虚拟现实技术课件第1章.ppt
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1、虚拟现实技术第第1 1章章 虚拟现实技术概论虚拟现实技术概论1.11.1虚拟现实技术的发展史虚拟现实技术的发展史1.21.2虚拟现实技术的概念虚拟现实技术的概念1.31.3虚拟现实技术的特征虚拟现实技术的特征1.41.4虚拟现实系统的分类虚拟现实系统的分类1.51.5虚拟现实技术的应用领域虚拟现实技术的应用领域1.61.6虚拟现实技术的研究现状虚拟现实技术的研究现状1.1 虚拟现实技术的发展史虚拟现实技术()简称VRVR技术,这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔(Jaron Lanier)在80年代初提出的,但在二十世纪末才兴起的综合性信息技术。技术融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能
2、、多媒体、传感器、网络以及并行处理等多个信息技术分支的最新发展成果。1.1 虚拟现实技术的发展史1989年,美国VPL Research公司创始人Jaron Lanier提出了“Virtual RealityVirtual Reality”(虚拟现实)的概念。“RealityReality”的含义是现实的世界,或现实的环境。“Virtual RealityVirtual Reality”(虚拟现实)=“Virtual Environment”(虚拟环境)“VirtualVirtual”说明,世界或环境是虚拟的,不是真实的。这个世界或环境是人工构造的,是存在于计算机内部的。用户应该能够“进入”这
3、个虚拟的环境中。进入进入这个虚拟的环境中,是指用户以自然的方式与这个环境交互(包括感知环境并干预环境),从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感,身临其境的感觉。1.1 虚拟现实技术的发展史1929年,Edward Link设计出用于训练飞行员的模拟器1956年,Morton Heilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama 1.1 虚拟现实技术的发展史1965年,Ivan Sutherland发表论文“Ultimate Display”(终极的显示)1968年,Ivan Sutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器(Head Mounted Display,HMD)1.1 虚
4、拟现实技术的发展史1972年,Nolan Bushnell开发出第一个交互式电子游戏Pong 1977年,Dan Sandin、Tom DeFanti和Rich Sayre研制出第一个数据手套Sayre Glove20世纪80年代,美国国家航空航天局(NASA)组织了一系列有关VR技术的研究:1984年,NASA Ames研究中心的M.McGreevy 和J.Humphries开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器;1987年,Jim Humphries设计了双目全方位监视器(BOOM)的最早原型。1.1 虚拟现实技术的发展史1990年,在美国达拉斯召开的Siggraph会议上,明确提出VR技
5、术研究的主要内容包括实时三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术,为VR技术的发展确定了研究方向。从20世纪90年代开始,VR技术的研究热潮也开始向民间的高科技企业转移。著名的VPL公司开发出第一套传感手套命名为“DataGloves”,第一套HMD命名为“EyePhones”。进入21世纪后,VR技术更是进入软件高速发展的时期,一些有代表性的VR软件开发系统不断在发展完善,如MultiGen Vega、OpenSceneGraph、Virtools等。1.2 虚拟现实的概念 概念:概念:“Virtual Reality”(虚拟现实)或“Virtual Environment”(虚
6、拟环境)是人工构造的,存在于计算机内部的。用户应该能够以与这个环境(包括感知环境并干预环境),从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感,沉浸感,身临其境的。要点:要点:1.环境:人造的,计算机内部的。2.自然的方式交互:人类感知周围环境的听觉,视觉,触觉等方式来感知环境。人以自然的不停的身体运动来干预环境。3.效果:虚假的,沉浸的,身临其境的感觉。虚拟现实系统中的“虚拟环境”,可能有下列几种情况:第一种情况是完全对真实世界中的环境进行再现。如虚拟小区对现实小区的虚拟再现、军队中的虚拟战场、虚拟实验室中的各种仪器等,这种真实环境,可能已经存在(如右图所示),也可能是已经设计好但是尚未建成,也可能是
7、原来完好,现在被破坏。虚拟现实系统中的虚拟环境,可能有下列几种情况。第二种情况是完全虚拟的,人类主观构造的环境。如影视制作或电子游戏中,三维动画设计的虚拟世界。此环境完全是虚构的,用户也可以参与,并与之进行交互的非真实世界。但它的交互性和参与性不是很明显,1.2 虚拟现实的概念虚拟现实系统中的虚拟环境,可能有下列几种情况。第三种情况是对真实世界中人类不可见的现象或环境进行仿真。如分子结构、各种物理现象等。这种环境是真实环境,客观存在的,但是受到人类视觉、听觉器官的限制不能感应到。一般情况是以特殊的方式(如放大尺度的形式)进行模仿和仿真,使人能够看到,听到,或者感受到,体现科学可视化。虚拟现实概
8、念包含三层虚拟现实概念包含三层含义含义:1 1环境环境 虚拟现实强调环境,而不是数据和信息。虚拟现实强调环境,而不是数据和信息。2 2主动式交互主动式交互 虚拟现实强调的交互方式是通过专业的传感设备来实虚拟现实强调的交互方式是通过专业的传感设备来实现的,改进了传统的人机接口形式。虚拟现实人机接口是现的,改进了传统的人机接口形式。虚拟现实人机接口是完全面向用户来设计,用户可以通过在真实世界中的行为完全面向用户来设计,用户可以通过在真实世界中的行为干预虚拟环境。干预虚拟环境。3 3沉浸感沉浸感 通过相关的设备,采用逼真的感知和自然的动作,使人通过相关的设备,采用逼真的感知和自然的动作,使人仿佛置身
9、于真实世界,消除了人的枯燥、生硬和被动的感仿佛置身于真实世界,消除了人的枯燥、生硬和被动的感觉,大大提高工作效率。觉,大大提高工作效率。1.2 虚拟现实的概念虚拟现实的概念中有三个:(1)Immersion(沉浸),是指逼真的,身临其境的感觉。(2)Interaction(交互),是指用户感知与操作环境。(3)Imagination(想象),是指创造性。1.2 虚拟现实的概念I31.3 虚拟现实技术的特征虚拟现实技术的特征:指用户对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度(包括实时性)。主要借助于各种专用设备(如头盔显示器、数据手套等)产生,从而使用户以自然方式如手势、体势、
10、语言等技能,如同在真实世界中一样操作虚拟环境中的对象。1.3 虚拟现实技术的特征虚拟现实技术的特征:又称临场感,是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。VR技术最主要的特征。影响沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、三维图像中的深度信息、画面的视野、实现跟踪的时间或空间响应及交互设备的约束程度等。1.3 虚拟现实技术的特征虚拟现实技术的特征指用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为,通过逻辑判断、推理和联想等思维过程,随着系统的运行状态变化而对其未来进展进行想象的能力。对适当的应用对象加上虚拟现实的创意和想象力,可以大幅度提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。1
11、.3 虚拟现实的特征 典型的VR系统主要由计算机软、硬件系统(包括VR软件和VR环境数据库)和VR输入、输出设备等组成。一般的虚拟现实系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入输出设备和数据库来组成。1.3虚拟现实的特征ComputerComputer专业图形处理计算机专业图形处理计算机Input DevicesInput Devices输入设备输入设备Output DevicesOutput Devices输出设备输出设备Software SystemSoftware System应用软件系统应用软件系统DatabaseDatabase数据库数据库UserUser用户用户是系统的心脏,
12、也称之为虚拟世界的发动机。负责虚拟世界的生成、人与虚拟世界的自然交互等功能的实现。由于其复杂性,计算量极大,对计算机的配置提出了极高的要求。:特殊的设备,用以识别用户各种形式的输入,并实时生成相应反馈信息。常用的设备有用于手势输入的数据手套,用于语音交互的三维声音系统等。:虚拟世界中物体的几何模型、物理模型、运动模型的建立;三维虚拟立体声的生成;模型管理技术及实时显示技术、虚拟世界数据库的建立与管理等。存放整个虚拟世界中所有物体的各方面信息。1.3 虚拟现实的特征1.4 虚拟现实系统的分类虚拟现实系统的分类 1.4.11.4.1 桌面式桌面式VRVR系统(系统(Desktop VRDeskto
13、p VR)1.4.21.4.2 沉浸式沉浸式VRVR系统(系统(Immersive VRImmersive VR)1.4.31.4.3 增强式增强式VRVR系统(系统(Augmented VRAugmented VR)1.4.41.4.4 分布式分布式VRVR系统(系统(Distributed VRDistributed VR)1.4 虚拟现实系统的分类虚拟现实系统的分类 1.4.1 桌面式VR系统1.4 虚拟现实系统的分类虚拟现实系统的分类 1.4.2 沉浸式VR系统1.4.2 沉浸式VR系统1.4 虚拟现实系统的分类虚拟现实系统的分类 1.4.3 增强式VR系统1.4.3增强式VR系统增强
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