虛擬現(xiàn)實概率

1、第一章 虛 擬 現(xiàn) 實 概 論助 教：楊寒冰 聯(lián)系方式： QQ: 605360422 email: 1第1章 虛擬現(xiàn)實概論-大綱1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展史1.3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)簡介1.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征1.5 虛擬現(xiàn)實與動畫和游戲的區(qū)別1.6 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類1.7 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域1.8 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀21.1 虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）基本概念 虛擬現(xiàn)實 是一種逼真的視、聽、觸覺一體化的計算機生成環(huán)境，用戶可以借助必要的裝備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的物體進行交互作用、相互影響，從而獲得親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗。 虛擬現(xiàn)實 =

2、 Virtual + Reality虛擬現(xiàn)實是虛擬化的、數(shù)字化的現(xiàn)實環(huán)境，它忠于現(xiàn)實，更可以超越現(xiàn)實！31.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展史 虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality）簡稱VR技術(shù)，是20世紀(jì)末逐漸興起的一門綜合性信息技術(shù)，融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學(xué)、人工智能、多媒體、傳感器、網(wǎng)絡(luò)以及并行處理等多個信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果。41.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展史1929年，Edward Link設(shè)計出用于訓(xùn)練飛行員的模擬器1956年，Morton Heilig開發(fā)出多通道仿真體驗系統(tǒng)Sensorama 51.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展史1965年，Ivan Sutherland發(fā)表論文“

3、Ultimate Display”（終極的顯示）1968年，Ivan Sutherland研制成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器（Head Mounted Display，HMD） 61.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展史1972年，Nolan Bushnell開發(fā)出第一個交互式電子游戲Pong 1977年，Dan Sandin、Tom DeFanti和Rich Sayre研制出第一個數(shù)據(jù)手套Sayre Glove20世紀(jì)80年代，美國國家航空航天局（NASA）組織了一系列有關(guān)VR技術(shù)的研究 ：1984年，NASA Ames研究中心的M. McGreevy 和J. Humphries開發(fā)出用于火星探測的虛

4、擬環(huán)境視覺顯示器；1987年，Jim Humphries設(shè)計了雙目全方位監(jiān)視器（BOOM）的最早原型。 71.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展史1990年，在美國達拉斯召開的SIGGRAPH會議上為VR技術(shù)的發(fā)展確定了研究方向，明確提出VR技術(shù)研究的主要內(nèi)容包括:實時三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)、高分辨率顯示技術(shù)。從20世紀(jì)90年代開始，VR技術(shù)的研究熱潮也開始向民間的高科技企業(yè)轉(zhuǎn)移。著名的VPL公司開發(fā)出第一套傳感手套命名為“DataGloves”，第一套HMD命名為“EyePhones”。進入21世紀(jì)后，VR技術(shù)更是進入軟件高速發(fā)展的時期，一些有代表性的VR軟件開發(fā)系統(tǒng)不斷在發(fā)展完善，如Mul

5、tiGen Vega、OpenSceneGraph、Virtools等。81.3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)簡介 典型的VR系統(tǒng)主要由：計算機軟件系統(tǒng) VR軟件 VR環(huán)境數(shù)據(jù)庫 計算機硬件系統(tǒng) VR輸入設(shè)備 VR輸出設(shè)備 91.4 虛擬現(xiàn)實的特征傳統(tǒng)的三個特征（ 3個I ）沉浸感 (Immersion)參與者全身心地沉浸于計算機所生成的三維虛擬環(huán)境，并產(chǎn)生身臨其境的感覺。交互性 (Interaction)參與者可以利用各種感官功能及人類自然技能對虛擬環(huán)境進行交互考察與操作。構(gòu)想性(Imagination)參與者借助VR系統(tǒng)給出的逼真視聽觸覺信號而產(chǎn)生的對虛擬空間的想象 101.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征-沉浸感V

6、R技術(shù)的沉浸感：又稱臨場感，是指用戶感到作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實程度。VR技術(shù)最主要的特征。影響沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、三維圖像中的深度信息、畫面的視野、實現(xiàn)跟蹤的時間或空間響應(yīng)及交互設(shè)備的約束程度等 。111.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征-交互性VR技術(shù)的交互性：指用戶對虛擬環(huán)境中對象的可操作程度和從虛擬環(huán)境中得到反饋的自然程度（包括實時性）。主要借助于各種專用設(shè)備（如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等）產(chǎn)生，從而使用戶以自然方式如手勢、體勢、語言等技能，如同在真實世界中一樣操作虛擬環(huán)境中的對象。121.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征想象力VR技術(shù)的想象力：指用戶在虛擬世界中根據(jù)所獲取的多種信息和自

7、身在系統(tǒng)中的行為，通過邏輯判斷、推理和聯(lián)想等思維過程，隨著系統(tǒng)的運行狀態(tài)變化而對其未來進展進行想象的能力。對適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對象加上虛擬現(xiàn)實的創(chuàng)意和想象力，可以大幅度提高生產(chǎn)效率、減輕勞動強度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。131.5 虛擬現(xiàn)實與三維動畫的區(qū)別（1）真實性三維動畫場景畫面由動畫制作人員根據(jù)材料或想象直接畫制而成，與真實的環(huán)境和數(shù)據(jù)有較大的差距，屬于演示類藝術(shù)作品。虛擬現(xiàn)實虛擬環(huán)境由基于真實數(shù)據(jù)建立的數(shù)字模型組合而成，嚴(yán)格遵循工程項目設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)和要求，屬于科學(xué)仿真系統(tǒng)。操縱者親身體驗虛擬三維空間，身臨其境。 交互性三維動畫只能如電影一樣單向演示，場景變化，瀏覽路徑，需要預(yù)先指定，無法改變。畫面需要

8、事先制作生成，耗時、費力、成本較高。沒有互動性。 虛擬現(xiàn)實操縱者可以實時感受運動帶來的場景變化，步移景異，并可親自布置場景，具有雙向互動的功能。 141.5 虛擬現(xiàn)實與三維動畫的區(qū)別（2）時間性三維動畫受動畫制作時間限制，無法詳盡展示，性價比低。虛擬現(xiàn)實沒有時間限制，可真實詳盡地展示，并可以在虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)上導(dǎo)出動畫視頻文件，同樣可以用于多媒體資料制作和宣傳，性價比高。應(yīng)用性三維動畫只適合簡單的演示功能。虛擬現(xiàn)實在實時三維環(huán)境中，支持方案調(diào)整、評估、管理、信息查詢等功能，適合較大型復(fù)雜工程項目的規(guī)劃、設(shè)計、投標(biāo)、報批、管理等需要，同時又具有更真實和直觀的多媒體演示功能。 151.5 分布式虛擬現(xiàn)

9、實與網(wǎng)絡(luò)游戲的區(qū)別網(wǎng)絡(luò)游戲一般是基于C/S需要安裝客戶端客戶端通常很大（對客戶端的配置有要求）以娛樂為目的用戶通常有耐心等待下載和安裝（Web）VR不需要安裝客戶端Down-and-Play下載即觀看以宣傳和展示為目的用戶沒有耐心等待下載和安裝如果2分鐘內(nèi)還看不到東西就放棄了161.6 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類 桌面式VR系統(tǒng)（Desktop VR） 沉浸式VR系統(tǒng)（Immersive VR） 增強式VR系統(tǒng)（Augmented VR） 分布式VR系統(tǒng)（Distributed VR）基于網(wǎng)頁的VR系統(tǒng)（WebVR） 171.6 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類 桌面式VR系統(tǒng)使用個人計算機和低級工作站來產(chǎn)生三維空

10、間的交互場景。用戶會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾而不能獲得完全的沉浸感，但由于其成本相對較低桌面式VR系統(tǒng)仍然比較普及。 181.6 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類 沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器、洞穴式顯示設(shè)備和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，而使用戶真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部的一個參與者，產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入并沉浸其中的體驗。與桌面式VR系統(tǒng)相比，沉浸式VR系統(tǒng)的主要特點在于高度的實時性和沉浸感。191.6 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類 增強式VR系統(tǒng)(Augmented Reality, AR)允許用戶對現(xiàn)實世界進行觀察的同時，將虛擬圖像疊加在真實物理對象之上。為用戶提供與所看到的真實環(huán)境有關(guān)

11、的、存儲在計算機中的信息，從而增強用戶對真實環(huán)境的感受，又被稱為疊加式或補充現(xiàn)實式VR系統(tǒng)?？梢允褂霉鈱W(xué)技術(shù)/視頻技術(shù)/傳感器技術(shù)來實現(xiàn)。實中有虛，使實更實！增強虛擬混合現(xiàn)實201.6 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類 分布式VR系統(tǒng)(DVR)指基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的虛擬環(huán)境，將位于不同物理位置的多個用戶或多個虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相連接并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達到一個更高的境界。主要被應(yīng)用于遠(yuǎn)程虛擬會議、虛擬醫(yī)學(xué)會診、多人網(wǎng)絡(luò)游戲、虛擬戰(zhàn)爭演習(xí)等領(lǐng)域。211.6 分布式虛擬現(xiàn)實 Distributed Virtual Reality概念在互聯(lián)網(wǎng)上構(gòu)建一個逼真而互動的三維虛擬空間特點分布于不同地理位置的多臺計算機

12、通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)允許多用戶之間進行實時互動221.6 分布式虛擬現(xiàn)實的特點我擴充的DVR的新3個I智能性 (Intelligence)虛擬人 H-Anim （國際標(biāo)準(zhǔn)）Digital StorytellingAIML、ICML （講故事、多人聊天、人機對話）集成性 (Integration)圖形、圖像、音頻、視頻、文本、GIS、遙感影像等互聯(lián)網(wǎng) (Internet)-基于Web的VRWebVR基于Web Graphics虛擬城市虛擬社區(qū)Second Life, Google Earth, Virtual Earth231.7 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 教育與訓(xùn)練 設(shè)計與規(guī)劃 科學(xué)計算可視化 商業(yè)領(lǐng)域

13、 藝術(shù)與娛樂241.7 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域教育與訓(xùn)練 虛擬現(xiàn)實技術(shù)能使學(xué)習(xí)者能直接、自然地與虛擬對象進行交互，以各種形式參與事件的發(fā)展變化過程，并獲得最大的控制和操作整個環(huán)境的自由度。1、仿真教學(xué)與實驗2、特殊教育3、多種專業(yè)訓(xùn)練4、應(yīng)急演練和軍事演習(xí)251.7 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計與規(guī)劃 虛擬現(xiàn)實已被看作是設(shè)計領(lǐng)域中唯一的開發(fā)工具。它可以避免傳統(tǒng)方式在原型制造、設(shè)計和生產(chǎn)過程中的重復(fù)工作，有效的降低成本，應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車制造業(yè)、城市規(guī)劃、建筑設(shè)計等。261.7 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)計算可視化 科學(xué)可視化的功能就是將大量字母、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成比原始數(shù)據(jù)更容易理解的各種圖像，并允許

14、參與者借助各種虛擬現(xiàn)實輸入設(shè)備檢查這些“可見的”數(shù)據(jù)。 它通常被用于建立分子結(jié)構(gòu)、地震以及地球環(huán)境等模型。271.7 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域商業(yè)領(lǐng)域 VR技術(shù)被逐步應(yīng)用于網(wǎng)上銷售、客戶服務(wù)、電傳會議及虛擬購物中心等商業(yè)領(lǐng)域。它可以使客戶在購買前先看到產(chǎn)品的外貌與內(nèi)在，甚至在虛擬世界中使用它，因此對產(chǎn)品的推廣和銷售都很有幫助。281.7 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域藝術(shù)與娛樂 VR技術(shù)所具有的身臨其境感及實時交互性還能將靜態(tài)的藝術(shù)（如油畫、雕刻等）轉(zhuǎn)化為動態(tài)的形式，使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術(shù)，包括虛擬畫廊、虛擬音樂廳、文物保護等方面。 娛樂是VR系統(tǒng)的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，市場上已經(jīng)推出了多款VR

15、環(huán)境下的電腦游戲，帶給游戲者強烈的感官刺激。291.8 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀 國外的研究現(xiàn)狀簡介 美國是VR技術(shù)的發(fā)源地，有美國宇航局（NASA）、麻省理工學(xué)院（MIT）媒體實驗室、華盛頓大學(xué)人機界面技術(shù)實驗室（HIT Lab）等許多知名的研究機構(gòu)。美國在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。301.8 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀 國外的研究現(xiàn)狀 英國主要有四個從事VR技術(shù)研究的中心，包括Windustries公司、British Aerospace公司、Dimension International公司、Divison LTD公司等。日本主要致力于建立大規(guī)模V

16、R知識庫和人機接口方面的研究項目上，在VR游戲方面的研究也處于領(lǐng)先地位。此外，國外還研制出多個用于開發(fā)應(yīng)用程序的VR軟件開發(fā)平臺，例如美國Sense8公司的WorldToolKit（WTK），愛荷華州立大學(xué)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中心的VR Juggler，Deneb Robotics公司的ENVISION，英國Superscape公司的VRT，Division 公司的dVISE等。311.8 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 我國從20世紀(jì)80年代起開始研究VR技術(shù)。雖然起步較晚，但近年來政府有關(guān)部門非常重視，制定了開展VR技術(shù)的研究計劃，并將其列入國家重點研究項目。國內(nèi)的一些科學(xué)家和重點院校也已積極投入了對這一領(lǐng)域的研究。北京航空航天大學(xué)是國內(nèi)最早進行VR技術(shù)研究、最有權(quán)威的單位之一。它于2000年8月成立了虛擬現(xiàn)實新技術(shù)教育部重點實驗室。2008年又升級為國家VR重點實驗室。321.8 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 清華大學(xué)對虛擬現(xiàn)實及其臨場感等方面進行了大量研究，比如球面屏幕顯示和圖像隨動、克服立體圖閃爍的措施及深度感實驗測試等。浙江大學(xué)的CAD&CG國家重點實驗室開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)，還研制出了在虛擬環(huán)境中一種新的快速