生成虛擬現(xiàn)實(shí)需要解決以下三個(gè)主要問題課件

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)介紹——喬洪志虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)介紹1.引言1.虛擬現(xiàn)實(shí)的定義2.舉例說明應(yīng)用3.虛擬人5.主要技術(shù)和設(shè)備VR系統(tǒng)制作6.將來發(fā)展展望虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

我們先來看一個(gè)例子，這是日本松下公司用來招攬買主的“廚房世界”。你只要戴上特殊的頭盔和一只銀色的手套，就可以去“漫游”廚房世界了。你伸手去開門，門隨手而開，廚房內(nèi)的所有設(shè)備就會映人你的眼簾。你可以用手打開柜櫥的門和抽屜，查看里面的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，可從碗架上拿下盤子看看，也可以打開水龍頭，立即看見水流出來，聽見流水聲，還可查看水池下面的排水是否流暢，也可查看照明是否亮堂，試試通風(fēng)排氣是否正常……。可是當(dāng)你拿下頭盔，摘下手套時(shí)，這一切又都消失了。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)杭州大學(xué)開發(fā)了虛擬故官游玩系統(tǒng)。只要你戴上特制的頭盔，騎上不動的自行車，你從頭盔顯示器里就看見了形象逼真的天安門城樓。你登上自行車的腳踏板，你就會感到自己騎車來到了午門前的大道上，飛快地穿過午門，越過金水橋、越過太和門，來到太和殿廣場。由于你的自行車太快，一下子破墻而入，到了太和殿。金鑾殿內(nèi)盤龍的柱子，莊嚴(yán)的殿堂和真實(shí)的景像完全一樣，你又騎車來到了御花園、綠樹、紅亭、碧池令你陶醉，好像身臨其境。但是，當(dāng)你摘下頭盔時(shí)，仍然是騎在自行車上，一步也沒有動。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)的定義虛擬與現(xiàn)實(shí)兩詞具有相互矛盾的含義，把這兩個(gè)詞放在一起，似乎沒有意義，但是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展卻賦予了它新的含義。虛擬現(xiàn)實(shí)的明確定義不太好說，按最早提出虛擬現(xiàn)實(shí)概念的學(xué)者J.Laniar的說法，虛擬現(xiàn)實(shí)，又稱假想現(xiàn)實(shí)，意味著“用電子計(jì)算機(jī)合成的人工世界”。這個(gè)領(lǐng)域與計(jì)算機(jī)有著不可分離的密切關(guān)系，信息科學(xué)是合成虛擬現(xiàn)實(shí)的基本前提。

生成虛擬現(xiàn)實(shí)需要解決以下三個(gè)主要問題：

①以假亂真的存在技術(shù)。即，怎樣合成對觀察者的感官器官來說與實(shí)際存在相一致的輸入信息，也就是如何可以產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)環(huán)境一樣的視覺，觸覺，嗅覺等。（浸沒性）②相互作用。觀察者怎樣積極和能動地操作虛擬現(xiàn)實(shí)，以實(shí)現(xiàn)不同的視點(diǎn)景象和更高層次的感覺信息。實(shí)際上也就是怎么可以看得更像，聽得更真等等。（交互性）

③自律性現(xiàn)實(shí)。感覺者如何在不意識到自己動作、行為的條件下得到栩栩如生的現(xiàn)實(shí)感。（思想性）

虛擬現(xiàn)實(shí)的定義

為了成功地開發(fā)這三大技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)必須處理好如下圖所示的各個(gè)要素之間的相互關(guān)系。在這里，觀察者、傳感器、計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)相互作用的閉環(huán)流程。

數(shù)字城市

（總面積40平方公里，500萬個(gè)面，332兆貼圖，鳥瞰瀏覽速率不低于15ftp,多媒體數(shù)據(jù)庫，運(yùn)行環(huán)境微機(jī)win2000)數(shù)字城市數(shù)字城市

埃及新建國家博物館在新聞發(fā)布會上，埃及政府宣稱：“大埃及博物館將充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從而使它成為第一個(gè)全球第一個(gè)大規(guī)模運(yùn)用信息技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)博物館

虛擬人“數(shù)字化虛擬人”研究是一項(xiàng)信息醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科相互交叉、綜合發(fā)展起來的前沿性交叉學(xué)科，對人類科技發(fā)展和社會進(jìn)步有深遠(yuǎn)意義?！皵?shù)字化虛擬人”由美國科學(xué)家于20世紀(jì)末提出，并率先進(jìn)行研究。此后，世界許多國家都予以高度重視，特別是西方發(fā)達(dá)國家一直積極醞釀，或啟動專項(xiàng)研究計(jì)劃。

“數(shù)字化虛擬人”包括“虛擬可視人”、“虛擬物理人”和“虛擬生物人”三個(gè)階段。具有幾何圖型有視覺效果為“虛擬可視人”也稱“虛擬解剖人”；附加物理化學(xué)信息的為“虛擬物理人”；而附加人體各種生物信息的，則為“虛擬生物人”。目前，一些發(fā)達(dá)國家僅初步達(dá)到了“虛擬可視人”階段，即獲取了“虛擬可視人”幾何圖像信息。而對“虛擬物理人”和“虛擬生物人”的研究和探討，僅限于局部器官。虛擬人的用處一、醫(yī)學(xué)參考：有利于培養(yǎng)優(yōu)秀外科醫(yī)生。以往要想成為一個(gè)手到病除、技藝高超的外科醫(yī)生，都要通過師傅帶徒弟式的反復(fù)實(shí)踐，在病人身上練習(xí)操作技術(shù)，現(xiàn)在有了虛擬人，就可以在電腦操縱的虛擬人體模型上培訓(xùn)外科醫(yī)生。在動手術(shù)之前，也可以先在虛擬人的身上開刀，電腦上會顯示刀口斷層及組織斷面，為醫(yī)生制訂術(shù)前計(jì)劃提供科學(xué)參考。二、制藥實(shí)驗(yàn)：有了虛擬人，醫(yī)生和制藥公司就可以先在與病人身體數(shù)據(jù)一模一樣的虛擬人身上試驗(yàn)新藥，醫(yī)生可以先將藥物影響數(shù)據(jù)輸入電腦，讓“虛擬病人”先試“吃”一下，電腦里的“虛擬病人”會顯示服藥后的生理反應(yīng)，從而協(xié)助醫(yī)生對癥下藥。這種方法可以提高用藥準(zhǔn)確性和研制新藥及新藥上市的效率。相關(guān)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在美國開展。

虛擬人的用處三、軍事應(yīng)用：虛擬人在軍事醫(yī)學(xué)上也很有價(jià)值。比如，可以用虛擬人來試驗(yàn)核武器、化學(xué)武器、生物武器的威力?，F(xiàn)在的核爆炸試驗(yàn)都是利用動物進(jìn)行。試驗(yàn)前在離核爆中心的不同距離放置動物，核爆后再把動物收回來檢驗(yàn)。有了虛擬人就可以直接拿她來做試驗(yàn)。四、腫瘤治療：放射治療是目前治療腫瘤疾病的一個(gè)重要手段，但由于現(xiàn)在做放射治療的醫(yī)生只能憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行輻射量的調(diào)節(jié)，病人往往擔(dān)心在此過程中受到過量的輻射?，F(xiàn)在有了虛擬人，醫(yī)生就可以先對虛擬人作放射治療，通過其身體的變化來測定實(shí)際輻射量的使用，最后再用到真正的病人身上。這樣就進(jìn)一步提高了治療的安全性。

虛擬人目前，獲取“數(shù)字化虛擬人”一般采用的是人工斷層解剖學(xué)的方法，只能經(jīng)過對正常、健康尸體的嚴(yán)格篩選，通過高精度切削，獲取解剖形態(tài)學(xué)信息，而不是一般人認(rèn)為的X光斷層掃描所得的影像學(xué)信息。先要選取一具尸體，將人體切成非常薄的片，每切一次片，都會利用數(shù)碼相機(jī)和掃描儀對已切片的切面進(jìn)行拍照、分析，之后將數(shù)據(jù)輸入電腦，最后由電腦合成三維的立體人類生理結(jié)構(gòu)?！爸袊摂M人Ⅰ號”是國家“863計(jì)劃”項(xiàng)目之一，由中國科學(xué)院、首都醫(yī)科大學(xué)、華中科技大學(xué)和解放軍第一軍醫(yī)大學(xué)協(xié)作攻關(guān)。虛擬人“中國虛擬人Ⅰ號”為男性，是專家精心選取的一個(gè)最具有代表性的中國人，高1.66米，28歲，漢族，祖籍湖南，體重58公斤，去年4月死亡，自愿捐獻(xiàn)尸體。由于切片厚度僅有0.1毫米，估計(jì)需要將整個(gè)人切成1.6萬多片。據(jù)鐘世鎮(zhèn)院士介紹：中國是世界上第三個(gè)用人體切片合成虛擬人的國家，目前美國的虛擬人切片是0.33毫米厚，韓國的是0.2毫米厚，所以“中國虛擬人Ⅰ號”的逼真度最高。另外，“中國虛擬人Ⅰ號”還首次將切片者的靜脈和動脈血管區(qū)分開。虛擬人中國首例女性虛擬人數(shù)據(jù)集于2003年2月18日17時(shí)18分在廣州第一軍醫(yī)大學(xué)構(gòu)建成功。這標(biāo)志著我國在完成數(shù)字化虛擬人體若干關(guān)鍵技術(shù)之后，建立了有知識產(chǎn)權(quán)的中國虛擬人數(shù)字平臺，為開發(fā)各種用途的軟件和參與國際合作與競爭搶占了應(yīng)有的地位。“中國虛擬人2號”為女性，是我國首個(gè)女虛擬人。據(jù)介紹，該虛擬人的數(shù)據(jù)采集者年齡為19歲，身高1.56米，是廣西人，去年在廣東因食物中毒而急性死亡。鐘院士認(rèn)為雖然她不是一個(gè)健康人，但由于是急性死亡，骨骼身體結(jié)構(gòu)保持完好，加上年紀(jì)很輕，是一個(gè)條件很不錯(cuò)的標(biāo)本。切片斷面僅0.2毫米，共切片8556片。虛擬人虛擬人3D掃描儀當(dāng)你需要一個(gè)快速又簡便的方法創(chuàng)作三維圖像時(shí)，POLHEMUS公司出品的FastSCAN實(shí)時(shí)三維手持激光掃描儀可以幫你實(shí)現(xiàn)夢想！虛擬味覺自動檢測用戶的精神壓力并產(chǎn)生香味的產(chǎn)品，由監(jiān)視精神壓力的專用鼠標(biāo)和噴射香味成分的噴霧器組成。虛擬觸覺與畫面顯示相結(jié)合再現(xiàn)觸覺的皮膚感覺顯示器，利用貼在監(jiān)視器上的薄型電極與卷到手指上的薄膜間產(chǎn)生的靜電力，就能再現(xiàn)出物體表面的凹凸感。由東京大學(xué)開發(fā)。虛擬性一些電腦制造商宣稱：現(xiàn)在已經(jīng)可以用電腦創(chuàng)造出一個(gè)視覺上和聽覺上的性的"虛擬現(xiàn)實(shí)"，就是利用多媒體技術(shù)，不僅使人看到和聽到栩栩如生的性生活場面，而且可以由觀聽者自己來指揮屏幕上的"性演員"，你讓她/他怎樣，她/他就會怎樣，即所謂"互動表演"（interactiveshow）。這會使人一如身臨其境。如果再給人穿上特制的緊身衣，通過它，使電流適當(dāng)?shù)卮碳さ饺梭w表面的大約100萬個(gè)感覺神經(jīng)的神經(jīng)元；那么，人就會產(chǎn)生相應(yīng)的觸覺。在這樣一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)里，人不僅會如入其境，而且會更加美不勝收。這是因?yàn)?，多媒體表演以及電流的適當(dāng)刺激，在強(qiáng)度上、可調(diào)節(jié)度上和持續(xù)時(shí)間上，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過真人。數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套該數(shù)據(jù)手套共有18個(gè)傳感器，分別完成手指關(guān)節(jié)彎曲角度和手指開合程度的測量。當(dāng)用戶戴上數(shù)據(jù)手套時(shí)，計(jì)算機(jī)通過A/D采樣板和信號轉(zhuǎn)換電路對各個(gè)傳感器進(jìn)行采樣，即可將用戶手的姿態(tài)和動作信息傳遞給計(jì)算機(jī)，從而達(dá)到人機(jī)交互的目的。

數(shù)據(jù)手套彎曲傳感器是一種具有很好柔性的角度傳感器（中科院自動化所專利技術(shù)），厚度僅為1mm左右，而長度和寬度則可以根據(jù)需要制作。如圖2所示。該傳感器具有輕、薄、柔性好的特點(diǎn)，與計(jì)算機(jī)采樣電路配合，可以完成對物體彎曲角度的檢測，尤其適用于人體各個(gè)關(guān)節(jié)的動態(tài)檢測。數(shù)據(jù)手套手指力覺反饋裝置是一種可以產(chǎn)生真實(shí)的接觸和受力感覺的裝置（專利技術(shù)）。如圖3所示。該裝置具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，可產(chǎn)生較大的驅(qū)動力的特點(diǎn)。它可以被安裝在用戶的手指或其它部位，利用安裝在接觸觸頭上的力傳感器對作用力進(jìn)行反饋控制，保證用戶得到真實(shí)的力覺反饋。將多個(gè)力反饋單元安裝在同一個(gè)手指上，可以構(gòu)成具有力反饋功能的“力覺反饋數(shù)據(jù)手套”。

數(shù)據(jù)手套力覺反饋數(shù)據(jù)手套結(jié)構(gòu)示意圖3D眼鏡

3D眼鏡肉眼所看到的景像是一種具有層次、深度的立體影像。一般我們所謂3D游戲，實(shí)際上并非真正的3D；顯示卡雖以x、y、z軸來處理資料，然而輸出至屏幕時(shí)仍須再次轉(zhuǎn)換成2D，因?yàn)槠聊幌忍旒词?D，所以我們稱呼這種3D為「平面3D」。讓我們先做個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)，首先伸出您的一根手指頭，并凝視這根手指，然后閉上右眼、張開左眼；再來張開右眼、閉上左眼，仔細(xì)觀察左、右眼所見是否有些不同？這個(gè)不同即為「視差(parallax)」。立體3D的技術(shù)即是要將這個(gè)「視差」持續(xù)在屏幕上表現(xiàn)出來。因此為使觀賞者得以觀看真正立體，每個(gè)眼睛所看到景物必須與另一眼稍有不同。事實(shí)上，在真實(shí)生活里左、右眼所看到的景物即有些不同，而這理論即被應(yīng)用在立體3D科技之中。

3D眼鏡液晶立體眼鏡(LiquidCrystalShutterGlasses)技術(shù)可以讓這個(gè)「視差」持續(xù)在屏幕上表現(xiàn)出來。藉由控制IC送出立體訊號(左眼->右眼->左眼->右眼->依序連續(xù)互相交替重復(fù))至屏幕，并同時(shí)送出同步訊號至液晶眼鏡使其同步切換左、右眼影像，換句話說，左眼看到左眼該看到的景像，右眼看到右眼該看到的景像。液晶立體眼鏡為一穿透液晶鏡片，藉由電路對液晶眼鏡開、閉的控制(開：眼鏡鏡片全黑以便遮住一眼影像；閉：眼鏡鏡片為透明以便另一眼看到另一眼該看到的影像)，液晶眼鏡即可模仿真實(shí)的狀況，使左、右眼畫面連續(xù)互相交替呈現(xiàn)在屏幕上，并同步配合液晶眼鏡，使眼睛看到正確畫面--左眼看到左眼、右眼看到右眼該看的影像，加上人眼的視覺暫留生理特性，如此就能看到真正立體3D影像。3D眼鏡用來將左、右眼影像表現(xiàn)在屏幕上的硬件格式有四種：交錯(cuò)式(Interlacing)、畫面交換(PageFlipping)、同步倍頻(SyncDoubling)、線遮蔽(lineblanking)，理論上以上四種格式都可以應(yīng)用在立體3D游戲，但實(shí)際上僅有畫面交換與同步倍頻廣泛應(yīng)用于立體3D游戲。畫面交換(PageFlipping)：畫面交換系由一特殊程序改變顯示卡工作原理，使新的工作原理可以用來表現(xiàn)立體3D，因?yàn)槊恳伙@示卡芯片有其自己獨(dú)特的工作原理，所以若要使用畫面交換，那么必須針對各個(gè)顯示芯片發(fā)展獨(dú)特的立體驅(qū)動程序以驅(qū)動3D硬件線路，因此畫面交換僅限于某些特定顯示卡芯片(以目前而言，多用于nVidiaVGAchip)。同步倍頻(Sync-Doubling)：同步倍頻與畫面交換不同，它是用硬件線路而非軟件去產(chǎn)生立體訊號，所以無需任何驅(qū)動程序來驅(qū)動3D硬件線路，因此任一3D加速顯示卡芯片皆可支持。3D眼鏡3D眼鏡夏普發(fā)布了首款同時(shí)支持2D/3D顯示的筆記本電腦，該筆記本能夠在沒有3D眼鏡的情況下生成3D圖象。該產(chǎn)品屬于Mebius系列，型號為PC-RD3D。將在10月27日上市，價(jià)格為2995