虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課件第一章.ppt

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),主講：楊文暉,課程的主要內(nèi)容,虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真的基本概念和術(shù)語(yǔ) 虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)方法 虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的因素，虛擬現(xiàn)實(shí)的接口設(shè)備和計(jì)算機(jī)設(shè)備 虛擬現(xiàn)實(shí)的建模技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用,相關(guān)知識(shí)背景,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)習(xí)的知識(shí)背景是什么樣的？ 計(jì)算機(jī)原理、體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、軟件工程、程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、電子學(xué)、圖形學(xué)與CAD、系統(tǒng)分析、人工智能,虛擬現(xiàn)實(shí)概述 虛擬現(xiàn)實(shí)的接口設(shè)備 虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)的建模和仿真技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用,課程目錄,學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn),虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念； 人的視覺系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)的視覺顯示技術(shù)； 各類位姿跟蹤系統(tǒng)的技術(shù)； 力覺和觸覺反饋技術(shù)；

2、 虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)； 虛擬現(xiàn)實(shí)的工具軟件系統(tǒng)； 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),第一章 虛擬現(xiàn)實(shí)概述,課前索引 第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念 第二節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的因素 章節(jié)小結(jié) 課后習(xí)題,課前索引,兩個(gè)問題 1什么是虛擬現(xiàn)實(shí)？ 2虛擬現(xiàn)實(shí)與人有什么關(guān)系,點(diǎn)擊觀看VRML演示,第一節(jié) 虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念,虛擬現(xiàn)實(shí)的概念 有關(guān)的其它概念 虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn) 虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域 虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù),1 虛擬現(xiàn)實(shí),虛擬現(xiàn)實(shí)這個(gè)概念最早是由誰(shuí)在什么時(shí)間提出的？ 1989年，美國(guó)VPL Research公司創(chuàng)始人Jaron Lanier提出了“Virtual Reality”（虛擬現(xiàn)實(shí)）的概念。 如何理解“虛擬”這個(gè)詞？

3、 “Virtual”說(shuō)明，這個(gè)世界或環(huán)境是虛擬的，不是真實(shí)的。這個(gè)世界或環(huán)境是人工構(gòu)造的，是存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的。用戶應(yīng)該能夠“進(jìn)入”這個(gè)虛擬的環(huán)境中。所謂“進(jìn)入”這個(gè)虛擬的環(huán)境中，是指用戶以自然的方式與這個(gè)環(huán)境交互 如何理解“交互”這個(gè)詞？ 包括感知環(huán)境并干預(yù)環(huán)境，從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。 虛擬現(xiàn)實(shí)或虛擬環(huán)境系統(tǒng)包括哪些？ 包括人類操作者、人機(jī)接口和計(jì)算機(jī),問題,請(qǐng)給出正確與錯(cuò)誤的判別 使用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的標(biāo)志就是使用頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套。 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用最多的專用設(shè)備是頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套。于是，有人以使用這些專用設(shè)備為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的標(biāo)志。

4、這種觀點(diǎn)是不準(zhǔn)確的。 頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備，只是當(dāng)前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的一部分虛擬顯示設(shè)備。它們還很不完善。例如，頭盔的視場(chǎng)，分辨率，造成眩暈等問題還有待解決。聽覺接口和力覺接口等設(shè)備還在研究，應(yīng)用還不多。味覺，嗅覺，運(yùn)動(dòng)覺等技術(shù)，還缺乏研究,關(guān)于虛擬仿真,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境，都是現(xiàn)實(shí)世界不存在的場(chǎng)景嗎？ 不是，可能有下列幾種情況： 第一種情況是模仿真實(shí)世界中的環(huán)境。例如，建筑物，武器系統(tǒng)，或戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。這種真實(shí)環(huán)境，可能是已經(jīng)存在的，也可能是已經(jīng)設(shè)計(jì)好但還沒有建成的。 為了逼真地模仿真實(shí)世界中的環(huán)境，要求逼真地建立幾何模型和物理模型。環(huán)境的動(dòng)態(tài)應(yīng)符合物理規(guī)律。這一類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能，

5、實(shí)際是系統(tǒng)仿真,點(diǎn)擊觀看居室環(huán)境的仿真和漫游例子,2 和虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的幾個(gè)概念,虛擬環(huán)境( Virtual Environment )系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實(shí)( Virtual Reality )系統(tǒng) 包括人類操作者、人機(jī)接口和計(jì)算機(jī) 遙操作( Teleoperator )系統(tǒng) 包括人類操作者、人機(jī)接口和遙機(jī)器人 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)( Augmented Reality )系統(tǒng) 組合了虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境 合成環(huán)境( Synthetic Environment )系統(tǒng) 是遙操作系統(tǒng)、虛擬環(huán)境系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等的總稱,關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，與用戶交互的環(huán)境實(shí)際是人工構(gòu)造的，存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的環(huán)境。這種

6、虛擬的環(huán)境，可能有幾種情況： 一種情況是真實(shí)環(huán)境的仿真。 例如，仿真真實(shí)建筑物的虛擬建筑物。這種真實(shí)建筑物可能是已經(jīng)建成的，也可能是已經(jīng)設(shè)計(jì)好但尚未建成的。 一種情況是完全虛擬的人造環(huán)境。 例如在虛擬風(fēng)洞中，借助可視化技術(shù)構(gòu)造的虛擬風(fēng)洞環(huán)境。又如在三維動(dòng)畫中，人工構(gòu)造的虛擬環(huán)境,關(guān)于遙操作系統(tǒng),為什么要針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提出這么多概念？概念之間的區(qū)別？ 這些概念之間的區(qū)別在于與用戶交互的環(huán)境不同。 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的環(huán)境是怎樣的？ 真實(shí)環(huán)境的仿真 完全虛擬的人造環(huán)境,遙操作系統(tǒng)的環(huán)境是怎樣的？ 對(duì)于遙操作系統(tǒng)，與用戶交互的環(huán)境實(shí)際是在遠(yuǎn)地的一個(gè)真實(shí)的環(huán)境。 用戶通過(guò)類似虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的人機(jī)接口，與遠(yuǎn)處

7、的真實(shí)環(huán)境交互。也就是看到真實(shí)環(huán)境的場(chǎng)景，聽到真實(shí)環(huán)境的聲音，感到與環(huán)境中物體的接觸。 遙操作系統(tǒng)實(shí)際上是高級(jí)的遙控系統(tǒng)，是采用了先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遙控系統(tǒng),3 虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn),基于虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念，可以得到虛擬現(xiàn)實(shí)的下列三個(gè)特點(diǎn)。 1人機(jī)接口的內(nèi)容 計(jì)算機(jī)提供“環(huán)境”, 不是“數(shù)據(jù), 信息”。這改變了人機(jī)接口的內(nèi)容。 2人機(jī)接口的形式 操作者由視覺,聽覺,力覺感知環(huán)境, 由自然的動(dòng)作操作環(huán)境, 不是由屏幕,鍵盤,鼠標(biāo)和計(jì)算機(jī)交互。這改變了人機(jī)接口的形式。 3人機(jī)接口的效果 逼真的感知和自然的動(dòng)作，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺。這改變了人機(jī)接口的效果,人機(jī)接口內(nèi)容的改變,計(jì)算機(jī)提供“環(huán)境”, 不

8、是“數(shù)據(jù), 信息”。這改變了人機(jī)接口的內(nèi)容。 虛擬現(xiàn)實(shí)的這個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新方向。 計(jì)算機(jī)的名稱體現(xiàn)了它的最早應(yīng)用是計(jì)算。當(dāng)時(shí)，計(jì)算機(jī)和用戶交互的是計(jì)算有關(guān)的數(shù)值。 此后，計(jì)算機(jī)擴(kuò)大到處理數(shù)值，字符串，文本等各類數(shù)據(jù)。 以后，計(jì)算機(jī)更擴(kuò)大到處理圖像，圖形，聲音，語(yǔ)言等多種媒體的信息。 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)則以環(huán)境為計(jì)算機(jī)處理的對(duì)象和人機(jī)交互的內(nèi)容。這開拓了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新思路,數(shù)值-各類數(shù)據(jù)-多媒體信息-環(huán)境,人機(jī)接口的內(nèi)容的變化,人機(jī)接口的形式的改變,操作者由視覺,聽覺,力覺感知環(huán)境, 由自然的動(dòng)作操作環(huán)境, 不是由屏幕,鍵盤,鼠標(biāo)和計(jì)算機(jī)交互。這改變了人機(jī)接口的形式 這個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)人機(jī)

9、接口的新方向。 至今為止的計(jì)算機(jī)人機(jī)接口都是面向機(jī)器的。 人機(jī)接口有哪些？ 終端，鍵盤，鼠標(biāo)，打印機(jī)等接口設(shè)備，都是適應(yīng)計(jì)算機(jī)的專用設(shè)備。這些設(shè)備很好地完成了各類數(shù)據(jù)和多媒體信息的交互,虛擬現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)接口，則是面向用戶的。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶以自然的方式與虛擬環(huán)境交互。 如何理解自然的方式呢？ 所謂自然的方式，是指用戶通過(guò)視覺，聽覺，觸覺等感覺虛擬環(huán)境，使用戶產(chǎn)生在真實(shí)環(huán)境中的幻覺。同時(shí)，用戶通過(guò)在真實(shí)環(huán)境中的行為，去干預(yù)虛擬環(huán)境。于是，虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)接口設(shè)備，完全不同于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的人機(jī)接口設(shè)備。這也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最有特色的內(nèi)容,人機(jī)接口的效果的改變,逼真的感知和自然的動(dòng)作，使人產(chǎn)生身臨其

10、境的感覺。這改變了人機(jī)接口的效果 這個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)人機(jī)接口的新要求。 用戶通過(guò)人機(jī)接口與虛擬環(huán)境交互的結(jié)果，是使用戶產(chǎn)生身臨其境的虛幻感，沉浸感,虛擬現(xiàn)實(shí)的概念中有三個(gè)I： （1）Immersion(沉浸)，是指逼真的，身臨其境的感覺。 （2）Interaction(交互)，是指用戶感知與操作環(huán)境 （3）Imagination(想象)，是指創(chuàng)造性,4 虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域,1娛樂 2國(guó)防 3設(shè)計(jì)、制造和銷售 4醫(yī)療和健康 5危險(xiǎn)操作 6訓(xùn)練 7教育 8信息可視化 9遠(yuǎn)程交往與遠(yuǎn)程游歷,關(guān)于“超越時(shí)空的紫禁城,5 虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù),1VR的人機(jī)接口 2VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 3VR的建模和仿真,VR的

11、人機(jī)接口,VR的人機(jī)接口的作用是什么？ 其一是給人類操作者提供環(huán)境信息 通過(guò)什么方式提供環(huán)境信息？ 視覺、聽覺和觸覺 包括哪些通道接口？ 視覺通道、聽覺通道、觸覺通道、運(yùn)動(dòng)接口和其他接口 其二是感覺人類操作者的動(dòng)作和響應(yīng) 通過(guò)哪些方式來(lái)實(shí)現(xiàn)？ 位置跟蹤和映射，語(yǔ)音識(shí)別等,1）位置跟蹤和映射,位置跟蹤和映射”如何感覺人類操作者的動(dòng)作和相應(yīng)？ 測(cè)量人體各部位的位置和姿態(tài) 分析判斷人面部的表情 “位置跟蹤和映射”它的目的是什么？ 了解人的身體行為 這是為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互所必需的系統(tǒng)功能。VR系統(tǒng)由此了解人的行為，然后做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，實(shí)現(xiàn)交互,位置跟蹤和映射”要完成的基本目標(biāo)有哪些？ 基本目標(biāo)是精確完成

12、位置和姿態(tài)的測(cè)量。 三個(gè)主要的要求： 大范圍的線性響應(yīng) 高帶寬（1kHz） 允許頭和身體的運(yùn)動(dòng)。 “位置跟蹤和映射”常用的技術(shù)包括： 機(jī)械鏈接 磁傳感器 聲傳感器 光傳感器 慣性傳感器,2）視覺通道,視覺通道的作用是什么？ 給人的視覺系統(tǒng)提供圖形顯示。 為了提供身臨其境的逼真感覺，視覺通道應(yīng)該滿足的要求有哪些？ 顯示的像素應(yīng)該足夠小，使人不至于感覺到像素的不連續(xù) 顯示的頻率應(yīng)該足夠高，使人不至于感覺到畫面的不連續(xù) 給兩眼提供具有雙目視差的圖形，形成立體視覺。 應(yīng)該具有足夠大的視場(chǎng)，理想情況是顯示畫面充滿整個(gè)視場(chǎng),視覺通道的顯示表面目前有哪些種類？ 基于CRT 基于LCD。 視覺通道的光學(xué)系統(tǒng)有

13、哪些種類？ 頭盔顯示(HMD) 非頭盔顯示(OHD,專用頭盔圖,3） 聽覺通道,聽覺通道的作用是什么？ 給人的聽覺系統(tǒng)提供聲音顯示。 為了提供身臨其境的逼真感覺，聽覺通道應(yīng)該滿足哪些要求？ 使人感覺置身于立體的聲場(chǎng)之中 能識(shí)別聲音的類型和強(qiáng)度 能判定聲源的位置,聽覺通道的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？ 合成由接口提供的虛擬聲音信號(hào) 聲音在虛擬空間定位問題 發(fā)聲設(shè)備,4） 觸覺通道,觸覺通道的作用是什么？ 給人體表面提供觸覺和力覺。當(dāng)人體在虛擬空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果接觸到虛擬物體，虛擬顯示系統(tǒng)應(yīng)該給人提供這種觸覺和力覺。 觸覺通道涉及操作以及感覺包括哪些？ 觸覺反饋 力覺反饋。 觸覺通道的設(shè)備分類？ 安裝在身體上

14、的設(shè)備 安裝在地面的設(shè)備,5） 運(yùn)動(dòng)接口,人體在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)是如何分類的？ 身體的被動(dòng)運(yùn)動(dòng) 如在車上的運(yùn)動(dòng) 身體主動(dòng)運(yùn)動(dòng) 漫游，如散步。 人在運(yùn)動(dòng)中，人體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)感覺器官可以感知運(yùn)動(dòng)信息。感知運(yùn)動(dòng)信息的器官有哪些？ 前庭系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) 視覺聽覺系統(tǒng) 本體感受，動(dòng)覺和觸覺,運(yùn)動(dòng)接口的作用是什么？ 應(yīng)該給這些器官提供運(yùn)動(dòng)信息,6） 其它類型接口,還有那些其它類型接口？ 嗅覺、味覺通道 感覺熱、風(fēng)及濕度的接口 還包括語(yǔ)音通訊（語(yǔ)音識(shí)別與合成） 以及直接心理感覺和控制。 其他類型的接口的研究現(xiàn)狀？ 目前還缺乏研究,2VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，主要的通道是什么？ 現(xiàn)有的虛擬顯示系統(tǒng)主要考慮

15、視覺通道。 聽覺通道和觸覺通道還處于研究階段。 VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要考慮的通道是什么？ 所以，VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要考慮視覺通道的要求,VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的視覺通道,1） 視覺通道對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件的要求 首先是要求維持足夠的圖形幀速率 這要求在指定的時(shí)間內(nèi)（約為0.1秒）計(jì)算出兩眼的兩幅圖像。 同時(shí)要求提供足夠好質(zhì)量的圖像 這一般體現(xiàn)在圖像中顯示的多邊形或三角形的樹木。 因此，往往需要專用硬件。圖形硬件應(yīng)提供 快速幾何變換、截取、消隱、多邊形填充和表面紋理,2）視覺通道對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件的要求 VR系統(tǒng)中的軟件主要包括下列幾種： 交互軟件： 利用人機(jī)控制設(shè)備的輸出去修改VE。 視覺漫游軟件： 控制用

16、戶在VE中運(yùn)動(dòng)時(shí)看到的場(chǎng)景。 建模軟件： 定義虛擬物體形狀、外觀和屬性的模型。 操作系統(tǒng)支持VE的實(shí)時(shí)多模態(tài)要求,3）視覺通道對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的要求 分布式交互仿真 分布式交互仿真已經(jīng)成為現(xiàn)代仿真技術(shù)，特別是軍事仿真的潮流。 通訊網(wǎng)絡(luò)可以把VE轉(zhuǎn)換成共享的分布式計(jì)算環(huán)境,3VR的建模和仿真,1） VR的建模包括： 幾何建模和物理建模 VR的幾何建模 一般的VR工具軟件都具有幾何建模功能。 利用現(xiàn)有的CAD建模工具也是常用的方法。 市場(chǎng)上已有商業(yè)模型庫(kù)出售。 對(duì)實(shí)際物體的建模，則采用激光掃描等專用設(shè)備。 VR的物理建模 物理建模是基于物理方程的建模。 一般考慮剛體建模，鏈接物體的建模，以及非剛體

17、的建模。 智能體建模不是基于物理方程，而是基于人為的物體智能,思考題,什么是剛體？ 在任何力的作用下，體積和形狀都不發(fā)生改變的物體叫做“剛體”(Rigid body)。它是力學(xué)中的一個(gè)科學(xué)抽象概念，即理想模型。事實(shí)上任何物體受到外力，不可能不改變形狀。實(shí)際物體都不是真正的剛體。若物體本身的變化不影響整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，為使被研究的問題簡(jiǎn)化，可將該物體當(dāng)作剛體來(lái)處理而忽略物體的體積和形狀，這樣所得結(jié)果仍與實(shí)際情況相當(dāng)符合。 例如，物理天平的橫梁處于平衡狀態(tài)，橫梁在力的作用下產(chǎn)生的形變很小，各力矩的大小都幾乎不變。對(duì)于形變，實(shí)際是存在的，但可不予考慮。為此在研究天平橫梁平衡的問題時(shí)，可將橫梁當(dāng)作剛體,什

18、么是智能體？ 智能體，顧名思義：就是具有智能的實(shí)體，英文名是Agent.智能體是人工智能領(lǐng)域中一個(gè)很重要的概念。任何獨(dú)立的能夠思想并可以同環(huán)境交互的實(shí)體都可以抽象為智能體。 可以看作是能夠通過(guò)傳感器感知其環(huán)境，并借助于執(zhí)行器作用于該環(huán)境的任何事物。例如對(duì)于人Agent，其傳感器為眼睛耳朵和其他感官，其執(zhí)行器為手、腿、嘴和身體的其他部分。對(duì)于軟件Agent，則同過(guò)編碼位的字符串進(jìn)行感知和作用,3VR的建模和仿真,2）仿真 仿真包括：圖形繪制和三維動(dòng)畫。 圖形繪制 是把三維環(huán)境，相對(duì)于虛擬攝像機(jī)（虛擬視點(diǎn)）投影，形成圖像的過(guò)程。 圖形繪制要求 為了提供連續(xù)運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)覺，幀速率必須大于每秒8到10幀。

19、 為了保持瞬間交互控制的錯(cuò)覺，響應(yīng)時(shí)間的延遲必須小于0.1秒。 為了繪制人眼可分辨的所有細(xì)節(jié)，這要求有8千萬(wàn)個(gè)多邊形。 然而，用今天的硬件，每個(gè)畫面8千萬(wàn)多邊形的系統(tǒng)對(duì)真正的實(shí)時(shí)交互是太慢了，于是存在真實(shí)圖像與實(shí)時(shí)交互間的折衷。某些應(yīng)用（如建筑和藝術(shù)）可能要求照片一樣真實(shí)的繪制。制造和醫(yī)療應(yīng)用要求更高層次的實(shí)時(shí)交互,2）仿真 仿真包括：圖形繪制和三維動(dòng)畫。 三維動(dòng)畫 可以用兩種途徑實(shí)現(xiàn): 1：基于物理模型的數(shù)值計(jì)算。 屬于滿足物理規(guī)律的仿真技術(shù)，用于軍事和工業(yè)等方面。 2：數(shù)學(xué)插值。 這種技術(shù)在三維動(dòng)畫電影中獲得了巨大的成功,虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)系統(tǒng)的方塊圖,用戶通過(guò)輸入輸出設(shè)備與輸入輸出軟件交互。輸

20、入軟件通過(guò)形狀編輯器完成幾何建模，通過(guò)聲音編輯器完成虛擬聲音系統(tǒng)建模。然后，在世界編輯器完成虛擬環(huán)境的建模。其中的虛擬剪切器，用于模型的剪切。建立的模型，保存在虛擬世界中。整個(gè)工作在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中完成,第二節(jié) 虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的因素,為什么要討論人的因素？ 計(jì)算機(jī)，接口和用戶是VR系統(tǒng)中的三個(gè)組成部分。接口設(shè)計(jì)必須考慮人的因素，人的因素與VR系統(tǒng)性能直接相關(guān)。 虛擬現(xiàn)實(shí)中有關(guān)的人的因素具體有哪些方面？ 人眼 人耳 身體感覺,虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的因素-人眼,1視覺生理結(jié)構(gòu) 2立體視覺 3屈光度 4瞳孔 5分辨力 6明暗適應(yīng) 7周圍視覺和中央視覺 8視覺暫留 9視場(chǎng),1視覺生理結(jié)構(gòu) 大腦皮層（Cere

21、bral Cortex）是大腦半球的最外層，它負(fù)責(zé)各種形式的感覺。視網(wǎng)膜（Retina）是在每只眼背部的神經(jīng)細(xì)胞的多層膜，它把光轉(zhuǎn)成電信號(hào)，并通過(guò)視神經(jīng)和管道傳給大腦。下圖表示，視網(wǎng)膜的解剖圖。圖中顯示了層，管道和神經(jīng),光感受器（Photoreceptor）是每只眼睛視網(wǎng)膜中1.25億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞中的一部分，它在受到特定波長(zhǎng)的光的刺激時(shí)，會(huì)發(fā)出電信號(hào)。視網(wǎng)膜是眼的光敏層，幾百微米厚，有10層。光線通過(guò)其中8層，被另外兩層的視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞的光接收器（Photoreceptor）吸收。每只眼的視網(wǎng)膜上有1.25億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞。脊椎動(dòng)物有兩種光感受器，：視桿細(xì)胞（rods）負(fù)責(zé)低分辨率的、單色的、夜

22、間的視覺。視錐細(xì)胞（cones）負(fù)責(zé)高分辨率的、彩色的、白天的視覺。它花費(fèi)25ms把光轉(zhuǎn)成電信號(hào)，再送給大腦。 右圖表示，視網(wǎng)膜內(nèi)光感受器的解剖圖。圖中桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞在上部，通向大腦的視神經(jīng)纖維在下部,2立體視覺 視覺的另一個(gè)重要因素是立體視覺能力。提供給人類視覺的圖像，必須使人感覺是立體的。這樣，觀看者的視覺系統(tǒng)就可以計(jì)算出被看物體的遠(yuǎn)近。對(duì)同一個(gè)場(chǎng)景，兩眼得到稍有差別的視圖。左視區(qū)的信息，送到兩眼視網(wǎng)膜的右側(cè)。在視交叉處，左眼的一半神經(jīng)纖維交叉到大腦的右半球，左眼的另一半神經(jīng)纖維不交叉，直接到大腦的左半球。這樣，兩眼得到的左視區(qū)的所有信息，都送到右半球。 右圖表示，人類立體視覺的原理圖

23、。 HMD（頭盔顯示器）提供兩個(gè)顯示，不但應(yīng)保持雙目視差，而且應(yīng)該重疊。實(shí)際上,由于兩眼有6.5cm的瞳距，所以兩者視場(chǎng)總有些差別,有不重疊的區(qū)域。 對(duì)中央凹區(qū)域，深度感在150m時(shí)減弱。對(duì)周圍視覺，深度感在100m減弱。而在這個(gè)距離上，雙目視差不是最有用的，運(yùn)動(dòng)視差和透視可能更有用,3屈光度 與眼的光學(xué)部分有關(guān)的一個(gè)度量是屈光度 （dioptre）。有1個(gè)屈光度的鏡頭，可以聚焦平行光線在1米距離。人眼的聚焦能力約60屈光度，這表明聚焦平行光在17mm距離，這就是眼球尺寸，是晶狀體和視網(wǎng)膜的距離。 年青人可以連續(xù)改變14個(gè)屈光度，這稱為調(diào)節(jié)或聚焦。這保證對(duì)遠(yuǎn)近物體都能看到清晰的圖像。年長(zhǎng)后調(diào)節(jié)

24、能力減弱，50歲時(shí)調(diào)節(jié)能力2個(gè)屈光度，70歲時(shí)調(diào)節(jié)能力0個(gè)屈光度。在注視運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)屈光度。 調(diào)節(jié)作用保證某個(gè)距離的物體清晰，而其它距離物體模糊。這起了濾波器的作用，使人集中關(guān)注視場(chǎng)中部分區(qū)域。在HMD中沒有調(diào)節(jié)，2個(gè)圖像都是聚焦在2到3米距離,4瞳孔 瞳孔是晶狀體前的孔，直徑可變化，由1.5mm到8mm。面積之比1:30。瞳孔作用有三個(gè)：(a) 放大時(shí)可增加眼的敏感；(b) 縮小時(shí)可增加近視覺的視距；(c) 縮小時(shí)可限制入射光在光學(xué)效果最好的中心區(qū)。 5分辨力 分辨力是人眼區(qū)分兩個(gè)點(diǎn)的能力，限于10m距離上約1.5-2mm。例如在2m的距離觀看寬度400mm的電視。人眼區(qū)分兩個(gè)點(diǎn)的能

25、力，在2m距離上約0.4mm。則寬度400mm上應(yīng)該由1000個(gè)0.4mm大小的像素。計(jì)算機(jī)監(jiān)視器和高清晰度電視機(jī)，都達(dá)到了這樣的分辨率,6明暗適應(yīng) 眼對(duì)亮度的感覺可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，這是通過(guò)改變?cè)谝晽U和視錐細(xì)胞中光敏化合物的濃度。例如從亮處進(jìn)入暗室時(shí)的現(xiàn)象，稱為暗適應(yīng)，花費(fèi)約40分。亮適應(yīng)是從暗室進(jìn)入陽(yáng)光下時(shí)的現(xiàn)象，這種適應(yīng)的強(qiáng)度變化在25000倍。視桿細(xì)胞適應(yīng)時(shí)間約1小時(shí)，視錐細(xì)胞適應(yīng)時(shí)間約幾分鐘。 7周圍視覺和中央視覺 視網(wǎng)膜不僅是被動(dòng)的光敏表面。通過(guò)視桿和視錐細(xì)胞與神經(jīng)細(xì)胞的連接，它還有一定的圖像處理。中央凹是視網(wǎng)膜中央部分，在光軸與視網(wǎng)膜焦點(diǎn)附近，直徑約1mm，有高密度視錐細(xì)胞。中央凹區(qū)域

26、的視覺稱為中央視覺。中央視覺是高分辨率部分，有彩色的、白天的視覺。視網(wǎng)膜周圍區(qū)域包含視桿和視錐細(xì)胞。視網(wǎng)膜周圍區(qū)域的視覺稱為周圍視覺。這些神經(jīng)細(xì)胞對(duì)光強(qiáng)的變化敏感，它幫助我們注意運(yùn)動(dòng)物體。周圍視覺雖然分辨率低，是單色的、夜間的視覺，但敏感運(yùn)動(dòng)物體,8視覺暫留 視覺暫留是視網(wǎng)膜的電化學(xué)現(xiàn)象造成視覺的反應(yīng)時(shí)間。當(dāng)觀看很短的光脈沖時(shí)，視桿細(xì)胞得到約0.25s 的峰，視錐細(xì)胞快4倍，得到約0.04s的峰。這種現(xiàn)象造成視覺暫留,現(xiàn)有的VR技術(shù)，是否對(duì)以上8個(gè)人眼的因素都考慮到了？ 人眼的八個(gè)因素： 視覺生理結(jié)構(gòu)、立體視覺、屈光度、瞳孔、分辨力、明暗適應(yīng)、周圍視覺和中央視覺、視覺暫留、視場(chǎng) 現(xiàn)有的VR系統(tǒng)

27、中，已經(jīng)考慮的因素包括： 立體視覺，分辨力，視覺暫留，以及視場(chǎng)。其他因素還沒有充分考慮到,虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的因素-人耳,1聲音 2聲音感覺 3頻率范圍 4聲強(qiáng) 5聲音方向 6聲音舞臺(tái) 7頭部有關(guān)的傳遞函數(shù),1聲音音速在空氣中，0時(shí)331m/s，20時(shí)344m/s。在海水中，1時(shí)音速1453m/s。在鑄鐵棒中，音速3500m/s。耳聽到的頻率范圍約20Hz到20kHz。隨年歲增加，頻率范圍縮小，特別是高頻段?？紤]音速344m/s。 20Hz的波長(zhǎng)17.2m, 1kHz的波長(zhǎng)34.4cm, 10kHz的波長(zhǎng) 3.44cm。人耳的尺寸約7cm，這是5kHz的波長(zhǎng)。這說(shuō)明耳會(huì)影響這種頻率聲音的收集。人

28、的身體也會(huì)與聲波交互，這也會(huì)影響聲音的質(zhì)量。這類似音樂廳中的音響效果,2聲音感覺耳分為外耳、中耳、內(nèi)耳。外耳把聲音引導(dǎo)進(jìn)內(nèi)耳，它也作為濾波器而改變聲音。把手放在耳前面，就會(huì)感到聲音變化。聲音最終沖擊耳膜，使之振動(dòng)。耳膜振動(dòng)再傳到耳蝸，并且振動(dòng)加大20倍,3頻率范圍耳蝸有3個(gè)螺旋管，被2個(gè)膜片分開，Reissner膜和耳底膜。振動(dòng)會(huì)刺激耳底膜上的2萬(wàn)到3萬(wàn)個(gè)硬毛，并產(chǎn)生電信號(hào)傳給大腦。耳底膜有識(shí)別頻率的機(jī)制。高頻振動(dòng)刺激膜的開始部分，中頻振動(dòng)刺激膜的中間部分，低頻振動(dòng)刺激膜的遠(yuǎn)端部分,4聲強(qiáng) 聲強(qiáng)影響到耳底膜的振幅，直接轉(zhuǎn)成毛細(xì)胞的刺激。 5聲音方向 一般認(rèn)為，人腦識(shí)別聲源位置，是利用兩耳收到的

29、聲音的時(shí)間差和聲音幅度差。當(dāng)人面對(duì)聲源時(shí)，兩耳的聲強(qiáng)和路徑相等。當(dāng)人向左轉(zhuǎn)以后，右耳聲音比左耳強(qiáng)，且更早聽到。若兩耳路徑之差為20cm，則時(shí)間差0.6ms。 6聲音舞臺(tái) 如果用一對(duì)麥克風(fēng)記錄立體聲音，就可以重現(xiàn)聲音舞臺(tái)，它有寬度和深度,7頭部有關(guān)的傳遞函數(shù)在聽耳機(jī)時(shí)，每個(gè)耳只聽一個(gè)發(fā)聲器的聲音。當(dāng)然一個(gè)耳中的聲音，也會(huì)經(jīng)頭部傳給另一耳。在聽揚(yáng)聲器時(shí)，每個(gè)耳都分別聽到兩個(gè)揚(yáng)聲器的聲音。1974年P(guān)lenge認(rèn)為，進(jìn)入耳的聲音的形式，會(huì)產(chǎn)生外部的聲音舞臺(tái)的感覺。對(duì)于耳機(jī)（特別是插入式耳塞），感覺的聲音舞臺(tái)是內(nèi)部的。如果驅(qū)動(dòng)耳機(jī)的左右通道可以由電子設(shè)備構(gòu)成聲音，則人會(huì)感覺聲音有外部的真實(shí)性。為此要求

30、知道聲音的形狀，或由聲源到耳內(nèi)部的傳遞函數(shù)。這個(gè)由聲源到耳內(nèi)部的傳遞函數(shù)稱為頭部有關(guān)的傳遞函數(shù) (Head-related transfer functions, HRTF)，它反映頭和耳對(duì)傳聲的影響，不同的人有不同的HRTF。HRTF的測(cè)量方法如下。對(duì)空間每個(gè)位置的聲源，安放在耳中接近耳膜的小麥克風(fēng)測(cè)量收到的信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)處理，補(bǔ)償非線性頻率響應(yīng)。由此得到HRTF,現(xiàn)有的VR系統(tǒng)中，已經(jīng)考慮的人耳的因素有哪些？ 現(xiàn)有的VR系統(tǒng)中，已經(jīng)考慮的因素包括：聲音方向，聲音舞臺(tái)，以及頭部有關(guān)的傳遞函數(shù)。其他因素還沒有充分考慮到,虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的因素-身體感覺,在VR環(huán)境中，我們說(shuō)的身體感覺，主要是對(duì)

31、哪些事物的感覺？ 感覺表面粗糙、振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、位置、壓力、疼痛和溫度。 現(xiàn)有的VR系統(tǒng)中，已經(jīng)考慮了觸覺和力覺顯示。但是有關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)還沒有充分考慮到,按身體不同部位，身體感覺可分四類。 (a)深部感覺 它提供關(guān)節(jié)、骨、腱、肌肉和其它組織的信息，涉及壓力、疼痛和振動(dòng)。 (b)內(nèi)臟感覺 它提供胸腹腔中的內(nèi)臟的狀況，主要是疼痛 (c)本體感覺 它提供身體的位置，平衡和肌肉感覺。也涉及與其它物體的接觸，如站在地上、躺在床上。本體感覺接受器位于關(guān)節(jié)、肌肉和深部組織。 (d)外感受感覺 它是身體表面的接觸感覺,VR系統(tǒng)中，對(duì)眾多的人的因素是如何考慮的？ 在VR中，某些人的因素明顯被考慮，如HMD中考慮瞳距

32、。另外一些人的因素未明顯考慮，如運(yùn)動(dòng)眩暈。Defence Research Agency研究了沉浸感顯示的副作用。有些人認(rèn)為用HMD看不同遠(yuǎn)處物體時(shí)，不能用會(huì)聚和調(diào)節(jié)，使人不適應(yīng)。有人認(rèn)為HMD與內(nèi)瞳距不匹配也使眼疲勞。有人認(rèn)為眼不是會(huì)聚，而是在發(fā)散。有些用戶很敏感運(yùn)動(dòng)刺激，如汽車、船、飛機(jī)、火車等。有人實(shí)驗(yàn)研究了VR引起運(yùn)動(dòng)眩暈問題。在150個(gè)實(shí)驗(yàn)者中，有8人產(chǎn)生強(qiáng)烈眩暈。其它實(shí)驗(yàn)者經(jīng)歷了20分鐘沉浸環(huán)境。5分后有22%的人眩暈，10分后有32%人眩暈，15分后有40%人眩暈，20分后有45%人眩暈。在沉浸經(jīng)歷以后5分鐘，還有36%的人眩暈，10分鐘后還有27%的人眩暈。在VR中，具有圖像生

33、成的延遲，視覺和前庭器官信息的時(shí)間不同步也造成感覺（視覺與本體感覺）的沖突?？焖偬幚砗陀铚y(cè)算法有可能緩解這種不同步,章內(nèi)小節(jié),介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)的概念和有關(guān)的人的因素。虛擬現(xiàn)實(shí)或虛擬環(huán)境是人工構(gòu)造的，存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的環(huán)境，包括人類操作者、人機(jī)接口和計(jì)算機(jī)。虛擬現(xiàn)實(shí)具有三個(gè)特點(diǎn)。人的視覺問題和聽覺問題，都是和虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的因素,習(xí)題,一、 填空題1、 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的三個(gè)部分是 2、 遙操作系統(tǒng)的三個(gè)部分是 3、 增強(qiáng)顯示系統(tǒng)是 4、 合成顯示系統(tǒng)是 5、 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的三個(gè)特點(diǎn)是 6、 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的三個(gè)I是 7、 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是 8、 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的三個(gè)主要技術(shù)領(lǐng)域是,9、 視覺交叉的結(jié)果是，腦左半球處理 10、 人眼的屈光度是 。眼球的焦距是 11、 人眼的分辨率在10m距離上為 12、 中央視覺特點(diǎn)是 。主要利用