虛擬現(xiàn)實概述

1、1教師：陸艷洪教師：陸艷洪 聯(lián)系方式：聯(lián)系方式： TEL:TEL: 88493458 88493458 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)921921 EMAIL:EMAIL: 辦公室：辦公室：實驗大樓實驗大樓A913A9132現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 章節(jié)安排章節(jié)安排第一章第一章 概述概述第二章第二章 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章第三章 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真第四章第四章 離散事件系統(tǒng)仿真離散事件系統(tǒng)仿真第六章第六章 分布式交互仿真分布式交互仿真第七章第七章 可視化、多媒體、虛擬現(xiàn)實仿真可視化、多媒體、虛擬現(xiàn)實仿真3n 背景知識背景知識包括：包括： 計算機原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)，計算機網(wǎng)

2、絡(luò)，軟件工程，程序計算機原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)，計算機網(wǎng)絡(luò)，軟件工程，程序設(shè)計，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，電子學(xué)，圖形學(xué)與設(shè)計，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，電子學(xué)，圖形學(xué)與CAD，系統(tǒng)分析，人工智能等。，系統(tǒng)分析，人工智能等。n 內(nèi)容內(nèi)容包括虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真的基本概念和術(shù)語，虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)包括虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真的基本概念和術(shù)語，虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)方法，虛擬現(xiàn)實有關(guān)的人的因素，虛擬現(xiàn)實的接口設(shè)備仿真的基礎(chǔ)方法，虛擬現(xiàn)實有關(guān)的人的因素，虛擬現(xiàn)實的接口設(shè)備和計算機設(shè)備，虛擬現(xiàn)實的世界建模技術(shù)，虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用。和計算機設(shè)備，虛擬現(xiàn)實的世界建模技術(shù)，虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用。 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第七章虛

3、擬現(xiàn)實4 知識結(jié)構(gòu)知識結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第七章虛擬現(xiàn)實5重點難點重點難點l 虛擬現(xiàn)實的基本概念虛擬現(xiàn)實的基本概念l 人的視覺系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實的視覺顯示技術(shù)人的視覺系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實的視覺顯示技術(shù)l 各類位姿跟蹤系統(tǒng)的技術(shù)各類位姿跟蹤系統(tǒng)的技術(shù)l 力覺和觸覺反饋技術(shù)力覺和觸覺反饋技術(shù)l 虛擬現(xiàn)實用計算機系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實用計算機系統(tǒng)l 虛擬現(xiàn)實的工具軟件系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實的工具軟件系統(tǒng)l 分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第七章虛擬現(xiàn)實6要求要求l 首先要求掌握虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真的基本概念和術(shù)語，以及虛首先要求掌握

4、虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真的基本概念和術(shù)語，以及虛擬現(xiàn)實有關(guān)的人的因素，明確虛擬對現(xiàn)實要求。擬現(xiàn)實有關(guān)的人的因素，明確虛擬對現(xiàn)實要求。l 其次要求掌握虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)方法，虛擬現(xiàn)實的接其次要求掌握虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)方法，虛擬現(xiàn)實的接口設(shè)備和計算機設(shè)備，虛擬現(xiàn)實的世界建模技術(shù)，了解實現(xiàn)要口設(shè)備和計算機設(shè)備，虛擬現(xiàn)實的世界建模技術(shù)，了解實現(xiàn)要求的技術(shù)。求的技術(shù)。l 最后要求掌握虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用。最后要求掌握虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用。 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第七章虛擬現(xiàn)實7參考資料參考資料1.虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真 韋有雙；國防工業(yè)出版社；韋有雙；國防工業(yè)出版社

5、；2004年年2.虛擬現(xiàn)實的技術(shù)及其應(yīng)用虛擬現(xiàn)實的技術(shù)及其應(yīng)用曾建超，俞志和；清華大學(xué)出版社；曾建超，俞志和；清華大學(xué)出版社；19963.靈境（虛擬現(xiàn)實）技術(shù)的理論，實現(xiàn)及應(yīng)用靈境（虛擬現(xiàn)實）技術(shù)的理論，實現(xiàn)及應(yīng)用汪成為，高文，王行仁；清華大學(xué)出版社，廣西科學(xué)技術(shù)出版社；汪成為，高文，王行仁；清華大學(xué)出版社，廣西科學(xué)技術(shù)出版社；19964.Virtual Reality TechnologyGrigore Burdea，Phillippe Coiffet；John Wiley & Sons,INC.；19945.Virtual Reality SystemsJohn Vince；Add

6、ison-Wesley Pnblishing Company；1995 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第七章虛擬現(xiàn)實8l 虛擬現(xiàn)實概述虛擬現(xiàn)實概述l 虛擬現(xiàn)實的接口技術(shù)虛擬現(xiàn)實的接口技術(shù) l 虛擬現(xiàn)實的計算機技術(shù)虛擬現(xiàn)實的計算機技術(shù)l 虛擬現(xiàn)實的建模和仿真技術(shù)虛擬現(xiàn)實的建模和仿真技術(shù) l 分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)l 系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實的結(jié)合機制系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實的結(jié)合機制l 虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第七章虛擬現(xiàn)實內(nèi)容內(nèi)容9l課前思考課前思考l學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) l難重點難重點 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技

7、術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述1什么是虛擬現(xiàn)實？什么是虛擬現(xiàn)實？2虛擬現(xiàn)實與人有什麼關(guān)系？虛擬現(xiàn)實與人有什麼關(guān)系？1注意理解幾個概念。注意理解幾個概念。2注意理解幾個特點。注意理解幾個特點。3注意理解注意理解VR設(shè)計中考慮的視覺問題。設(shè)計中考慮的視覺問題。 1了解了解VR的概念和特點。的概念和特點。2了解了解VR有關(guān)的人的因素。有關(guān)的人的因素。 101、 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的三個部分是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的三個部分是 。2、 遙操作系統(tǒng)的三個部分是遙操作系統(tǒng)的三個部分是 。3、 增強顯示系統(tǒng)是增強顯示系統(tǒng)是 。4、 合成顯示系統(tǒng)是合成顯示系統(tǒng)是 。5、 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的三個特點

8、是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的三個特點是 。6、 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的三個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的三個I是是 。7、 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的三個主要技術(shù)領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的三個主要技術(shù)領(lǐng)域 。8、 確定電影和電視的幀頻應(yīng)該考慮人眼的確定電影和電視的幀頻應(yīng)該考慮人眼的 現(xiàn)象。現(xiàn)象。 9、 人耳的人耳的HRTF的中文名稱是的中文名稱是 。 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述11l 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 本章主要介紹虛擬現(xiàn)實的基本概念和有關(guān)人的概念。本章主要介紹虛擬現(xiàn)實的基本概念和有關(guān)人的概念。 虛擬現(xiàn)實或虛擬環(huán)境是人工構(gòu)造的存在于計算機系統(tǒng)內(nèi)部而非現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實或虛擬環(huán)境是人工構(gòu)造的存在

9、于計算機系統(tǒng)內(nèi)部而非現(xiàn)實世界中的一種環(huán)境。該環(huán)境包括：環(huán)境的人類操作者、人機接口和世界中的一種環(huán)境。該環(huán)境包括：環(huán)境的人類操作者、人機接口和計算機，人的視覺和聽覺問題，都是和虛擬現(xiàn)實有關(guān)的人的因素。計算機，人的視覺和聽覺問題，都是和虛擬現(xiàn)實有關(guān)的人的因素。l 本章內(nèi)容包括：本章內(nèi)容包括： 1 虛擬現(xiàn)實的基本概念虛擬現(xiàn)實的基本概念 2 虛擬現(xiàn)實的特點虛擬現(xiàn)實的特點 3 虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域 4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介 5 虛擬現(xiàn)實中有關(guān)人的因素虛擬現(xiàn)實中有關(guān)人的因素 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述12第一章的知

10、識點第一章的知識點 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述13虛擬現(xiàn)實的發(fā)展史虛擬現(xiàn)實的發(fā)展史1) 1) 19651965年，年，SutherlandSutherland在篇名為在篇名為的論文中首次提出了的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括具有交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，從此，人們正式開始了對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究探索歷的基本思想，從此，人們正式開始了對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究探索歷程。程。2) 2) 19661966年，美國年，美國MITMIT的林肯實驗室正式開始了頭盔式顯

11、示器的研制工作。的林肯實驗室正式開始了頭盔式顯示器的研制工作。3) 3) 19891989年，美國年，美國VPL Research VPL Research 公司創(chuàng)始人公司創(chuàng)始人Jaron Lanier Jaron Lanier 提出了提出了“Virtual Reality”Virtual Reality”（虛擬現(xiàn)實）的概念。（虛擬現(xiàn)實）的概念。4) 4) 19941994年，美國年，美國SGISGI公司和比利時的公司和比利時的BARCOBARCO投影機制造公司，在英國建投影機制造公司，在英國建設(shè)了世界上第一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。設(shè)了世界上第一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用

12、第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述14基本概念基本概念 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述l “Reality”Reality”的含義是現(xiàn)實的世界或現(xiàn)實的環(huán)境。所以，的含義是現(xiàn)實的世界或現(xiàn)實的環(huán)境。所以，“Virtual Reality”Virtual Reality”（虛擬現(xiàn)實）的另一個名稱是（虛擬現(xiàn)實）的另一個名稱是“Virtual Virtual Environment”Environment”（虛擬環(huán)境）。（虛擬環(huán)境）。l “Virtual”Virtual”說明這個世界或環(huán)境是虛擬的，不是真實的，是人說明這個世界

13、或環(huán)境是虛擬的，不是真實的，是人工構(gòu)造的，存在于計算機內(nèi)部的，用戶應(yīng)該能夠工構(gòu)造的，存在于計算機內(nèi)部的，用戶應(yīng)該能夠“進(jìn)入進(jìn)入”這個虛這個虛擬的環(huán)境中。擬的環(huán)境中。 l 所謂所謂“進(jìn)入進(jìn)入”這個虛擬的環(huán)境中，是指用戶以自然的方式與這個這個虛擬的環(huán)境中，是指用戶以自然的方式與這個環(huán)境交互（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)的環(huán)境交互（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)的真實環(huán)境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。真實環(huán)境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。 15l “Virtual Reality”(“Virtual Reality”(虛擬現(xiàn)實）虛擬現(xiàn)實）或或“Virtual

14、 Environment”Virtual Environment”（虛擬環(huán)境）（虛擬環(huán)境）是人工構(gòu)造的，存在于計算機內(nèi)部的環(huán)是人工構(gòu)造的，存在于計算機內(nèi)部的環(huán)境。境。l 用戶應(yīng)該能夠以自然的方式與這個環(huán)境用戶應(yīng)該能夠以自然的方式與這個環(huán)境交互（包括感知環(huán)境并干預(yù)環(huán)境），從交互（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)的真實環(huán)境中的虛幻而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實環(huán)境中的虛幻感，沉浸感受，身臨其境的感覺。感，沉浸感受，身臨其境的感覺。l 虛擬環(huán)境（虛擬環(huán)境（Virtual Environment ,VEVirtual Environment ,VE）系統(tǒng)系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實（或虛擬現(xiàn)實（Virtual

15、Reality , Virtual Reality , VRVR）系統(tǒng)包括人類操作者、人機接口和）系統(tǒng)包括人類操作者、人機接口和計算機。計算機。 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述基本概念基本概念 161 1）虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用最多的專用設(shè)備是虛擬現(xiàn)實系統(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)實系統(tǒng)的標(biāo)志，這種觀點是不于是，有人以使用這些專用設(shè)備為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的標(biāo)志，這種觀點是不準(zhǔn)確的，它們只是當(dāng)前已經(jīng)實現(xiàn)的一部分虛擬現(xiàn)實接口設(shè)備。準(zhǔn)確的，它們只是當(dāng)前已經(jīng)實現(xiàn)的一部分虛

16、擬現(xiàn)實接口設(shè)備。 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述基本概念基本概念 17 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述基本概念基本概念 2 2）虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是在計算機應(yīng)用和人機交互方面開創(chuàng)的全新的學(xué)科虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是在計算機應(yīng)用和人機交互方面開創(chuàng)的全新的學(xué)科領(lǐng)域。這個新領(lǐng)域的發(fā)展，還有很多困難，有很多技術(shù)難點有待解決，領(lǐng)域。這個新領(lǐng)域的發(fā)展，還有很多困難，有很多技術(shù)難點有待解決，當(dāng)前，這一領(lǐng)域還只是走出了第一步。當(dāng)前，這一領(lǐng)域還只是走出了第一步。3 3）以接口設(shè)備為例，頭盔式立體顯示器和數(shù)

17、據(jù)手套等設(shè)備很不完善。以接口設(shè)備為例，頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備很不完善。例如，頭盔的視場，分辨率，造成眩暈等問題還有待解決。聽覺接口和例如，頭盔的視場，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，運動覺等技術(shù)，力覺接口等設(shè)備還在研究，應(yīng)用還不多。味覺，嗅覺，運動覺等技術(shù)，還缺乏研究。還缺乏研究。18虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)成 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述l檢測模塊：檢測模塊：檢測用戶的操作命令，并通過傳感器模塊作用于虛擬環(huán)境。檢測用戶的操作命令，并通過傳感器模塊作用于虛擬

18、環(huán)境。 l反饋模塊：反饋模塊：接受來自傳感器模塊信息，為用戶提供實時反饋。接受來自傳感器模塊信息，為用戶提供實時反饋。 l傳感器模塊：傳感器模塊：一方面接受來自用戶的操作命令，并將其作用于虛擬環(huán)境；另一一方面接受來自用戶的操作命令，并將其作用于虛擬環(huán)境；另一方面方面 將操作后產(chǎn)生的結(jié)果以各種反饋的形式提供給用戶。將操作后產(chǎn)生的結(jié)果以各種反饋的形式提供給用戶。l控制模塊：控制模塊：對傳感器進(jìn)行控制，使其對用戶、虛擬環(huán)境和現(xiàn)實世界產(chǎn)生作用。對傳感器進(jìn)行控制，使其對用戶、虛擬環(huán)境和現(xiàn)實世界產(chǎn)生作用。 l建模模塊：建模模塊：獲取現(xiàn)實世界組成部分的三維表示，并由此構(gòu)成對應(yīng)的虛擬環(huán)境。獲取現(xiàn)實世界組成部分

19、的三維表示，并由此構(gòu)成對應(yīng)的虛擬環(huán)境。 構(gòu)成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的五大模塊構(gòu)成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的五大模塊19一、模仿真實世界中的環(huán)境一、模仿真實世界中的環(huán)境：建筑物，武器系統(tǒng)，或戰(zhàn)場環(huán)境：建筑物，武器系統(tǒng)，或戰(zhàn)場環(huán)境l特點與功能：特點與功能：這種真實環(huán)境，可能是已經(jīng)存在的，也可能是已經(jīng)設(shè)計好但還沒有建成這種真實環(huán)境，可能是已經(jīng)存在的，也可能是已經(jīng)設(shè)計好但還沒有建成的，這一類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能實際上是系統(tǒng)仿真。的，這一類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能實際上是系統(tǒng)仿真。l要求：要求：為了逼真地模仿真實世界中的環(huán)境，逼真地建立幾何模型和物理模型，環(huán)境的為了逼真地模仿真實世界中的環(huán)境，逼真地建立幾何模型和物理模型，環(huán)境的動態(tài)

20、應(yīng)符合物理規(guī)律。動態(tài)應(yīng)符合物理規(guī)律。二、人類主觀構(gòu)造的環(huán)境：二、人類主觀構(gòu)造的環(huán)境：用于影視制作或電子游戲的三維動畫。用于影視制作或電子游戲的三維動畫。l特點特點：環(huán)境是虛構(gòu)的，幾何模型和物理模型就可以完全虛構(gòu)。：環(huán)境是虛構(gòu)的，幾何模型和物理模型就可以完全虛構(gòu)。l實現(xiàn)實現(xiàn)：常用插值方法來實現(xiàn)系統(tǒng)的動畫技術(shù)：常用插值方法來實現(xiàn)系統(tǒng)的動畫技術(shù)三、模仿真實世界中的人類不可見的環(huán)境：三、模仿真實世界中的人類不可見的環(huán)境：分子的結(jié)構(gòu)，空氣中的速度、溫度、壓力的分分子的結(jié)構(gòu)，空氣中的速度、溫度、壓力的分布等。布等。l特點與功能特點與功能：這種真實環(huán)境，是客觀存在的，但是人類的視覺和聽覺不能感覺到。其：這種

21、真實環(huán)境，是客觀存在的，但是人類的視覺和聽覺不能感覺到。其功能，實際是科學(xué)可視化。功能，實際是科學(xué)可視化。l實現(xiàn)：實現(xiàn)：對于分子結(jié)構(gòu)這類微觀環(huán)境，進(jìn)行放大尺度的模仿，使人能看到。對于空氣中對于分子結(jié)構(gòu)這類微觀環(huán)境，進(jìn)行放大尺度的模仿，使人能看到。對于空氣中的速度這類不可見的物理量，可以用流線顯示速度（流線方向表示速度方向，流線密的速度這類不可見的物理量，可以用流線顯示速度（流線方向表示速度方向，流線密度表示速度大?。?。度表示速度大小）。虛擬現(xiàn)實的虛擬環(huán)境分類虛擬現(xiàn)實的虛擬環(huán)境分類 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述電影動畫的例子電影動畫的

22、例子居室環(huán)境的仿真和漫游例子居室環(huán)境的仿真和漫游例子 由此可見，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以用于由此可見，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以用于系統(tǒng)系統(tǒng)仿真、科學(xué)可視化、三維動畫仿真、科學(xué)可視化、三維動畫等領(lǐng)域。等領(lǐng)域。 20與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)有關(guān)的幾個系統(tǒng)是遙操作系統(tǒng)，增強現(xiàn)實系統(tǒng)以及合成現(xiàn)實系統(tǒng)。與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)有關(guān)的幾個系統(tǒng)是遙操作系統(tǒng)，增強現(xiàn)實系統(tǒng)以及合成現(xiàn)實系統(tǒng)。l 遙操作遙操作(Tele operator)(Tele operator)系統(tǒng)系統(tǒng)由人類操作者、人機接口和遙機器人組成。由人類操作者、人機接口和遙機器人組成。l 增強現(xiàn)實（增強現(xiàn)實（Augmented RealityAugmented Reality）系統(tǒng)）

23、系統(tǒng)是將虛擬環(huán)境和真實環(huán)境組合在一起。是將虛擬環(huán)境和真實環(huán)境組合在一起。l 合成環(huán)境（合成環(huán)境（Synthetic Environment, SESynthetic Environment, SE）系統(tǒng)）系統(tǒng)，是遙操作系統(tǒng)，虛擬環(huán)境系，是遙操作系統(tǒng)，虛擬環(huán)境系統(tǒng)，增強現(xiàn)實系統(tǒng)等的總稱。統(tǒng)，增強現(xiàn)實系統(tǒng)等的總稱。其他相關(guān)系統(tǒng)概念其他相關(guān)系統(tǒng)概念 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述虛擬環(huán)境虛擬環(huán)境(Virtual Environment(Virtual Environment，VE)VE)系統(tǒng)或系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實(Virtual Real

24、ity(Virtual Reality，VR)VR)系統(tǒng)系統(tǒng)由人類操作者、人機接口和計算機組成。由人類操作者、人機接口和計算機組成。21l對于對于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，與用戶交互的環(huán)境實際是人工構(gòu)造的，存在于計算機內(nèi)部的環(huán)境。，與用戶交互的環(huán)境實際是人工構(gòu)造的，存在于計算機內(nèi)部的環(huán)境。l對于對于遙操作系統(tǒng)遙操作系統(tǒng)，與用戶交互的環(huán)境實際是在，與用戶交互的環(huán)境實際是在遠(yuǎn)地的一個真實的機器人工作環(huán)境遠(yuǎn)地的一個真實的機器人工作環(huán)境。l增強現(xiàn)實系統(tǒng)增強現(xiàn)實系統(tǒng)，是虛擬環(huán)境，是虛擬環(huán)境(VE)與真實環(huán)境與真實環(huán)境(RE)的組合，與人類交互的既有的組合，與人類交互的既有VE也有也有RE。如虛擬演播室，

25、背景是如虛擬演播室，背景是VE，前景是真實的人，前景是真實的人其他相關(guān)系統(tǒng)概念其他相關(guān)系統(tǒng)概念 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、遙操作系統(tǒng)、增強現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、遙操作系統(tǒng)、增強現(xiàn)實系統(tǒng)之間的區(qū)別在于與之間的區(qū)別在于與用戶交互的環(huán)境不同。用戶交互的環(huán)境不同。遙控機器人代替了計算機，環(huán)境實際上是遠(yuǎn)離操作者或操作者無法到達(dá)的遠(yuǎn)程真實環(huán)境遙控機器人代替了計算機，環(huán)境實際上是遠(yuǎn)離操作者或操作者無法到達(dá)的遠(yuǎn)程真實環(huán)境（如深海、深空、核爆環(huán)境等），用戶通過類似虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的人機接口，操作或感受（如深海、深空、核爆環(huán)境等），用戶通

26、過類似虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的人機接口，操作或感受遠(yuǎn)處的真實環(huán)境。也就是看到真實環(huán)境的場景，聽到真實環(huán)境的聲音，感到與環(huán)境中物遠(yuǎn)處的真實環(huán)境。也就是看到真實環(huán)境的場景，聽到真實環(huán)境的聲音，感到與環(huán)境中物體的接觸。體的接觸。22 1）全景（）全景（Panorama） 2）物體（）物體（Object） 3）場景（）場景（Scenes）虛擬現(xiàn)實的三種表現(xiàn)方式虛擬現(xiàn)實的三種表現(xiàn)方式 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述 在全景（在全景（Panorama）模式下，物體是相對固定而鏡頭位置是相對移動）模式下，物體是相對固定而鏡頭位置是相對移動（原地（原地360度

27、轉(zhuǎn)動）的，例如在建筑的頂樓平臺環(huán)顧四周度轉(zhuǎn)動）的，例如在建筑的頂樓平臺環(huán)顧四周360度的景觀。度的景觀。 在場景（在場景（Scenes）模式下，物體和鏡頭都可以運動，比如客戶在看房時，）模式下，物體和鏡頭都可以運動，比如客戶在看房時，從一個房間走到另外一個房間。這時，鏡頭（眼睛）在運動，從一從一個房間走到另外一個房間。這時，鏡頭（眼睛）在運動，從一 個節(jié)點個節(jié)點（房間一）移動到另外一個節(jié)點（房間二）。簡單的說，這是全景和物體模（房間一）移動到另外一個節(jié)點（房間二）。簡單的說，這是全景和物體模式的綜合。式的綜合。 在物體（在物體（Object）模式下，物體運動而鏡頭相對固定，比如玩手機時，）模式

28、下，物體運動而鏡頭相對固定，比如玩手機時，物體（手機）運動，而鏡頭（眼睛）固定。物體（手機）運動，而鏡頭（眼睛）固定。 23虛擬現(xiàn)實的特點虛擬現(xiàn)實的特點計算機提供計算機提供“環(huán)境環(huán)境”，不是，不是“數(shù)據(jù)，信息數(shù)據(jù)，信息” 操作者由視覺、聽覺、力覺感知環(huán)境，由自然的動作操作環(huán)境，不是由屏幕、鍵操作者由視覺、聽覺、力覺感知環(huán)境，由自然的動作操作環(huán)境，不是由屏幕、鍵盤、鼠標(biāo)和計算機交互盤、鼠標(biāo)和計算機交互;逼真的感知和自然的動作，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺逼真的感知和自然的動作，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺; 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述 該特點該

29、特點改變了人機接口的內(nèi)容，改變了人機接口的內(nèi)容，體現(xiàn)了計算機體現(xiàn)了計算機應(yīng)用的新方向。應(yīng)用的新方向。以以環(huán)境為環(huán)境為計算機處理的對象和人機交互的內(nèi)容計算機處理的對象和人機交互的內(nèi)容。 l 該特點改變了該特點改變了人機接口的形式，人機接口的形式，體現(xiàn)了計算機人機體現(xiàn)了計算機人機接口的新方向。接口的新方向。l 一般計算機系統(tǒng)的人機接口都是一般計算機系統(tǒng)的人機接口都是面向機器的面向機器的，終端，鍵盤，鼠標(biāo)，打印機等接口設(shè)備。，終端，鍵盤，鼠標(biāo)，打印機等接口設(shè)備。它們能很好地完成了各類數(shù)據(jù)和多媒體信息的交互。它們能很好地完成了各類數(shù)據(jù)和多媒體信息的交互。l 虛擬現(xiàn)實中的人機接口，則是虛擬現(xiàn)實中的人機接

30、口，則是面向用戶的面向用戶的。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，用戶以。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，用戶以自然的方式自然的方式與虛擬與虛擬環(huán)境交互。環(huán)境交互。l該特點改變了該特點改變了人機接口的效果人機接口的效果，體現(xiàn)了計算機，體現(xiàn)了計算機人機接口的新要求人機接口的新要求。l 用戶通過人機接口與虛擬環(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。用戶通過人機接口與虛擬環(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)實的概念中有虛擬現(xiàn)實的概念中有三個三個I：（1 1）Immersion(Immersion(沉浸沉浸) )，是指逼真的，身臨其境的感覺。，是指逼真的，身臨其境的感覺。（2 2）Interacti

31、on(Interaction(交互交互) )，是指用戶感知與操作環(huán)境。，是指用戶感知與操作環(huán)境。（3 3）Imagination(Imagination(想象想象) )，是指創(chuàng)造性。，是指創(chuàng)造性。 24虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域l 娛樂娛樂l 國防國防l 設(shè)計、制造和銷售設(shè)計、制造和銷售l 醫(yī)療和健康醫(yī)療和健康l 危險操作危險操作l 訓(xùn)練訓(xùn)練l 教育教育l 信息可視化信息可視化l 遠(yuǎn)程交往與遠(yuǎn)程游歷遠(yuǎn)程交往與遠(yuǎn)程游歷 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述25 把分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)用于建造人體模型、電腦太空旅游、化合物分子結(jié)構(gòu)把分布

32、式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)用于建造人體模型、電腦太空旅游、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等領(lǐng)域，由于數(shù)據(jù)更加逼真，大大提高了人們的想象力、激發(fā)了受教育者的顯示等領(lǐng)域，由于數(shù)據(jù)更加逼真，大大提高了人們的想象力、激發(fā)了受教育者的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果十分顯著。同時，隨著計算機技術(shù)、心理學(xué)、教育學(xué)等多種學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果十分顯著。同時，隨著計算機技術(shù)、心理學(xué)、教育學(xué)等多種學(xué)科的相互結(jié)合、促進(jìn)和發(fā)展，系統(tǒng)因此能夠提供更加協(xié)調(diào)的人機對話方式，學(xué)科的相互結(jié)合、促進(jìn)和發(fā)展，系統(tǒng)因此能夠提供更加協(xié)調(diào)的人機對話方式， 虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部

33、分概述l教育應(yīng)用教育應(yīng)用 l工程應(yīng)用工程應(yīng)用 當(dāng)前的工程很大程度上要依賴于圖形工具，以便直觀地顯示各種產(chǎn)品，目當(dāng)前的工程很大程度上要依賴于圖形工具，以便直觀地顯示各種產(chǎn)品，目前，前，CAD/CAMCAD/CAM已經(jīng)成為機械、建筑等領(lǐng)域必不可少的軟件工具。分布式虛擬現(xiàn)實已經(jīng)成為機械、建筑等領(lǐng)域必不可少的軟件工具。分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用將使工程人員能通過全球網(wǎng)或局域網(wǎng)按協(xié)作方式進(jìn)行三維模型的設(shè)系統(tǒng)的應(yīng)用將使工程人員能通過全球網(wǎng)或局域網(wǎng)按協(xié)作方式進(jìn)行三維模型的設(shè)計、交流和發(fā)布，從而進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率并削減成本。計、交流和發(fā)布，從而進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率并削減成本。 26 對于那些期望與顧客建立直接聯(lián)系

34、的公司，尤其是那些在他們的主對于那些期望與顧客建立直接聯(lián)系的公司，尤其是那些在他們的主頁上向客戶發(fā)送電子廣告的公司，頁上向客戶發(fā)送電子廣告的公司，Internet具有特別的吸引力。分布具有特別的吸引力。分布式虛擬系統(tǒng)的應(yīng)用有可能大幅度改善顧客購買商品的經(jīng)歷。例如，顧式虛擬系統(tǒng)的應(yīng)用有可能大幅度改善顧客購買商品的經(jīng)歷。例如，顧客可以訪問虛擬世界中的商店，在那里挑選商品，然后通過客可以訪問虛擬世界中的商店，在那里挑選商品，然后通過Internet辦理付款手續(xù)，商店則及時把商品送到顧客手中。辦理付款手續(xù)，商店則及時把商品送到顧客手中。 虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真

35、技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述l商業(yè)應(yīng)用商業(yè)應(yīng)用 l娛樂應(yīng)用娛樂應(yīng)用 娛樂領(lǐng)域是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用娛樂領(lǐng)域是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。它能夠提供更為逼真的虛擬環(huán)境，從而使領(lǐng)域。它能夠提供更為逼真的虛擬環(huán)境，從而使人們能夠享受其中的樂趣，帶來更好的娛樂感人們能夠享受其中的樂趣，帶來更好的娛樂感覺。覺。 27虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介1VR的人機接口的人機接口2VR的計算機系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)3VR的建模和仿真的建模和仿真 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述l 給人類操作者提供環(huán)境

36、信息；包括位置跟蹤和反饋、視覺通道、聽覺通給人類操作者提供環(huán)境信息；包括位置跟蹤和反饋、視覺通道、聽覺通道、觸覺通道、運動接口和其他接口。道、觸覺通道、運動接口和其他接口。l 感覺人類操作者的動作和響應(yīng)；包括位置跟蹤和映射，語音識別等。感覺人類操作者的動作和響應(yīng)；包括位置跟蹤和映射，語音識別等?，F(xiàn)有的虛擬系統(tǒng)主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研現(xiàn)有的虛擬系統(tǒng)主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研究階段。所以，究階段。所以，VR的計算機系統(tǒng)主要考慮視覺通道的要求的計算機系統(tǒng)主要考慮視覺通道的要求。l 建模包括幾何建模和物理建模。建模包括幾何建模和物理建模。l 仿真包括圖形繪制、三維

37、動畫仿真包括圖形繪制、三維動畫28虛擬現(xiàn)實的接口設(shè)備虛擬現(xiàn)實的接口設(shè)備l位姿傳感器位姿傳感器 l視覺通道視覺通道l聽覺通道聽覺通道l觸覺通道觸覺通道l運動接口運動接口 l其他類型接口其他類型接口VRVR的人機接口的人機接口 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述29位姿傳感器位姿傳感器VRVR的人機接口的人機接口 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述l位置跟蹤和映射：位置跟蹤和映射：用于測量人體各部位的位用于測量人體各部位的位置和姿態(tài)，分析判斷人面部的表情。它的目置和姿態(tài)，分析判斷人面部的

38、表情。它的目的是了解人的身體行為。的是了解人的身體行為。l 這是為了實現(xiàn)人機交互所必需的系統(tǒng)功能，這是為了實現(xiàn)人機交互所必需的系統(tǒng)功能，VR系統(tǒng)由此了解人的行為，然后做出適當(dāng)系統(tǒng)由此了解人的行為，然后做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，實現(xiàn)交互。的響應(yīng)，實現(xiàn)交互。l常用技術(shù)：常用技術(shù)：機械鏈接、磁傳感器、聲傳感器、機械鏈接、磁傳感器、聲傳感器、光傳感器和慣性傳感器。光傳感器和慣性傳感器。l 基本目標(biāo)基本目標(biāo)：精確完成位置和姿態(tài)的測量。：精確完成位置和姿態(tài)的測量。l 三個主要的要求三個主要的要求：大范圍的線性響應(yīng)，高帶：大范圍的線性響應(yīng)，高帶寬（寬（1kHz），以及允許頭和身體的運動。），以及允許頭和身體的運動。3

39、0各種位姿跟蹤器的比較各種位姿跟蹤器的比較 發(fā)射源發(fā)射源 便攜便攜 精度精度 價格價格 刷新率刷新率 延遲延遲 范圍范圍 干擾源干擾源 機械式機械式 無無差差很高很高較高較高高高很小很小很小很小無無 磁場式磁場式 有有好好較高較高較低較低較高較高較大較大單傳感器小單傳感器小多傳感器大多傳感器大 金屬及磁場金屬及磁場 超聲式超聲式 有有較好較好時間法低時間法低相位法高相位法高 很低很低時間法低時間法低相位法高相位法高 小小較大較大空氣流動，空氣流動，超聲噪聲超聲噪聲 光學(xué)式光學(xué)式 有有較好較好較高較高昂貴昂貴高高小小大大光反射，光反射，紅外光源紅外光源 慣性式慣性式 無無好好較低較低昂貴昂貴很高

40、很高隨時間和隨時間和溫度漂移溫度漂移 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述31給人的視覺系統(tǒng)提供圖形顯示。給人的視覺系統(tǒng)提供圖形顯示。要求要求：a) 顯示的像素應(yīng)該足夠小，使人不至感覺顯示的像素應(yīng)該足夠小，使人不至感覺到像素的不連續(xù)；到像素的不連續(xù)；b) 顯示的頻率應(yīng)該足夠高，使人不至感覺顯示的頻率應(yīng)該足夠高，使人不至感覺到畫面的不連續(xù)；到畫面的不連續(xù)；c) 給兩眼提供具有雙目視差的圖形，形成給兩眼提供具有雙目視差的圖形，形成立體視覺；立體視覺；d) 應(yīng)該具有足夠大的視場，理想情況是顯應(yīng)該具有足夠大的視場，理想情況是顯示畫面充滿整個視場。示

41、畫面充滿整個視場。VRVR的人機接口的人機接口 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述視覺接口通道視覺接口通道32l給人的聽覺系統(tǒng)提供聲音顯示。給人的聽覺系統(tǒng)提供聲音顯示。l要求：要求：能識別聲音的類型和強度，能判定聲源的位置。能識別聲音的類型和強度，能判定聲源的位置。l關(guān)鍵技術(shù)：關(guān)鍵技術(shù)：由接口提供的虛擬聲音信號合成，聲音在虛擬空間定位問題，以及發(fā)聲設(shè)備由接口提供的虛擬聲音信號合成，聲音在虛擬空間定位問題，以及發(fā)聲設(shè)備VRVR的人機接口的人機接口 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述聽覺

42、通道聽覺通道觸覺通道觸覺通道l觸覺通道：觸覺通道：給人體表面提供觸覺和力覺。當(dāng)人體在虛擬空間中運動時，如果接觸到虛擬給人體表面提供觸覺和力覺。當(dāng)人體在虛擬空間中運動時，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。物體，虛擬顯示系統(tǒng)應(yīng)該給人提供這種觸覺和力覺。l內(nèi)容：內(nèi)容：涉及操作以及感覺，包括觸覺反饋和力覺反饋。涉及操作以及感覺，包括觸覺反饋和力覺反饋。l結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：包括安在身體上的和安在地面上的設(shè)備。包括安在身體上的和安在地面上的設(shè)備。l人體在環(huán)境中的運動包括：人體在環(huán)境中的運動包括：身體的被動運動（被動移動，如在車上的運動），身體主動身體的被動運動（被動移動，如在車上的運動

43、），身體主動運動（漫游，如散步）。人體內(nèi)部的運動感覺器官可以感知運動信息。運動（漫游，如散步）。人體內(nèi)部的運動感覺器官可以感知運動信息。l感知運動信息的器官包含：感知運動信息的器官包含：前庭系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、視覺聽覺系統(tǒng)、本體感受、動覺和觸前庭系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、視覺聽覺系統(tǒng)、本體感受、動覺和觸覺。覺。l 運動接口的作用即為這些器官提供運動信息。運動接口的作用即為這些器官提供運動信息。運動接口運動接口33 現(xiàn)有的虛擬系統(tǒng)主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研究階段。所以，現(xiàn)有的虛擬系統(tǒng)主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研究階段。所以，VRVR的計算機系統(tǒng)主要考慮視覺通道的要求的計算機系

44、統(tǒng)主要考慮視覺通道的要求。VRVR的計算機系統(tǒng)的計算機系統(tǒng) 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述 一、硬件一、硬件 視覺通道對計算機系統(tǒng)的要求：視覺通道對計算機系統(tǒng)的要求：l 首先是要求維持足夠的圖形幀速率l 其次要求在指定的時間內(nèi)（約為0.1秒）計算出兩眼的兩幅圖像l 同時要求提供足夠好質(zhì)量的圖像，體現(xiàn)在圖像中顯示的多邊形或三角形的數(shù)量上。 要滿足以上要求，往往需要專用硬件。圖形要滿足以上要求，往往需要專用硬件。圖形硬件能提供快速幾何變換、截取、消隱、硬件能提供快速幾何變換、截取、消隱、多邊形填充和表面紋理。多邊形填充和表面紋理。二、軟件

45、二、軟件 VRVR系統(tǒng)中的軟件主要包括：系統(tǒng)中的軟件主要包括：交互軟件交互軟件-利用人機控制設(shè)備的輸出去修改利用人機控制設(shè)備的輸出去修改VEVE；視覺漫游軟件視覺漫游軟件-控制用戶在控制用戶在VEVE中運動時看到的場景。中運動時看到的場景。建模軟件建模軟件-定義虛擬物體形狀、外觀和屬性的模型。定義虛擬物體形狀、外觀和屬性的模型。操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)-支持支持VEVE的實時多模態(tài)要求。的實時多模態(tài)要求。 三、網(wǎng)絡(luò)三、網(wǎng)絡(luò)l 分布式交互仿真已經(jīng)成為現(xiàn)代仿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。真技術(shù)，特別是軍事仿真的潮流。l 通訊網(wǎng)絡(luò)可以把通訊網(wǎng)絡(luò)可以把VEVE轉(zhuǎn)換成共享的轉(zhuǎn)換成共享

46、的分布式計算環(huán)境。分布式計算環(huán)境。34 一、建模一、建模 包括包括：幾何建模和物理建模。幾何建模和物理建模。 幾何建模方法幾何建模方法：a)a)一般的一般的VRVR工具軟件；工具軟件；b)b)利用現(xiàn)有的利用現(xiàn)有的CADCAD建模工具；建模工具；c) c) 對實際物體的建模，采用激光掃描等專用設(shè)備；對實際物體的建模，采用激光掃描等專用設(shè)備；d)d)購買市場上已有的購買市場上已有的商業(yè)模型庫。幾何建模技術(shù)在圖形學(xué)和商業(yè)模型庫。幾何建模技術(shù)在圖形學(xué)和CADCAD領(lǐng)域，已有成熟的成果。領(lǐng)域，已有成熟的成果。 物理建模物理建模：基于物理方程的建?；谖锢矸匠痰慕?剛體建模、鏈接物體的建模及非剛體建模、

47、鏈接物體的建模及非剛體建模。剛體建模。VRVR的建模和仿真的建模和仿真 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述35VRVR的建模和仿真的建模和仿真 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述二、仿真二、仿真 包括包括：圖形繪制、三維動畫。圖形繪制、三維動畫。 圖形繪制圖形繪制：把三維環(huán)境，相對于虛擬攝像機（虛擬視點）投影，形成圖像的過程。把三維環(huán)境，相對于虛擬攝像機（虛擬視點）投影，形成圖像的過程。 要求要求： 1 1）為了提供連續(xù)運動的錯覺，幀速率須大于每秒）為了提供連續(xù)運動的錯覺，幀速率須大

48、于每秒8 8到到1010幀；幀； 2 2）為保持瞬間交互控制的錯覺，響應(yīng)時間的延遲須小于）為保持瞬間交互控制的錯覺，響應(yīng)時間的延遲須小于0.10.1秒；秒； 3 3）為繪制可分辨的所有細(xì)節(jié)，要求有至少）為繪制可分辨的所有細(xì)節(jié)，要求有至少8 8千萬個多邊形。千萬個多邊形。 然而，用今天的硬件，每個畫面然而，用今天的硬件，每個畫面8 8千萬多邊形的系統(tǒng)千萬多邊形的系統(tǒng) 對真正的實時交互是太慢對真正的實時交互是太慢了，于是存在真實圖像與實時交互間的折衷。某些應(yīng)用（如建筑和藝術(shù)）可能要了，于是存在真實圖像與實時交互間的折衷。某些應(yīng)用（如建筑和藝術(shù)）可能要求照片一樣真實的繪制。制造和醫(yī)療應(yīng)用要求更高層次

49、的實時交互。求照片一樣真實的繪制。制造和醫(yī)療應(yīng)用要求更高層次的實時交互。三維動畫的實現(xiàn)途徑：三維動畫的實現(xiàn)途徑：1 1）基于物理模型的數(shù)值計算基于物理模型的數(shù)值計算-軍事和工業(yè)等應(yīng)用，往往要求這種滿足物理規(guī)律的軍事和工業(yè)等應(yīng)用，往往要求這種滿足物理規(guī)律的仿真技術(shù)；仿真技術(shù)；2 2）數(shù)學(xué)插值數(shù)學(xué)插值-三維動畫電影等。三維動畫電影等。36虛擬現(xiàn)實開發(fā)系統(tǒng)的框圖虛擬現(xiàn)實開發(fā)系統(tǒng)的框圖 用戶通過輸入輸出設(shè)備與輸入輸出軟件用戶通過輸入輸出設(shè)備與輸入輸出軟件交互。交互。l 輸入軟件通過形狀編輯器完成幾何建模，輸入軟件通過形狀編輯器完成幾何建模，通過聲音編輯器完成虛擬聲音系統(tǒng)建模。通過聲音編輯器完成虛擬聲音

50、系統(tǒng)建模。在世界編輯器完成虛擬環(huán)境的建模。其中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。的虛擬剪切器，用于模型的剪切。l 建立的模型，保存在虛擬世界中。建立的模型，保存在虛擬世界中。l 整個工作在計算機系統(tǒng)中完成。整個工作在計算機系統(tǒng)中完成。 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述37小結(jié)小結(jié)l 虛擬現(xiàn)實或虛擬環(huán)境是人工構(gòu)造的，存在于計算機內(nèi)部的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實或虛擬環(huán)境是人工構(gòu)造的，存在于計算機內(nèi)部的環(huán)境。l 用戶應(yīng)該能夠以自然的方式與這個環(huán)境交互（包括感知環(huán)境并干預(yù)用戶應(yīng)該能夠以自然的方式與這個環(huán)境交互（包括感知環(huán)境

51、并干預(yù)環(huán)境），從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實環(huán)境中的虛幻感，沉浸感，身臨其環(huán)境），從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實環(huán)境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。境的感覺。l 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括人類操作者、人機接口和計算機。人類操作者、人機接口和計算機。 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述1 1計算機提供計算機提供“環(huán)境環(huán)境”, , 不是不是“數(shù)據(jù)數(shù)據(jù), , 信息信息”。2 2操作者由視覺操作者由視覺, ,聽覺聽覺, ,力覺感知環(huán)境力覺感知環(huán)境, , 由自然的動作操作環(huán)境。由自然的動作操作環(huán)境。3 3逼真的感知和自然的動作，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺

52、。逼真的感知和自然的動作，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺。 虛擬現(xiàn)實有下列三個特點：虛擬現(xiàn)實有下列三個特點：38虛擬現(xiàn)實中有關(guān)人的因素虛擬現(xiàn)實中有關(guān)人的因素 計算機，接口和用戶是計算機，接口和用戶是VRVR系統(tǒng)中的三個組成部分。接口設(shè)計必系統(tǒng)中的三個組成部分。接口設(shè)計必須考慮人的因素，人的因素與須考慮人的因素，人的因素與VRVR系統(tǒng)性能直接相關(guān)。下面介紹與系統(tǒng)性能直接相關(guān)。下面介紹與VRVR系統(tǒng)直接相關(guān)的人的因素問題，包括：系統(tǒng)直接相關(guān)的人的因素問題，包括：l 人眼人眼l 人耳人耳l 身體感覺身體感覺 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述39o視覺

53、生理結(jié)構(gòu)視覺生理結(jié)構(gòu)o立體視覺立體視覺o屈光度屈光度o瞳孔瞳孔o(hù)分辨力分辨力o明暗適應(yīng)明暗適應(yīng)o周圍視覺和中央視覺周圍視覺和中央視覺o視覺暫留視覺暫留o視場視場 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述虛擬現(xiàn)實中有關(guān)人的因素虛擬現(xiàn)實中有關(guān)人的因素人眼人眼現(xiàn)有的現(xiàn)有的VR系統(tǒng)中，已經(jīng)考慮的因素包括：系統(tǒng)中，已經(jīng)考慮的因素包括：立體視覺，分辨立體視覺，分辨力，視覺暫留，力，視覺暫留，以及以及視場。視場。其他因素還沒有充分考慮到。其他因素還沒有充分考慮到。 視網(wǎng)膜解剖圖視網(wǎng)膜解剖圖光感受器解剖圖光感受器解剖圖40l 圖中鉛筆的反射光線通過眼睛晶狀圖中

54、鉛筆的反射光線通過眼睛晶狀體的透鏡。于是，鉛筆的倒置圖像體的透鏡。于是，鉛筆的倒置圖像直接投影在視網(wǎng)膜上。直接投影在視網(wǎng)膜上。l 視網(wǎng)膜的桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞負(fù)責(zé)視網(wǎng)膜的桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞負(fù)責(zé)通過視神經(jīng)把信號傳給大腦。通過視神經(jīng)把信號傳給大腦。視覺系統(tǒng)的生理結(jié)構(gòu)圖視覺系統(tǒng)的生理結(jié)構(gòu)圖 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述虛擬現(xiàn)實中有關(guān)人的因素虛擬現(xiàn)實中有關(guān)人的因素人眼人眼41立體視覺立體視覺人類立體視覺的原理圖人類立體視覺的原理圖 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述虛擬現(xiàn)實中有關(guān)人的因素

55、虛擬現(xiàn)實中有關(guān)人的因素人眼人眼 視覺的另一個重要因素是立體視覺能力。提供視覺的另一個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，能使給人類視覺的圖像，必須使人感覺是立體的，能使觀看者的視覺系統(tǒng)計算出被看物體的遠(yuǎn)近。觀看者的視覺系統(tǒng)計算出被看物體的遠(yuǎn)近。 對同一個場景，兩眼得到稍有差別的視圖。對同一個場景，兩眼得到稍有差別的視圖。l 左視區(qū)的信息，送到兩眼視網(wǎng)膜的右側(cè)。左視區(qū)的信息，送到兩眼視網(wǎng)膜的右側(cè)。l 在視交叉處，左眼的一半神經(jīng)纖維交叉到大在視交叉處，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，腦的右半球，左眼的另一半神經(jīng)纖維不交叉，直接到大腦

56、的左半球。直接到大腦的左半球。l 這樣，兩眼得到的左視區(qū)的所有信息，都送這樣，兩眼得到的左視區(qū)的所有信息，都送到右半球。到右半球。 42l分辨力是人眼區(qū)分兩個點的能力，限于分辨力是人眼區(qū)分兩個點的能力，限于10m10m距離上約距離上約1.5-2mm1.5-2mm。l人眼區(qū)分兩個點的能力，在人眼區(qū)分兩個點的能力，在2m2m距離上約距離上約0.4mm0.4mm。則寬度。則寬度400mm400mm上應(yīng)該由上應(yīng)該由10001000個個0.4mm0.4mm大小的像素。大小的像素。l計算機監(jiān)視器和高清晰度電視機，都達(dá)到了這樣的分辨率。計算機監(jiān)視器和高清晰度電視機，都達(dá)到了這樣的分辨率。分辨力分辨力 現(xiàn)代仿

57、真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述虛擬現(xiàn)實中有關(guān)人的因素虛擬現(xiàn)實中有關(guān)人的因素人眼人眼43l 視覺暫留視覺暫留是視網(wǎng)膜的是視網(wǎng)膜的電化學(xué)現(xiàn)象電化學(xué)現(xiàn)象造成視覺的反應(yīng)時間。當(dāng)觀看很短的光脈沖時，造成視覺的反應(yīng)時間。當(dāng)觀看很短的光脈沖時，視桿細(xì)胞得到約視桿細(xì)胞得到約0.25s 0.25s 的峰，視錐細(xì)胞快的峰，視錐細(xì)胞快4 4倍，得到約倍，得到約0.04s0.04s的峰。這種現(xiàn)象造成的峰。這種現(xiàn)象造成視覺暫留視覺暫留 。l 臨界熔合頻率（臨界熔合頻率（Critical Fusion Frequency, CFFCritical Fusion Fre

58、quency, CFF）效果）效果會產(chǎn)生把離散圖像序會產(chǎn)生把離散圖像序列組合成連續(xù)視覺的能力，列組合成連續(xù)視覺的能力，CFFCFF最低最低20Hz20Hz，并取決于圖像尺寸和亮度。英國電視，并取決于圖像尺寸和亮度。英國電視幀頻幀頻25Hz25Hz，美國電視幀頻，美國電視幀頻30Hz30Hz。電影幀頻。電影幀頻24Hz24Hz。眼對閃爍的敏感正比于亮度，所。眼對閃爍的敏感正比于亮度，所以若白天的圖像更新率為以若白天的圖像更新率為60Hz60Hz，則夜間只要，則夜間只要30Hz30Hz。視覺暫留視覺暫留 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述虛擬

59、現(xiàn)實中有關(guān)人的因素虛擬現(xiàn)實中有關(guān)人的因素人眼人眼視場視場雙目的視場約為水平雙目的視場約為水平10001000，垂直，垂直600600，而水平的雙目重疊視場，而水平的雙目重疊視場12001200。實際。實際的全景顯示可能產(chǎn)生水平的全景顯示可能產(chǎn)生水平10001000，垂直，垂直300300視場，這已經(jīng)有強的沉浸感。視場，這已經(jīng)有強的沉浸感。44l 聲音聲音l 聲音感覺聲音感覺l 頻率范圍頻率范圍l 聲強聲強l 聲音方向聲音方向l 聲音舞臺聲音舞臺l 頭部有關(guān)的傳遞函數(shù)頭部有關(guān)的傳遞函數(shù) 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用 第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述第七章虛擬現(xiàn)實第一部分概述虛擬現(xiàn)實中有關(guān)人的因

60、素虛擬現(xiàn)實中有關(guān)人的因素人耳人耳現(xiàn)有的現(xiàn)有的VRVR系統(tǒng)中，已經(jīng)考慮的因素包括：聲音方向，聲音舞臺，系統(tǒng)中，已經(jīng)考慮的因素包括：聲音方向，聲音舞臺，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。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。 45l音速在空氣中，音速在空氣中，00時時331m/s331m/s，2020時時344m/s344m/s。在海水中，。在海水中，11時音速時音速1453m/s1453m/s。在鑄鐵棒中，音速。在鑄鐵棒中，音速3500m/s3500m/s。 耳聽到的頻率范圍約耳聽到的頻率范圍約20Hz20Hz到到20kHz20kHz。隨年歲增加，頻率范圍縮小，。隨年歲增加