虚拟现实技术_1st42004.pptx

《虚拟现实技术_1st42004.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《虚拟现实技术_1st42004.pptx（58页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、虚拟现实技术Virtual Reality Technology汪日伟 天津理工大学 计算机与通信学院题纲第一讲 虚拟现实概述第二讲 虚拟现实显示技术计算机三维图形技术立体图形显示技术声音、力觉显示第三讲 虚拟现实跟踪技术位置跟踪器数据手套人体运动跟踪第四讲 人体动画技术第一讲 虚拟现实概述本讲题纲1.为什么要研究虚拟现实技术2.虚拟现实系统的构成与特点3.主要问题与研究方向1、为什么要研究虚拟现实技术？计算科学的应用与存在的问题计算科学已发展成为与理论和实践并列的第三种科学研究方法，为解决一些传统方法无法解决的问题提供了新途径、新方法。人机交互方式计算机表达信息的形式更真实示例：这是一个什么

2、样的场景？见CG_Wrl_5_011.wrl中数据1）产品设计与人机功效产品设计与人机功效(飞机，空间站等飞机，空间站等)虚拟原型的设计和验证虚拟装配虚拟人机工程学机器人领域典型应用工程的设计和规划波音公司完全使用虚拟现实技术设计波音 777 新型客机获得成功 多伦多市（Toronto）的城市规划与管理 城市规划 大型工程漫游 名胜古迹虚拟旅游 数字化酒店展示系统 奥迪效果图和线框图奥迪效果图和线框图2）科学计算可视化科学计算可视化用于核弹用于核弹用于核弹用于核弹B-61-x B-61-x 的虚拟组装系统的虚拟组装系统的虚拟组装系统的虚拟组装系统3）虚拟组装虚拟组装4）仿真训练仿真训练5）协同

3、工作环境的仿真协同工作环境的仿真6）娱乐娱乐游戏半条命2Second life中国人的中国人的中国人的中国人的Second LifeSecond Life教育、艺术和娱乐教育虚拟校园，虚拟实验和教学，远程教育和特殊教育，技能培训，建筑设计与城市规划娱乐1990,battle Tech center1991,W-Industries Ltd浙大虚拟乒乓球宁波新文三维：室内高尔夫运动模拟器，虚拟主持人等腾讯的3D QQ show.艺术文化遗产保护：北大故宫，浙大和德国合作敦煌数字化虚拟博物馆和虚拟旅游：故宫，卢浮宫虚拟音乐：东京Waseda大学开发的musical virtual space.虚拟

4、演播室：1991NHK的Nano space虚拟演员电影：侏罗纪公园，泰坦尼克，星球大战，动捕中视典数字科技有限公司中视典数字科技有限公司，总部注册于深圳高新技术园区，成立于2002年，北京分公司成立于2005年1月。是从事虚拟现实与仿真、多媒体技术、三维动画研究与开发的专业机构，是国际领先的虚拟现实技术（virtual reality Technology）整体解决方案供应商和相关服务提供商。以清华大学工业系仿真实验室雄厚的技术开发实力为基础，自成立之日起就以开发和制作适合中国虚拟仿真市场的仿真系统解决方案和适于推广的可视化软件平台为主要方向，立志创造中国虚拟仿真软硬件的旗帜名牌。公司现已独

5、立研发了包括数据手套，虚拟环境的力反馈等系统，并成功实现了中国第一套动作捕捉系统填补了国内空白，成绩丰硕，已成为用户中国仿真界中首选的理想合作企业。计算科学的应用与存在的问题计算科学的应用与存在的问题(续续)1.计算科学已发展成为与理论和实践并列的第三种科计算科学已发展成为与理论和实践并列的第三种科学研究方法，为解决一些传统方法无法解决的问题学研究方法，为解决一些传统方法无法解决的问题提供了新途径、新方法。提供了新途径、新方法。2.2.计算科学中传统的人机交互方式不能满足要求。计算科学中传统的人机交互方式不能满足要求。计算科学中传统的人机交互方式不能满足要求。计算科学中传统的人机交互方式不能满

6、足要求。3.3.计算机软件硬件水平的发展给虚拟现实研究提供了有计算机软件硬件水平的发展给虚拟现实研究提供了有计算机软件硬件水平的发展给虚拟现实研究提供了有计算机软件硬件水平的发展给虚拟现实研究提供了有利条件利条件利条件利条件为什么要研究虚拟现实技术？传统人机交互方法：人与计算机间的交互通过键盘、鼠标、显示屏等工具实现。虚拟现实方法：将计算科学处理对象统一看作一个计算机生成空间（虚拟空间或虚拟环境），并将操作它的人看作是这个空间的一个组成部分(man-in-the-loop)。人与计算机空间的对象之间的交互是通过各种先进的感知技术与显示技术（即虚拟现实技术）完成。人可以感受到虚拟环境中的对象，虚

7、拟环境也可以感受到人对它的各种操作（类似于人与真实世界的交互方式）。虚拟现实技术的发展1956年,美国的Morton Heileg开发了一个被称为 Sensorama(传感景院）的摩托车仿真器，具有以下功能：三维视频及立体声效果，振动风吹的感觉，城市街道的气味，用户可以坐在仿真器的座位上经历一种开摩托车漫游美国纽约曼哈顿的感觉。虚拟现实技术的发展(续)1965年，美国的年，美国的 Ivan Sutherland 发表了一篇名为发表了一篇名为“The Ultimate Display”（终极的显示）的文章。的文章。1968年，年，他在哈佛大学组织开发出第一个计算机图形驱动的头盔显示器（Helme

8、t-Mounted Display，即 HMD），并开），并开发发了与了与HMD相配的相配的头部位置跟踪系统。虚拟现实技术的发展(续)这些探索过程中，人们开始形成与虚拟环境相关的以下一些概念：人工现实（Artificial Reality）虚拟现实（灵境）（Virtual Reality）虚拟环境（Virtual Environment）电脑空间（Cyberspace）等这些可以理解为对虚拟现实技术的不同称呼，其中以 Virtual Reality一词影响最广。虚拟现实技术的发展(续)VIDEOPLACE系统VIDEOPLACE是由M.W.Krueger基于视频的方法设计的一个虚拟环境。他 认

9、为，与计算机相比，人类的进化要缓慢得多；因此，人机接口研究应该将重点放在相对不变的人类特性上。计算机应该适应人，而不是让人去适应计算机。在这种思想指导下，当其他早期研究者考虑穿着或戴着设备时，Krueger 将目标瞄准无障碍的环境式人工现实。虚拟现实技术的发展(续)VIEW 在虚拟现实技术发展史上的地位举足轻重。当1985年VIEW系统的雏形在美国NASA Ames 研究中心完成时，该系统以低廉的造价、让参与者有“真实体验”的效果引起有关专家的注目。该系统的雏形是在Michael McGreevy领导下完成的。VIEW系统有以下特点：保持了低造价的优势 装备了数据手套、头部跟踪器等硬件设备 提

10、供了语音、手势等交互式手段。2、虚拟现实系统的构成与特点虚拟现实系统一个示例：virtual cockpit虚拟现实虚拟现实=virtual +reality2.1、虚拟现实的含义虚拟现实(virtual reality，简称 VR)或称虚拟环境(virtual environment)，是一种逼真的视、听、触觉一体化的计算机生成环境，用户可以借助必要的装备以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响，从而获得亲临等同真实环境的感受和体验。2.2 虚拟现实系统的实现方法虚拟现实的主要目的是实现自然人机交互，即实现一种逼真的视、听、触觉一体化的计算机生成环境。虚拟现实的主要实现方法是借助

11、必要的装备，实现人与虚拟环境之间的信息转换，最终实现人与环境之间的自然交互与作用。J.J.Gibson总结的总结的感知系统人类的感知系统行为系统人类的行为系统人与环境的关系虚拟现实的概念模型王兆其，虚拟环境中物体运动逼真性的研究，博士学位论文，北京航空航天大学，1999.6.2.3 几种典型的虚拟现实系统及其应用(1)Augmented Reality应用领域：维修，医学检查，培训等主要问题：虚实一致性王兆其虚拟环境中物体运动逼真性的研究博士论文，北京航空航天大学，1999.6.R.T.Azuma,A Survey of Augmented Reality,Presence:Teleopera

12、tors and Virtual Environments,1997,6(4):355385(2)多用户虚拟现实系统 一次允许多个用户参与。典型的系统有：mWorld,CAVE，DIVE等 主要应用：虚拟研讨环境(聊天室),虚拟社区 主要问题：保证多个用户对虚拟环境有一致的感受 王兆其虚拟环境中物体运动逼真性的研究博士论文，北京航空航天大学，1999.6.(3)分布式虚拟现实系统分布于不同地理位置的多台计算机通过网络互联 主要应用：军事仿真，多用户虚拟环境典型系统：SIMNET，NPSNET，STOW，DVENET主要问题：系统的一致性(由数据分布与网络延迟引起)王兆其虚拟环境中物体运动逼真性

13、的研究博士论文，北京航空航天大学，1999.6.(4)遥存在(Tele-Presence)真实世界与操作人员相隔两地主要应用：远程手术，远程探测等 王兆其虚拟环境中物体运动逼真性的研究博士论文，北京航空航天大学，1999.6.ImmersionImaginationInteractionI32.4 虚拟现实的三个特征沉浸感(immersion):参与者全身心地沉浸于计算机所生成的三维虚拟环境，并产生身临其境的感觉。交互性(interaction):参与者可以利用各种感官功能及人类自然技能虚拟环境进行交互考察与操作。构想性(imagination):参与者借助VR系统给出的逼真视听触觉信号而产生

14、的对虚拟空间的想象 三、主要问题与研究方向3.1 存在的主要问题虚物实化如何根据虚拟环境生成人可直接感受到的真实信号（声、光、电）。是一个显示（输出）问题。实物虚化如何将真实世界中的物（特别是人）与事件（特别是人的动作）传入虚拟环境中。是一个感知的问题。网络技术如何让多个用户（特别是不在同一地理位置的多个用户）参与到同一个虚拟环境中。3.2 主要研究方向之一：感知技术的研究研究如何感知真实世界中人和物的存在及相关事件的发生：电磁感知：三维定位跟踪技术。数据手套与数据衣感知技术。视觉感知：基于计算机视觉原理感知技术。听觉感知：基于声音定位原理的感知技术。触觉与力觉感知：触觉与力觉感知技术。多种感

15、知信息的融合技术。3.2 主要研究方向之二：合成显示技术的研究研究虚拟环境的合成显示，包括图像、声音、触觉和力觉的输出。立体显示技术声音合成技术触觉与力觉合成显示技术3.2 主要研究方向之三：建模技术的研究研究虚拟环境的表示技术虚拟环境的几何空间表示技术逼真环境建模技术(纹理技术，LOD技术)基于物理特性的建模技术（仿真）3.2 主要研究方向之四：分布式虚拟现实技术的研究研究多用户共享虚拟现实实现技术。1)网络技术（带宽，延迟问题）2)数据共享技术(一致性处理）3.2 主要研究方向之五：支撑软件与开发工具的研究支持开发满足虚拟环境建模要求的新一代造型工具；开发同时支持现有和新的模型的软件工具；支持在虚拟环境内建模的软件工具的开发；虚拟环境语言模型的研究；限时计算与绘制的软件工具的开发；多用户虚拟环境的支撑软件的研制3.2 主要研究方向之六：其他相关问题的研究 运动病虚拟环境中的运动病可导致参与者出现恶心和呕吐，严重时还会出现头痛、头晕、眼胀、昏睡和疲劳等症状，因此，必须加强对运动病的研究。人的因素确定有效使用三维输入输出的方法；在用户界面中有效地集成声音和语音；虚拟环境的认知研究。