虛擬制造技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)90

1、虛擬現(xiàn)實技術(shù) 4.1 虛擬現(xiàn)實的特征及基本構(gòu)成4.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展概況4.3 位置跟蹤通道4.4 視覺通道4.5 聽覺通道4.6 觸覺、力反饋4.7 虛擬場景的生成 虛擬現(xiàn)實的基本概念 1989年，美國VPL Research公司創(chuàng)始人Jaron Lanier提出了Virtual Reality（虛擬現(xiàn)實）的概念。在這里，Reality的含義是現(xiàn)實的世界，或現(xiàn)實的環(huán)境。所以，Virtual Reality（虛擬現(xiàn)實）的另一個名稱是Virtual Environment（虛擬環(huán)境）。Virtual說明，這個世界或環(huán)境是虛擬的，不是真實的。這個世界或環(huán)境是人工構(gòu)造的，是存在于計算機內(nèi)部的。用

2、戶應(yīng)該能夠進入這個虛擬的環(huán)境中。所謂進入這個虛擬的環(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)的真實環(huán)境中的虛幻感，身臨其境的感覺。 Virtual Reality（虛擬現(xiàn)實）或Virtual Environment（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。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。虛擬環(huán)境(Virtual Environment，VE)系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)系統(tǒng)包括人類操作者、人機接口和計算機。 虛擬現(xiàn)實系

3、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)實系統(tǒng)的標(biāo)志。這種觀點是不準確的。上述的虛擬現(xiàn)實的概念，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。當(dāng)前，這一領(lǐng)域還只是走出了第一步。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，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)，還缺乏研究。虛擬現(xiàn)實技術(shù) 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境，可能有下列幾種情況。 第一種情況是模仿真實世界中的環(huán)境

4、。例如，建筑物，武器系統(tǒng)，或戰(zhàn)場環(huán)境。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。為了逼真地模仿真實世界中的環(huán)境，要求逼真地建立幾何模型和物理模型。環(huán)境的動態(tài)應(yīng)符合物理規(guī)律。這一類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能，實際是系統(tǒng)仿真。 第二種情況是人類主觀構(gòu)造的環(huán)境。例如，用于影視制作或電子游戲的三維動畫。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)。這時，系統(tǒng)的動畫技術(shù)常用插值方法。 第三種情況是模仿真實世界中的人類不可見的環(huán)境。例如，分子的結(jié)構(gòu)，空氣中速度、溫度、壓力的分布等。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。對于分子結(jié)構(gòu)這類微觀環(huán)境，進行放大尺度的模仿，使

5、人能看到。對于空氣中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?。?。這一類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能，實際是科學(xué)可視化。 由此可見，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以用于系統(tǒng)仿真、科學(xué)可視化、三維動畫等領(lǐng)域。 第一種情況第二種情況虛擬現(xiàn)實的特點 基于虛擬現(xiàn)實的基本概念，可以得到虛擬現(xiàn)實的下列三個特點。 1計算機提供“環(huán)境”, 不是“數(shù)據(jù), 信息”。這改變了人機接口的內(nèi)容。 2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。這改變了人機接口的形式。 3逼真的感知和自然的動作，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺。這改變了人機接口的效果。 第一個特

6、點體現(xiàn)了計算機應(yīng)用的新方向。計算機的名稱體現(xiàn)了，它的最早應(yīng)用是計算。當(dāng)時，計算機和用戶交互的是計算有關(guān)的數(shù)值。此后，計算機擴大到處理數(shù)值，字符串，文本等各類數(shù)據(jù)。以后，計算機更擴大到處理圖像，圖形，聲音，語言等多種媒體的信息。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)則以環(huán)境為計算機處理的對象和人機交互的內(nèi)容。這開拓了計算機應(yīng)用的新思路。 第二個特點體現(xiàn)了計算機人機接口的新方向。至今為止的計算機人機接口都是面向機器的。終端，鍵盤，鼠標(biāo)，打印機等接口設(shè)備，都是適應(yīng)計算機的專用設(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)實中的人機接口，則是面向用戶的。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，用戶以自然的方式與虛擬環(huán)境交互。所謂自然的方

7、式，是指用戶通過視覺，聽覺，觸覺等感覺虛擬環(huán)境，使用戶產(chǎn)生在真實環(huán)境中的幻覺。同時，用戶通過在真實環(huán)境中的行為，去干預(yù)虛擬環(huán)境。于是，虛擬現(xiàn)實的人機接口設(shè)備，完全不同于現(xiàn)有計算機的人機接口設(shè)備。這也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)中最有特色的內(nèi)容。 第三個特點體現(xiàn)了計算機人機接口的新要求。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)實的應(yīng)用領(lǐng)域 1娛樂2國防3設(shè)計、制造和銷售4醫(yī)療和健康5危險操作6訓(xùn)練7教育8信息可視化9遠程交往與遠程游歷 虛擬現(xiàn)實技術(shù) 1VR的人機接口 2VR的計算機系統(tǒng) 3VR的建模和仿真1VR的人機接口VR的人機接口有兩個作用：其一是給人類操作者提供

8、環(huán)境信息（視覺、聽覺和觸覺），其二是感覺人類操作者的動作和響應(yīng)（位置跟蹤和映射）。前者包括：視覺通道、聽覺通道、觸覺通道、運動接口和其他接口。后者包括：位置跟蹤和映射，語音識別等。（1）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置和姿態(tài)，分析判斷人面部的表情。它的目的是了解人的身體行為。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)?shù)捻憫?yīng)，實現(xiàn)交互。常用的技術(shù)包括：機械鏈接、磁傳感器、聲傳感器、光傳感器和慣性傳感器。基本目標(biāo)是精確完成位置和姿態(tài)的測量。三個主要的要求：大范圍的線性響應(yīng)，高帶寬（1kHz），以及允許頭和身體的運動。 （2）視覺通道視覺通道給人

9、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)該滿足一些要求。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)。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)。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，理想情況是顯示畫面充滿整個視場。視覺通道的顯示表面分為：基于CRT和基于LCD。視覺通道的光學(xué)系統(tǒng)分為：頭盔顯示(HMD)和非頭盔顯示(OHD)。 專用頭盔圖 （3） 聽覺通道聽覺通道給人的聽覺系統(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)該滿足一些要求，使人感覺置身于立體的聲場之中，能識別聲音的類型和強度，能判定聲源的位置。聽覺通道的關(guān)鍵技術(shù)

10、包括：合成由接口提供的虛擬聲音信號，聲音在虛擬空間定位問題，以及發(fā)聲設(shè)備。（4） 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，包括觸覺反饋和力覺反饋。觸覺通道的結(jié)構(gòu)分為：安在身體上和安在地面的設(shè)備。 （5） 運動接口人體在環(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)，身體主動運動（漫游，如散步）。人在運動中，人體內(nèi)部的運動感覺器官可以感知運動信息。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，動覺和觸覺。運動接口應(yīng)該給這些器官提供運動信息。 （6）

11、 其它類型接口其它類型接口包括：嗅覺、味覺通道，以及感覺熱、風(fēng)及濕度的接口。還包括語音通訊（語音識別與合成）以及直接心理感覺和控制。這些接口還缺乏研究，以下將不介紹。 2VR的計算機系統(tǒng) 現(xiàn)有的虛擬顯示系統(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，VR的計算機系統(tǒng)主要考慮視覺通道的要求。（1） 硬件視覺通道對計算機系統(tǒng)的要求，首先是要求維持足夠的圖形幀速率。于是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。同時要求提供足夠好質(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。（

12、2） 軟件VR系統(tǒng)中的軟件主要包括下列幾種。交互軟件利用人機控制設(shè)備的輸出去修改VE。視覺漫游軟件控制用戶在VE中運動時看到的場景。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的實時多模態(tài)要求。（3） 網(wǎng)絡(luò)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算環(huán)境。 3VR的建模和仿真（1）建模建模包括：幾何建模和物理建模。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。市場上已有商業(yè)模型庫出售。對實際物體的建模，則采用激光掃描等專用設(shè)備。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

13、及非剛體的建模。智能體的建模不是基于物理方程，而是基于人為的物體智能。人工建模技術(shù)在圖形學(xué)和CAD領(lǐng)域，已有成熟的成果。自動建模采用激光掃描建立幾何模型，也已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品。自動建立物理模型的研究還不多。（2）仿真 仿真包括：圖形繪制和三維動畫。 圖形繪制是把三維環(huán)境，相對于虛擬攝像機（虛擬視點）投影，形成圖像的過程。為了提供連續(xù)運動的錯覺，幀速率必須大于每秒8到10幀。為了保持瞬間交互控制的錯覺，響應(yīng)時間的延遲必須小于0.1秒。為了繪制人眼可分辨的所有細節(jié)，這要求有8千萬個多邊形。這是對于圖形繪制的要求。然而，用今天的硬件，每個畫面8千萬多邊形的系統(tǒng)對真正的實時交互是太慢了，于是存在真實圖像與

14、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)用要求更高層次的實時交互。三維動畫可以用兩種途徑實現(xiàn)。基于物理模型的數(shù)值計算是一種方法。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)。數(shù)學(xué)插值則是另一種實現(xiàn)動畫的方法。這種技術(shù)在三維動畫電影中獲得了巨大的成功。 下圖表示，虛擬現(xiàn)實開發(fā)系統(tǒng)的方塊圖。用戶通過輸入輸出設(shè)備與輸入輸出軟件交互。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。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。整個工作在計算機系統(tǒng)中完成。 虛擬現(xiàn)實的接口設(shè)備

15、 位姿傳感器視覺顯示聽覺顯示力覺和觸覺顯示 1位姿傳感器的要求機器人、生物學(xué)、建筑、CAD、教育等應(yīng)用領(lǐng)域，都要求知道運動物體實時的位置和方向。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)則要求知道人體各部分實時的位置和方向。 （1）3-D空間中的運動的剛體具有三個平移三個平移（沿著X、Y和Z軸）和三個轉(zhuǎn)動三個轉(zhuǎn)動（偏航、俯仰和滾動）。（2）在物體以高速運動時物體以高速運動時，應(yīng)該足夠快地測出這六個數(shù)值。（3）3-D測量不應(yīng)妨礙物體運動不應(yīng)妨礙物體運動。非接觸式測量（低頻磁場、超聲、雷達、紅外攝像和LED等）已經(jīng)代替機械臂等接觸式測量。（4）3-D傳感器都具有一些共同的參數(shù)。 位姿跟蹤常用的性能參數(shù)有：精度，分辨率，采樣率，

16、執(zhí)精度，分辨率，采樣率，執(zhí)行時間，范圍，工作空間，價格，障礙，方便，對模糊的敏行時間，范圍，工作空間，價格，障礙，方便，對模糊的敏感，容易校準，同時測量的數(shù)目，方向相對位置跟蹤感，容易校準，同時測量的數(shù)目，方向相對位置跟蹤。 （5）人體并非剛體。上述六個數(shù)值只能描述人體整體的運動，人體各部分之間的相對運動各部分之間的相對運動也應(yīng)該測量。 （6）位姿跟蹤和映射是VE系統(tǒng)的基本要求。常用的要求包括：（a）視覺顯示對頭和眼的跟蹤；（b）觸覺接口對手和臂的跟蹤；（c）視覺顯示對身體的跟蹤；（d）面部表情識別、虛擬衣服和醫(yī)用遙控機器人的映射；（e）建立數(shù)字化幾何模型的環(huán)境映射。 （7）一種工作方式（“流

17、動”方式）中，傳感器數(shù)據(jù)連續(xù)送給主計算機。這最適于快速運動的物體。但是這加重了通信線路的負擔(dān)。如果要求以30個畫面/秒的速率重復(fù)計算，則每33毫秒要畫出一個畫面。9600波特率的串行口要花費12毫秒傳送6個數(shù)的一組數(shù)據(jù)（每個數(shù)有16 bit）。因此，僅僅通信就要花費33毫秒的36%。 另一種工作方式（“請求”方式）中，當(dāng)主計算機請求時，才傳送一組的6個數(shù)。其它時間不讀傳感器數(shù)據(jù)，于是總體畫面更新時間中的通信時間部分就下降了。 （8） 用于位姿跟蹤和映射的基本傳感系統(tǒng)有：機械鏈接，磁傳感器，光傳感器，聲傳感器和慣性傳感器。 2各種位姿跟蹤器的比較如下：3研究要求 一般，位置跟蹤器要求合適的性能和

18、合理的價格。對肢體跟蹤，某些光學(xué)傳感器是精確快速的，但對日常應(yīng)用太貴（在5萬到10萬美元范圍），特別是為了防止阻擋和增加工作空間而加倍安裝時。肢體跟蹤的任何傳感系統(tǒng)難以識別可靠的基準點，這是由于人體組織和衣服的柔軟性。為了得到關(guān)節(jié)角，必須使用某些校準過程，在肢體上建立坐標(biāo)系。此后的關(guān)節(jié)角計算將接近真實的生物機械角。對整個人體跟蹤，工作空間大小是重要問題。應(yīng)該能在足夠大的空間跟蹤運動人體，并且不會損失分辨率，不必擔(dān)心遮擋。被跟蹤的人應(yīng)能在建筑中由一個房間走到另一個房間。如果人體所有主要部分都被跟蹤，則要求安裝某些東西在人體上（反光器，標(biāo)記，測角器）的傳感系統(tǒng)，不如掃描人體的系統(tǒng)有吸引力。對人體和

19、環(huán)境表面映射，某些激光跟蹤器是精確而快速的，但還較貴。VE的長期目標(biāo)是高精度實時跟蹤人體的光學(xué)映射系統(tǒng)。這可能是用自然光或主動激光掃描的立體視覺系統(tǒng)。測量方法是在選擇位置跟蹤方法時最易混淆的一個問題，問題是性能指標(biāo)的含義及測量方法之間的不一致。應(yīng)建立標(biāo)準，指出怎樣測精度、分辨率、等待時間、帶寬、敏感干擾、和起伏。測量設(shè)備應(yīng)商品化，應(yīng)建立獨立的實驗室，使用戶不至依賴廠家指標(biāo)，而是了解真實性能。 機械式傳感器 1原理：機械式傳感器可分兩類：安在身體上的機械跟蹤器中，機械全部安在身上。安在地面上的機械跟蹤器中，機械部分安在地面。2機械式傳感器的優(yōu)缺點：機械式傳感器：是便宜的，比較精確?？梢詼y量整個身

20、體運動，沒有延遲。可以同時實現(xiàn)力反饋。但妨礙身體運動 （1）測角器（安在身體上的機械跟蹤器）（2）安在地面上的鏈接3-D探頭 傳感手套是為滿足上述要求而設(shè)計的虛擬現(xiàn)實工具。商業(yè)化的產(chǎn)品有VPL公司的DataGlove，Vertex的CyberGlove，Mattel的PowerGlove，和Exos Dextrous Hand Master。它們都用傳感器測量全部或部分手指關(guān)節(jié)的角度。某些傳感手套還用3-D傳感器跟蹤用戶手腕的運動。手套的工作區(qū)大于跟蹤球和手柄（探頭）的工作區(qū)。下圖表示，人手指的各種運動。 把原始的傳感器讀數(shù)變成手指關(guān)節(jié)角的過程稱為手套校準。每當(dāng)開始一次新的仿真，戴上數(shù)據(jù)手套時

21、，都必須重新作校準。這是因為不可能知道是否用戶把手套松緊合適地戴在手指上。下圖表示，數(shù)據(jù)手套DataGlove的結(jié)構(gòu)。 電磁傳感器 電磁傳感器測量頭，手，其他設(shè)備的位姿。測量三個坐標(biāo)，以及三個姿態(tài)角度。 下圖表示，電磁傳感器用于測量頭盔的位姿。輕便的電磁接受器部分安裝在頭盔上，電磁發(fā)射器安裝在地面。 超聲傳感器 超聲傳感器同樣測量頭，手，其他設(shè)備的位姿。測量三個坐標(biāo)，以及三個姿態(tài)角度。 下圖表示使用超聲傳感器的示意圖。在用戶頭部前額上的正三角形架子上安裝了三個超聲接受器，另一個大的正三角形架子上安裝了三個超聲發(fā)射器。 視覺顯示 理想的視覺顯示與日常經(jīng)歷中的場景對比，在質(zhì)量、修改率和范圍方面應(yīng)該

22、是無法區(qū)分的。但是當(dāng)前的技術(shù)還不支持這種高真實度的視覺顯示，而且也不清楚是否多數(shù)應(yīng)用要求這種高真實度。對任何給定的應(yīng)用，必須認真評價各種顯示特性的重要性，這包括視覺特性（視場、分辨率、亮度、對比和彩色），人類工程學(xué)，安全，可靠和價格。視覺顯示的基本要求是提供立體視覺。 對虛擬現(xiàn)實（VR），最常用的技術(shù)成熟的顯示類型是陰極射線管（CRT）和背光液晶顯示（LCD）。雖然這些技術(shù)對近期的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用是很有用的，但幾個缺點卻妨礙其長期的發(fā)展。1CRT類顯示2LCD類顯示 CRT技術(shù)是多年來在電視機和計算機監(jiān)視器上廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)。CRT技術(shù)能給頭盔顯示器提供小的高分辨率高亮度的單色顯示。但這些CRT

23、較重，并把高電壓放在人頭部上的設(shè)備中。此外，開發(fā)小型高分辨率高亮度彩色CRT是困難的。在頭盔顯示中，要求笨重的光學(xué)設(shè)備形成高質(zhì)量圖像。組合的技術(shù)途徑可產(chǎn)生高質(zhì)量彩色圖像，并減少重量和價格。近期的途徑是把高質(zhì)量彩色的基于CRT的HMD（頭盔顯示器）引入市場，它使用了加于單色CRT的機械電子彩色濾光技術(shù)。這種途徑中，CRT以三倍正常速率掃描，并依次加上紅、綠、蘭三色的濾光器。 LCD技術(shù)以低電壓產(chǎn)生彩色圖像，但只具有很低的圖像元密度。在頭盔顯示中，也要求笨重的光學(xué)設(shè)備形成高質(zhì)量圖像。 市場出售的頭盔式顯示器幾乎全部依靠TV（電視機）質(zhì)量的液晶顯示。在VR和遙操作領(lǐng)域，不要求大區(qū)域顯示。只要求緊湊的

24、輕便的高分辨率顯示。LCD顯示器有待提高其分辨率。 3VRD類顯示 與基于CRT或LCD的顯示器不同的工作是在華盛頓大學(xué)人類接口接術(shù)（HIT）實驗室。HIT實驗室正研究基于激光微掃描技術(shù)的顯示VRD，它用微型固體激光器掃描視網(wǎng)膜上的彩色圖像。它的優(yōu)點是不使用笨重的光學(xué)設(shè)備，可能開發(fā)高分辨率、輕便、低價格顯示系統(tǒng)。但激光微掃描顯示還面對大量技術(shù)障礙。 VRD的應(yīng)用包括用于軍事，頭盔，移動電話，以及醫(yī)學(xué)上。 下圖表示，VRD的顯示設(shè)備用于頭盔顯示器。 未來的VRD的頭盔顯示器 視覺顯示的產(chǎn)品幾種基于LCD的頭盔產(chǎn)品 視覺顯示的產(chǎn)品基于CRT的頭盔產(chǎn)品 聽覺顯示 虛擬環(huán)境的聽覺接口應(yīng)能給兩耳提供一對

25、聲波。 (1)它應(yīng)有高逼真性， (2)能以預(yù)訂方式改變波形，作為聽者各種屬性和輸出的函數(shù)(包括頭部位姿變化)，(3)排除所有不是VR系統(tǒng)產(chǎn)生的聲源(如真實環(huán)境背景聲音)。對增強現(xiàn)實系統(tǒng)可以放松上述條件(3)，它的意圖是組合合成聲音與真實聲音。 聲音顯示設(shè)備 一般講，用耳機最容易達到虛擬現(xiàn)實的要求。在使用喇叭，并遠離頭部時，每個耳朵聽到每個喇叭的聲音，控制問題很困難。雖然商業(yè)化的高逼真電影往往聲稱喇叭有很好的形成聲象能力，但用戶限制在房中單一收聽位置，只得到固定方位聲象（不補償頭部轉(zhuǎn)動），而且房間的聲學(xué)特性不容易處理。此外，由于耳朵完全打開,不可能排除環(huán)境中附加的聲音。最后，雖然與耳機有關(guān)的接觸

26、感可能限制聽覺臨場感的程度，但是由于用戶需要在虛擬和真實環(huán)境之間來回轉(zhuǎn)移，這種與耳機接觸可能是有用的。在任何情況，由于視覺接口會存在這些問題。在需要喇叭的情況下，可能發(fā)生高能低頻聲爆破。這種情況，喇叭可能用于振動部分身體，而不僅是耳膜。房間聲音建模 1聲音的空間分布虛擬環(huán)境聽覺接口以前多數(shù)工作是要提供聲音的空間分布。在這個領(lǐng)域，工作最初集中在仿真正常的空間分布。很少注意提供超正常分布。2房間聲學(xué)建模當(dāng)前，Acoustetron是唯一的包含簡化的房間實時聲學(xué)建模的實時聲音空間定位系統(tǒng)。即使聲學(xué)模型是簡單的，并只有少量一階和二階反射，系統(tǒng)提供了加強的現(xiàn)實性。3增強現(xiàn)實顯示 力覺和觸覺顯示 1接觸反

27、饋和力反饋 接觸接口可以按照提供給用戶的信息分成兩類，接觸反饋和力反饋。接觸反饋給用戶提供的信息有：物體表面幾何形狀、表面紋理、滑動等。力反饋給用戶提供的信息有：總的接觸力、表面柔順、物體重量等。接觸接口還可以分成：部分身體運動接口，以及全身運動接口。部分身體運動接口，安裝在人體的一部分，如手、臂、軀干等。全身運動接口則全面支持在虛擬環(huán)境中的主動和被動的運動，但這種接口技術(shù)還遠未成熟。機械接觸接口的一個重要的指標(biāo)是：自由度（DoF）。由操作器的觀點看，自由度是關(guān)節(jié)的數(shù)目。這些關(guān)節(jié)是位置受控的，也是力矩受控的。 2接觸反饋和力反饋的要求 在虛擬現(xiàn)實交互中，沒有真實的被抓物體。虛擬接觸反饋和力反饋

28、需要復(fù)制實時計算的接觸力、表面形狀、平滑性和滑動等。除了對所有傳感通道的實時要求外，對虛擬接觸反饋和力反饋還有某些特殊要求。 3 接觸反饋和力反饋的技術(shù) 接觸接口需要幾種機械部件，以及描述環(huán)境性質(zhì)的模型和軟件。至今還只有很少的接觸反饋和力反饋設(shè)備。他們采用下列的技術(shù)。（1）軟件和模型（2）心理物理學(xué)（3）作用器 觸覺顯示設(shè)備 接觸反饋在物體辨識與操作中起重要作用。它也檢測開始接觸，所以在任何力反饋系統(tǒng)中也是需要的。人體具有二十種不同類型的神經(jīng)末梢，給大腦發(fā)送信息。多數(shù)感知器是熱、冷、疼、壓、接觸等感知器。接觸接口給這些感知器提供：高頻震動、形狀或壓力分布、溫度分布等信息。 接觸反饋設(shè)備有下列幾

29、種 1氣動接觸反饋 2振動觸覺反饋力覺顯示設(shè)備 力反饋設(shè)備應(yīng)該跟蹤用戶身體的運動，以及用戶施加的力。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，力反饋設(shè)備確定它加給用戶的力。這種接口的目標(biāo)是給用戶提供立即的，高逼真的，可信的真實交互。力反饋手柄力反饋手臂 手臂有重力和慣性補償，于是在與虛擬環(huán)境無交互時在手柄上也不感到力。 （a）為系統(tǒng)布局，（b）為手臂的結(jié)構(gòu) 虛擬場景的生成虛擬場景的生成主要包括兩方面內(nèi)容： 虛擬環(huán)境的建模及三維圖形顯示。 幾何對象的完整描述應(yīng)包括兩方面，其一稱為“靜態(tài)模型”，他描述對象的靜態(tài)特征，包括幾何尺寸、形狀特征、位置、方向、材料及有關(guān)屬性；其二稱之為“動態(tài)模型”，他描述對象的動態(tài)屬性，包括其運動、

30、行為及其約束條件等。1、虛擬場景靜態(tài)模型的建立 靜態(tài)模型的描述一般分為：幾何模型，光照模型、灰度模型、紋理處理、渲染效果等。2、虛擬場景動態(tài)模型的建立 虛擬場景動態(tài)模型建立主要涉及兩個方面的內(nèi)容，其一是如何確定場景中每一個對象運動過程中的坐標(biāo)（包括絕對坐標(biāo)與相對坐標(biāo)），其二是當(dāng)視點變化時場景如何動態(tài)刷新。2 虛擬現(xiàn)實技術(shù) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種三維計算機圖形技術(shù)與計算機硬件技術(shù)發(fā)展虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種三維計算機圖形技術(shù)與計算機硬件技術(shù)發(fā)展而實現(xiàn)的高級人機交互技術(shù)，讓用戶通過視覺、聽覺、觸覺、甚至嗅而實現(xiàn)的高級人機交互技術(shù)，讓用戶通過視覺、聽覺、觸覺、甚至嗅覺和味覺等多種知覺方式實時地與計算機所建造的

31、仿真環(huán)境發(fā)生相互覺和味覺等多種知覺方式實時地與計算機所建造的仿真環(huán)境發(fā)生相互作用。作用。虛擬現(xiàn)實（虛擬現(xiàn)實（VR-Virtual Reality) VR技術(shù)是綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和各種顯示和控制等接口設(shè)技術(shù)是綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和各種顯示和控制等接口設(shè)備，在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術(shù)。備，在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術(shù)。VR技術(shù)的直觀與交互特性彌補了傳統(tǒng)設(shè)計工具的不足技術(shù)的直觀與交互特性彌補了傳統(tǒng)設(shè)計工具的不足為概念設(shè)計，設(shè)計方案的評價提供了有力的支持為概念設(shè)計，設(shè)計方案的評價提供了有力的支持VR技術(shù)是一個極有應(yīng)用潛力的新技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)是一個

32、極有應(yīng)用潛力的新技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)實現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征 1）立體感的視覺效果）立體感的視覺效果 由內(nèi)向外觀察，按人的視覺原理設(shè)計，環(huán)境真實感由內(nèi)向外觀察，按人的視覺原理設(shè)計，環(huán)境真實感 2）人在虛擬環(huán)境中的沉浸感）人在虛擬環(huán)境中的沉浸感 用戶在虛擬空間處于運動坐標(biāo)系中。用戶在虛擬空間處于運動坐標(biāo)系中。 3）多知感）多知感 借助多媒體，產(chǎn)生視覺、聽覺、觸覺感。借助多媒體，產(chǎn)生視覺、聽覺、觸覺感。 4）閉環(huán)的交互方式）閉環(huán)的交互方式 人對虛擬空間的對象進行操作時，對象將給人以感覺上的反饋人對虛擬空間的對象進行操作時，對象將給人以感覺上的反饋 5）動態(tài)的顯示）動態(tài)的顯示 場景可隨人的視

33、點作全方位的運動場景可隨人的視點作全方位的運動 虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供：具有獨特輸入虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供：具有獨特輸入/輸出裝置的特殊人機界面，如輸出裝置的特殊人機界面，如頭盔式顯示器頭盔式顯示器HMD、跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、定位器等。借助這些虛擬外跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、定位器等。借助這些虛擬外設(shè)，比之傳統(tǒng)設(shè)，比之傳統(tǒng)CAD技術(shù)，用戶就可沉浸在仿真環(huán)境之中，有技術(shù)，用戶就可沉浸在仿真環(huán)境之中，有“身臨其身臨其境境”的感覺，從而完成在現(xiàn)實世界中可能或不可能的工作的感覺，從而完成在現(xiàn)實世界中可能或不可能的工作虛擬現(xiàn)實環(huán)境的建立虛擬現(xiàn)實環(huán)境的建立虛擬現(xiàn)實環(huán)境的建立虛擬現(xiàn)實環(huán)境的建立虛擬現(xiàn)實環(huán)境的建立虛擬現(xiàn)實環(huán)境的建立

34、虛擬現(xiàn)實環(huán)境的建立虛擬現(xiàn)實環(huán)境的建立虛擬現(xiàn)實環(huán)境建模虛擬現(xiàn)實環(huán)境建模虛擬現(xiàn)實對計算機系統(tǒng)的要求1幀頻和延遲時間的要求 VR要求高幀頻和快速響應(yīng)，這是由于其內(nèi)在的交互性質(zhì)。 要求的幀頻和延遲一般取決于環(huán)境特性。只有慢速運動物體的較靜的環(huán)境，可以用幀頻每秒8至10，和0.1秒延遲。如果環(huán)境有高速運動的物體，則要求高幀頻（60Hz）和短延遲。所有情況下，若幀頻低于每秒8幀，則失去三維環(huán)境的生動感，若延遲大于0.1秒，則很難操作環(huán)境。因此，幀頻必須大于8到10幀/秒,總延遲必須小于0.1秒。 2計算能力和場景復(fù)雜性 虛擬現(xiàn)實仿真的計算問題，是一種時間受限的計算。這是因為顯示的幀頻必須大于8到10幀/秒

35、。于是，在0.1秒內(nèi)，必須完成一次場景的計算。如果一個顯示的場景中有10,000個三角形（或多邊形），這個數(shù)量就反映了場景復(fù)雜性。這樣，在每秒進行的10次計算中，就應(yīng)該計算100,000個三角形（或多邊形）。這表示了計算能力。 若要求更加逼真的仿真效果，就要增加場景復(fù)雜性。顯示的場景中有更多的三角形（或多邊形），顯示的效果就更逼真。這就要求更強的計算能力，每秒計算更多的三角形（或多邊形）。反之，如果只能使用能力有限的指定的計算機，則限定了計算能力，也就限定了場景復(fù)雜性。每個場景，只能用較少的三角形（或多邊形），產(chǎn)生較粗糙的顯示。這種考慮就是，計算能力和場景復(fù)雜性的折衷。 對計算機，主要的技術(shù)指

36、標(biāo)就是其計算能力，也就是每秒計算的三角形（或多邊形）的數(shù)目。應(yīng)該注意，是否加紋理，是否反走樣，采用哪一種明暗模型，都會影響到計算能力。加入這些復(fù)雜的功能，就會增加計算復(fù)雜性，從而減少每秒計算的三角形（或多邊形）的數(shù)目。 虛擬現(xiàn)實環(huán)境建模虛擬現(xiàn)實環(huán)境建模虛擬現(xiàn)實環(huán)境建模虛擬現(xiàn)實環(huán)境建模虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備攝像機攝像機攝像機攝像機兩極發(fā)光管兩極發(fā)光管指向標(biāo)指向標(biāo)兩極發(fā)光管兩極發(fā)光管天花板天花板帶傳感器的頭盔帶傳感器的頭盔傳感器傳感器激光掃描儀激光掃描儀虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備 將用戶手的姿勢轉(zhuǎn)化成計算機可讀的數(shù)據(jù)，有測量幾個或全部手將用戶手的姿勢

37、轉(zhuǎn)化成計算機可讀的數(shù)據(jù)，有測量幾個或全部手指關(guān)節(jié)的傳感器。有的具有三維傳感器，以跟蹤用戶腕部的運動指關(guān)節(jié)的傳感器。有的具有三維傳感器，以跟蹤用戶腕部的運動基于光導(dǎo)衰減有利的光纖手套基于光導(dǎo)衰減有利的光纖手套CyberGrasp虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備 CAVE（六面）示意圖六面）示意圖虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)備虛擬現(xiàn)實環(huán)境應(yīng)用虛擬現(xiàn)實環(huán)境應(yīng)用虛擬現(xiàn)實環(huán)境應(yīng)用虛擬現(xiàn)實環(huán)境應(yīng)用虛擬現(xiàn)實環(huán)境應(yīng)用虛

38、擬現(xiàn)實環(huán)境應(yīng)用虛擬現(xiàn)實環(huán)境應(yīng)用虛擬現(xiàn)實環(huán)境應(yīng)用虛擬現(xiàn)實環(huán)境應(yīng)用虛擬現(xiàn)實環(huán)境應(yīng)用虛擬現(xiàn)實環(huán)境應(yīng)用虛擬現(xiàn)實環(huán)境應(yīng)用虛擬現(xiàn)實的建模和仿真技術(shù) 虛擬現(xiàn)實的幾何建模技術(shù) 虛擬現(xiàn)實的物理建模技術(shù) 虛擬現(xiàn)實仿真的動畫技術(shù) 環(huán)境模型的表示 建模是VR的核心,它定義物體的形式、屬性和外觀。多模式VR的一個重要的技術(shù)難點是設(shè)計開發(fā)物體表示、仿真和繪制(RSR)技術(shù)。它支持實時與VR的視聽觸覺交互。RSR處理有兩個主要途徑。 人工的幾何建模方法 建立詳細的三維幾何模型的要求是來自計算機輔助設(shè)計(CAD)，計算機圖形學(xué)，和其它領(lǐng)域。幾何建模是活躍的科學(xué)和工業(yè)研究領(lǐng)域，已經(jīng)可以得到大量的商業(yè)建模系統(tǒng)。盡管有豐富的工具，還是把建