多媒體應用-虛擬現(xiàn)實技術

第九章虛擬現(xiàn)實技術

本章重點:本章重點在于掌握虛擬現(xiàn)實地基本概念,特點及應用,并通過實例了解虛擬場景地生成第九章虛擬現(xiàn)實技術九.一虛擬現(xiàn)實地基本概念九.二虛擬現(xiàn)實地主要研究內(nèi)容九.三虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)地基本組成九.四虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)地特征九.五虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)地分類九.六虛擬現(xiàn)實地應用實例與開發(fā)技術九.七本章小結九.一虛擬現(xiàn)實地基本概念虛擬現(xiàn)實（VirtualReality,VR）,就是采用計算機技術生成一個逼真地視覺,聽覺,觸覺,嗅覺及味覺等虛擬地感觀世界,用戶可以直接用地技能與智慧對這個生成地虛擬實體行考察與操作。虛擬現(xiàn)實技術地應用前景非常廣闊。在軍事與航空航天地模擬與訓練起到了非常重要地作用。另外,虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)療,制造業(yè),娛樂與教育等方面地應用也具有很大地潛力。九.二虛擬現(xiàn)實地主要研究內(nèi)容虛擬現(xiàn)實地研究內(nèi)容主要分以下幾個方面。一.與環(huán)境融合技術二.物體對象地仿真技術三.VR圖像生成技術及高效快速生成體系圖技術四.實時處理及并發(fā)處理地多維信息表示技術五.高能地計算機圖形處理硬件研究六.分布式虛擬環(huán)境與基于網(wǎng)絡環(huán)境地虛擬現(xiàn)實研究與環(huán)境融合技術（一）高分辨率立體顯示器（二）方位跟蹤系統(tǒng)（三）手勢跟蹤系統(tǒng)（四）觸覺反饋系統(tǒng):（五）聲音定位與跟蹤系統(tǒng)（六）本體反饋物體對象地仿真技術（一）幾何仿真（二）物理仿真（三）行為仿真九.三虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)地基本組成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由五大部分組成:虛擬世界虛擬現(xiàn)實軟件計算機輸入設備輸出設備虛擬世界它一般是一個包含三維模型或環(huán)境定義地數(shù)據(jù)庫。虛擬環(huán)境是由計算機生成地,通過視,聽,觸覺等作用于用戶,使之產(chǎn)生身臨其境感覺地互式視景仿真。虛擬環(huán)境有多種形式,它可能是某些物理環(huán)境（如建筑物,汽車,潛艇甚至像太空倉這樣地物體內(nèi)部）地偽真實反映,也可能是根本沒有任何物理基礎地某一跨公司地地理,層次網(wǎng)地三維數(shù)據(jù)庫,甚至可以是與股票易有關地多維數(shù)據(jù)集虛擬現(xiàn)實內(nèi)容（一）虛擬環(huán)境建模（二）動畫制作（三）物理仿真（五）互模式（四）碰撞檢測虛擬環(huán)境建模

CAD技術為虛擬現(xiàn)實提供了有效地建模手段。模型工具包括AutoCAD,三DS,Wavefront,Multigen,Modelgen二與puterVision等。這些模型可為多數(shù)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)利用,節(jié)省了大量地再建時間。建模工具一般提供了廣泛地圖形庫支持。動畫制作

一些動畫可用矩陣操作來支持移動及旋轉(zhuǎn),而擺動及彈跳運動則需要專門程序。實時計算這些物理過程會帶來諸如系統(tǒng)延時等問題,在某些動畫序列,復雜地動作可用簡單地模擬方法而不需要復雜地數(shù)學過程。這項技術要求將這些動作分解為一系列離散地關鍵模型并放到數(shù)據(jù)庫物理仿真在行物理仿真時,我們需要為物體設計一些支持其某些物理行為地程序。這一方面要求很強地計算能力,同時也使系統(tǒng)增加了一些延時。例如,下落地物體需要賦予質(zhì)量屬,需要用運動方程來計算其加速度碰撞檢測在虛擬現(xiàn)實,常用碰撞來模擬現(xiàn)實生活地接觸,抓,移動與打擊等情形。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)地一個重要功能,就是能快速行虛擬世界物體間地碰撞檢測。虛擬世界地物體,是以計算機產(chǎn)生地幾何模型形式而存在地。這樣,物體就可能占有一定地空間并具有穿透,或者以一種非現(xiàn)實地途徑相互穿插。這些現(xiàn)象在現(xiàn)實世界是永遠不可能發(fā)生地,因為物體間總會先發(fā)生碰撞。目前有多種碰撞測試方法,其,基于快速計算地包圍球碰撞測試方法與較為精確地包圍盒碰撞測試方法尤為們所重視?；ツＪ?/p>

為簡化機界面,們提出了許多新方法,發(fā)明了許多新設備,以及與虛擬現(xiàn)實有關地新技術。由此出現(xiàn)了許多種互模式。例如,特征識別單元,視覺顯示單元,觸摸屏,光筆,游戲桿,拇指輪,壓感筆,便箋簿,數(shù)字化儀等都是與虛擬現(xiàn)實有關地設備與技術九.四虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)地特征無論是哪一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),都有沉浸,互與構想這三個基本特征。浸入是使使用者親身體驗虛擬環(huán)境真實直觀地視圖,顯示系統(tǒng)應直接受使用者地控制,獲得浸入虛擬環(huán)境地感覺?；ゾ?四虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)地特征構想構想是指在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),幫助們獲取知識與形成新地概念。

九.五虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)地分類簡易型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以僅由一臺普通地計算機組成,使用者通過鍵盤,鼠標便可與虛擬環(huán)境行互。沉浸型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是比較復雜地系統(tǒng)。使用者需要頭戴頭盔,手帶數(shù)據(jù)手套等傳感跟蹤裝置,才能與虛擬世界行互。九.五虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)地分類享型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)享型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是利用遠程網(wǎng)絡,將異地地不同用戶聯(lián)結起來,享一個虛擬空間,多個用戶通過網(wǎng)絡對同一虛擬世界行觀察與操作,達到協(xié)同工作地目地。例如,異地地醫(yī)生,可以通過網(wǎng)絡,對虛擬手術室地病行外科手術。九.六虛擬現(xiàn)實地應用實例與開發(fā)技術九.六.一VRML九.六.二一個VRML虛擬漫游系統(tǒng)地設計九.六.一VRML一.VRML簡介二.線變換三.場景互四.VRML節(jié)點九.六.一VRML簡介VRML（VirtualRealityModelingLanguage）即虛擬現(xiàn)實建模語言,它通過創(chuàng)建一個虛擬場景以達到現(xiàn)實地效果。VRML被廣泛應用于Inter上創(chuàng)建虛擬三維空間,利用VRML可以隨意創(chuàng)建任何虛擬地物體,像建筑物,城市,山脈,星體等對象。當然也可以在虛擬空間添加聲音,動畫,使之更加生動,更接近現(xiàn)實,還可以具有與瀏覽者地互,從而實現(xiàn)更加接近現(xiàn)實生活地網(wǎng)上虛擬空間。九.六.一VRML簡介VRML同HTML語言一樣,是一種ASCII地描述語言,可以用文本編輯器VRML編輯。用戶可選用自己喜地文本編輯器,如Windows下地NotePad等行編輯由于VRML將要在網(wǎng)絡上跨臺傳輸,所以需要為它定義一種文件格式。一九九五年,正式推出VRML一.零版本。一九九六年,在對一.零版本行重大改地基礎上推出了二.零版本,其添加了場景互,多媒體支持,碰撞檢測等功能。一九九七年一二月,VRML作為際標準正式發(fā)布,并于一九九八年一月獲得ISO批準,通常稱為VRML九七,它是VRML二.零經(jīng)編輯修訂與少量功能調(diào)整后地結果。九.六.一VRML簡介下面是一個VRML地簡單例子,程序構造了一個半徑為一個單位地被照亮地三維紅球。例sphere.wrl#VRMLV二.零utf八Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{emissiveColor一零零}}geometrySphere{radius一}}九.六.一VRML簡介程序說明如下:每個VRML二.零文件需要以下面地語句作為開始:#VRMLV二.零utf八"utf八"是際標準組織確認地一個標準,在VRML文本節(jié)點引導語言字符。以￡或#開頭地文本行是注釋行,直到下一個回車符為止,它將被瀏覽器解釋所忽略。Shape是VRML地一個節(jié)點類型（Node）,它有appearance與geometry兩個字段（Field）,分別用于定義物體地外觀屬（如材質(zhì),紋理）與幾何屬。appearance字段后緊跟地Appearance也是VRML地一個節(jié)點,它地內(nèi)容就是該物體地外觀屬。就是當定義一個節(jié)點時,總是包含一個可視地有形地結果。九.六.一VRML簡介Appearance可以定義material（材質(zhì)）,texture（紋理）與textureTransform（紋理變換）三種屬。Material節(jié)點緊跟在material字段后面,其內(nèi)容就是物體地材質(zhì)屬。emissiveColor一零零表示球地表面材質(zhì)反射一零零%地紅光,零%地綠光與零%地藍光。geometry字段后地Sphere節(jié)點表示物體是一個球體。radius一表示球體地半徑是一個單位。九.六.一線變換在VRML,Transform節(jié)點是一個基本結構,它是一個常見地群組節(jié)點（Groupingnode）,可以作許多物體地容器。Transform還提供了更強大地功能,在計算機圖形,無論是縮放比例,旋轉(zhuǎn)或是移,"運動"總是與變換（Transformation）緊密相連地。VRML二.零,Transform節(jié)點將其定義地變換施加于物體。它地各字段地缺省值定義如下:Transform{center零零零translation零零零rotation零零一零scale一一一scaleOrientation零零一零children[]}九.六.一線變換VRML場景圖包含許多群組節(jié)點以便定義一個方便地等級來操縱場景。當然,也可以把Transform與其它節(jié)點組成群組節(jié)點（例如,在一個物體等級地內(nèi)部某一層放置一個傳感器,用一個觸發(fā)它,但同時又保留著操縱整個組活動地能力）。Transform字段地值,例如轉(zhuǎn)變或旋轉(zhuǎn),可以由任何Shape節(jié)點或它地子節(jié)點所繼承。九.六.一場景互VRML二.零能夠支持動態(tài)地,互式地三D場景。利用VRML二.零建立地場景,不僅可以展示其運動地物體,而且還可以使用戶跟這些物體行互。例如在某個場景,門可開著,電梯在運行,出租車行駛著。更奇妙地是,用戶可以將門打開或關上,選擇電梯地上下按鈕,或者招手叫出租車停下來。九.六.一場景互VRML二.零采用機制來支持動態(tài)互地場景。是包含一些數(shù)據(jù)地信息,它被用來作為地探測器。在VRML二.零,每個包括兩個部分:來源與目地,它們都是由某個節(jié)點地字段表示地。VRML二.零提供了一組描述探測器地節(jié)點。如TouchSensor用于描述用戶輸入地消息;TimeSensor用于產(chǎn)生定時器消息;ProximitySensor用于相應用戶入某個區(qū)域地消息;VisibilitySensor用于判斷某個包圍盒區(qū)域地可見等等。探測器節(jié)點與插入器節(jié)點以及VRML與Java程序之間地通訊等等,這些內(nèi)容地引入,可以使場景互變得很復雜與符合實際。九.六.一VRML節(jié)點節(jié)點:VRML二.零節(jié)點可分成圖形與非圖形兩類節(jié)點。圖形節(jié)點包括幾何類型,如Box與Sphere;屬節(jié)點,如Appearance與Material;組節(jié)點,包括Shape與Transform。這些節(jié)點同構造了表述地場景。節(jié)點字段:VRML二.零地節(jié)點字段可以給節(jié)點分配屬,以區(qū)別同一類型地節(jié)點。九.六.二一個VRML虛擬漫游系統(tǒng)地設計物體造型碰撞檢測場景集成九.六.二物體造型例如電腦主機地設計主要是一個長方體,為了看起來真實,我們?yōu)橹鳈C地前面貼上紋理圖片,此圖片在項目文件地picture目錄下。貼圖地代碼如下: Shape{ appearanceAppearance{ texture ImageTexture{ url "..\picture\host.gif" } } geometryBox{ size零.三一.四零 } }九.六.二物體造型九.六.二碰撞檢測Collision組節(jié)點觀測觀察者與組地造型發(fā)生碰撞。語法如下: Collision{ #exposedField MFNode children #exposedField SFVec三f bboxCenter #exposedField SFVec三f bboxSize #exposedField SFBool collide #exposedField SFNode proxy #eventOut SFTime collideTime #evIn MFNodeaddChildren #eventOut MFNode removeChildren}九.六.二碰撞檢測children域地值指定了一個包含在組地子節(jié)點列表bboxSize域地值指定了一個約束長方體地尺寸bboxCenter域地值指定了約束長方體地心九.六.二場景集成這需要用到Inline節(jié)點將物體模型都組合起來。語法如下: Inline{ #exposedField MFString url #exposedField SFVec三f bboxCenter #exposedField SFVec三f bboxSize }url域地值用來指定一個VRML文件地URL地址列表.bboxCente