虛擬現(xiàn)實概率

第一章

虛擬現(xiàn)實概論主講教師：賈金原助教：楊寒冰聯(lián)系方式：QQ:605360422同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院圖形圖像研究中心第1章虛擬現(xiàn)實概論--大綱1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展史1.3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)簡介1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征1.5 虛擬現(xiàn)實與動畫和游戲的區(qū)別1.6 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類1.7虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域1.8虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀1.1 虛擬現(xiàn)實（VirtualReality）基本概念

虛擬現(xiàn)實是一種逼真的視、聽、觸覺一體化的計算機(jī)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(jìn)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=Virtual+Reality虛擬現(xiàn)實是虛擬化的、數(shù)字化的現(xiàn)實環(huán)境，它忠于現(xiàn)實，更可以超越現(xiàn)實！1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展史

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality）簡稱VR技術(shù)，是20世紀(jì)末逐漸興起的一門綜合性信息技術(shù)，融合了數(shù)字圖像處理、計算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、多媒體、傳感器、網(wǎng)絡(luò)以及并行處理等多個信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果。1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展史1929年，EdwardLink設(shè)計出用于訓(xùn)練飛行員的模擬器1956年，MortonHeilig開發(fā)出多通道仿真體驗系統(tǒng)Sensorama1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展史1965年，IvanSutherland發(fā)表論文“UltimateDisplay”（終極的顯示）1968年，IvanSutherland研制成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器（HeadMountedDisplay，HMD）1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展史1972年，NolanBushnell開發(fā)出第一個交互式電子游戲Pong1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第一個數(shù)據(jù)手套——SayreGlove20世紀(jì)80年代，美國國家航空航天局（NASA）組織了一系列有關(guān)VR技術(shù)的研究：1984年，NASAAmes研究中心的M.McGreevy和J.Humphries開發(fā)出用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器；1987年，JimHumphries設(shè)計了雙目全方位監(jiān)視器（BOOM）的最早原型。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展史1990年，在美國達(dá)拉斯召開的SIGGRAPH會議上為VR技術(shù)的發(fā)展確定了研究方向，明確提出VR技術(shù)研究的主要內(nèi)容包括:實時三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)、高分辨率顯示技術(shù)。從20世紀(jì)90年代開始，VR技術(shù)的研究熱潮也開始向民間的高科技企業(yè)轉(zhuǎn)移。著名的VPL公司開發(fā)出第一套傳感手套命名為“DataGloves”，第一套HMD命名為“EyePhones”。進(jìn)入21世紀(jì)后，VR技術(shù)更是進(jìn)入軟件高速發(fā)展的時期，

一些有代表性的VR軟件開發(fā)系統(tǒng)不斷在發(fā)展完善，如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。1.3虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)簡介典型的VR系統(tǒng)主要由：計算機(jī)軟件系統(tǒng)VR軟件VR環(huán)境數(shù)據(jù)庫計算機(jī)硬件系統(tǒng)

VR輸入設(shè)備VR輸出設(shè)備1.4虛擬現(xiàn)實的特征傳統(tǒng)的三個特征（3個I）沉浸感(Immersion)參與者全身心地沉浸于計算機(jī)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對虛擬環(huán)境進(jìn)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1.4虛擬現(xiàn)實技技術(shù)的特征征--沉浸感VR技術(shù)的沉浸浸感：又稱臨場感感，是指用用戶感到作作為主角存存在于虛擬擬環(huán)境中的的真實程度度。VR技術(shù)最主要要的特征。。影響沉浸感感的主要因因素包括多多感知性、、自主性、、三維圖像像中的深度度信息、畫畫面的視野野、實現(xiàn)跟跟蹤的時間間或空間響響應(yīng)及交互互設(shè)備的約約束程度等等。1.4虛擬現(xiàn)實技技術(shù)的特征征--交互性VR技術(shù)的交互互性：指用戶對虛虛擬環(huán)境中中對象的可可操作程度度和從虛擬擬環(huán)境中得得到反饋的的自然程度度（包括實實時性）。。主要借助于于各種專用用設(shè)備（如如頭盔顯示示器、數(shù)據(jù)據(jù)手套等））產(chǎn)生，從從而使用戶戶以自然方方式如手勢勢、體勢、、語言等技技能，如同同在真實世世界中一樣樣操作虛擬擬環(huán)境中的的對象。1.4虛擬現(xiàn)實實技術(shù)的的特征—想象力VR技術(shù)術(shù)的想象象力：指用戶在在虛擬世世界中根根據(jù)所獲獲取的多多種信息息和自身身在系統(tǒng)統(tǒng)中的行行為，通通過邏輯輯判斷、、推理和和聯(lián)想等等思維過過程，隨隨著系統(tǒng)統(tǒng)的運行行狀態(tài)變變化而對對其未來來進(jìn)展進(jìn)進(jìn)行想象象的能力力。對適當(dāng)?shù)牡膽?yīng)用對對象加上上虛擬現(xiàn)現(xiàn)實的創(chuàng)創(chuàng)意和想想象力，，可以大大幅度提提高生產(chǎn)產(chǎn)效率、、減輕勞勞動強(qiáng)度度、提高高產(chǎn)品開開發(fā)質(zhì)量量。1.5虛擬現(xiàn)實實與三維維動畫的的區(qū)別（1）真實性三維動畫畫－－場景景畫面由由動畫制制作人員員根據(jù)材材料或想想象直接接畫制而而成，與與真實的的環(huán)境和和數(shù)據(jù)有有較大的的差距，，屬于演演示類藝藝術(shù)作品品。虛擬現(xiàn)實實－－虛擬擬環(huán)境由由基于真真實數(shù)據(jù)據(jù)建立的的數(shù)字模模型組合合而成，，嚴(yán)格遵遵循工程程項目設(shè)設(shè)計的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)和要要求，屬屬于科學(xué)學(xué)仿真系系統(tǒng)。操操縱者親親身體驗驗虛擬三三維空間間，身臨臨其境。。交互性三維動畫畫－－只能能如電影影一樣單單向演示示，場景景變化，，瀏覽路路徑，需需要預(yù)先先指定，，無法改改變。畫畫面需要要事先制制作生成成，耗時時、費力力、成本本較高。。沒有互互動性。。虛擬現(xiàn)實實－－操縱縱者可以以實時感感受運動動帶來的的場景變變化，步步移景異異，并可可親自布布置場景景，具有有雙向互互動的功功能。1.5虛擬現(xiàn)實實與三維維動畫的的區(qū)別（2）時間性三維動畫畫－－受受動畫制制作時間間限制，，無法詳詳盡展示示，性價價比低。。虛擬現(xiàn)實實－－沒沒有時間間限制，，可真實實詳盡地地展示，，并可以以在虛擬擬現(xiàn)實基基礎(chǔ)上導(dǎo)導(dǎo)出動畫畫視頻文文件，同同樣可以以用于多多媒體資資料制作作和宣傳傳，性價價比高。。應(yīng)用性三維動畫畫－－只只適合簡簡單的演演示功能能。虛擬現(xiàn)實實－－在在實時三三維環(huán)境境中，支支持方案案調(diào)整、、評估、、管理、、信息查查詢等功功能，適適合較大大型復(fù)雜雜工程項項目的規(guī)規(guī)劃、設(shè)設(shè)計、投投標(biāo)、報報批、管管理等需需要，同同時又具具有更真真實和直直觀的多多媒體演演示功能能。1.5分布式虛虛擬現(xiàn)實實與網(wǎng)絡(luò)絡(luò)游戲的的區(qū)別網(wǎng)絡(luò)游戲戲一般是是基于C/S需要安裝裝客戶端端客戶端通通常很大大（對客客戶端的的配置有有要求））以娛樂為為目的用戶通常常有耐心心等待下下載和安安裝（Web）VR不需要安安裝客戶戶端Down-and-Play下載即觀觀看以宣傳和和展示為為目的用戶沒有有耐心等等待下載載和安裝裝如果2分鐘內(nèi)還還看不到到東西就就放棄了了1.6虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)的的分類桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）增強(qiáng)式VR系統(tǒng)（AugmentedVR）分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR）基于網(wǎng)頁頁的VR系統(tǒng)（WebVR）1.6虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)的的分類桌面式VR系統(tǒng)使用個人人計算機(jī)機(jī)和低級級工作站站來產(chǎn)生生三維空空間的交交互場景景。用戶會受受到周圍圍現(xiàn)實環(huán)環(huán)境的干干擾而不不能獲得得完全的的沉浸感感，但由由于其成成本相對對較低桌桌面式VR系統(tǒng)仍然然比較普及。1.6虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)的的分類沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔盔顯示器器、洞穴穴式顯示示設(shè)備和和數(shù)據(jù)手手套等交交互設(shè)備備把用戶戶的視覺覺、聽覺覺和其他他感覺封封閉起來來，而使使用戶真真正成為為VR系統(tǒng)內(nèi)部部的一個個參與者者，產(chǎn)生生一種身身臨其境境、全心心投入并并沉浸其其中的體體驗。與桌面式式VR系統(tǒng)相比比，沉浸浸式VR系統(tǒng)的主要特點點在于高度的實實時性和和沉浸感感。1.6虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)的的分類增強(qiáng)式VR系統(tǒng)(AugmentedReality,AR)允許用戶戶對現(xiàn)實實世界進(jìn)進(jìn)行觀察察的同時時，將虛虛擬圖像像疊加在在真實物物理對象象之上。。為用戶提提供與所所看到的的真實環(huán)環(huán)境有關(guān)關(guān)的、存存儲在計計算機(jī)中中的信息息，從而而增強(qiáng)用用戶對真真實環(huán)境境的感受受，又被被稱為疊疊加式或或補(bǔ)充現(xiàn)現(xiàn)實式VR系統(tǒng)?？梢允褂糜霉鈱W(xué)技技術(shù)/視頻技術(shù)術(shù)/傳感器技技術(shù)來實實現(xiàn)。實中有虛虛，使實實更實！！增強(qiáng)虛擬擬混合現(xiàn)實實1.6虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)的的分類分布式VR系統(tǒng)(DVR)指基于網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建的虛擬擬環(huán)境，，將位于于不同物物理位置置的多個個用戶或或多個虛虛擬環(huán)境境通過網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)相連連接并共共享信息息，從而而使用戶戶的協(xié)同同工作達(dá)達(dá)到一個個更高的的境界。。主要被應(yīng)用于于遠(yuǎn)程虛擬會會議、虛擬醫(yī)醫(yī)學(xué)會診、多多人網(wǎng)絡(luò)游戲戲、虛擬戰(zhàn)爭爭演習(xí)等領(lǐng)域域。1.6分布式虛擬現(xiàn)現(xiàn)實DistributedVirtualReality概念在互聯(lián)網(wǎng)上構(gòu)構(gòu)建一個逼真真而互動的三三維虛擬空間間特點分布于不同地地理位置的多多臺計算機(jī)通通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)聯(lián)允許多用戶之之間進(jìn)行實時時互動1.6分布式虛擬現(xiàn)現(xiàn)實的特點我擴(kuò)充的DVR的新3個I智能性(Intelligence)虛擬人H-Anim（國際標(biāo)準(zhǔn)））DigitalStorytellingAIML、ICML（講故事、多多人聊天、人人機(jī)對話）集成性(Integration)圖形、圖像、、音頻、視頻頻、文本、GIS、遙感影像等等互聯(lián)網(wǎng)(Internet)-基于Web的VR－WebVR基于WebGraphics虛擬城市－虛虛擬社區(qū)SecondLife,GoogleEarth,VirtualEarth1.7虛擬現(xiàn)實技術(shù)術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域域教育與訓(xùn)練設(shè)計與規(guī)劃科學(xué)計算可視視化商業(yè)領(lǐng)域藝術(shù)與娛樂1.7虛擬現(xiàn)實技術(shù)術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域域教育與訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實技術(shù)術(shù)能使學(xué)習(xí)者者能直接、自自然地與虛擬擬對象進(jìn)行交交互，以各種種形式參與事事件的發(fā)展變變化過程，并并獲得最大的的控制和操作作整個環(huán)境的的自由度。1、仿真教學(xué)與與實驗2、特殊教育3、多種專業(yè)訓(xùn)訓(xùn)練4、應(yīng)急演練和和軍事演習(xí)1.7虛擬現(xiàn)實技術(shù)術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域域設(shè)計與規(guī)劃虛擬現(xiàn)實已被被看作是設(shè)計計領(lǐng)域中唯一一的開發(fā)工具具。它可以避避免傳統(tǒng)方式式在原型制造造、設(shè)計和生生產(chǎn)過程中的的重復(fù)工作，，有效的降低低成本，應(yīng)用用領(lǐng)域包括汽汽車制造業(yè)、、城市規(guī)劃、、建筑設(shè)計等等。1.7虛擬現(xiàn)實技術(shù)術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域域科學(xué)計算可視視化科學(xué)可視化的的功能就是將將大量字母、、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成比原始始數(shù)據(jù)更容易易理解的各種種圖像，并允允許參與者借借助各種虛擬擬現(xiàn)實輸入設(shè)設(shè)備檢查這些些“可見的”數(shù)據(jù)。它通常被用于于建立分子結(jié)結(jié)構(gòu)、地震以以及地球環(huán)境境等模型。1.7虛擬現(xiàn)實技術(shù)術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域域商業(yè)領(lǐng)域VR技術(shù)被逐步應(yīng)應(yīng)用于網(wǎng)上銷銷售、客戶服服務(wù)、電傳會會議及虛擬購購物中心等商商業(yè)領(lǐng)域。它它可以使客戶戶在購買前先先看到產(chǎn)品的的外貌與內(nèi)在在，甚至在虛虛擬世界中使使用它，因此此對產(chǎn)品的推推廣和銷售都都很有幫助。。1.7虛擬現(xiàn)實技術(shù)術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域域藝術(shù)與娛樂VR技術(shù)所具有的的身臨其境感感及實時交互互性還能將靜靜態(tài)的藝術(shù)（（如油畫、雕雕刻等）轉(zhuǎn)化化為動態(tài)的形形式，使觀賞賞者更好地欣欣賞作者的思思想藝術(shù)，包包括虛擬畫廊廊、虛擬音樂樂廳、文物保保護(hù)等方面。。娛樂是VR系統(tǒng)的另一個個重要應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域，市場上上已經(jīng)推出了了多款VR環(huán)境下的電腦腦游戲，帶給給游戲者強(qiáng)烈烈的感官刺激激。1.8虛擬現(xiàn)實技術(shù)術(shù)的研究現(xiàn)狀狀國外的研究現(xiàn)現(xiàn)狀簡介美國是VR技術(shù)的發(fā)源地地，有美國宇宇航局（NASA）、麻省理工工學(xué)院（MIT）媒體實驗室室、華盛頓大大學(xué)人機(jī)界面面技術(shù)實驗室室（HITLab）等許多知名名的研究機(jī)構(gòu)構(gòu)。美國在虛擬現(xiàn)現(xiàn)實領(lǐng)域的基基礎(chǔ)研究主要要集中在感知知、用戶界面面、后臺軟件件和硬件四個個方面。1.8虛擬現(xiàn)實技術(shù)術(shù)的研究現(xiàn)狀狀國外的研究現(xiàn)現(xiàn)狀英國主要有四四個從事VR技術(shù)研究的中中心，包括Windustries公司、BritishAerospace公司、DimensionInternational公司、DivisonLTD公司等。日本主要致力力于建立大規(guī)規(guī)模VR知識庫和人機(jī)機(jī)接口方面的的研究項目上上，在VR游戲方面的研研究也處于領(lǐng)領(lǐng)先地位。此外，國外還還研制出多個個用于開發(fā)應(yīng)應(yīng)用程序的VR軟件開發(fā)平臺臺，例如美國國Sense8公司的WorldToolKit（WTK），愛荷華州州立大學(xué)虛擬擬現(xiàn)實應(yīng)用中中心的VRJuggler，DenebRobotics公司的ENVISION，英國Superscape公司的VRT，Division公司的dVISE等。1.8虛擬現(xiàn)實技術(shù)術(shù)的研究現(xiàn)狀狀國內(nèi)的研究現(xiàn)現(xiàn)狀我國從20世紀(jì)80年代起開始研研究VR技術(shù)。雖然起起步較晚，但但近年來政府府有關(guān)部門非非常重視，制制定了開展VR技術(shù)的研究計計劃，并將其其列入國家重重點研究項目目。國內(nèi)的一一些科學(xué)家和和重點