第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論

1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論人海量信息虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)客觀世界11.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)根本概念虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：是指采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為中心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)等一體化的虛擬環(huán)境，用戶(hù)借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬世界中的物體進(jìn)展交互，相互影響，從而產(chǎn)生親臨真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。21.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)根本概念虛擬現(xiàn)真實(shí)人機(jī)交互方面有了很大的改良：人機(jī)接口方式的改動(dòng)〔常規(guī)接口設(shè)備->公用設(shè)備〕人機(jī)接口內(nèi)容的改動(dòng)〔圖形圖像聲音等->環(huán)境〕人機(jī)接口效果的改動(dòng)〔基于特殊設(shè)備得到逼真感知效果〕31.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)根本概念虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開(kāi)展1962年，美國(guó)電影攝影師MortonHeilig研制出一套稱(chēng)為Sensorama的立體電影系統(tǒng)，具有多種感官刺激的立體顯示設(shè)備。1965年，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的奠基者美國(guó)科學(xué)家IvanSurtherland博士在一篇名為“TheUltimateDisplay〞的論文中初次提出了一種全新的、富有挑戰(zhàn)性的圖形顯示技術(shù)，即能否不經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕來(lái)觀看計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界，而是使察看者直接沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界中。這一實(shí)際后來(lái)被以為在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中起著里程碑的作用，我們稱(chēng)之為“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)〞之父。1968年，IvanSurtherland研制出了第一個(gè)頭盔式顯示器。20世紀(jì)八十年代，美國(guó)人JaronLanier正式提出了“VirtualReality〞一詞。41.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)根本概念1984年，美國(guó)宇航局〔NASA〕組織開(kāi)發(fā)了用于火星探測(cè)的虛擬世界視覺(jué)顯示器，將火星探測(cè)器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，為地面研討人員構(gòu)造了火星外表的三維虛擬世界。1993年，波音公司在一個(gè)由數(shù)百臺(tái)任務(wù)站組成的虛擬世界中，用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)出由300萬(wàn)個(gè)零件組成的波音777飛機(jī)。1996年10月，世界第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)博覽會(huì)在倫敦開(kāi)幕。1996年12月，世界第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)球網(wǎng)在英國(guó)投入運(yùn)轉(zhuǎn)?！?1.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)根本概念虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成COMPUTER計(jì)算機(jī)SOFTWARESYSTEM運(yùn)用軟件系統(tǒng)DATABASE數(shù)據(jù)庫(kù)USER用戶(hù)I/ODEVICES輸入輸出設(shè)備61.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)根本概念〔1〕計(jì)算機(jī)：擔(dān)任虛擬世界的生成、人與虛擬世界的自然交互等功能的實(shí)現(xiàn)。通?？煞譃榛诟咝阅軅€(gè)人計(jì)算機(jī)、基于高性能圖形任務(wù)站、高度并行的計(jì)算機(jī)及基于分布式構(gòu)造計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。71.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)根本概念〔2〕輸入與輸出設(shè)備：用戶(hù)與虛擬世界之間要實(shí)現(xiàn)自然的交互，必需采用特殊的輸入與輸出設(shè)備，用以識(shí)別用戶(hù)各種方式的輸入，并實(shí)時(shí)生成相應(yīng)反響信息。常用的設(shè)備有用于手勢(shì)輸入的數(shù)據(jù)手套、用于語(yǔ)音交互的三維聲音系統(tǒng)等。89高性能圖形計(jì)算機(jī)環(huán)形屏幕頭盔眼鏡三維顯示器三維鼠標(biāo)手套101.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)根本概念〔3〕虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)用軟件：運(yùn)用軟件完成的功能有：虛擬世界中物體的幾何模型、物理模型、運(yùn)動(dòng)模型的建立；三維虛擬立體聲的生成；模型管理技術(shù)及實(shí)時(shí)顯示技術(shù)、虛擬世界數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與管理等?！?〕數(shù)據(jù)庫(kù)：存放整個(gè)虛擬世界中一切物體的各方面信息。111.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)根本概念基于頭盔式顯示器的典型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)、頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、力反響安裝、話筒、耳機(jī)等設(shè)備組成。首先由計(jì)算機(jī)生成一個(gè)虛擬世界，由頭盔式顯示器輸出一個(gè)立體的顯示，用戶(hù)可以采用頭的轉(zhuǎn)動(dòng)、手的挪動(dòng)、語(yǔ)音等與虛擬世界進(jìn)展自然交互，計(jì)算機(jī)可以根據(jù)用戶(hù)輸入的各種信息實(shí)時(shí)進(jìn)展計(jì)算，即對(duì)交互行為進(jìn)展反響，由頭盔顯示器更新相應(yīng)的場(chǎng)景顯示，由耳機(jī)輸出虛擬立體聲音，由力反響安裝產(chǎn)生觸覺(jué)〔力覺(jué)〕反響。121.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征3I交互性Interactivity想象性Imagination沉浸性Immersion美國(guó)科學(xué)家BurdeaG.和PhilippeCoiffet在1993年世界電子年會(huì)上發(fā)表了一篇題為“VirtualRealitySystemandApplication〞的文章，提出了“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三角形〞，表示出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三個(gè)突出特征：沉浸性、交互性、想象性。131.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征〔1〕沉浸性：指用戶(hù)覺(jué)得到好似完全置身于虛擬世界之中一樣，被虛擬世界所包圍。包括視覺(jué)沉浸、聽(tīng)覺(jué)沉浸、觸覺(jué)沉浸、嗅覺(jué)沉浸、身體覺(jué)得沉浸、味覺(jué)沉浸等。〔2〕交互性：虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)人與在虛擬世界之間以自然的方式進(jìn)展交互，實(shí)時(shí)產(chǎn)生在真實(shí)世界中一樣的感知?！?〕想象性：虛擬的環(huán)境是人想象出來(lái)的，同時(shí)表達(dá)出設(shè)計(jì)者相應(yīng)的思想，因此可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的目的。141.3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類(lèi)〔1〕沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)〔ImmersiveVR〕：提供一個(gè)完全沉浸的體驗(yàn)，運(yùn)用戶(hù)有一種仿佛置身于真實(shí)世界之中的覺(jué)得，具有以下五個(gè)特點(diǎn)：具有高度實(shí)時(shí)性能具有高度的沉浸感具有良好的系統(tǒng)集成度與整合性能具有良好的開(kāi)放性能支持多種輸入與輸出設(shè)備并行任務(wù)常見(jiàn)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)151.3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類(lèi)〔2〕桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)〔DesktopVR〕：也稱(chēng)窗口虛擬現(xiàn)實(shí)，利用個(gè)人計(jì)算機(jī)或初級(jí)圖形任務(wù)站，以計(jì)算機(jī)屏幕作為用戶(hù)察看虛擬世界的一個(gè)窗口，采用立體圖形、自然交互等技術(shù)，產(chǎn)生三維立體空間的交互場(chǎng)景，經(jīng)過(guò)包括鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和力矩球等各種輸入設(shè)備支配虛擬世界，實(shí)現(xiàn)與虛擬世界的交互。其特點(diǎn)為：用戶(hù)處于不完全沉浸的環(huán)境對(duì)硬件設(shè)備要求極低實(shí)現(xiàn)本錢(qián)相對(duì)較低161.3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類(lèi)〔3〕加強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)〔AggrandizeVR〕：既可以允許用戶(hù)看到真實(shí)世界，同時(shí)也可以看到疊加在真實(shí)世界上的虛擬對(duì)象。是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境組合在一同的一種系統(tǒng)，既可減少構(gòu)成復(fù)雜真實(shí)環(huán)境的計(jì)算，又可對(duì)實(shí)踐物體進(jìn)展操作，真正到達(dá)了亦真亦幻的境界。其特點(diǎn)為：真實(shí)世界和虛擬世界融為一體具有實(shí)時(shí)人機(jī)交互功能真實(shí)世界和虛擬世界在三維空間中整合常用于醫(yī)學(xué)可視化、軍用飛機(jī)導(dǎo)航等領(lǐng)域。171.3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類(lèi)〔4〕分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)〔DistributedVR〕：是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)展和結(jié)合的產(chǎn)物，是一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)的虛擬世界中，位于不同物理位置的多個(gè)用戶(hù)或多個(gè)虛擬世界經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合共享信息的系統(tǒng)。其特點(diǎn)為：各用戶(hù)具有共享的虛擬任務(wù)空間偽實(shí)體的行為真實(shí)感支持實(shí)時(shí)交互，共享時(shí)鐘多個(gè)用戶(hù)可以各自不同的方式相互通訊資源信息共享以及允許用戶(hù)自然支配虛擬世界中的對(duì)象181.4虛擬現(xiàn)實(shí)的運(yùn)用領(lǐng)域〔1〕用于遙控機(jī)器人的遙現(xiàn)技術(shù)：遙現(xiàn)技術(shù)是指當(dāng)實(shí)踐上在某一個(gè)地方時(shí)，可以產(chǎn)生在另一個(gè)地方的覺(jué)得。例如，在宇宙空間站的開(kāi)發(fā)方案中，受各種要素的制約，機(jī)器人的遙控遙現(xiàn)技術(shù)起了至關(guān)重要的作用。〔2〕仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)生成的具有沉浸感的環(huán)境，它對(duì)參與者生成諸如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)等各種感官信息，給參與者一種身臨其境的覺(jué)得。例如：飛行仿真系統(tǒng)、與虛擬生物對(duì)話、作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)等。〔3〕對(duì)象可視化技術(shù)：在科學(xué)研討中對(duì)研討數(shù)據(jù)生成可視化效果以便察看和研討。例如：虛擬風(fēng)洞?！?〕虛擬實(shí)驗(yàn)室：在研討任務(wù)和學(xué)習(xí)過(guò)程中，總會(huì)有許多實(shí)驗(yàn)需反復(fù)進(jìn)展，以期得到不同條件下的不同結(jié)果，虛擬實(shí)驗(yàn)室能提供這樣一個(gè)平臺(tái)。例如：虛擬物理實(shí)驗(yàn)室。191.4虛擬現(xiàn)實(shí)的運(yùn)用領(lǐng)域〔5〕虛擬電力控制室：運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研制輔助設(shè)計(jì)控制室的系統(tǒng)?！?〕擴(kuò)增實(shí)境：擴(kuò)增實(shí)境是虛擬現(xiàn)實(shí)最具適用價(jià)值的運(yùn)用之一。它在真實(shí)環(huán)境的根底上把虛擬環(huán)境疊加進(jìn)去，使二者有機(jī)結(jié)合，產(chǎn)生真假難辯、亦幻亦真的覺(jué)得。例如：當(dāng)人進(jìn)入到一商店購(gòu)某物時(shí)，即可在顯示設(shè)備上顯示此物的價(jià)錢(qián)、性能及各種參數(shù)等。20虛擬現(xiàn)真實(shí)教育領(lǐng)域的詳細(xì)運(yùn)用虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境虛擬實(shí)驗(yàn)室虛擬實(shí)訓(xùn)基地虛擬仿真校園虛擬遠(yuǎn)程教育21虛擬現(xiàn)真實(shí)軍事領(lǐng)域的詳細(xì)運(yùn)用虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境單兵模擬訓(xùn)練與評(píng)判諸軍種結(jié)合虛擬演習(xí)進(jìn)展指揮員訓(xùn)練22虛擬現(xiàn)真