虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)論 課件 第1章 概論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)論第1章概論本講大綱1.1基本概念及發(fā)展簡史1.2虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)聯(lián)概念1.3典型特征1.4虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)1.5虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)建過程1.6習(xí)題1.1基本概念及發(fā)展簡史虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)——三元世界的界面真實(shí)世界虛擬世界

人虛擬現(xiàn)實(shí)是人與虛擬世界及真實(shí)世界的相互作用虛擬現(xiàn)實(shí)就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高技術(shù)生成逼真的視、聽、觸覺一體化的一定范圍的三維虛擬環(huán)境，用戶可以借助必要的裝備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互作用、相互影響，從而獲得親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。基本概念虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)充分利用計(jì)算機(jī)硬件和軟件的集成技術(shù)，提供一種實(shí)時(shí)、三維的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備（如頭盔，手套等）以自然方式與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互，從而沉浸于虛擬環(huán)境中，產(chǎn)生接近真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。虛擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像，它可以是某一現(xiàn)實(shí)世界的再現(xiàn)，也可以是虛擬構(gòu)想的世界。關(guān)鍵詞：3D+交互基本概念3D＋交互示例虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生的背景與應(yīng)用需求演化密切相關(guān)與計(jì)算技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生的背景現(xiàn)代科學(xué)研究的主要手段理論研究（推導(dǎo)、演繹）科學(xué)實(shí)驗(yàn)（統(tǒng)計(jì)、歸納）一個(gè)問題如何使得計(jì)算過程和結(jié)果更為直觀？科學(xué)計(jì)算數(shù)值計(jì)算方法模擬仿真新的計(jì)算方法虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生的背景直觀為什么首先要可視？真正的直觀需要可視、可聽、可觸、可嗅，而視覺占到人的輸入信息的80%以上，是基本的可視的概念并不陌生解析幾何（代數(shù)、幾何）在于虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)聯(lián)的學(xué)科中，與“可視”相關(guān)的也是最早發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生的背景虛擬現(xiàn)實(shí)考慮的核心問題如何把現(xiàn)實(shí)世界中物體和數(shù)據(jù)映射成具有某種幾何、物理和行為屬性的對象（實(shí)物虛化）如何計(jì)算機(jī)中的虛擬對象映射到現(xiàn)實(shí)世界中（虛物實(shí)化）發(fā)展簡史80多年前的飛行模擬器……1929年EdwinA.Link發(fā)明了一種飛行模擬器“藍(lán)盒子”，可提供俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)等復(fù)雜飛行動(dòng)作。這是人類模擬仿真物理現(xiàn)實(shí)的初次嘗試如今，全球民航共使用著約1200余臺全飛模擬機(jī)，其中約550臺位于美國、75臺位于英國、我國擁有約60多臺，而德國和日本分別擁有50臺，法國擁有其中的40余臺發(fā)展簡史

50多年前的摩托車仿真器……1956年，MortonHeileg開發(fā)了一個(gè)摩托車仿真器Sensorama，基于一對并排的35mm照相機(jī)實(shí)現(xiàn)三維視頻反饋，有立體聲效，能產(chǎn)生振動(dòng)感覺1962年的“Sensoramasimulator”專利已具有一定的VR技術(shù)的思想發(fā)展簡史圖形學(xué)和VR的里程碑，63－68年……IvanSutherland：1963畫板1965終極的顯示1966HMD1968

E&S1988圖靈獎(jiǎng)發(fā)展簡史圖形學(xué)和VR的里程碑，63－68年……IvanSutherland：1963畫板1965終極的顯示1966HMD1968

E&S1988圖靈獎(jiǎng)發(fā)展簡史人機(jī)交互1987年，James.D.Foley在具有影響力的《科學(xué)美國人》上發(fā)表了“InterfacesforAdvancedComputing”。該雜志還發(fā)表了報(bào)導(dǎo)數(shù)據(jù)手套的文章，引起人們的關(guān)注發(fā)展簡史AR……VR……1973年，Krueger提出了“ArtificialReality”一詞，這是早期出現(xiàn)的VR詞語1989年，美國VPL公司的創(chuàng)立者JaronLanier提出了VirtualReality一詞2014年3月20日，F(xiàn)acebook公司宣布斥資20億美元收購虛擬現(xiàn)實(shí)公司Oculus。這是Facebook金額排名第二的收購交易2014年7月25日，Amazon發(fā)布FirePhone3D手機(jī)，

增強(qiáng)3D購物/娛樂體驗(yàn)2014年9月，微軟研發(fā)3D觸覺反饋觸摸屏：醫(yī)生可以摸到腫瘤2015年1月22日，微軟舉辦Win10預(yù)覽版發(fā)布會(huì)，推出HoloLens全息影像頭盔2015年CES（國際消費(fèi)電子展），三星等推出的多款虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、應(yīng)用等發(fā)展簡史發(fā)展簡史虛擬現(xiàn)實(shí)可能應(yīng)用的九個(gè)領(lǐng)域：2016年1月14日，高盛發(fā)布58頁報(bào)告，指出虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）將像PC一樣改變世界預(yù)期到2025年VR和AR軟硬件營收達(dá)800-1800億美元高盛預(yù)測報(bào)告：像PC一樣改變世界視頻游戲現(xiàn)場直播視頻娛樂零售業(yè)房地產(chǎn)教育健康工程軍事發(fā)展簡史2018年，美國公布的《2016-2045年新興科技趨勢報(bào)告》預(yù)測未來30年里，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這些技術(shù)將成為主流技術(shù)。AR將把實(shí)時(shí)相關(guān)的信息給用戶投放在現(xiàn)實(shí)中，而VR則可以通過融合視覺、聽覺、嗅覺和觸覺來實(shí)現(xiàn)深度沉浸的體驗(yàn)。發(fā)展簡史近年來，元宇宙（Metaverse）成為市場上比較火熱的概念。元宇宙指利用科技手段連接與創(chuàng)造出與現(xiàn)實(shí)世界映射和交互的虛擬世界，該虛擬世界同時(shí)是一個(gè)具備基本新型社會(huì)體系的數(shù)字生活空間。其本質(zhì)是對現(xiàn)實(shí)世界的虛擬化、數(shù)字化，包括對內(nèi)容生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、用戶體驗(yàn)以及實(shí)體世界大量真實(shí)內(nèi)容的改造。其中，擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（ExtendedReality，XR）技術(shù)是VR與AR技術(shù)的綜合，為用戶提供沉浸式體驗(yàn)，與數(shù)字孿生技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)一道成為支持元宇宙的核心技術(shù)之一。發(fā)展簡史使人機(jī)界面、人機(jī)交互自然、友好是計(jì)算機(jī)科學(xué)工作者不懈追求的目標(biāo)。計(jì)算與仿真成為科學(xué)技術(shù)探索除理論研究、科學(xué)實(shí)驗(yàn)之外的第三種手段。人們在許多領(lǐng)域所需解決的問題越來越需要有力的預(yù)測手段和虛擬環(huán)境。追求、探求、需求計(jì)算機(jī)科學(xué)工作者不斷追求的三個(gè)目標(biāo)：快捷，聰明，和諧虛擬現(xiàn)實(shí)的三大應(yīng)用方向訓(xùn)練演練(模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境)規(guī)劃（設(shè)計(jì)）預(yù)測(虛擬未來環(huán)境)觀賞娛樂(構(gòu)想現(xiàn)實(shí)未來幻想環(huán)境)1.2虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)聯(lián)概念與VR緊密相關(guān)的概念MR（混合現(xiàn)實(shí)）、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）、AV（增強(qiáng)虛擬）這些概念根據(jù)虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境信息融合的程度劃分虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的四個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)傳統(tǒng)仿真真實(shí)數(shù)據(jù)等游戲動(dòng)畫CAD/CAM圖形圖像人機(jī)交互等概念仿真等虛擬實(shí)體等近年來一些熱詞都有與虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)內(nèi)容云計(jì)算：GoogleGlass（顯示）大數(shù)據(jù)：可視分析（視覺處理）可穿戴：新型人機(jī)界面（交互方式）5G：全景展示（內(nèi)容展現(xiàn)形式）人工智能：內(nèi)容處理，交互1.3典型特征VR3I典型特征示意圖沉浸（Immersion）交互（Interaction）構(gòu)想（Imagination）虛擬現(xiàn)實(shí)的三個(gè)主要特點(diǎn)依托的學(xué)科多（多學(xué)科交叉融合）應(yīng)用性強(qiáng)（與應(yīng)用領(lǐng)域交叉融合）高度依賴數(shù)據(jù)資源和計(jì)算資源1.4虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)典型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一般包含一個(gè)虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment，VE）及若干化身虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的4種分類（1）沉浸型（2）桌面型（3）增強(qiáng)型（4）分布型沉浸型這類系統(tǒng)主要面向高端應(yīng)用，其典型特點(diǎn)是使用高端圖形工作站（群）和高逼真感的視聽觸設(shè)備，以提供更好的沉浸感。航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用沉浸型這類系統(tǒng)主要面向高端應(yīng)用，其典型特點(diǎn)是使用高端圖形工作站（群）和高逼真感的視聽觸設(shè)備，以提供更好的沉浸感。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用桌面型這類系統(tǒng)主要面向普及型應(yīng)用，其典型特點(diǎn)是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)和常規(guī)交互設(shè)備，在通用硬件上構(gòu)造簡易型的系統(tǒng)。虛擬奧運(yùn)博物館增強(qiáng)型這類系統(tǒng)主要面向增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用，其典型特點(diǎn)是：利用機(jī)械、聲波、光學(xué)、電磁技術(shù)獲取運(yùn)動(dòng)物體的3D姿態(tài)，然后與虛擬對象進(jìn)行注冊、融合，并使用透視頭盔式顯示器，在現(xiàn)實(shí)場景中疊加虛擬物體，增加虛實(shí)融合的內(nèi)容。大飛機(jī)虛擬融合系統(tǒng)分布型這類系統(tǒng)主要面向網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，其典型特點(diǎn)是：利用網(wǎng)絡(luò)將不同節(jié)點(diǎn)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)加以聯(lián)結(jié)，構(gòu)建共享一致的虛擬環(huán)境，從而進(jìn)行協(xié)同和交互。分布型分布型虛