虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)與編程

虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)與編程第1頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日<<虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)與VRML編程>>目錄1.虛擬現(xiàn)實(shí)概論2.虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備及技術(shù)3.VRML概述與VRML文件4.VRML基本造型5.VRML空間變換6.VRML紋理映射7.VRML聲音技術(shù)8.VRML光照效果9.VRML空間效果10.VRML視點(diǎn)與導(dǎo)航第2頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/20232江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院<<虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)與VRML編程>>目錄11.VRML復(fù)雜造型12.VRML動(dòng)畫13.VRML交互功能14.VRML腳本設(shè)計(jì)15.VRML其他節(jié)點(diǎn)16.原型及其應(yīng)用17.綜合舉例之一18.綜合舉例之二第3頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/20233江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院參考資料段新，虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)與VRML編程，武漢大學(xué)出版社第4頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/20234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)第5頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/20235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)用戶視覺、聽覺、觸覺等多種感官信息的實(shí)時(shí)反饋。第6頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/20236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。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。第7頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/20237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)生成看起來像真的、聽起來像真的、觸摸起來像真的虛擬境界，該境界同時(shí)還可以向介入者提供視覺、聽覺、觸覺等多種人類具有的感官刺激。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)、鍵盤等常規(guī)設(shè)備，而要求使用手勢(shì)、體勢(shì)、人類語(yǔ)言等自然方式進(jìn)行交互操作。能夠滿足以上要求的系統(tǒng)稱之為虛擬現(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)。第8頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/20238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)第9頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/20239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明裝置視覺感知可見光聽覺感知聲波嗅覺感知空氣中的化學(xué)成分味覺感知液體中的化學(xué)成分觸覺以皮膚感知力覺以肌肉、關(guān)節(jié)和肌腱等感知身體感覺感知肢體或身軀等前庭感覺平衡感知第10頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202310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。第11頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202311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年代開始，VR的研究熱潮開始向民用高科技轉(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)。第12頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202312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)，使其成為未來網(wǎng)絡(luò)開發(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)，即由過去只支持多用戶共享，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。第13頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202313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))存在的問題視覺真實(shí)感知和實(shí)時(shí)化問題聽覺感知問題交互性問題第14頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202314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。第15頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202315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)分類按時(shí)空概念分類由傳感器測(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)第16頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202316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(續(xù))按傳感器與人的感官分類視覺聽覺觸覺前庭器官嗅覺或味覺第17頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202317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(續(xù))按隔離與融合分類隔離是指計(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，即用戶既看不到真實(shí)世界系統(tǒng)、也聽不到真實(shí)世界聲音，完全被虛擬環(huán)境所封閉，該類系統(tǒng)即稱為沉浸式虛擬現(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，該類系統(tǒng)近年來被稱之為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。第18頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202318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。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。第19頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202319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)視覺通道信號(hào)的生成與顯示。(2)聽覺通道信號(hào)的生成與展示。(3)觸覺與力覺通道信號(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)話環(huán)境。第20頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202320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)備視覺感知設(shè)備。聽覺感知設(shè)備。觸覺感知設(shè)備。第21頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202321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。第22頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202322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。第23頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202323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。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)。第24頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202324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，也稱為可視化。第25頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202325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。第26頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202326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領(lǐng)域完美融合，現(xiàn)有兩類基本技術(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。基于光學(xué)的透視式HMD實(shí)現(xiàn)方法是把光學(xué)融合器放置在用戶眼前來實(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。第27頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202327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。無眼睛位置偏移。第28頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202328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?。亮度匹配容易。第29頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202329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)性問題。系統(tǒng)可移動(dòng)性。傳感系統(tǒng)。第30頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202330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。娛樂應(yīng)用。第31頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4/24/202331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)