論文匯報(bào)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀ppt課件

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的 研討與開展現(xiàn)狀.主講內(nèi)容技術(shù)概論相關(guān)技術(shù)建模言語開展歷程技術(shù)概念系統(tǒng)特征簡單引見VRML開展史 系統(tǒng)分類開展與運(yùn)用系統(tǒng)組成VRML運(yùn)用 研討現(xiàn)狀 開展趨勢 運(yùn)用 VRML根本特點(diǎn) .虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念 虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，簡稱VR)，又譯為臨境，靈境技術(shù)等。是以沉浸性、交互性和想象性為根本特征的計(jì)算機(jī)高級人機(jī)界面。經(jīng)過視、聽、觸等感知行為使得用戶產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的覺得，并與虛擬環(huán)境相互作用從而引起虛擬環(huán)境的實(shí)時變化，并可以經(jīng)過言語、手勢等自然的方式與之進(jìn)展實(shí)時交互，創(chuàng)建了一種適人化的多維信息空間，具有寬廣的運(yùn)用前景 .開展歷程20 世紀(jì)50 年代至70

2、年代,是VR 技術(shù)的預(yù)備階段；80 年代初至80 年代中期,是VR 技術(shù)系統(tǒng)化、開場走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)踐運(yùn)用的階段； 80 年代末至90 年代初,是VR 技術(shù)迅猛開展的階段 ；.第一階段 5070 年代,為虛擬現(xiàn)實(shí)的探求階段。1965 年由美國的Morton Heileg 開發(fā)了一個稱做Sensorama 的摩托車仿真器,不僅具有三維視頻及立體聲效果,還能產(chǎn)生風(fēng)吹的覺得和街道氣味。1968年,美國計(jì)算機(jī)科學(xué)家I1E1Sutherland 在哈佛大學(xué)組織開發(fā)了第一個計(jì)算機(jī)圖形驅(qū)動的頭盔顯示器HMD 及頭部位置跟蹤系統(tǒng),成為VR 技術(shù)開展史上的一個重要里程碑,為虛擬現(xiàn)實(shí)的開展奠定了根底。.第二階段8

3、0 年代初至80 年代中期,開場構(gòu)成VR 技術(shù)的根本概念,開場由實(shí)驗(yàn)進(jìn)入適用階段,其重要標(biāo)志是:1985 年在Michael Mc Greevy 指點(diǎn)下完成的VIEW 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),配備了數(shù)據(jù)手套和頭部跟蹤器,提供了手勢、言語等交互手段,使VIEW 成為名副其實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),成為后來開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)的體系構(gòu)造。其他如VPL 公司開發(fā)了用于生成虛擬現(xiàn)實(shí)的RB2 軟件和Data Glove 數(shù)據(jù)手套,為虛擬現(xiàn)實(shí)提供了開發(fā)工具。.第三階段80 年代末至90 年代初,為虛擬現(xiàn)實(shí)全面開展階段。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)曾經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)階段走向了市場的適用階段,對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研討也從根本實(shí)際和系統(tǒng)構(gòu)成的研討轉(zhuǎn)向運(yùn)用過

4、程中所遇到的詳細(xì)問題的討論。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中只需各種交互設(shè)備還不夠,還必需提供根本的軟件支撐環(huán)境,用戶能方便地構(gòu)造虛擬環(huán)境并與虛擬環(huán)境進(jìn)展高級交互。 .系統(tǒng)特征主要借助于VR 系統(tǒng)中的特殊硬件設(shè)備、運(yùn)用戶能經(jīng)過自然的方式，產(chǎn)生同在真實(shí)世界中一樣的覺得。 指用戶感遭到被虛擬世界所包圍，好似完全置身于虛擬世界之中一樣。 指虛擬的環(huán)境是人想象出來的，同時這種想象表達(dá)出設(shè)計(jì)者相應(yīng)的思想，因此可以用來實(shí)現(xiàn)一定的目的。 沉浸性交互性想象性.系統(tǒng)組成 計(jì)算機(jī) 輸入輸出設(shè)備 運(yùn)用軟件系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫 用戶.系統(tǒng)分類VR系統(tǒng)加強(qiáng)式 桌面式 沉浸式 分布式.沉浸式VR 系統(tǒng)沉浸式 VR 系統(tǒng)提供完全沉浸的體驗(yàn)，運(yùn)用戶

5、有一種完全置身于虛擬世界之中的覺得。它通常把參與者的視覺、聽覺和其他覺得封鎖起來，并提供一個新的、虛擬的覺得空間，利用空間位置跟蹤定位設(shè)備、數(shù)據(jù)手套、其他手控輸入設(shè)備、聲音設(shè)備等使得參與者產(chǎn)生一種完全投入并沉浸于其中的覺得，是一種較理想的VR 系統(tǒng)。 .桌面式VR 系統(tǒng)桌面式 VR 系統(tǒng)也稱窗口VR，它是利用個人計(jì)算機(jī)或圖形任務(wù)站等設(shè)備，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景，利用計(jì)算機(jī)的屏幕作為察看虛擬世界的一個窗口，經(jīng)過各種輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)與虛擬世界的交互。.加強(qiáng)式VR 系統(tǒng)加強(qiáng)式VR 系統(tǒng)簡稱加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR，它既允許用戶看到真實(shí)世界，同時也能看到疊加在真實(shí)世界上的虛擬對象，它

6、是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來的一種系統(tǒng)，既可減少構(gòu)成復(fù)雜場景的開銷，又可對實(shí)踐物體進(jìn)展操作，真正到達(dá)了亦真亦幻的境界。在加強(qiáng)式VR 系統(tǒng)中，虛擬對象所提供的信息往往是用戶無法憑仗其本身覺得器官直接感知的深層信息，用戶可以利用虛擬對象所提供的信息來加強(qiáng)對現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知，這就是加強(qiáng)式VR 系統(tǒng)。.分布式VR 系統(tǒng) 分布式VR 系統(tǒng)DVR是一個較為典型的實(shí)例。DVR 系統(tǒng)是VR 技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展和結(jié)合的產(chǎn)物，是一個在網(wǎng)絡(luò)的虛擬世界中，位于不同物理位置的多個用戶或多個虛擬世界，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)銜接成共享信息的系統(tǒng)。 .環(huán)境建模 技術(shù) 實(shí)時三維圖 形繪制技術(shù) 三維虛擬聲音的顯示技術(shù) 自然交互與傳感技術(shù) 碰撞

7、檢測技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的相關(guān)技術(shù).Title物理建模技術(shù)幾何建模技術(shù)行為建模技術(shù)環(huán)境建模技術(shù).幾何建模技術(shù)幾何建模技術(shù)主要研討對象是對物體幾何信息的表示與處置，它是涉及表示幾何信息數(shù)據(jù)構(gòu)造，以及相關(guān)的構(gòu)造與支配數(shù)據(jù)構(gòu)造的算法建模方法。 .物理建模技術(shù) 建模技術(shù)進(jìn)一步開展的產(chǎn)物是物理建模，也就是在建模時要思索對象的物理屬性。典型的物理建模技術(shù)有分形技術(shù)和粒子系統(tǒng)。 .行為建模技術(shù) 行為建模技術(shù)主要研討的是物體運(yùn)動的處置和對其行為的描畫，表達(dá)了虛擬環(huán)境中建模的特征。 .基于幾何圖形的實(shí)時繪制技術(shù) 基于圖像的實(shí)時繪制技術(shù) .實(shí)時三維圖 形繪制技術(shù) . 基于幾何圖形的實(shí)時繪制技術(shù) 為了保證三維圖形的顯

8、示能實(shí)現(xiàn)刷新頻率不低于30 幀/秒，除了在硬件方面采用高性能的計(jì)算機(jī)外，還必需選擇適宜的算法來降低場景的復(fù)雜度即降低圖形系統(tǒng)處置的多邊形數(shù)目。目前，用于降低場景的復(fù)雜度，以提高三維場景的動態(tài)顯示速度的常用方法有預(yù)測計(jì)算、脫機(jī)計(jì)算、場景分塊、可見消隱、細(xì)節(jié)層次模型等，其中細(xì)節(jié)層次模型運(yùn)用較為普遍 .1預(yù)測計(jì)算根據(jù)物體的各種運(yùn)動規(guī)律，如手的挪動，可在下一幀畫面繪制之前用預(yù)測的方法推算出手的位置，從而減少由輸入設(shè)備所帶來的延遲。.2脫機(jī)計(jì)算由于 VR 系統(tǒng)是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)，在實(shí)踐運(yùn)用中可以盡能夠?qū)⒁恍┛深A(yù)先計(jì)算好的數(shù)據(jù)進(jìn)展預(yù)先計(jì)算并存儲在系統(tǒng)中，這樣可加快需求運(yùn)轉(zhuǎn)時的速度。.3場景分塊將一個復(fù)雜

9、的場景劃分成假設(shè)干個子場景，各個子場景間幾乎不可見或完全不可見。這樣，系統(tǒng)就能有效地減少在某一時辰所需求顯示的多邊形數(shù)目，從而有效降低了場景的復(fù)雜度。.4可見消隱運(yùn)用這種方法，系統(tǒng)僅顯示用戶當(dāng)前能“看見的場景，當(dāng)用戶僅能看到整個場景中很小部分時，由于系統(tǒng)僅顯示相應(yīng)場景，此時可大大減少所需顯示的多邊形的數(shù)目。然而，當(dāng)用戶“看見的場景較復(fù)雜時，這種方法就作用不大。.5細(xì)節(jié)層次模型所謂細(xì)節(jié)層次模型Level Of Detail，LOD，是對同一個場景或場景中的物體使器具有不同細(xì)節(jié)的描畫方法得到的一組模型。在實(shí)時繪制時，對場景中不同的物體或物體的不同部分采用不同的細(xì)節(jié)描畫方法。.基于圖像的實(shí)時繪制技術(shù)

10、 基于圖像的繪制技術(shù)Image Based Rendering，IBR是采用一些預(yù)先生成的場景畫面，對接近于視點(diǎn)或視野方向的畫面進(jìn)展變換、插值與變形，從而快速得到當(dāng)前視點(diǎn)處的場景畫面。目前，基于圖像的繪制技術(shù)主要有 兩種 1全景技術(shù) 2圖像的插值及視圖變換技術(shù).全景技術(shù)全景技術(shù)是指在一個場景中的一個察看點(diǎn)用相機(jī)每旋轉(zhuǎn)一下角度拍攝得到一組照片，再在計(jì)算機(jī)采用各種工具軟件拼接成一個全景圖像。它所構(gòu)成的數(shù)據(jù)較小，對計(jì)算機(jī)配置要求低，適用于桌面式VR 系統(tǒng)，建模速度快，但普通一個場景只需一個察看點(diǎn)，因此交互性較差。.圖像的插值及視圖變換技術(shù) 研討人員研討了根據(jù)在不同察看點(diǎn)所拍攝的圖像，交互地給出或自動

11、得到相鄰兩個圖像之間對應(yīng)點(diǎn)，采用插值或視圖變換的方法，求出對應(yīng)于其他點(diǎn)的圖像，生成新的視圖，根據(jù)這個原理可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)遨游的要求 .三維虛擬聲音的顯示技術(shù) 三維虛擬聲音的概念 ：VR系統(tǒng)中的三維虛擬聲音，使聽者能覺得到聲音卻是來自圍繞聽者雙耳的一個球形空間中的任何地方，即聲音能夠來自于頭的上方、后方或者前方。 .三維虛擬聲音的特征：1全向三維定位特性2三維實(shí)時跟蹤特性3沉浸感與交互性 .語音識別與合成技術(shù)：語音識別技術(shù)Automatic Speech Recognition，ASR，是指將人說話的語音信號轉(zhuǎn)換為可被計(jì)算機(jī)程序所識別的文字信息，從而識別出說話人的語音指令以及文字內(nèi)容的技術(shù)。語音識別普

12、通包括參數(shù)提取、參考方式建立、方式識別等過程。 .手勢識別 面部表情識別 眼動跟蹤 觸覺、力覺反響傳感技術(shù) 自然交互與傳感技術(shù) .手勢識別 手勢識別系統(tǒng)根據(jù)輸入設(shè)備的不同，主要分為基于數(shù)據(jù)手套的識別和基于視覺圖像的手語識別系統(tǒng)兩種?；跀?shù)據(jù)手套的手勢識別系統(tǒng)，就是利用數(shù)據(jù)手套和空間位置跟蹤定位設(shè)備來捕捉手勢在空間運(yùn)動的軌跡和時序信息，對較為復(fù)雜的手的動作進(jìn)展檢測，包括手的位置、方向和手指彎曲度等，并可根據(jù)這些信息對手勢進(jìn)展分類，因此較為適用。.面部表情識別 在 VR 系統(tǒng)中，人的面部表情的交互在目前來說，還是一種不太成熟的技術(shù)。普通人臉檢測問題可以描畫為：給定一幅靜止圖像或一段動態(tài)圖像序列，從

13、未知的圖像背景中分割、提取并確認(rèn)能夠存在的人臉。假設(shè)檢測到人臉，提取人臉特征。 .眼動跟蹤 眼動跟蹤技術(shù)的根本任務(wù)原理是利用圖像處置技術(shù)，運(yùn)用能鎖定眼睛的特殊攝像機(jī)，經(jīng)過攝入從人的眼角膜和瞳孔反射的紅外線延續(xù)地記錄視野變化，從而到達(dá)記錄、分析視野追蹤過程的目的。視野跟蹤技術(shù)可以彌補(bǔ)頭部跟蹤技術(shù)的缺乏之處，同時又可以簡化傳統(tǒng)交互過程中的步驟，使交互更為直接，因此，目前多被用于軍事領(lǐng)域如飛行員察看記錄等，閱讀以及協(xié)助殘疾人進(jìn)展交互等領(lǐng)域。.觸覺、力覺反響傳感技術(shù) 觸覺、力覺反響傳感技術(shù)是運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段，將虛擬物體的空間運(yùn)動轉(zhuǎn)變成特殊設(shè)備的機(jī)械運(yùn)動，在覺得到物體的外表紋理的同時，也運(yùn)用戶可以體驗(yàn)

14、到真實(shí)的力度感和方向感，從而提供一個嶄新的人機(jī)交互界面，即運(yùn)用“作用力與反作用力的原理來到達(dá)傳送力度和方向信息的目的。 . 碰撞檢測技術(shù)1碰撞檢測的要求為了保證虛擬世界的真實(shí)性，碰撞檢測必需有較高的實(shí)時性和準(zhǔn)確性。所謂實(shí)時性，基于視覺顯示的要求，碰撞檢測的速度普通至少要到達(dá)24 次/秒，而基于觸覺要求，碰撞檢測的速度至少要到達(dá)300 次/秒才干維持觸覺交互系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只需到達(dá)1 000 次/秒才干獲得平滑的效果。而準(zhǔn)確性的要求那么取決于VR 系統(tǒng)在實(shí)踐運(yùn)用中的要求，比如對于小區(qū)遨游系統(tǒng)，只需近似模擬碰撞情況，此時，假設(shè)兩個物體之間的間隔比較近，而不論能否實(shí)踐有沒有發(fā)生碰撞，都可以將其當(dāng)做是發(fā)

15、生了碰撞，并粗略計(jì)算其發(fā)生的碰撞位置。.2碰撞檢測的實(shí)現(xiàn)方法由于物體本身的模型能夠很復(fù)雜，直接采用物體的原模型來檢測兩個物體的碰撞，計(jì)算量依然過大。對兩物體間的準(zhǔn)確碰撞檢測的加速實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有的碰撞檢測算法主要可劃分為兩大類：層次包圍盒法和空間分解法。. 虛擬現(xiàn)實(shí)建模言語VRML VRML的開展史 ：1994 年5 月，第一屆Internet 國際會議上，有關(guān)專家發(fā)表的在Web 上運(yùn)轉(zhuǎn)三維立體世界的研討引起了廣泛的討論。短短的幾個月后，在1994 年10 月，VRML1.0 規(guī)范正式發(fā)布。這以后，許多專家、企業(yè)積極投身于VRML 的推行和研討，特別是VRML 技術(shù)組VAG不懈的努力，使VRML 得

16、到了迅速的開展。1996 年，VRML2.0 規(guī)范正式確定。1998 年1 月被ISO 正式確定為國際規(guī)范的VRML 正是如今我們常說的VRML97。. VRML 的運(yùn)用 VRML 交融了二維和三維圖像技術(shù)、動畫技術(shù)和多媒體技術(shù)，借助于網(wǎng)絡(luò)的迅速開展，構(gòu)建了一個交互的虛擬空間。VRML 技術(shù)和其他的計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，在Web 環(huán)境中創(chuàng)建虛擬城市、虛擬校園、虛擬圖書館以及虛擬商店曾經(jīng)不再是一種夢想。比如在電子購物中，用戶在虛擬商店里感遭到的是和真實(shí)商品一樣真實(shí)的質(zhì)地，而不再是簡單的圖片。 .VRML 文件的根本特點(diǎn) 1VRML 文件的根本要素節(jié)點(diǎn)Node和域Field VRML 文件的擴(kuò)展名為w

17、rl，文件中最為 重要的兩個根本要素是節(jié)點(diǎn)Node和域Field。節(jié)點(diǎn)是VRML 文檔中根本的組成單元，VRML 借助于節(jié)點(diǎn)來描畫對象某一方面的特征，比如外形、材質(zhì)和顏色等。 .2事件Event和路由Route在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，事物往往隨著時間會有相應(yīng)的變化，比如，物體的顏色隨著時間發(fā)生變化。在VRML 中借助事件Event和路由Route的概念反映這種現(xiàn)實(shí)情況。 .3VRML 的通用語法構(gòu)造.4VRML 的空間坐標(biāo)與計(jì)量單位在實(shí)踐環(huán)境中，構(gòu)成場景的外型有大小的差別，物體間有不同的相對位置，并且外型還會有旋轉(zhuǎn)、挪動等運(yùn)動，因此在VRML 中，采用空間直角坐標(biāo)系確定外型的位置，并且用特定的計(jì)量單位定

18、量表示長度。在VRML 場景中，空間直角坐標(biāo)滿足右手螺旋法那么，就是說，右手四指從x 方向轉(zhuǎn)到y(tǒng) 方向，那么拇指的指向是z 方向。在默許情況下，x 坐標(biāo)向右為正，y 坐標(biāo)向上為正，而z 坐標(biāo)指向察看者為正。在VRML 中，長度及坐標(biāo)的計(jì)量單位采用VRML 單位計(jì)量，可以簡稱為單位。在本書中，為表達(dá)簡練而省去單位字樣。.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研討現(xiàn)狀 計(jì)算機(jī)的開展提供了一種計(jì)算工具和分析工具，并因此導(dǎo)致了許多處理問題的新方法的產(chǎn)生。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)生與開展也同樣如此，概括的國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它主要涉及到三個研討領(lǐng)域：經(jīng)過計(jì)算圖形方式建立實(shí)時的三維視覺效果；建立對虛擬世界的察看界面；運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)加強(qiáng)諸如科學(xué)計(jì)算技術(shù)等方面的運(yùn)用。.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研討現(xiàn)狀 在美國的研討現(xiàn)狀 在歐洲的研討現(xiàn)狀 在日本的研討現(xiàn)狀 在國內(nèi)研討現(xiàn)狀 VR技術(shù) .虛擬