虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述 10

第10章：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的內(nèi)容虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)所追求的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML使用VRML2.0構(gòu)造虛擬世界跳轉(zhuǎn)到主頁(yè)110.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述虛擬現(xiàn)實(shí)的定義虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實(shí)的主要研究?jī)?nèi)容虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)沉浸感10.1.1虛擬現(xiàn)實(shí)的定義包括了三層含義：虛擬實(shí)體是用計(jì)算機(jī)來(lái)生成的一個(gè)逼真的實(shí)體，“逼真”就是要達(dá)到三維視覺，甚至包括三維的聽覺及嗅覺等；用戶可以通過人的自然技能與這個(gè)環(huán)境交互，這里自然技能可以是人的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)、眼動(dòng)、手勢(shì)或其它的身體動(dòng)作；虛擬現(xiàn)實(shí)往往要借助一些三維傳感設(shè)備來(lái)完成交互動(dòng)作。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)示意圖10.1.2虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展1965年IvanSutherland提出虛擬現(xiàn)實(shí)的基本思想1966年MIT林肯實(shí)驗(yàn)室第一個(gè)HMD樣機(jī)完成,并融入力反饋裝置1970年IvanSutherland研制成功第一個(gè)功能較為齊全的HMD1975年MyronKrueger提出“人工現(xiàn)實(shí)”的思想20世紀(jì)80年代虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)

”VirtualReality”(虛擬現(xiàn)實(shí))一詞20世紀(jì)90年代明確提出虛擬現(xiàn)實(shí)研究的主要內(nèi)容，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)飛速發(fā)展10.1.3虛擬現(xiàn)實(shí)的研究現(xiàn)狀國(guó)外的研究北卡羅來(lái)納大學(xué)(UNC)計(jì)算機(jī)系麻省理工學(xué)院(MIT)媒體實(shí)驗(yàn)室

洛瑪琳達(dá)(LomaLinda)大學(xué)醫(yī)學(xué)中心華盛頓大學(xué)人機(jī)界面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(HITLab)美國(guó)宇航局(NASA)Ames實(shí)驗(yàn)室伊利諾斯州立大學(xué)

其他機(jī)構(gòu)國(guó)內(nèi)的研究北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系

浙江大學(xué)（CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、心理實(shí)驗(yàn)室）清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)系西安交通大學(xué)信息工程研究所

北方工業(yè)大學(xué)CAD研究中心

中國(guó)科技開發(fā)院威海分院

其他機(jī)構(gòu)10.1.4虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)沉浸感(Immersion)視覺浸入聽覺浸入觸覺浸入嗅覺浸入與味覺浸入交互性(Interaction)構(gòu)想性(Imagination)10.1.5沉浸感導(dǎo)致沉浸感的原因是用戶對(duì)計(jì)算機(jī)環(huán)境的虛擬物體產(chǎn)生了類似于現(xiàn)實(shí)物體的存在意識(shí)或幻覺。沉浸感必須具備三個(gè)要素：圖象(imagery)交互(interaction)行為(behavior)沉浸感存在感存在感存在感存在感認(rèn)知10.2虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類依照虛擬現(xiàn)實(shí)與外界交互分類依照虛擬現(xiàn)實(shí)特點(diǎn)分類10.2.1依照虛擬現(xiàn)實(shí)與外界交互分類從虛擬現(xiàn)實(shí)與外界的交互考慮可以分成三類：封閉式虛擬現(xiàn)實(shí)，即與外部現(xiàn)實(shí)世界不產(chǎn)生直接交互；開放式虛擬現(xiàn)實(shí)，即通過各種傳感裝置與外界構(gòu)成反饋閉環(huán)；以上兩類的結(jié)合，即兼?zhèn)浞忾]式或開放式的特點(diǎn)，是一種較實(shí)用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。依依照照虛擬擬現(xiàn)實(shí)實(shí)的構(gòu)構(gòu)成特特點(diǎn)分分類依照虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的的構(gòu)成特特點(diǎn)可分為為：桌面虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)，利用微微機(jī)或或低檔檔工作作站進(jìn)進(jìn)行模模擬，，在一一些專專用硬硬件和和軟件件的支支持下下，參參與者者可在在仿真真過程程中設(shè)設(shè)計(jì)各各種環(huán)環(huán)境；；臨境虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)，也稱投投入式式虛擬擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)。利利用使使參與與者完完全投投入的的各種種設(shè)備備把用用戶的的視覺覺、聽聽覺和和其它它感覺覺封閉閉起來(lái)來(lái)，產(chǎn)產(chǎn)生一一種與與世隔隔絕而而被虛虛擬環(huán)環(huán)境籠籠罩的的錯(cuò)覺覺，達(dá)達(dá)到完完全投投入的的目的的。分布式式虛擬擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)，在臨臨境虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)的的基礎(chǔ)礎(chǔ)上將將不同同的用用戶聯(lián)聯(lián)接在在一起起，共共享同同一個(gè)個(gè)虛擬擬空間間，使使用戶戶達(dá)到到一個(gè)個(gè)更高高的境境界。。傳感真真實(shí)環(huán)環(huán)境控制虛虛擬環(huán)環(huán)境表現(xiàn)虛虛擬環(huán)環(huán)境

桌面虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)與與臨境虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)10.3系系統(tǒng)統(tǒng)的組組成虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)由由可交交互的的虛擬擬環(huán)境境、虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)軟軟件、、虛擬擬現(xiàn)實(shí)實(shí)硬件件(包包括計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)、虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)輸輸入輸輸出設(shè)設(shè)備)三部部分組組成虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)的的模型型在系系統(tǒng)組組成上上一般般包括括檢測(cè)、反饋、傳感器器、控制、三維模模型及建模模模塊。桌面虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)和和臨境境虛擬擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)之間間的主主要差差別在在于：：參與者者身臨臨其境境的程程度，這也也是他他們的的系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)、應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域和和成本本都大大不相相同的的原因因；前者以以常規(guī)規(guī)的CRT彩色顯顯示器器和立立體眼眼鏡來(lái)來(lái)增加加身臨臨其境境的感感覺，，主要要交互互裝置置為6自由由度鼠鼠標(biāo)或或三維維操縱縱桿，，后者者采用用HMD現(xiàn)實(shí)，，主要要交互互裝置置為數(shù)數(shù)據(jù)手手套和和頭部部跟蹤蹤器。。虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)的基本本組成輸入設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)軟軟件虛擬世界計(jì)算機(jī)輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)模型圖圖操作虛擬環(huán)境反饋外部世界傳感裝置操作顯示虛擬系統(tǒng)的的組成圖虛擬環(huán)境現(xiàn)實(shí)世界系統(tǒng)建模3D模型檢測(cè)反饋傳感器控制用戶桌面虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)基基本組成圖圖虛擬環(huán)境發(fā)生器器聲音合成26自由度控控制器立體視覺顯顯示器觸覺/視覺覺系統(tǒng)聲音顯示器器聲音合成臨境虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)基基本組成圖圖虛擬環(huán)境發(fā)生器頭盔顯示器/數(shù)據(jù)手套聲音合成聲音定位語(yǔ)言識(shí)別顯示電子裝裝置頭/眼/手手/體跟蹤蹤觸覺/動(dòng)覺覺系統(tǒng)命令圖形圖象頭位置眼位置手位置10.4虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)的主要研研究?jī)?nèi)容基于視覺、、聽覺、觸觸覺和嗅覺覺的逼真模模擬世界生生成技術(shù)三維實(shí)時(shí)動(dòng)動(dòng)畫視覺環(huán)境建建模（體視視圖的生成成原理）空間定位和和空間仿真真技術(shù)聲像一體化化仿真技術(shù)術(shù)虛擬環(huán)境中中的標(biāo)定人與技術(shù)融融為一體的的臨場(chǎng)感技技術(shù)寬視場(chǎng)立體體顯示技術(shù)術(shù)感知并識(shí)別別用戶視點(diǎn)點(diǎn)變化，頭頭、手、肢肢體、身軀軀動(dòng)作和語(yǔ)語(yǔ)音的基于于自然方式式的人機(jī)交交互技術(shù)快速、高精精度三維跟跟蹤技術(shù)人的因素與與用戶心理理學(xué)研究10.4虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)的主要研研究?jī)?nèi)容虛擬環(huán)境的的控制系統(tǒng)統(tǒng)實(shí)時(shí)、低延延時(shí)控制軟軟硬件設(shè)計(jì)計(jì)傳感技術(shù)和和傳感設(shè)備備研究多傳感器數(shù)數(shù)據(jù)融合遙感技術(shù)虛擬環(huán)境與與現(xiàn)實(shí)環(huán)境境的一致性性保持開發(fā)新的非非應(yīng)用虛擬擬環(huán)境技術(shù)術(shù)不可的領(lǐng)領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)開發(fā)平平臺(tái)研制分布式虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)實(shí)用系統(tǒng)的的開發(fā)10.5虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)提高圖形系系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)性三維位置方方位跟蹤與與視覺、聽聽覺、嗅覺覺等傳感及及識(shí)別技術(shù)術(shù)高速計(jì)算能能力及計(jì)算算復(fù)雜性問問題面向?qū)ο蠹技夹g(shù)的應(yīng)用用動(dòng)態(tài)環(huán)境三維建模技技術(shù)紋理貼圖、、全局光照照建模技術(shù)術(shù)、立體顯顯示技術(shù)（（體視圖等等）、幾何何建模（NURBS建模技術(shù)術(shù)、過程建建模技術(shù)））、運(yùn)動(dòng)建建模、物理理建模、基基于圖像的的建模等系統(tǒng)集成技技術(shù)NURBS技術(shù)生成成圖像空間點(diǎn)左視圖左視點(diǎn)右視點(diǎn)右視圖體視圖生成成原理被動(dòng)式立體體投影原理理10.6虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)的應(yīng)用可視化的研研究與應(yīng)用用工程的計(jì)算算機(jī)輔助設(shè)設(shè)計(jì)和制造造(CAD/CAM)醫(yī)學(xué)方面的的應(yīng)用軍事模擬和和飛行模擬擬教育和藝術(shù)術(shù)遙在和遙控控游戲和娛樂樂10.7虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)所追追求的長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)目標(biāo)虛擬顯示系系統(tǒng)擴(kuò)大人人類的感知知和認(rèn)知能能力；虛擬技術(shù)必必然會(huì)推動(dòng)動(dòng)生產(chǎn)管理理模式的變變化；虛擬技術(shù)不不僅支持著著靈捷制造造系統(tǒng)的建建立，而且且可以使整整個(gè)設(shè)計(jì)制制造過程對(duì)對(duì)用戶是透透明的，使使用戶有可可能參與設(shè)設(shè)計(jì)；虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)將引起起設(shè)計(jì)制造造業(yè)的巨變變；虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)將導(dǎo)致致醫(yī)學(xué)革命命；虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)將促使使遙在技術(shù)術(shù)的發(fā)展；；虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)幫助殘殘疾人和增增強(qiáng)殘疾人人的自理能能力；虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)還將有有效地輔助助人類進(jìn)行行決策和行行動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)在設(shè)計(jì)計(jì)中應(yīng)用圖圖象飛機(jī)機(jī)艙的的圖象虛擬儀表的的圖象水下航行模模擬的圖象象飛行模擬的的圖象虛擬現(xiàn)實(shí)在在軍事訓(xùn)練練中的應(yīng)用用虛擬現(xiàn)實(shí)在在醫(yī)學(xué)上的的應(yīng)用10.8虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)建模語(yǔ)言言VRML概述的誕生與發(fā)發(fā)展簡(jiǎn)介世界的瀏覽覽和發(fā)布建模軟件和和創(chuàng)作工具具開辟一個(gè)虛虛擬世界概述10.8.2VRML的誕誕生與發(fā)展展VRML的的提出（1994年春，第一一屆國(guó)際互互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)年年會(huì)）VRML設(shè)設(shè)計(jì)的主要要目標(biāo)瀏覽器負(fù)責(zé)責(zé)解釋VRML文件件，使VRML描述述的3D景景象可見。。目前的VRML數(shù)數(shù)據(jù)通過HTTP協(xié)協(xié)議傳輸。。VRML的的兩個(gè)版本本(1.0、2.0)VRML1.0存在在的問題：：景象游歷細(xì)節(jié)水平?jīng)]有原型沒有獨(dú)一無(wú)無(wú)二的名字字VRML2.0的提提出10.8.3VRML2.0簡(jiǎn)介VRML2.0推出出的主要目目的是擴(kuò)展展其靜態(tài)景景象描述語(yǔ)語(yǔ)言從而使使其成為虛虛擬現(xiàn)實(shí)描描述語(yǔ)言，，其中包括括交互和對(duì)對(duì)象行為以以及對(duì)媒體體的規(guī)范，，其中最主主要的變化化體現(xiàn)在節(jié)節(jié)點(diǎn)類型的的擴(kuò)充上。。VRML2.0是基基于節(jié)點(diǎn)的的建模語(yǔ)言言，共有54種標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)類型型，按功能能分成9類類。VRML2.0的特特點(diǎn)增強(qiáng)的三維維建模能力力聲音和動(dòng)畫畫交互式能力力編程能力10.8.3VRML2.0簡(jiǎn)介支持VRML世界交交互行為的的三種設(shè)計(jì)計(jì)模型擴(kuò)展VRML語(yǔ)言規(guī)規(guī)范，加入入新的代碼碼和關(guān)鍵字字，使之能能很容易地地結(jié)合到擴(kuò)擴(kuò)展的、開開放的VRML語(yǔ)言言規(guī)范中去去。提供與場(chǎng)景景的接口并并實(shí)現(xiàn)外部部腳本描述述的行為。。在景象行為為語(yǔ)言中嵌嵌入VRML景象描描述。擴(kuò)展到多用用戶世界需需要解決的的問題可縮放性性持久性鎖定同步行為協(xié)議代理世界的瀏瀏覽和發(fā)發(fā)布支持VRML的的瀏覽器器MicrosoftVRML2.0ViewerCosmo播放放器其他的VRML播放器器VRML世界大大多以.wrl為擴(kuò)展展名文件件進(jìn)行發(fā)發(fā)布的。。為了讓讓瀏覽器器知道.wrl文件內(nèi)內(nèi)保存的的是何種種類型的的VRML，.wrl文件必必須在頂頂部包含含單獨(dú)的的一行設(shè)設(shè)置信息息，除此此之外，，還包括括一個(gè)三三維世界界的描述述。建模軟件件和創(chuàng)作作工具三維建模模軟件和和動(dòng)畫應(yīng)應(yīng)用軟件件Alias|WavefrontAnimator、、3Dstudio、Maya、LightWave等VRML文件轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器VRML創(chuàng)作工工具開辟一個(gè)個(gè)虛擬世世界基本框架架設(shè)計(jì)構(gòu)建物體體并組成成世界添加動(dòng)畫畫和腳本本修改和測(cè)測(cè)試10.9使用VRML2.0構(gòu)造虛擬擬世界VrmlPad簡(jiǎn)介使用VRML2.0利用節(jié)點(diǎn)點(diǎn)構(gòu)建靜靜態(tài)形體體讓形體具具有交互互的能力力檢測(cè)器(Sensor)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)觀察點(diǎn)(Viewpoint)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)事件路由由傳遞機(jī)機(jī)制使用腳本本節(jié)點(diǎn)定定義行為為場(chǎng)景中動(dòng)動(dòng)畫的實(shí)實(shí)現(xiàn)使用接觸觸檢測(cè)器器，結(jié)合合腳本節(jié)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)動(dòng)畫使用時(shí)間間檢測(cè)器器，結(jié)合合腳本節(jié)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)動(dòng)畫使用插補(bǔ)補(bǔ)器，結(jié)結(jié)合時(shí)間間檢測(cè)器器實(shí)現(xiàn)動(dòng)動(dòng)畫10.10本章小結(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的基本概概念虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)的的分類與與組成虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)研研究的內(nèi)內(nèi)容虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)關(guān)鍵技技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)的應(yīng)用用及長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)目標(biāo)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)建模語(yǔ)語(yǔ)言VRML介介紹VRML2.0的使使用附錄#VRMLV2.0utf8Group{children[Shape{geometryBox{}}]}附錄#VRMLV2.0utf8Group{children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}附錄#VRMLV2.0utf8Group{children[DEFBTransform{translation800children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}DEFSTransform{translation000children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor010}}geometrySphere{}}]}DEFCTransform{translation-800children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor001}}geometryCone{}}]}]}返回附錄#VRMLV2.0utf8Group{children[Transform{translation800children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}DEFtouchSensorTouchSensor{}]}返回附錄#VRMLV2.0utf8DEFview1Viewpoint{position0010description"view1"}DEFview2Viewpoint{position4210description"view2"}Group{children[Transform{translation800children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}DEFtouchSensorTouchSensor{}]}返回附錄#VRMLV2.0utf8DEFview1Viewpoint{position0010description"view1"}DEFview2Viewpoint{position4210description"view2"}Group{children[Transform{translation800children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}DEFtouchSensorTouchSensor{}]}返回附錄#VRMLV2.0utf8DEFview1Viewpoint{position0010description"view1"}DEFview2Viewpoint{position4210description"view2"}Group{children[Transform{translation800children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}DEFtouchSensorTouchSensor{}]}DEFtouchscriptScript{eventInSFBooltouchSensorIsActiveeventOutSFBoolbindView2url"javascript:functiontouchSensorIsActive(){bindView2=TRUE;}"}ROUTEtouchSensor.isActiveTOtouchscript.touchSensorIsActiveROUTEtouchscript.bindView2TOview2.set_bind返回附錄#VRMLV2.0utf8DEFboxTransform{rotation2220children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}DEFTouchSTouchSensor{}]}DEFrScript{eventInSFBoolstartRevolvingeventOutSFRotationrevolvefieldSFFloatangle0url"javascript:functionstartRevolving(){revolve[0]=2;revolve[1]=2;revolve[2]=2;revolve[3]=angle;angle+=0.1;