1虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)51

1、虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介授課教師：侯守明單位：河南理工大學(xué)計算機學(xué)院2主要內(nèi)容容虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)的的特點及及組成立體視覺覺的生成成與獲取取虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)的的分類增強現(xiàn)實實技術(shù)3虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)的的特點及及組成虛擬現(xiàn)實實技術(shù)綜綜合圖形形、圖像像、聲音音、手勢勢、語音音等要素素，試圖圖給計算算機使用用者創(chuàng)造造一種全全新的感感官體驗驗，使其其具有置置身于真真實世界界的感覺覺“虛擬環(huán)環(huán)境是使使人們具具有沉浸浸感的由由計算機機生成的的、交互互的、三三維的環(huán)環(huán)境”-Aukstakalnis Sand BlatnerD.4虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)的的特點及及組成主要特點點沉浸感如同置身身于真實實環(huán)境中中：三維

2、維、立體體、多通通道高交互性性可采取現(xiàn)現(xiàn)實生活活中習(xí)以以為常的的方式來來操縱虛虛擬環(huán)境境中的物物體實時性依視點位位置和視視線方向向?qū)崟r地地改變畫畫面，并并實時產(chǎn)產(chǎn)生聽覺覺、觸覺覺/力覺響應(yīng)應(yīng)5虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)的的特點及及組成典型虛擬擬現(xiàn)實系系統(tǒng)的組組成計算機系系統(tǒng)用戶虛擬環(huán)境境人機界界面6虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)的的特點及及組成基于HMD的虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)的構(gòu)成成7立體視覺覺的生成成與獲取取產(chǎn)生沉浸浸感的至至關(guān)重要要的因素素立體圖像像與觀察察者視點點和視線線方向一一致實時生成成人類立體體視覺的的產(chǎn)生立體圖像像生成的的照相機機模型對稱透視視投影成成像相機機模型位置方向8立體視覺覺的生成成與獲取取立體圖像像生

3、成的的照相機機模型對稱透視視投影成成像相機機模型（cont.)寬高比視角9立體視覺覺的生成成與獲取取10立體視覺覺的生成成與獲取取立體圖像像生成的的照相機機模型對稱透視視投影成成像相機機模型（cont.)近裁剪平平面距離離與遠裁裁剪平面面距離11立體視覺覺的生成成與獲取取立體圖像像生成的的照相機機模型對稱透視視投影成成像相機機模型（cont.)焦距12立體視覺覺的生成成與獲取取立體圖像像生成的的照相機機模型對稱透視視投影成成像相機機模型（cont.)左右眼視視差（Parallax）為生成立立體圖像像，計算算機必須須針對同同一場景景生成兩兩幅不同同的圖像像分別按照照觀察者者左、右右眼的位位置實時

4、時繪制13立體視覺覺的生成成與獲取取立體視覺覺的捕獲獲必須借助助于一定定的觀察察設(shè)備，使計算算機生成成的左、右眼圖圖像分別別為觀察察者的左左、右眼眼所接收收常用的立立體視覺覺設(shè)備HMD立體眼鏡鏡 14虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備WIMP交互范式式已不再再適用Windows，Icons，Menus，Pointingdevices用戶將通通過一系系列新的的交互手手段，與與虛擬世世界中的的物體進進行直接接的、三三維的交交互三維鼠標(biāo)標(biāo)WAND數(shù)據(jù)手套套麥克風(fēng)15虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備三維定位位跟蹤設(shè)設(shè)備用于跟蹤蹤用戶當(dāng)當(dāng)前方位位的傳感感器大多數(shù)具具有6自由度（6-DOF）位置和方方向各3自由度佩戴于用用戶身體體

5、的某些些部位可可對相應(yīng)應(yīng)部位進進行跟蹤蹤一般采用用電磁技技術(shù)、超超聲技術(shù)術(shù)、光學(xué)學(xué)技術(shù)，也有基基于慣性性的和純純機械方方式的16虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備三維定位位跟蹤設(shè)設(shè)備電磁式跟跟蹤器示示例 17虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備三維定位位跟蹤設(shè)設(shè)備Logitech超聲三維維鼠標(biāo) 18虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備三維定位位跟蹤設(shè)設(shè)備光學(xué)跟蹤蹤器 19虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備手持式交交互設(shè)備備Wand/Wanda美國Illonis大學(xué)EVL實驗室開開發(fā)主要用于于CAVE、ImmersaDesk等虛擬環(huán)環(huán)境中類似于三三維鼠標(biāo)標(biāo)，上有有三個按按鍵和一一個操縱縱桿（Joystick）20虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備手持式交交互設(shè)備備Wi

6、iRemote任天堂游戲主機機Wii的主要控制器外形及按按鈕操作作與電視視遙控器器類似可握持在在手中，特別適適合于指指向、揮揮動等操操作 21虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備數(shù)據(jù)手套套附有傳感感器，分分布在手手掌和手手指的關(guān)關(guān)節(jié)處，以獲取取用戶手手形的準準確信息息傳感有電電磁式、機械式式或光學(xué)學(xué)式傳感器捕捕獲的數(shù)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成關(guān)關(guān)節(jié)角度度數(shù)據(jù)，用于控控制虛擬擬手的運運動22虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備數(shù)據(jù)手套套傳感器器的典型型配置22-dof23虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備24虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備25虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備26虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備27虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備交互設(shè)備備的軟件件支持硬件接口口標(biāo)準的串串行設(shè)備備接口

7、（即RS-232）并行口其它接口口（如USB或無線通通訊接口口）軟件接口口幾乎每一一種設(shè)備備均未采采用標(biāo)準準的軟件件接口使用各自自獨有的的接口控控制協(xié)議議或命令令指令集集28虛擬現(xiàn)實實交互設(shè)設(shè)備交互設(shè)備備的軟件件支持軟件供應(yīng)應(yīng)商必須須為每一一硬件供供應(yīng)商的的輸入設(shè)設(shè)備單獨獨設(shè)計應(yīng)應(yīng)用接口口驅(qū)動程程序虛擬現(xiàn)實實軟件間間的區(qū)別別（就交交互設(shè)備備而言）所能支持持的輸入入設(shè)備的的多少設(shè)備與各各自系統(tǒng)統(tǒng)的集成成方式是否有能能力進行行擴充以以支持新新的交互互設(shè)備VR系統(tǒng)的主主要不同同之處在在于系統(tǒng)統(tǒng)與用戶戶之間界界面基于系統(tǒng)統(tǒng)與用戶戶界面劃劃分桌面型VR系統(tǒng)頭盔型VR系統(tǒng)基于投影影顯示的的VR系統(tǒng)遙在系統(tǒng)

8、統(tǒng)29虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)的的分類30桌面型虛虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)采用計算算機屏幕幕作為立立體顯示示載體輔以一定定的聲音音輸出設(shè)設(shè)備、三三維交互互設(shè)備和和立體眼眼鏡等傳統(tǒng)計算算機圖形形學(xué)的自自然擴展展具有好的的性價比比，但沉沉浸感略略差31基于HMD的虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)利用HMD等設(shè)備把把用戶的的視覺、聽覺對對外界封封閉起來來用戶完全全投入到到虛擬環(huán)環(huán)境中能提供好好的沉浸浸感阻斷了人人與人間間的交流流32基于投影影顯示的的虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)利用大規(guī)規(guī)模投影影顯示設(shè)設(shè)備讓用用戶完全全或部分分融入虛虛擬環(huán)境境沉浸式典型代表表：CAVE半沉浸式式典型代表表：Workbench33基于投影影顯示的的虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)C

9、AVE美國Illonis大學(xué)EVL實驗室首首創(chuàng)由36個投影屏屏幕組成成正方體體形狀計算機系系統(tǒng)產(chǎn)生生立體圖圖像，經(jīng)經(jīng)投影儀儀分別投投射到對對應(yīng)的屏屏幕上用戶戴著著立體眼眼鏡站于于CAVE的內(nèi)部立體眼鏡鏡上附有有6-DOF跟蹤設(shè)備備對用戶戶頭部運運動進行行實時跟跟蹤聲音系統(tǒng)統(tǒng)34基于投影影顯示的的虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)CAVE示意圖35基于投影影顯示的的虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)CAVE示例 36基于投影影顯示的的虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)Virtual WorkbenchTM 衛(wèi)星虛擬擬裝配37遙在系統(tǒng)統(tǒng)將現(xiàn)實世世界中遠遠程場景景與操作作人員的的感官直直接連通通，讓用用戶感覺覺就像親親臨現(xiàn)場場一樣利用計算算機圖形形、人機機交互、傳感器器、網(wǎng)絡(luò)絡(luò)等技術(shù)術(shù)遠程傳感感器