多媒體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)第10章

多媒體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)第10章第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210.1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(jué)，甚至包括三維的聽(tīng)覺(jué)及嗅覺(jué)等；用戶可以通過(guò)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(kāi)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(jué)浸入聽(tīng)覺(jué)浸入觸覺(jué)浸入嗅覺(jué)浸入與味覺(jué)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(jué)。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(kāi)放式虛擬現(xiàn)實(shí)，即通過(guò)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(kāi)放式的特點(diǎn)，是一種較實(shí)用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。10.2.2依照虛擬現(xiàn)實(shí)的構(gòu)成特點(diǎn)分類依照虛擬現(xiàn)實(shí)的構(gòu)成特點(diǎn)可分為：桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，利用微機(jī)或低檔工作站進(jìn)行模擬，在一些專用硬件和軟件的支持下，參與者可在仿真過(guò)程中設(shè)計(jì)各種環(huán)境；臨境虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，也稱投入式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。利用使參與者完全投入的各種設(shè)備把用戶的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其它感覺(jué)封閉起來(lái)，產(chǎn)生一種與世隔絕而被虛擬環(huán)境籠罩的錯(cuò)覺(jué)，達(dá)到完全投入的目的。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，在臨境虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將不同的用戶聯(lián)接在一起，共享同一個(gè)虛擬空間，使用戶達(dá)到一個(gè)更高的境界。傳感真實(shí)環(huán)境控制虛擬環(huán)境表現(xiàn)虛擬環(huán)境

桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與臨境虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)10.3系統(tǒng)的組成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由可交互的虛擬環(huán)境、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)硬件(包括計(jì)算機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)輸入輸出設(shè)備)三部分組成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的模型在系統(tǒng)組成上一般包括檢測(cè)、反饋、傳感器、控制、三維模型及建模模塊。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和臨境虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之間的主要差別在于：參與者身臨其境的程度，這也是他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域和成本都大不相同的原因；前者以常規(guī)的CRT彩色顯示器和立體眼鏡來(lái)增加身臨其境的感覺(jué)，主要交互裝置為6自由度鼠標(biāo)或三維操縱桿，后者采用HMD現(xiàn)實(shí)，主要交互裝置為數(shù)據(jù)手套和頭部跟蹤器。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本組成輸入設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)軟件虛擬世界計(jì)算機(jī)輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)模型圖操作虛擬環(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)實(shí)系統(tǒng)基本組成圖虛擬環(huán)境發(fā)生器聲音合成26自由度控制器立體視覺(jué)顯示器觸覺(jué)/視覺(jué)系統(tǒng)聲音顯示器聲音合成臨境虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)基本組成圖虛擬環(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)別顯示電子裝置頭/眼/手/體跟蹤觸覺(jué)/動(dòng)覺(jué)系統(tǒng)命令圖形圖象頭位置眼位置手位置10.4虛擬現(xiàn)實(shí)的主要研究?jī)?nèi)容基于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)和嗅覺(jué)的逼真模擬世界生成技術(shù)三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)視覺(jué)環(huán)境建模（體視圖的生成原理）空間定位和空間仿真技術(shù)

聲像一體化仿真技術(shù)

虛擬環(huán)境中的標(biāo)定

人與技術(shù)融為一體的臨場(chǎng)感技術(shù)

寬視場(chǎng)立體顯示技術(shù)

感知并識(shí)別用戶視點(diǎn)變化，頭、手、肢體、身軀動(dòng)作和語(yǔ)音的基于自然方式的人機(jī)交互技術(shù)

快速、高精度三維跟蹤技術(shù)

人的因素與用戶心理學(xué)研究

10.4虛擬現(xiàn)實(shí)的主要研究?jī)?nèi)容虛擬環(huán)境的控制系統(tǒng)

實(shí)時(shí)、低延時(shí)控制軟硬件設(shè)計(jì)傳感技術(shù)和傳感設(shè)備研究多傳感器數(shù)據(jù)融合遙感技術(shù)虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的一致性保持開(kāi)發(fā)新的非應(yīng)用虛擬環(huán)境技術(shù)不可的領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)研制

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)10.5虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)提高圖形系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性三維位置方位跟蹤與視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)等傳感及識(shí)別技術(shù)高速計(jì)算能力及計(jì)算復(fù)雜性問(wèn)題面向?qū)ο蠹夹g(shù)的應(yīng)用動(dòng)態(tài)環(huán)境三維建模技術(shù)紋理貼圖、全局光照建模技術(shù)、立體顯示技術(shù)（體視圖等）、幾何建模（NURBS建模技術(shù)、過(guò)程建模技術(shù)）、運(yùn)動(dòng)建模、物理建模、基于圖像的建模等系統(tǒng)集成技術(shù)NURBS技術(shù)生成圖像空間點(diǎn)左視圖左視點(diǎn)右視點(diǎn)右視圖體視圖生成原理被動(dòng)式立體投影原理10.6虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用可視化的研究與應(yīng)用工程的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造(CAD/CAM)醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用軍事模擬和飛行模擬教育和藝術(shù)遙在和遙控游戲和娛樂(lè)10.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所追求的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)虛擬顯示系統(tǒng)擴(kuò)大人類的感知和認(rèn)知能力；虛擬技術(shù)必然會(huì)推動(dòng)生產(chǎn)管理模式的變化；虛擬技術(shù)不僅支持著靈捷制造系統(tǒng)的建立，而且可以使整個(gè)設(shè)計(jì)制造過(guò)程對(duì)用戶是透明的，使用戶有可能參與設(shè)計(jì)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將引起設(shè)計(jì)制造業(yè)的巨變；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將導(dǎo)致醫(yī)學(xué)革命；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將促使遙在技術(shù)的發(fā)展；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)幫助殘疾人和增強(qiáng)殘疾人的自理能力；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還將有效地輔助人類進(jìn)行決策和行動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)計(jì)中應(yīng)用圖象飛機(jī)機(jī)艙的圖象虛擬儀表的圖象水下航行模擬的圖象飛行模擬的圖象虛擬現(xiàn)實(shí)在軍事訓(xùn)練中的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用10.8虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML10.8.1概述

10.8.2VRML的誕生與發(fā)展

10.8.3VRML2.0簡(jiǎn)介

10.8.4VRML世界的瀏覽和發(fā)布

10.8.5建模軟件和創(chuàng)作工具

10.8.6開(kāi)辟一個(gè)虛擬世界

10.8.1概述虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML（VirtualRealityModelingLanguage）是一種描述虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的專用語(yǔ)言，其作用是描述三維場(chǎng)景以便建立交互式、可導(dǎo)航的三維世界，可用于萬(wàn)維網(wǎng)WWW（和HTML一樣）。VRML允許用有限的交互行為構(gòu)造虛擬世界，這些虛擬世界包含有同其它“世界”超鏈接的對(duì)象VRML提供的三維元素有站點(diǎn)地圖、庫(kù)、科學(xué)知識(shí)可視化代表、數(shù)據(jù)庫(kù)的可視化代表、模擬地理信息系統(tǒng)、交互式廣告等。10.8.2VRML的誕生與發(fā)展VRML的提出（1994年春，第一屆國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)年會(huì)）VRML設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)瀏覽器負(fù)責(zé)解釋VRML文件，使VRML描述的3D景象可見(jiàn)。目前的VRML數(shù)據(jù)通過(guò)HTTP協(xié)議傳輸。VRML的兩個(gè)版本(1.0、2.0)VRML1.0存在的問(wèn)題：景象游歷細(xì)節(jié)水平?jīng)]有原型沒(méi)有獨(dú)一無(wú)二的名字VRML2.0的提出10.8.3VRML2.0簡(jiǎn)介VRML2.0推出的主要目的是擴(kuò)展其靜態(tài)景象描述語(yǔ)言從而使其成為虛擬現(xiàn)實(shí)描述語(yǔ)言，其中包括交互和對(duì)象行為以及對(duì)媒體的規(guī)范，其中最主要的變化體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)類型的擴(kuò)充上。VRML2.0是基于節(jié)點(diǎn)的建模語(yǔ)言，共有54種標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)類型，按功能分成9類。VRML2.0的特點(diǎn)增強(qiáng)的三維建模能力聲音和動(dòng)畫(huà)交互式能力編程能力10.8.3VRML2.0簡(jiǎn)介支持VRML世界交互行為的三種設(shè)計(jì)模型擴(kuò)展VRML語(yǔ)言規(guī)范，加入新的代碼和關(guān)鍵字，使之能很容易地結(jié)合到擴(kuò)展的、開(kāi)放的VRML語(yǔ)言規(guī)范中去。提供與場(chǎng)景的接口并實(shí)現(xiàn)外部腳本描述的行為。在景象行為語(yǔ)言中嵌入VRML景象描述。擴(kuò)展到多用戶世界需要解決的問(wèn)題可縮放性持久性鎖定同步行為協(xié)議代理10.8.4VRML世界的瀏覽和發(fā)布支持VRML的瀏覽器MicrosoftVRML2.0ViewerCosmo播放器其他的VRML播放器VRML世界大多以.wrl為擴(kuò)展名文件進(jìn)行發(fā)布的。為了讓瀏覽器知道.wrl文件內(nèi)保存的是何種類型的VRML，.wrl文件必須在頂部包含單獨(dú)的一行設(shè)置信息，除此之外，還包括一個(gè)三維世界的描述。

10.8.5建模軟件和創(chuàng)作工具三維建模軟件和動(dòng)畫(huà)應(yīng)用軟件Alias|WavefrontAnimator、3Dstudio、Maya、LightWave等VRML文件轉(zhuǎn)換器VRML創(chuàng)作工具10.8.6開(kāi)辟一個(gè)虛擬世界基本框架設(shè)計(jì)構(gòu)建物體并組成世界添加動(dòng)畫(huà)和腳本修改和測(cè)試10.9使用VRML2.0構(gòu)造虛擬世界VrmlPad簡(jiǎn)介使用VRML2.0利用節(jié)點(diǎn)構(gòu)建靜態(tài)形體讓形體具有交互的能力檢測(cè)器(Sensor)節(jié)點(diǎn)觀察點(diǎn)(Viewpoint)節(jié)點(diǎn)事件路由傳遞機(jī)制使用腳本節(jié)點(diǎn)定義行為場(chǎng)景中動(dòng)畫(huà)的實(shí)現(xiàn)使用接觸檢測(cè)器，結(jié)合腳本節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)使用時(shí)間檢測(cè)器，結(jié)合腳本節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)使用插補(bǔ)器，結(jié)合時(shí)間檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)10.10本

章

小

結(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類與組成虛擬現(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)用及長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML介紹VRML2.0的使用附錄#VRMLV2.0utf8

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