第10章：多媒體虛擬現(xiàn)實技術(shù)

第10章：虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究的內(nèi)容虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實所追求的長遠(yuǎn)目標(biāo)虛擬現(xiàn)實建模語言VRML使用VRML2.0構(gòu)造虛擬世界跳轉(zhuǎn)到主頁110.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述虛擬現(xiàn)實的定義虛擬現(xiàn)實的發(fā)展及研究現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實的主要研究內(nèi)容虛擬現(xiàn)實的特點沉浸感MultimediaTechnology&Application*10.1.1虛擬現(xiàn)實的定義包括了三層含義：虛擬實體是用計算機來生成的一個逼真的實體，“逼真”就是要達(dá)到三維視覺，甚至包括三維的聽覺及嗅覺等；用戶可以通過人的自然技能與這個環(huán)境交互，這里自然技能可以是人的頭部轉(zhuǎn)動、眼動、手勢或其它的身體動作；虛擬現(xiàn)實往往要借助一些三維傳感設(shè)備來完成交互動作。MultimediaTechnology&Application*虛擬現(xiàn)實技術(shù)示意圖MultimediaTechnology&Application*10.1.2虛擬現(xiàn)實的發(fā)展1965年IvanSutherland提出虛擬現(xiàn)實的基本思想1966年MIT林肯實驗室第一個HMD樣機完成,并融入力反饋裝置1970年IvanSutherland研制成功第一個功能較為齊全的HMD1975年MyronKrueger提出“人工現(xiàn)實”的思想20世紀(jì)80年代虛擬現(xiàn)實進一步發(fā)展，出現(xiàn)

”VirtualReality”(虛擬現(xiàn)實)一詞20世紀(jì)90年代明確提出虛擬現(xiàn)實研究的主要內(nèi)容，虛擬現(xiàn)實技術(shù)飛速發(fā)展MultimediaTechnology&Application*10.1.3虛擬現(xiàn)實的研究現(xiàn)狀國外的研究北卡羅來納大學(xué)(UNC)計算機系麻省理工學(xué)院(MIT)媒體實驗室

洛瑪琳達(dá)(LomaLinda)大學(xué)醫(yī)學(xué)中心華盛頓大學(xué)人機界面技術(shù)實驗室(HITLab)美國宇航局(NASA)Ames實驗室伊利諾斯州立大學(xué)

其他機構(gòu)國內(nèi)的研究北京航空航天大學(xué)計算機系

浙江大學(xué)（CAD&CG國家重點實驗室、心理實驗室）清華大學(xué)計算機科學(xué)和技術(shù)系西安交通大學(xué)信息工程研究所

北方工業(yè)大學(xué)CAD研究中心

中國科技開發(fā)院威海分院

其他機構(gòu)MultimediaTechnology&Application*10.1.4虛擬現(xiàn)實的特點沉浸感(Immersion)視覺浸入聽覺浸入觸覺浸入嗅覺浸入與味覺浸入交互性(Interaction)構(gòu)想性(Imagination)MultimediaTechnology&Application*10.1.5沉浸感導(dǎo)致沉浸感的原因是用戶對計算機環(huán)境的虛擬物體產(chǎn)生了類似于現(xiàn)實物體的存在意識或幻覺。沉浸感必須具備三個要素：圖象(imagery)交互(interaction)行為(behavior)沉浸感存在感存在感存在感存在感認(rèn)知MultimediaTechnology&Application*10.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類依照虛擬現(xiàn)實與外界交互分類依照虛擬現(xiàn)實特點分類MultimediaTechnology&Application*10.2.1依照虛擬現(xiàn)實與外界交互分類從虛擬現(xiàn)實與外界的交互考慮可以分成三類：封閉式虛擬現(xiàn)實，即與外部現(xiàn)實世界不產(chǎn)生直接交互；開放式虛擬現(xiàn)實，即通過各種傳感裝置與外界構(gòu)成反饋閉環(huán)；以上兩類的結(jié)合，即兼?zhèn)浞忾]式或開放式的特點，是一種較實用的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。MultimediaTechnology&Application*10.2.2依照虛擬現(xiàn)實的構(gòu)成特點分類依照虛擬現(xiàn)實的構(gòu)成特點可分為：桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，利用微機或低檔工作站進行模擬，在一些專用硬件和軟件的支持下，參與者可在仿真過程中設(shè)計各種環(huán)境；臨境虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，也稱投入式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。利用使參與者完全投入的各種設(shè)備把用戶的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，產(chǎn)生一種與世隔絕而被虛擬環(huán)境籠罩的錯覺，達(dá)到完全投入的目的。分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，在臨境虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將不同的用戶聯(lián)接在一起，共享同一個虛擬空間，使用戶達(dá)到一個更高的境界。傳感真實環(huán)境控制虛擬環(huán)境表現(xiàn)虛擬環(huán)境

MultimediaTechnology&Application*桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與臨境虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)MultimediaTechnology&Application*10.3系統(tǒng)的組成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由可交互的虛擬環(huán)境、虛擬現(xiàn)實軟件、虛擬現(xiàn)實硬件(包括計算機、虛擬現(xiàn)實輸入輸出設(shè)備)三部分組成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的模型在系統(tǒng)組成上一般包括檢測、反饋、傳感器、控制、三維模型及建模模塊。桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和臨境虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)之間的主要差別在于：參與者身臨其境的程度，這也是他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域和成本都大不相同的原因；前者以常規(guī)的CRT彩色顯示器和立體眼鏡來增加身臨其境的感覺，主要交互裝置為6自由度鼠標(biāo)或三維操縱桿，后者采用HMD現(xiàn)實，主要交互裝置為數(shù)據(jù)手套和頭部跟蹤器。MultimediaTechnology&Application*虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本組成輸入設(shè)備虛擬現(xiàn)實軟件虛擬世界計算機輸出設(shè)備MultimediaTechnology&Application*虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)模型圖操作虛擬環(huán)境反饋外部世界傳感裝置操作顯示MultimediaTechnology&Application*虛擬系統(tǒng)的組成圖虛擬環(huán)境現(xiàn)實世界系統(tǒng)建模3D模型檢測反饋傳感器控制用戶MultimediaTechnology&Application*桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)基本組成圖虛擬環(huán)境發(fā)生器聲音合成2

6自由度控制器立體視覺顯示器觸覺/視覺系統(tǒng)聲音顯示器聲音合成MultimediaTechnology&Application*臨境虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)基本組成圖虛擬環(huán)境發(fā)生器頭盔顯示器/數(shù)據(jù)手套聲音合成聲音定位語言識別顯示電子裝置頭/眼/手/體跟蹤觸覺/動覺系統(tǒng)命令圖形圖象頭位置眼位置手位置MultimediaTechnology&Application*MultimediaTechnology&Application*10.4虛擬現(xiàn)實的主要研究內(nèi)容基于視覺、聽覺、觸覺和嗅覺的逼真模擬世界生成技術(shù)三維實時動畫視覺環(huán)境建模（體視圖的生成原理）空間定位和空間仿真技術(shù)

聲像一體化仿真技術(shù)

虛擬環(huán)境中的標(biāo)定

人與技術(shù)融為一體的臨場感技術(shù)

寬視場立體顯示技術(shù)

感知并識別用戶視點變化，頭、手、肢體、身軀動作和語音的基于自然方式的人機交互技術(shù)

快速、高精度三維跟蹤技術(shù)

人的因素與用戶心理學(xué)研究

MultimediaTechnology&Application*10.4虛擬現(xiàn)實的主要研究內(nèi)容虛擬環(huán)境的控制系統(tǒng)

實時、低延時控制軟硬件設(shè)計傳感技術(shù)和傳感設(shè)備研究多傳感器數(shù)據(jù)融合遙感技術(shù)虛擬環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境的一致性保持開發(fā)新的非應(yīng)用虛擬環(huán)境技術(shù)不可的領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)平臺研制

分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實實用系統(tǒng)的開發(fā)MultimediaTechnology&Application*10.5虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)提高圖形系統(tǒng)的實時性三維位置方位跟蹤與視覺、聽覺、嗅覺等傳感及識別技術(shù)高速計算能力及計算復(fù)雜性問題面向?qū)ο蠹夹g(shù)的應(yīng)用動態(tài)環(huán)境三維建模技術(shù)紋理貼圖、全局光照建模技術(shù)、立體顯示技術(shù)（體視圖等）、幾何建模（NURBS建模技術(shù)、過程建模技術(shù)）、運動建模、物理建模、基于圖像的建模等系統(tǒng)集成技術(shù)MultimediaTechnology&Application*NURBS技術(shù)生成圖像空間點左視圖左視點右視點右視圖體視圖生成原理MultimediaTechnology&Application*被動式立體投影原理MultimediaTechnology&Application*10.6虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用可視化的研究與應(yīng)用工程的計算機輔助設(shè)計和制造(CAD/CAM)醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用軍事模擬和飛行模擬教育和藝術(shù)遙在和遙控游戲和娛樂MultimediaTechnology&Application*10.7虛擬現(xiàn)實技術(shù)所追求的長遠(yuǎn)目標(biāo)虛擬顯示系統(tǒng)擴大人類的感知和認(rèn)知能力；虛擬技術(shù)必然會推動生產(chǎn)管理模式的變化；虛擬技術(shù)不僅支持著靈捷制造系統(tǒng)的建立，而且可以使整個設(shè)計制造過程對用戶是透明的，使用戶有可能參與設(shè)計；虛擬現(xiàn)實技術(shù)將引起設(shè)計制造業(yè)的巨變；虛擬現(xiàn)實技術(shù)將導(dǎo)致醫(yī)學(xué)革命；虛擬現(xiàn)實技術(shù)將促使遙在技術(shù)的發(fā)展；虛擬現(xiàn)實技術(shù)幫助殘疾人和增強殘疾人的自理能力；虛擬現(xiàn)實技術(shù)還將有效地輔助人類進行決策和行動。MultimediaTechnology&Application*虛擬現(xiàn)實技術(shù)在設(shè)計中應(yīng)用圖象MultimediaTechnology&Application*飛機機艙的圖象MultimediaTechnology&Application*虛擬儀表的圖象MultimediaTechnology&Application*水下航行模擬的圖象MultimediaTechnology&Application*飛行模擬的圖象MultimediaTechnology&Application*虛擬現(xiàn)實在軍事訓(xùn)練中的應(yīng)用MultimediaTechnology&Application*虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用MultimediaTechnology&Application*10.8虛擬現(xiàn)實建模語言VRML10.8.1概述

10.8.2VRML的誕生與發(fā)展

10.8.3VRML2.0簡介

10.8.4VRML世界的瀏覽和發(fā)布

10.8.5建模軟件和創(chuàng)作工具

10.8.6開辟一個虛擬世界

MultimediaTechnology&Application*10.8.1概述虛擬現(xiàn)實建模語言VRML（VirtualRealityModelingLanguage）是一種描述虛擬現(xiàn)實場景的專用語言，其作用是描述三維場景以便建立交互式、可導(dǎo)航的三維世界，可用于萬維網(wǎng)WWW（和HTML一樣）。VRML允許用有限的交互行為構(gòu)造虛擬世界，這些虛擬世界包含有同其它“世界”超鏈接的對象VRML提供的三維元素有站點地圖、庫、科學(xué)知識可視化代表、數(shù)據(jù)庫的可視化代表、模擬地理信息系統(tǒng)、交互式廣告等。Multime