第6章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

第六章多媒體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一概述二相關(guān)技術(shù)三虛擬現(xiàn)實(shí)建模言語(yǔ)第六章多媒體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述以計(jì)算科學(xué)為中心的虛擬現(xiàn)實(shí)〔VR〕技術(shù)是多學(xué)科、多方向交叉的新技術(shù)，可以生成近似真實(shí)環(huán)境視、聽、嗅、觸等感知信息的虛擬環(huán)境。3人機(jī)交互與多媒體研討室虛擬現(xiàn)實(shí)研討的主要內(nèi)容人與環(huán)境的交融技術(shù)1〕高分辨率的立體顯示器2〕方位跟蹤系統(tǒng)3〕手勢(shì)跟蹤系統(tǒng)4〕觸覺反響系統(tǒng)5〕聲音定位與跟蹤4人機(jī)交互與多媒體研討室虛擬現(xiàn)實(shí)研討的主要內(nèi)容動(dòng)態(tài)環(huán)境建模——虛擬環(huán)境的建立是VR系統(tǒng)的中心內(nèi)容，動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的就是獲取實(shí)踐環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)運(yùn)用的需求建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù)，更多的情況那么需采用非接觸式的視覺技術(shù)，兩者有機(jī)結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。5人機(jī)交互與多媒體研討室虛擬現(xiàn)真實(shí)房地產(chǎn)領(lǐng)域的詳細(xì)運(yùn)用最直觀的交流方式

傳統(tǒng)的效果圖等表現(xiàn)手段落后，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)筑逼真的三維動(dòng)態(tài)模型，全方位的展現(xiàn)建筑物內(nèi)外部空間及功能6人機(jī)交互與多媒體研討室物體對(duì)象的仿真技術(shù)1〕幾何仿真2〕物理防真3〕行為仿真7人機(jī)交互與多媒體研討室虛擬裝配〞〔VirtualAssembly〕是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在虛擬技術(shù)領(lǐng)域和仿真領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用研討。通常有2種定義：

1)一種零件模型按約束關(guān)系進(jìn)展重新定位的過程，是有效分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性的一種手段。

2)根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的外形特性、精度特性，真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實(shí)模擬裝配過程，以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。

8人機(jī)交互與多媒體研討室模擬駕駛系統(tǒng)是用高科技手段如高速圖形計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)頭盔或其他三維視覺通道〔例如投影儀〕、三維位置跟蹤器和立體聲音響等構(gòu)造出一種人工環(huán)境，它具有模擬人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感知功能的才干，具有使人可以親身體驗(yàn)沉浸在這種虛擬環(huán)境中并與之相互作用的才干。9人機(jī)交互與多媒體研討室實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)——三維圖形的生成技術(shù)曾經(jīng)較為成熟，這里的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)〞生成。為了到達(dá)實(shí)時(shí)的目的，至少要保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，最好高于30幀/秒。10人機(jī)交互與多媒體研討室運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)及其運(yùn)用將數(shù)字視頻技術(shù)引入運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中，為專業(yè)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練提供方便快捷的視覺反響手段，提供多種方式的基于視頻的深化分析。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練視頻分析軟件系統(tǒng)-DVCoach，運(yùn)用于國(guó)家跳水隊(duì)11人機(jī)交互與多媒體研討室研討面向體育訓(xùn)練的三維人體運(yùn)動(dòng)模擬與視頻分析系統(tǒng)，12人機(jī)交互與多媒體研討室虛擬現(xiàn)實(shí)的根本特征沉浸性(Immersion〕指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該運(yùn)用戶難以分辨真假交互性〔Interactivity)指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反響的自然程度(包括實(shí)時(shí)性)。想象性(Imagination〕強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有寬廣的可想像空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意想象客觀不存在的甚至是不能夠發(fā)生的環(huán)境13人機(jī)交互與多媒體研討室虛擬現(xiàn)實(shí)代表性設(shè)備BOOM可挪動(dòng)式顯示器它是一種半投入式視覺顯示設(shè)備。運(yùn)用時(shí)，用戶可以把顯示器方便地置于眼前，不用時(shí)可以很快移開。BOOM運(yùn)用小型的陰極射線管，產(chǎn)生的像素?cái)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液晶顯示屏，圖像比較柔和，分辨率為1280×1024像素，彩色圖像。14人機(jī)交互與多媒體研討室數(shù)據(jù)手套:數(shù)據(jù)手套是一種輸入安裝，它可以把人手的動(dòng)作轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)的輸入信號(hào)。它由很輕的彈性資料構(gòu)成。該彈性資料緊貼在手上，同時(shí)附著許多位置、方向傳感器和光纖導(dǎo)線，以檢測(cè)手的運(yùn)動(dòng)。光纖可以丈量每個(gè)手指的彎曲和伸展，而經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，手指的動(dòng)作信息可以被計(jì)算機(jī)識(shí)別虛擬現(xiàn)實(shí)代表性設(shè)備15人機(jī)交互與多媒體研討室虛擬現(xiàn)實(shí)代表性設(shè)備TELETACT手套:它是一種用于觸覺和力覺反響的安裝，利用小氣袋向手提供觸覺和力覺的刺激。這些小氣袋能被迅速地加壓和減壓。當(dāng)虛擬手接觸一件虛擬物體時(shí)，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里的該物體的力方式被調(diào)用，緊縮機(jī)迅速對(duì)氣袋充氣或放氣，使手部有一種非常準(zhǔn)確的觸覺。16人機(jī)交互與多媒體研討室虛擬現(xiàn)實(shí)代表性設(shè)備數(shù)據(jù)衣：為了讓VR系統(tǒng)識(shí)別全身運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的輸入安裝。數(shù)據(jù)衣對(duì)人體大約50多個(gè)不同的關(guān)節(jié)進(jìn)展丈量，包括膝蓋、手臂、軀干和腳。經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，身體的運(yùn)動(dòng)信息被計(jì)算機(jī)識(shí)別。經(jīng)過BOOM顯示器和數(shù)據(jù)手套與虛擬現(xiàn)實(shí)交互數(shù)據(jù)衣。17人機(jī)交互與多媒體研討室頭盔顯示器便攜、高質(zhì)量、高分辨率的計(jì)算機(jī)顯示器，內(nèi)建高保真立體聲耳機(jī)。即插即用的產(chǎn)品，適宜一切的PC機(jī)，筆記本電腦甚至目前流行的PDA，現(xiàn)場(chǎng)感強(qiáng)、圖象明晰、飽和多彩。為計(jì)算機(jī)顯示提供了很好的單通道處理方案。

18人機(jī)交互與多媒體研討室虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)用在科學(xué)研討日本熔解科學(xué)研討院利用VR技術(shù)進(jìn)展包括核聚變等離子體、聚合體和其它物質(zhì)的流體動(dòng)力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)等3D復(fù)雜景象超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬的互動(dòng)三維〔3D〕數(shù)據(jù)分析。19人機(jī)交互與多媒體研討室在工程領(lǐng)域大型工程遨游

展現(xiàn)各種擬建立的工程工程，為國(guó)際和國(guó)內(nèi)工程設(shè)計(jì)招標(biāo)建立多種層次、細(xì)節(jié)豐富的虛擬模型，真實(shí)再現(xiàn)工程開工后的情況。用戶可選擇不同途徑進(jìn)入該項(xiàng)工程的恣意部分；也可為已建立或正在建立的各種工程工程展現(xiàn)其周邊環(huán)境、內(nèi)部裝修、固定設(shè)備的配套情況。20人機(jī)交互與多媒體研討室在教學(xué)領(lǐng)域中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)晶體學(xué)研討和教學(xué)運(yùn)用

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)演示它們的構(gòu)造特征，直觀明了。加深了對(duì)晶體構(gòu)造的了解。

巴基球的分子圖21人機(jī)交互與多媒體研討室虛擬電子書又叫做虛擬翻頁(yè)、感應(yīng)翻書、電子翻書等。是經(jīng)過空間感應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一本只需框架和模型的書本，而這本書的內(nèi)容可以是動(dòng)畫、視頻、圖片。22人機(jī)交互與多媒體研討室在軍事領(lǐng)域虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使受訓(xùn)者在視覺和聽覺上真實(shí)體驗(yàn)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、熟習(xí)將作戰(zhàn)區(qū)域環(huán)境特征。在阿富汗和伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍采用綜合了航空照片、衛(wèi)星影像和數(shù)字高層地形數(shù)據(jù)來生成高分辨率的作戰(zhàn)區(qū)域三維地形環(huán)境三維戰(zhàn)場(chǎng)地形訓(xùn)練飛行員。大大減少了執(zhí)行義務(wù)的難度和傷亡23人機(jī)交互與多媒體研討室在醫(yī)療中科院深圳研討院研討了虛擬人的三維可視化、虛擬解剖、虛擬針灸、虛擬窺鏡等虛擬手術(shù)系列產(chǎn)品。任務(wù)人員在電腦前操作，熒幕上出現(xiàn)一個(gè)立體“虛擬人〞。當(dāng)操作者戴上3D眼鏡與力反響安裝、就可為“虛擬人〞做手術(shù)操作者那么可完成從切開、止血、分別、病灶處置到縫合的每一步。經(jīng)過力反響設(shè)備的引入，受訓(xùn)者可感遭到真實(shí)的手感，讓人身臨其境地察看人體組織，模擬手術(shù)操作。是3D技術(shù)、模糊智能判別、基于面向?qū)ο蟮亩鄬訕?gòu)造、非線性編輯技術(shù)、三維重建技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)的綜合，最終將提供120個(gè)不同難度的手術(shù)，包括普外、神經(jīng)、心胸、外科、婦產(chǎn)科等各類手術(shù)。24人機(jī)交互與多媒體研討室肝臟是人體造血解毒器官，由于肝臟的解剖構(gòu)造特殊，血管分布密集，傳統(tǒng)的外科治療手術(shù)困難。假設(shè)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將核磁共振成像和掃描技術(shù)等醫(yī)療成像資料數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中重構(gòu)器官的三維圖像模型，分析病灶，便可以使手術(shù)機(jī)器人能準(zhǔn)確無(wú)誤地開展手術(shù)，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)25人機(jī)交互與多媒體研討室虛擬現(xiàn)實(shí)建模言語(yǔ)VRML是“虛擬現(xiàn)實(shí)建模言語(yǔ)〞〔VirtualRealityModelingLanguage〕的首字母縮寫。簡(jiǎn)單說，VRML是一種用于描畫三維外型與交互環(huán)境的簡(jiǎn)單的文本言語(yǔ)。復(fù)雜說，VRML是在Internet上建立3D多媒體和共享虛擬世界的一個(gè)開放規(guī)范。26人機(jī)交互與多媒體研討室虛擬現(xiàn)實(shí)建模言語(yǔ)優(yōu)點(diǎn)：＊平臺(tái)無(wú)關(guān)：無(wú)論他的平臺(tái)是PC還是SGI，都可以閱讀VRML世界;＊基于Web，可以建立三維可視化效力器；＊可以快速建模：支持PROTO等靈敏的編程方式;＊大量的可用資源：越來越多的Internet站點(diǎn)含有與VRML有關(guān)的內(nèi)容。27人機(jī)交互與多媒體研討室虛擬現(xiàn)實(shí)建模言語(yǔ)缺陷：＊著色不如OpenGL快;＊沒有底層控制;＊有限的界面。28人機(jī)交互與多媒體研討室VRML的運(yùn)用與開發(fā)條件VRML閱讀環(huán)境：閱讀器：IE3.0或NetscapeNavigator3.0〔NS〕以上版本;VRML插件：Windows98、NS自帶或另行下載更新的版本。29人機(jī)交互與多媒體研討室VRML的運(yùn)用與開發(fā)條件最簡(jiǎn)單的VRML程序開發(fā)環(huán)境：以上兩種軟件再加上一個(gè)文本編輯器，如記事本或UltraEdit等。要閱讀用VRML言語(yǔ)創(chuàng)建的虛擬世界，首先要安裝它的閱讀器，假設(shè)他運(yùn)用NS，那么它自帶VRML插件。假設(shè)運(yùn)用IE，可以這樣做：在Windows98桌面中單擊開場(chǎng)→控制面板→添加／刪除程序，在“添加／刪除程序〞屬性對(duì)話框中單擊“Windows安裝程序〞標(biāo)簽，然后選中“Internet工具〞，單擊“詳細(xì)資料〞按鈕，再選中“MicrosoftVRML2.0閱讀器〞，確定。30人機(jī)交互與多媒體研討室VRML的任務(wù)原理VRML的任務(wù)原理是用文本信息描畫三維場(chǎng)景,在Internet網(wǎng)上傳輸,在本地機(jī)上由VRML的閱讀器解釋生成三維場(chǎng)景,解釋生成的規(guī)范規(guī)范即是VRML規(guī)范,而把復(fù)雜的處置義務(wù)交給本地機(jī)從而減輕了網(wǎng)路的負(fù)荷.

31人機(jī)交互與多媒體研討室VRML建模言語(yǔ)主要技術(shù)特征

基于C/S方式的訪問方式.其中效力器提供VRML文件,客戶經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)下載希望訪問的文件,并經(jīng)過本地平臺(tái)的閱讀器(Viewer)對(duì)該文件描畫的VR世界進(jìn)展訪問;即VRML文件包含了VR世界的邏輯構(gòu)造信息,閱讀器根據(jù)這些信息實(shí)現(xiàn)許多VR功能.由于閱讀器是本地平臺(tái)提供的,從而實(shí)現(xiàn)了VR的平臺(tái)無(wú)關(guān)性.

32人機(jī)交互與多媒體研討室VRML建模言語(yǔ)主要技術(shù)特征

基于ASCII碼的低帶寬可行性:VRML像HTML一樣,用ASCII文本格式來描畫世界和鏈接,保證在各種平臺(tái)上通用,同時(shí)也降低了數(shù)據(jù)量,從而在低帶寬的網(wǎng)絡(luò)上也可以實(shí)現(xiàn).而且當(dāng)VRML在本地運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),由于不受網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳輸?shù)南拗菩Ч?

33人機(jī)交互與多媒體研討室VRML建模言語(yǔ)主要技術(shù)特征

實(shí)時(shí)3D著色引擎:傳統(tǒng)的VR中運(yùn)用的實(shí)時(shí)3D著色引擎在VRML中得到了更好的表達(dá).這一特性把VR的建模與實(shí)時(shí)訪問更明確的隔分開來,也是VR不同于三維建模和動(dòng)畫的地方.后者預(yù)先著色,因此不能提供交互性.VRML提供了6+1個(gè)自在度,即三個(gè)方向的挪動(dòng)和旋轉(zhuǎn),以及和其他3D空間的超鏈接(Anchor).

34人機(jī)交互與多媒體研討室VRML建模言語(yǔ)主要技術(shù)特征

可擴(kuò)展性:VRML作為一種規(guī)范,不能夠滿足一切運(yùn)用的需求.有的運(yùn)用希望交互性更強(qiáng),有的希望畫面質(zhì)量更高,有的希望VR世界更復(fù)雜.這些要求往往是相互制約的