虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)與VRML基礎(chǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)與VRML基礎(chǔ)講課教師：趙應(yīng)丁:zhaoyingding@163.com明德廷：jxau_mdt@163.com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基礎(chǔ)第1頁(yè)<<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/10/22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基礎(chǔ)第2頁(yè)<<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交互功效14.VRML腳本設(shè)計(jì)15.VRML其它節(jié)點(diǎn)16.原型及其應(yīng)用17.綜合舉例之一18.綜合舉例之二/10/23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基礎(chǔ)第3頁(yè)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/10/24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基礎(chǔ)第4頁(yè)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)/10/25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基礎(chǔ)第5頁(yè)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)是二十一世紀(jì)三大最具發(fā)展?jié)摿τ?jì)算機(jī)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality,VR)是由美國(guó)VPL企業(yè)JaronLanier在1989年創(chuàng)造一個(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)造出用以體驗(yàn)或感知虛擬境界一種計(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實(shí)時(shí)反饋。/10/26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基礎(chǔ)第6頁(yè)1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))世界上首個(gè)含有虛擬現(xiàn)實(shí)思想裝置是由MortonHeilig在1962年研制成功，它是一個(gè)被稱之為Sensorma含有各種感官刺激全景式立體電影設(shè)備。該設(shè)備主要由三維視頻組成，并含有立體聲功效，能產(chǎn)生不一樣氣味，能產(chǎn)生自然風(fēng)吹拂，座椅還能夠隨劇情改變而振動(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(lái)。1965年，IvanSutherland博士發(fā)表”TheUltimateDisplay”一文，提出了一個(gè)全新圖形顯示技術(shù)。觀察者能夠自然地轉(zhuǎn)動(dòng)頭部和身體即可改變視點(diǎn)，所看到場(chǎng)景即計(jì)算機(jī)生成虛擬境界也將實(shí)時(shí)地發(fā)生改變；觀察者還能夠以自然方式直接與虛擬境界中對(duì)象進(jìn)行交互操作。/10/27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基礎(chǔ)第7頁(yè)1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))虛擬現(xiàn)實(shí)能夠概括為3個(gè)方面：真實(shí)性、沉醉性和交互性。真實(shí)性是指由計(jì)算機(jī)生成看起來(lái)像真、聽起來(lái)像真、觸摸起來(lái)像真虛擬境界，該境界同時(shí)還能夠向介入者提供視覺、聽覺、觸覺等各種人類含有感官刺激。沉醉性是指計(jì)算機(jī)控制下虛擬境界應(yīng)給人一個(gè)身臨其境沉醉感。交互性是指人能以純自然方式與虛擬境界中對(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)所需要各種軟、硬件技術(shù)被定義為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。/10/28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基礎(chǔ)第8頁(yè)1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))理論上，能夠?qū)⑻摂M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，給人各種感官刺激虛擬境界(VirtualEnvironment，VE，虛擬環(huán)境)/10/29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基礎(chǔ)第9頁(yè)1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))(1)各種感官刺激感官刺激說(shuō)明裝置視覺感知可見光聽覺感知聲波嗅覺感知空氣中化學(xué)成份味覺感知液體中化學(xué)成份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/10/210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基礎(chǔ)第10頁(yè)1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))(2)虛擬現(xiàn)實(shí)本質(zhì)上是一個(gè)人機(jī)交互系統(tǒng)，而且是一個(gè)高級(jí)人機(jī)交互系統(tǒng)。定義沒有尤其強(qiáng)調(diào)沉醉感，隱含表明虛擬現(xiàn)實(shí)可分為”沉醉式”和”非沉醉式”兩種。算法結(jié)構(gòu)清楚，層次分明，便于算法正確性證實(shí)和復(fù)雜性分析。/10/211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基礎(chǔ)第11頁(yè)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VIEW系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代開始，VR研究熱潮開始向民用高科技轉(zhuǎn)移。數(shù)據(jù)手套(DataGloves)EyePhones代90年代中期，標(biāo)準(zhǔn)化虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML為在Internet上構(gòu)建可共享、可交換WWW虛擬環(huán)境奠定了良好基礎(chǔ)。/10/212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基礎(chǔ)第12頁(yè)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)含有強(qiáng)大生命力網(wǎng)絡(luò)通用語(yǔ)言規(guī)范，它本身所含有良好數(shù)據(jù)存放格式?？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)，決定了其卓越性能表現(xiàn)，使其成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)通用語(yǔ)言。當(dāng)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)，深入還要發(fā)展到支持協(xié)同工作分布式虛擬現(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)同操作等為目標(biāo)協(xié)同感知領(lǐng)域。/10/213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基礎(chǔ)第13頁(yè)1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))存在問題視覺真實(shí)感知和實(shí)時(shí)化問題聽覺感知問題交互性問題/10/214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基礎(chǔ)第14頁(yè)1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(續(xù))虛擬現(xiàn)實(shí)價(jià)值沉醉性體驗(yàn)意味著體驗(yàn)，那么體驗(yàn)?zāi)繕?biāo)終將落實(shí)于對(duì)環(huán)境操作和改造。虛擬現(xiàn)實(shí)中人與虛擬環(huán)境交互，本質(zhì)上意味著它不是預(yù)成而是生成、不是因循而是創(chuàng)新，空間想象力所要表示正是虛擬現(xiàn)實(shí)這一秉性。/10/215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基礎(chǔ)第15頁(yè)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)得真實(shí)世界時(shí)間和空間概念以及沉醉在虛擬境界中人所感知時(shí)間和空間概念。對(duì)準(zhǔn)(Aligned)有偏移(Displaced)經(jīng)縮放(Scaled)/10/216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基礎(chǔ)第16頁(yè)2.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類(續(xù))按傳感器與人感官分類視覺聽覺觸覺前庭器官嗅覺或味覺/10/217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基礎(chǔ)第17頁(yè)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)生成虛擬境界被人所感知時(shí)與人所處真實(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)即稱為沉醉式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。融合是指計(jì)算機(jī)生成虛擬境界能夠疊加在人所能感知真實(shí)世界之上，即虛擬境界直接與人看到真實(shí)世界疊加在一起，該類系統(tǒng)近年來(lái)被稱之為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。/10/218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基礎(chǔ)第18頁(yè)3.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件組成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)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)備能夠是一臺(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)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)硬件圖形處理性能要求較高。/10/219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基礎(chǔ)第19頁(yè)3.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件組成(續(xù))虛擬境界生成設(shè)備主要功效以下：(1)視覺通道信號(hào)生成與顯示。(2)聽覺通道信號(hào)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，包含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。/10/220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基礎(chǔ)第20頁(yè)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。/10/221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基礎(chǔ)第21頁(yè)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)用戶位置和朝向裝置，用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中基于自然方式人機(jī)交互操作。跟蹤設(shè)備普通都由一個(gè)或多個(gè)信號(hào)發(fā)射器以及多個(gè)接收器組成。/10/222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基礎(chǔ)第22頁(yè)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)所使用交互設(shè)備應(yīng)用手勢(shì)、體勢(shì)、眼勢(shì)以及自然語(yǔ)言人機(jī)交互設(shè)備，常見有數(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。/10/223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基礎(chǔ)第23頁(yè)4.虛擬現(xiàn)實(shí)研究?jī)?nèi)容虛擬現(xiàn)實(shí)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)研究基于圖像建模和渲染碰撞技術(shù)基于Internet研究聲音技術(shù)。/10/224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基礎(chǔ)第24頁(yè)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。/10/225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基礎(chǔ)第25頁(yè)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)生一個(gè)新興研究方向。虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)沉醉感，要求使人感覺與其所處環(huán)境完全隔離。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)作為對(duì)真實(shí)世界一個(gè)補(bǔ)充和增強(qiáng)，豐富了用戶對(duì)真實(shí)世界感知和人機(jī)交互。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)含有以下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。含有實(shí)時(shí)人機(jī)交互功效。增強(qiáng)特征適合用于全部感知通道，不但有景象，還應(yīng)包含聲音等；也能夠使用增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)削。/10/226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基礎(chǔ)第26頁(yè)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)結(jié)構(gòu)一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵是怎樣將真實(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)技術(shù)和基于視頻技術(shù)。基于光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬融合基本原理是經(jīng)過半透明、半反射光學(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)融合基本原理是經(jīng)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(lái)。基于光學(xué)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(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)?；谝曨l封閉式HMD實(shí)現(xiàn)方法是把一個(gè)封閉視頻頭盔同1-2個(gè)視頻攝象機(jī)結(jié)合在一起。/10/227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基礎(chǔ)第27頁(yè)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(wú)眼睛位置偏移。/10/228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基礎(chǔ)第28頁(yè)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)主要優(yōu)點(diǎn)有：融合靈活。圖像延時(shí)匹配很好?；兛善ヅ?。亮度匹配輕易。/10/229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基礎(chǔ)第29頁(yè)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)。/10/230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基礎(chǔ)第30頁(yè)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。/10/231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基礎(chǔ)第31頁(yè)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)算技術(shù)相結(jié)