VR)是由美國(guó)VPL公司的JaronLanier在1989年創(chuàng)造的一個(gè)新詞。它通常是指頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等一系列新型交互設(shè)備構(gòu)造出的用以體驗(yàn)或感知虛擬境界的一種計(jì)算機(jī)軟、硬件環(huán)境，用戶(hù)使用這些高級(jí)設(shè)備以自然的技能向計(jì)算機(jī)發(fā)送各種指令，并得到環(huán)境對(duì)用戶(hù)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種感官信息的實(shí)時(shí)反饋。1/13/2023第3

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))世界上首個(gè)具有虛擬現(xiàn)實(shí)思想的裝置是由MortonHeilig在1962年研制成功的，它是一種被稱(chēng)之為Sensorma的具有多種感官刺激的全景式立體電影設(shè)備。該設(shè)備主要由三維視頻組成，并具有立體聲功能，能產(chǎn)生不同的氣味，能產(chǎn)生自然風(fēng)的吹拂，座椅還可以隨劇情變化而振動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在很大程度上基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)發(fā)展而來(lái)。1965年，IvanSutherland博士發(fā)表”TheUltimateDisplay”一文，提出了一種全新的圖形顯示技術(shù)。觀察者可以自然地轉(zhuǎn)動(dòng)頭部和身體即可改變視點(diǎn)，所看到的場(chǎng)景即計(jì)算機(jī)生成的虛擬境界也將實(shí)時(shí)地發(fā)生變化；觀察者還可以以自然的方式直接與虛擬境界中的對(duì)象進(jìn)行交互操作。1/13/2023第4

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))虛擬現(xiàn)實(shí)可以概括為3個(gè)方面：真實(shí)性、沉浸性和交互性。真實(shí)性是指由計(jì)算機(jī)生成看起來(lái)像真的、聽(tīng)起來(lái)像真的、觸摸起來(lái)像真的虛擬境界，該境界同時(shí)還可以向介入者提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種人類(lèi)具有的感官刺激。沉浸性是指計(jì)算機(jī)控制下的虛擬境界應(yīng)給人一種身臨其境的沉浸感。交互性是指人能以純自然方式與虛擬境界中的對(duì)象進(jìn)行交互操作，即不使用鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等常規(guī)設(shè)備，而要求使用手勢(shì)、體勢(shì)、人類(lèi)語(yǔ)言等自然方式進(jìn)行交互操作。能夠滿(mǎn)足以上要求的系統(tǒng)稱(chēng)之為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，構(gòu)建此系統(tǒng)所需要的各種軟、硬件技術(shù)被定義為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。1/13/2023第5

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))理論上，可以將虛擬現(xiàn)實(shí)簡(jiǎn)明定義為：由計(jì)算機(jī)及其軟硬件技術(shù)生成的，給人多種感官刺激的虛擬境界(VirtualEnvironment，VE，虛擬環(huán)境)1/13/2023第6

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))(1)多種感官刺激感官刺激說(shuō)明裝置視覺(jué)感知可見(jiàn)光聽(tīng)覺(jué)感知聲波嗅覺(jué)感知空氣中的化學(xué)成分味覺(jué)感知液體中的化學(xué)成分觸覺(jué)以皮膚感知力覺(jué)以肌肉、關(guān)節(jié)和肌腱等感知身體感覺(jué)感知肢體或身軀等前庭感覺(jué)平衡感知1/13/2023第7

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))(2)虛擬現(xiàn)實(shí)本質(zhì)上是一種人機(jī)交互系統(tǒng)，而且是一種高級(jí)的人機(jī)交互系統(tǒng)。定義沒(méi)有特別強(qiáng)調(diào)沉浸感，隱含表明虛擬現(xiàn)實(shí)可分為”沉浸式”和”非沉浸式”兩種。算法結(jié)構(gòu)清晰，層次分明，便于算法正確性的證明和復(fù)雜性的分析。1/13/2023第8

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))1962年MortonHeiling研制成功首臺(tái)全傳感仿真系統(tǒng)。1965年SutherLand博士提出UltimateDisplay概念。1965年SutherLand首次研制成功頭盔式顯示器。20世紀(jì)70年代中美軍戰(zhàn)斗機(jī)飛行模擬器研制成功。20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)NASA研制成功應(yīng)用于載人航天使用的VIEW系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，VR的研究熱潮開(kāi)始向民用高科技轉(zhuǎn)移。數(shù)據(jù)手套(DataGloves)EyePhones20年代90年代中期，標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML為在Internet上構(gòu)建可共享、可交換的WWW虛擬環(huán)境奠定了良好基礎(chǔ)。1/13/2023第9

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))VRML1.0VRML2.0VRML97X3DX3D由4部分組成：結(jié)構(gòu)和基本組件、應(yīng)用程序接口、XML編碼及VRML97編碼。XML是新出現(xiàn)的具有強(qiáng)大生命力的網(wǎng)絡(luò)通用語(yǔ)言規(guī)范，它本身所具有的良好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式?？蓴U(kuò)展性、高度結(jié)構(gòu)化、便于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，決定了其卓越的性能表現(xiàn)，使其成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的通用語(yǔ)言。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已由單機(jī)系統(tǒng)發(fā)展到分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，進(jìn)一步還要發(fā)展到支持協(xié)同工作的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，即由過(guò)去只支持多用戶(hù)共享，發(fā)展到需要支持以多人相互感知、協(xié)同操作等為目的的協(xié)同感知領(lǐng)域。1/13/2023第10

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))存在的問(wèn)題視覺(jué)真實(shí)感知和實(shí)時(shí)化問(wèn)題聽(tīng)覺(jué)感知問(wèn)題交互性問(wèn)題1/13/2023第11

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))虛擬現(xiàn)實(shí)的價(jià)值沉浸性體驗(yàn)意味著體驗(yàn)，那么體驗(yàn)的目的終將落實(shí)于對(duì)環(huán)境的操作和改造。虛擬現(xiàn)實(shí)中人與虛擬環(huán)境的交互，本質(zhì)上意味著它不是預(yù)成的而是生成的、不是因循的而是創(chuàng)新的，空間想象力所要表達(dá)的正是虛擬現(xiàn)實(shí)的這一秉性。1/13/2023第12

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院2.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類(lèi)按時(shí)空概念分類(lèi)由傳感器測(cè)得的真實(shí)世界的時(shí)間和空間概念以及沉浸在虛擬境界中的人所感知的時(shí)間和空間概念。對(duì)準(zhǔn)的(Aligned)有偏移的(Displaced)經(jīng)縮放的(Scaled)1/13/2023第13

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院2.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類(lèi)(續(xù))按傳感器與人的感官分類(lèi)視覺(jué)聽(tīng)覺(jué)觸覺(jué)前庭器官嗅覺(jué)或味覺(jué)1/13/2023第14

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院2.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類(lèi)(續(xù))按隔離與融合分類(lèi)隔離是指計(jì)算機(jī)生成的虛擬境界被人所感知時(shí)與人所處的真實(shí)世界相互隔離，即用戶(hù)既看不到真實(shí)世界系統(tǒng)、也聽(tīng)不到真實(shí)世界聲音，完全被虛擬環(huán)境所封閉，該類(lèi)系統(tǒng)即稱(chēng)為沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。融合是指計(jì)算機(jī)生成的虛擬境界可以疊加在人所能感知的真實(shí)世界之上，即虛擬境界直接與人看到的真實(shí)世界疊加在一起，該類(lèi)系統(tǒng)近年來(lái)被稱(chēng)之為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。1/13/2023第15

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院3.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件組成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件由4部分組成：虛擬境界生成設(shè)備，感知設(shè)備、跟蹤設(shè)備和基于自然方式的人與環(huán)境交互設(shè)備。1.虛擬境界生成設(shè)備虛擬境界生成設(shè)備可以是一臺(tái)或多臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)，通常又可分為：基于高性能個(gè)人計(jì)算機(jī)、基于高性能圖形工作站和基于分布式異構(gòu)計(jì)算機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)三大類(lèi)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件的圖形處理性能要求較高。1/13/2023第16

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院3.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件組成(續(xù))虛擬境界生成設(shè)備的主要功能如下：(1)視覺(jué)通道信號(hào)的生成與顯示。(2)聽(tīng)覺(jué)通道信號(hào)的生成與展示。(3)觸覺(jué)與力覺(jué)通道信號(hào)。(4)支持實(shí)時(shí)人機(jī)交互操作，包括3維空間定位、碰撞檢測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別以及人與環(huán)境實(shí)時(shí)對(duì)話(huà)環(huán)境。1/13/2023第17

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院3.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件組成(續(xù))(2)感知設(shè)備視覺(jué)感知設(shè)備。聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備。觸覺(jué)感知設(shè)備。1/13/2023第18

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院3.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件組成(續(xù))(3)跟蹤設(shè)備跟蹤設(shè)備是用于跟蹤并檢測(cè)用戶(hù)位置和朝向的裝置，用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中基于自然方式的人機(jī)交互操作。跟蹤設(shè)備一般都由一個(gè)或多個(gè)信號(hào)發(fā)射器以及多個(gè)接受器組成。1/13/2023第19

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院3.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件組成(續(xù))(4)人與環(huán)境交互設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所使用的交互設(shè)備應(yīng)用手勢(shì)、體勢(shì)、眼勢(shì)以及自然語(yǔ)言的人機(jī)交互設(shè)備，常見(jiàn)的有數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、眼球跟蹤器以及語(yǔ)音識(shí)別裝置。1/13/2023第20

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院4.虛擬現(xiàn)實(shí)研究?jī)?nèi)容虛擬現(xiàn)實(shí)的研究?jī)?nèi)容大致可分為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用兩大類(lèi)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)人機(jī)自然交互技術(shù)基于圖形學(xué)的研究基于圖像的建模和渲染碰撞技術(shù)基于Internet的研究聲音技術(shù)。1/13/2023第21

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院4.虛擬現(xiàn)實(shí)研究?jī)?nèi)容(續(xù))虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用真實(shí)世界仿真。抽象概念建模，也稱(chēng)為可視化。1/13/2023第22

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院5.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與隨身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)概念增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域中產(chǎn)生的一個(gè)新興的研究方向。虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)沉浸感，要求使人感覺(jué)與其所處的環(huán)境完全隔離。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)作為對(duì)真實(shí)世界的一種補(bǔ)充和增強(qiáng)，豐富了用戶(hù)對(duì)真實(shí)世界的感知和人機(jī)交互。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)具有以下3個(gè)主要特征：真實(shí)世界與虛擬境界要求在三維空間上加以整合。具有實(shí)時(shí)人機(jī)交互功能。增強(qiáng)特征適用于所有感知通道，不僅有景象，還應(yīng)包括聲音等；也可以使用增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)削。1/13/2023第23

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院5.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與隨身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(續(xù))增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)造一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心是如何將真實(shí)世界與虛擬境界在視覺(jué)領(lǐng)域完美融合，現(xiàn)有兩類(lèi)基本技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)：基于光學(xué)的技術(shù)和基于視頻的技術(shù)?；诠鈱W(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬融合的基本原理是通過(guò)半透明、半反射的光學(xué)鏡片將虛擬境界和真實(shí)世界疊加在一起；基于視頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)融合的基本原理是通過(guò)攝像機(jī)將真實(shí)世界采樣圖像在圖形處理器中與虛擬對(duì)象疊加在一起后再顯示出來(lái)?；诠鈱W(xué)的透視式HMD實(shí)現(xiàn)方法是把光學(xué)融合器放置在用戶(hù)眼前來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的?；谝曨l的封閉式HMD實(shí)現(xiàn)方法是把一個(gè)封閉的視頻頭盔同1-2個(gè)視頻攝象機(jī)結(jié)合在一起。1/13/2023第24

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院5.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與隨身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(續(xù))基于光學(xué)方法的主要優(yōu)點(diǎn)有：簡(jiǎn)單和廉價(jià)。顯示分辨率高。系統(tǒng)安全性好。無(wú)眼睛位置偏移。1/13/2023第25

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院5.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與隨身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(續(xù))基于視頻技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：融合靈活。圖像延時(shí)匹配較好?；兛善ヅ洹Ａ炼绕ヅ淙菀?。1/13/2023第26

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院5.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與隨身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(續(xù))增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)聚焦與對(duì)比度。融合精度與實(shí)時(shí)性問(wèn)題。系統(tǒng)可移動(dòng)性。傳感系統(tǒng)。1/13/2023第27

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院5.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與隨身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(續(xù))增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。機(jī)械制造、維修?？梢暬瘧?yīng)用。娛樂(lè)應(yīng)用。1/13/2023第28

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院5.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與隨身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(續(xù))隨身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與隨身計(jì)算技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。所謂隨身計(jì)算技術(shù)，實(shí)際上是一種無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)多媒體計(jì)算技術(shù)。隨身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主要概念是把整套增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，包括虛擬場(chǎng)景生成器、HMD和跟蹤設(shè)備可帶，這滿(mǎn)足了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)對(duì)系統(tǒng)可移動(dòng)性的要求，也進(jìn)一步拓寬了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域。1/13/2023第29

頁(yè)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院5.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與隨身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(續(xù))近年來(lái)，隨著現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬環(huán)境以及增強(qiáng)方法應(yīng)用的不斷充實(shí)、進(jìn)步和完善。著名學(xué)者PaulMilgram提出了一種分類(lèi)學(xué)方法----虛實(shí)統(tǒng)一體(VirtualContinnum,VC)?，F(xiàn)實(shí)環(huán)境(RealEnvironment,RE)，指真實(shí)存在的現(xiàn)實(shí)世界。虛擬環(huán)境(VirtualEnvironment,VE)，