虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)概述

第十四章虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

1.什么是虛擬現(xiàn)實

2.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成

3.全景視頻系統(tǒng)第十四章虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

1.什么是虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實，VitualReality（VR）。于1989年被提出。它通常是指用立體眼鏡和傳感手套等一系列傳感輔助設施來實現(xiàn)的一種三維現(xiàn)實，人們通過這些設施以自然的技能（如頭的轉(zhuǎn)動、身體的運動等）向計算機送入各種動作信息，并且通過視覺、聽覺以及觸覺設施使人們得到三維視覺、聽覺及觸覺等感覺世界。虛擬現(xiàn)實最重要的目標：真實的體驗和方便自然的人機交互。能夠達到或者部分達到這樣目標的系統(tǒng)稱為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

1.1基本概念第十四章虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

1.什么是虛擬現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實有關(guān)的內(nèi)容已經(jīng)擴大到與之相關(guān)的很多方面，虛擬現(xiàn)實的不同形式或術(shù)語：人工實現(xiàn)（ArtificialReality）遙在（Telepresence）虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment）賽伯空間（Cyberspace）

1.1基本概念第十四章虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

1.什么是虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)就是要利用各種先進的硬件技術(shù)及軟件工具，設計出合理的硬件、軟件及交互手段，使參與者能交互式地觀察和操縱系統(tǒng)生成的虛擬世界。

從概念上講，任何一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)都可以用三個“I”來描述其特性：沉浸（Immersion）交互（Interactive）想象（Imagination）

1.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特性第十四章虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

1.什么是虛擬現(xiàn)實首先，要使參與者有“真實”的體驗，這種體驗就是沉浸或投入。理想情況下虛擬環(huán)境應該達到使用戶難以辨別真假的程度。為了達到這個目標，就必須具有多感知的能力，理想的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應該具有人類所具有的一切感知能力，包括視覺、聽覺、觸覺，甚至味覺和嗅覺。

1.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特性第十四章虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

1.什么是虛擬現(xiàn)實第二，系統(tǒng)要能提供方便的、豐富的、主要是基于自然技能的人機交互手段。這些手段使得參與者能夠?qū)μ摂M環(huán)境進行實時的操縱，能從虛擬環(huán)境中得到反饋的信息，也能使系統(tǒng)了解參與者關(guān)鍵部位的位置、狀態(tài)、變形等各種需要系統(tǒng)知道的數(shù)據(jù)。同時，實時性是非常重要的，如果在交互時存在比較大的延遲，與人的心理經(jīng)驗不一致，就談不上自然的交互，也很難獲得沉浸感。為達到這個目標，高速計算和處理就必不可少。

1.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特性第十四章虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

1.什么是虛擬現(xiàn)實第三，因為虛擬現(xiàn)實不僅僅是一種媒體或用戶的高端接口，而且它還是針對某一特定領(lǐng)域、解決某些問題的應用。如何解決這些問題，不僅需要了解應用的需求，了解技術(shù)的能力，而且還需要有豐富的想象力。想象力已經(jīng)稱為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設計中最關(guān)鍵的問題之一。

1.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特性第十四章虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

1.什么是虛擬現(xiàn)實參與者在虛擬環(huán)境中的活動或經(jīng)歷有兩種形式：主觀參與（First-personactivities）:參與者是整個經(jīng)歷的中心，一切圍繞參與者進行；客觀參與（second-personactivitie）：參與者可以在虛擬環(huán)境中看到他自己與其他物體的交互。

1.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特性第十四章虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

1.什么是虛擬現(xiàn)實顯示：頭盔三維顯示等交互：數(shù)據(jù)手套等具有里程碑意義的工作：立體電影、立體聲與傳感影院：立體圖像顯示、嗅覺、振動等模擬器：如飛行系統(tǒng)仿真器

1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡史第十四章虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

1.什么是虛擬現(xiàn)實3.無障礙虛擬現(xiàn)實環(huán)境VIDEOPLACE4.虛擬視覺環(huán)境顯示器（VIVED：VirtualVisualEnvironmentDisplay）5.MIT的“白楊城影片地圖（AspenMovieMap）”，一個模型在街道上行走的系統(tǒng)。這種用戶導航的運行方式為后來的超媒體、虛擬空間交互等提供了豐富的經(jīng)驗。6.視覺增強系統(tǒng)

1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡史第十十四四章章虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實實系系統(tǒng)統(tǒng)1.什什么么是是虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實實（一一））非非沉沉浸浸類類虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實實系系統(tǒng)統(tǒng)：：（1））全全景景視視頻頻系系統(tǒng)統(tǒng)：：利利用用連連續(xù)續(xù)拍拍攝攝的的圖圖像像和和視視頻頻在在計計算算機機中中拼拼接接建建立立實實景景化化虛虛擬擬空空間間。。（2））基基于于座座艙艙的的系系統(tǒng)統(tǒng)（3））桌桌面面虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實實CAD系系統(tǒng)統(tǒng)：：對對虛虛擬擬世世界界進進行行建建模模，，通通過過計計算算機機的的顯顯示示器器進進行行觀觀察察，，并并能能自自由由的的控控制制觀觀察察的的視視點點和和視視角角（4））基基于于劇劇情情的的虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實實系系統(tǒng)統(tǒng)1.4虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實實系系統(tǒng)統(tǒng)的的分分類類第十十四四章章虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實實系系統(tǒng)統(tǒng)1.什什么么是是虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實實（二二））沉沉浸浸類類虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實實系系統(tǒng)統(tǒng)：：利利用用特特殊殊的的設設備備把把參參與與者者的的視視覺覺、、聽聽覺覺和和其其它它感感覺覺封封閉閉起起來來，，提提供供一一個個新新的的、、虛虛擬擬的的感感覺覺空空間間，，使使得得參參與與者者產(chǎn)產(chǎn)生生一一種種身身在在身身在在虛虛擬擬環(huán)環(huán)境境中中，，并并能能夠夠全全身身心心投投入入和和沉沉浸浸其其中中的的感感覺覺。。（1）基于頭頭盔的系統(tǒng)（2）投影虛虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)：把參與者者的動畫圖像像和其他圖像像結(jié)合到一起起，插入到虛虛擬環(huán)境中。。（3）遙在系系統(tǒng)：虛擬現(xiàn)現(xiàn)實與計算機機技術(shù)結(jié)合的的系統(tǒng)，當在在某處的操作作員操作一個個虛擬現(xiàn)實系系統(tǒng)時，其結(jié)結(jié)果卻在另一一個地方發(fā)生生。1.4虛虛擬現(xiàn)實系系統(tǒng)的分類第十四章章虛虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)1.什什么是是虛擬現(xiàn)實（三）分布式式虛擬現(xiàn)實系系統(tǒng)如果在上述兩兩種系統(tǒng)的基基礎上能夠使使得多個用戶戶連接到一起起，并能夠共共享同一個虛虛擬空間，則則成為分布式式虛擬現(xiàn)實系系統(tǒng)。（四）增強現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)為了增強操作作員對真實環(huán)環(huán)境的感受。。輔助數(shù)據(jù)與與觀察員所觀觀察到的實際際環(huán)境疊加到到一起，以協(xié)協(xié)助操作員進進行操作或工工作。這種疊疊加方式增強強了原始的環(huán)環(huán)境信息。1.4虛虛擬現(xiàn)實系系統(tǒng)的分類第十四章章虛虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)1.什什么是是虛擬現(xiàn)實科學計算可視視化計算機輔助設設計飛行、騎車、、外科手術(shù)等等的操作模擬擬軍事模擬與仿仿真教育與培訓遙在系統(tǒng)心里實驗娛樂藝術(shù)通信與協(xié)同工工作1.5虛虛擬現(xiàn)實系系統(tǒng)的應用第十四章章虛虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)2.虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)的組組成一、系統(tǒng)感知知和行為模型型人與外界的交交互分為兩大大部分：感知知與行為。感知系統(tǒng)：感感知系統(tǒng)劃分分為：方向、、聽覺、觸覺覺、味覺、嗅嗅覺及視覺等等六個子系統(tǒng)統(tǒng)。在感知系系統(tǒng)模型中，，分別對這些些子系統(tǒng)的行行為方式、接接收單元、器器官模擬、器器官形成、刺刺激元及外部部信息。行為系統(tǒng)：姿姿勢、方向、、走動、飲食食、動作、表表達及語義七七個子系統(tǒng)。。2.1虛虛擬現(xiàn)實系系統(tǒng)的體系結(jié)結(jié)構(gòu)第十四章章虛虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)2.虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)的組組成2.1虛虛擬現(xiàn)實系系統(tǒng)的體系結(jié)結(jié)構(gòu)第十四章章虛虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)2.虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)的組組成二、虛擬現(xiàn)實實系統(tǒng)組成從總體上看，，系統(tǒng)主要由由人機接口設設備、人機接接口處理、現(xiàn)現(xiàn)實產(chǎn)生器以以及相應的管管理、模型及及分布子系統(tǒng)統(tǒng)等構(gòu)成。2.1虛虛擬現(xiàn)實系系統(tǒng)的體系結(jié)結(jié)構(gòu)第十四章章虛虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)2.虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)的組組成2.1虛虛擬現(xiàn)實系系統(tǒng)的體系結(jié)結(jié)構(gòu)第十四章章虛虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)2.虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)的組組成虛擬現(xiàn)實發(fā)生生器，又稱為為虛擬現(xiàn)實引引擎，是任何何虛擬現(xiàn)實系系統(tǒng)的核心，，由它處理和和產(chǎn)生虛擬環(huán)環(huán)境。具有強大的處處理能力、滿滿足實時性要要求等2.1虛虛擬現(xiàn)實系系統(tǒng)的體系結(jié)結(jié)構(gòu)第十四章章虛虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)2.虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)的組組成大視場雙眼體體視顯示技術(shù)術(shù)跟蹤裝置觸覺反饋聲音子系統(tǒng)三維人機交互互2.2人人機交互的的設備及技術(shù)術(shù)第十四章章虛虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)統(tǒng)2.虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)的組組成幾何建建模：：描述述虛擬擬對象象的形形狀和和外表表；運動建建模：：主要要是對對象的的位置置移動動和碰碰撞檢檢測兩兩個部部分；；物理建建模：：定義義對象象的質(zhì)質(zhì)量、、重量量、慣慣性、、表面面紋理理、硬硬度、、形狀狀改變變模式式等；；對象行行為建建模：：對象象可以以具有有自己己的行行為特特征，，并不不一定定與用用戶的的輸入入直接接相關(guān)關(guān)；模型分分割：：將虛虛擬環(huán)環(huán)境分分割成成較小小的單單元；；三維數(shù)數(shù)據(jù)格格式：：三維維建模模的基基礎；；2.3三三維場場景建建模第十十四章章虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系系統(tǒng)2.虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系系統(tǒng)的的組成成VRMLCult3D全景2.4虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實軟軟件及及開發(fā)發(fā)工具具第十十四章章虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系系統(tǒng)3.全全景視視頻系系統(tǒng)全景視視頻（（panoramicVideo）：：假定定在一一室內(nèi)內(nèi)空間間中進進行觀觀察，，室內(nèi)內(nèi)空間間分為為六個個表面面，如如果獲獲取了了這六六個表表面許許多不不同距距離、、不同同方位位的實實景照照片，，并將將這些些照片片按照照相互互的關(guān)關(guān)系有有機地地連接接起來來，就就可以以在視視覺上上形成成對這這個房房間的的整個個空間間的整整體認認識，，即全全景。。在觀察察時，，可以以改變變角度度、改改變視視點、、改變變距離離。只只要照照片足足夠精精細，，連接接的緊緊密正正確，，就可可以獲獲得空空間感感。3.1基基本概概念第十十四章章虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系系統(tǒng)3.全全景視視頻系系統(tǒng)和其他他形式式的虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實技技術(shù)相相比，，全景景視頻頻的主主要特特點：：（1））不局局限于于計算算機生生成的的圖像像（2））不需需要真真正的的視頻頻，實實際存存儲和和組織織的不不是視視頻幀幀序列列，而而是不不同層層次的的全景景圖。。（3））全景景視頻頻可以以將360度全全景圖圖無扭扭曲地地映射射到平平面顯顯示器器上。。（4））必須須有計計算機機的協(xié)協(xié)助3.1基基本概概念第十十四章章虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系系統(tǒng)3.全全景視視頻系系統(tǒng)全景圖圖的生生成：：全景景圖是是利用用多幅幅圖像像拼接接生成成的。。靜態(tài)圖圖像：：多幅幅圖像像將重重疊的的部分分裁剪剪，做做拼接接，對對拼接接好的的全景景圖利利用柱柱面變變形技技術(shù)進進行變變形，，使平平面全全景圖圖像產(chǎn)產(chǎn)生深深度感感覺。。這樣樣，就就得到到了一一個視視點、、一個個焦距距和一一種移移動下下的全全景圖圖。對所需需要的的其他他視點點和焦焦距下下的圖圖像按按同樣樣的方方法處處理。。3.2全全景視視頻的的實現(xiàn)現(xiàn)方法法第十十四章章虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實系系統(tǒng)3.全全景視視頻系系統(tǒng)全景圖圖的視視點空空間和和移動動從觀察察者的的角度度來看看，假假設觀觀察者者的位位置不