直接操縱與虛擬環(huán)境匯編資料

1、5.6 虛擬(xn)和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí) 虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱VR）：是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主，綜合利用計(jì)算機(jī)圖形、圖像、可視化、人機(jī)交互、人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、高性能計(jì)算等許多領(lǐng)域的技術(shù)。是一個(gè)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)。生成一個(gè)逼真的三維視覺(jué)、觸覺(jué)以及嗅覺(jué)等感覺(jué)世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自身的功能和一些設(shè)備對(duì)所產(chǎn)生的虛擬世界這一客體進(jìn)行瀏覽和交互式考察。 虛擬現(xiàn)實(shí)的三大特點(diǎn)：浸沉感、交互性和構(gòu)想性浸沉感：指的是人浸沉在虛擬環(huán)境中，具有和在真實(shí)環(huán)境中一樣的感覺(jué)交互性：指在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)者不是被動(dòng)地感受，而是可以通過(guò)自己的 動(dòng)作改變感受的內(nèi)容(nirng)構(gòu)想性：指虛擬的環(huán)境是人構(gòu)想出來(lái)的，因而可用于實(shí)

2、現(xiàn)一定目標(biāo)的用途共二十頁(yè)5.6 虛擬和增強(qiáng)(zngqing)的現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大體可分為四類： 1、桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)也稱窗口中的VR。它可以通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站進(jìn)行仿真，將計(jì)算機(jī)的屏幕作為(zuwi)用戶觀察虛擬世界的一個(gè)窗口。所以成本較低，功能也最簡(jiǎn)單，主要用于建筑設(shè)計(jì)、桌面游戲等領(lǐng)域。共二十頁(yè)5.6 虛擬(xn)和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)2、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(xtng)使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺(jué)。它利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其它感覺(jué)封閉起來(lái)，并提供一個(gè)新的、虛擬的感覺(jué)空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和

3、沉浸其中的感覺(jué)。常見(jiàn)的沉浸式系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)。共二十頁(yè)5.6 虛擬(xn)和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)3、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)它在因特網(wǎng)環(huán)境下，充分利用分布于各地的資源，協(xié)同開(kāi)發(fā)各種虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。它通常是沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的發(fā)展，也就是把分布于不同地方的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，共同實(shí)現(xiàn)某種用途。目前(mqin)最典型的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是SIMNET(模擬網(wǎng)絡(luò))，SIMNET由坦克仿真器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接而成，用于部隊(duì)的聯(lián)合訓(xùn)練。共二十頁(yè)5.6 虛擬(xn)和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)4、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)又稱混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)它把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來(lái)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)增強(qiáng)參與

4、者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，也就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中無(wú)法感知或不方便的感受。典型的實(shí)例是戰(zhàn)機(jī)飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數(shù)和武器瞄準(zhǔn)(mio zhn)數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而可集中精力盯著敵人的飛機(jī)或?qū)Ш狡?。共二十?yè)虛擬和增強(qiáng)(zngqing)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用飛行模擬器 他們的設(shè)計(jì)員努力為戰(zhàn)斗機(jī)和民航的飛行員創(chuàng)建最真實(shí)地體驗(yàn)。駕駛艙的顯示器和控制器都是真實(shí)的。而窗戶用高分辨率的計(jì)算機(jī)顯示器代替，精心(jngxn)編制聲音，給人真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和反推力的效果。在爬升和轉(zhuǎn)彎期間的振動(dòng)和傾斜，有液壓千斤頂和復(fù)雜的懸架系統(tǒng)創(chuàng)建。這樣使訓(xùn)練更安全、更有用

5、。建筑 建筑師一直使用計(jì)算機(jī)來(lái)繪制具有用戶生成內(nèi)容的、建筑物的三維表示。他們的設(shè)計(jì)工具把建筑物顯示在標(biāo)準(zhǔn)的顯示器上，但使用投影儀來(lái)創(chuàng)建墻面，這樣就給預(yù)期客戶更逼真的效果。現(xiàn)在又通過(guò)在踏車上行走增加動(dòng)畫(huà)效果，允許客戶穿過(guò)門或上樓梯。最后用頭盔顯示器代替投影儀，用頭部追蹤監(jiān)視頭部移動(dòng)。共二十頁(yè)虛擬和增強(qiáng)(zngqing)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用醫(yī)生 外科醫(yī)生能夠通過(guò)“察看(chkn)”視頻圖像而受益，這些圖像來(lái)自病人心臟內(nèi)部，通過(guò)光纖照相機(jī)拍得，使用了將浸入式手術(shù)減少到最少的遠(yuǎn)程直接操縱設(shè)備，但是醫(yī)生似乎不想要那種戴著頭盔顯示器在病人體內(nèi)的沉浸式體驗(yàn)。手術(shù)計(jì)劃和遠(yuǎn)程操作也能用于現(xiàn)實(shí)在桌面顯示器上并被手持式支架導(dǎo)

6、引的三維“察看”可視化來(lái)完成。虛擬現(xiàn)實(shí)的遙現(xiàn)方面打破了空間的物理限制，允許用戶表現(xiàn)的似乎他們?cè)趧e的地方。虛擬環(huán)境已在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得成功。如：虛擬世界可用于治療恐高癥病人，其方式是給病人一種能控制視角和移動(dòng)的沉浸式體驗(yàn)。安全的沉浸式環(huán)境使患者可以自我調(diào)節(jié)以適應(yīng)令人驚懼的刺激。共二十頁(yè)虛擬(xn)和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)成功的虛擬環(huán)境依賴多種技術(shù)平滑集成：視覺(jué)顯示器頭部位置(wi zhi)傳感器手部位置傳感器手持操縱力反饋與觸覺(jué)聲音的輸入與輸出其他傳感器協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)的虛擬環(huán)境共二十頁(yè)5.6 虛擬和增強(qiáng)(zngqing)的現(xiàn)實(shí)視覺(jué)顯示器：處于正常的觀看距離、正常尺寸的計(jì)算機(jī)顯示器對(duì)向一個(gè)大約5的角度；大屏幕顯示器能

7、覆蓋2030的范圍，頭盔顯示器覆蓋的水平范圍為100、垂直范圍是60。頭盔顯示器阻擋其他圖像，所以其效果更具有戲劇性，并且頭部移動(dòng)能產(chǎn)生新的圖像，所以用戶能得到360覆蓋范圍的效果。飛行模擬器也能阻擋外來(lái)(wili)的圖像，但它們不強(qiáng)迫用戶戴上有笨重的頭盔顯示器能做到這點(diǎn)。另一種方法是裝在吊桿上的顯示器，它感知用戶的位置而不要求他們戴上沉重的護(hù)目鏡。共二十頁(yè)5.6 虛擬和增強(qiáng)(zngqing)的現(xiàn)實(shí)頭部位置傳感：頭盔顯示器能夠提供依賴于頭部位置的不同視圖。向右看，能看到森林；向左看，森林被城市替代。有些頭部跟蹤器戴起來(lái)可能很笨重，但嵌入帽子或眼睛中的較小變體便于移動(dòng)。頭部位置的視頻識(shí)別時(shí)可能的

8、。傳感器精度應(yīng)該是高且快的。識(shí)別注意點(diǎn)的眼動(dòng)跟蹤可能是有用的，但當(dāng)用戶正在移動(dòng)和正在戴頭盔顯示器時(shí)，卻難以完成。手部位置傳感：數(shù)據(jù)手套是一項(xiàng)被持續(xù)改進(jìn)的創(chuàng)新發(fā)明(fmng)，其改進(jìn)是針對(duì)舒適性、準(zhǔn)確性和采樣率。手指位置的準(zhǔn)確測(cè)量?jī)H關(guān)系到1個(gè)或2個(gè)手指甚至1個(gè)或2個(gè)關(guān)節(jié)。裝在手套或手腕上的6自由度跟蹤器提供手的方位。人體其他部位，如膝蓋、臂或腿的傳感器正用于體育訓(xùn)練和移動(dòng)捕捉。共二十頁(yè)5.6 虛擬和增強(qiáng)(zngqing)的現(xiàn)實(shí)手持操作：富于想象力的方法包括了電動(dòng)(din dn)手術(shù)工具和小玩偶。用戶能夠操作這些物體產(chǎn)生輸入、運(yùn)行設(shè)備、創(chuàng)作繪畫(huà)或制作雕塑。一種變體，經(jīng)常稱為“微型世界”，它有房子或

9、科學(xué)儀器的小模型，用戶能夠操縱它們來(lái)創(chuàng)建在更大的現(xiàn)實(shí)世界物體上的操作，通常在遠(yuǎn)距離位置。力反饋與觸覺(jué)：用于完成化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)或處理核原料的手動(dòng)遠(yuǎn)程控制設(shè)備提供力反饋，給予用戶抓住或碰到物體時(shí)的良好感覺(jué)。對(duì)汽車司機(jī)和飛行員的力反饋，精心配置以提供真實(shí)有用的觸覺(jué)信息。軟件模型的反饋在加速執(zhí)行具有復(fù)雜分子的對(duì)接任務(wù)方面是成功的。對(duì)外科醫(yī)生來(lái)說(shuō)，在他們進(jìn)行困難的手術(shù)時(shí)感受到力反饋，可能是有幫助的。共二十頁(yè)5.6 虛擬和增強(qiáng)(zngqing)的現(xiàn)實(shí)聲音的輸入與輸出：聲音的輸出增加了彈跳的球、跳動(dòng)的心臟或掉下的花瓶的真實(shí)性，視頻游戲設(shè)計(jì)人員早就發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。在正確的時(shí)刻發(fā)出具有全三維效果的、使人信服的聲

10、音是可能的，但也是一項(xiàng)困難的工作。數(shù)字聲音硬件是足夠的，但軟件工具仍不足夠。虛擬樂(lè)器的音樂(lè)輸出是有希望的；這個(gè)領(lǐng)域(ln y)中的大多數(shù)早期工作是模擬現(xiàn)有的樂(lè)器，但新奇的的樂(lè)器也已經(jīng)出現(xiàn)了。用于啟動(dòng)動(dòng)作和做出菜單選擇的語(yǔ)音識(shí)別可能是有用的，因?yàn)殒I盤和鼠標(biāo)的使用是受限制的。共二十頁(yè)5.6 虛擬(xn)和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)其他傳感器：飛行模擬器的傾斜和振動(dòng)可能為一些設(shè)計(jì)人員提供靈感。傾斜且振動(dòng)的虛擬過(guò)山車已經(jīng)存在，如果用戶以每小時(shí)60,600或6000英里(yngl)的速度飛馳，并沖過(guò)高山或進(jìn)入軌道，那么甚至能變得更流行。為什么不包含帶有雨滴的、真實(shí)的陣風(fēng)，讓它變熱或變冷來(lái)表達(dá)虛擬天氣呢？最好，嗅覺(jué)計(jì)算已

11、被嘗試過(guò)，但還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)恰當(dāng)?shù)膶?shí)際的應(yīng)用。共二十頁(yè)5.6 虛擬和增強(qiáng)(zngqing)的現(xiàn)實(shí)協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)的虛擬環(huán)境：協(xié)同是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，協(xié)同虛擬環(huán)境也一樣，一個(gè)開(kāi)發(fā)者把它們稱作“孿生虛境”。這種環(huán)境允許處于遠(yuǎn)程場(chǎng)所的兩個(gè)人一起工作，可能是設(shè)計(jì)一個(gè)物體，同時(shí)看到彼此的動(dòng)作和感興趣的對(duì)象。虛擬壁球之類的競(jìng)爭(zhēng)游戲已經(jīng)開(kāi)發(fā)來(lái)供兩個(gè)玩家玩。當(dāng)設(shè)計(jì)從與計(jì)算機(jī)對(duì)抗變成向其他坦克的成員設(shè)計(jì)和擔(dān)心他們攻擊時(shí)，用于訓(xùn)練陸軍坦克乘員的軟件就變得更有吸引力。逼真的聲音創(chuàng)造的如此的投入感，以至于乘員體驗(yàn)到心率提高、呼吸更急促和排汗量增多。與之相反，有些虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)帶來(lái)愉悅 和與他人(trn)的愉快相遇，以增強(qiáng)社

12、會(huì)媒體參與方面。共二十頁(yè)從業(yè)人員的總結(jié)：在提供相同的功能性和可靠性的交互系統(tǒng)中，有些系統(tǒng)已經(jīng)顯現(xiàn)出在競(jìng)爭(zhēng)中居于主導(dǎo)地位。通常，具有吸引力的系統(tǒng)都有令人愉快的用戶界面，具有制定的用戶生成內(nèi)容，提供任務(wù)對(duì)象和動(dòng)作的自然表示。這些界面易于學(xué)習(xí)、使用和長(zhǎng)時(shí)間保持。新用戶能夠獲得動(dòng)作的簡(jiǎn)單子集，然后提高到更精細(xì)的動(dòng)作。動(dòng)作是快速的、增量的和可逆的，能用物理(wl)移動(dòng)而不是以復(fù)雜的語(yǔ)法形式來(lái)執(zhí)行。動(dòng)作的結(jié)果是立即可見(jiàn)的，需要出差消息比以前少。共二十頁(yè)在界面中使用直接操作原則并不能確保其成功。設(shè)計(jì)差、實(shí)現(xiàn)慢或功能不適當(dāng)能夠損害驗(yàn)收。對(duì)某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，菜單選擇、表格填充或命令語(yǔ)言可能仍是適當(dāng)?shù)?。然而，直接操縱

13、編程、3D界面和遠(yuǎn)程操作的潛力是巨大的。有吸引力的虛擬與增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)的演示正在應(yīng)用于具有增強(qiáng)的社會(huì)交往、日益增長(zhǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)(xtng)集合。迭代測(cè)試在測(cè)試高級(jí)直接操縱系統(tǒng)(xtng)方面特別重要，因?yàn)檫@些方法的新奇性可能給設(shè)計(jì)人員和用戶造成出乎意料的問(wèn)題。共二十頁(yè)直接操縱的定義、好處(ho chu)和缺點(diǎn)：定義： “動(dòng)作世界”的視覺(jué)表示對(duì)象和動(dòng)作被顯示模擬推理被選定快速的、增量的和可逆的動(dòng)作用指點(diǎn)和選擇替代鍵入動(dòng)作結(jié)果的立即可見(jiàn)性優(yōu)于命令的好處： 控制/顯示的兼容性較少的語(yǔ)法降低了出錯(cuò)率錯(cuò)誤是可預(yù)防的較快的學(xué)會(huì)和較高的記憶力鼓勵(lì)(gl)探索關(guān)注： 可能增加系統(tǒng)資源有些動(dòng)作可能是麻煩的宏技術(shù)經(jīng)常很

14、弱 歷史和其他跟蹤可能是困難的視覺(jué)障礙的用戶可能有較多困難共二十頁(yè)研究人員的議程：需要通過(guò)研究來(lái)提高我們對(duì)每個(gè)直接操縱特性貢獻(xiàn)的理解：模擬表示、增量動(dòng)作、可逆性、物理動(dòng)作而不是語(yǔ)法、結(jié)果的立即可見(jiàn)性、圖形顯示和圖標(biāo)?？赡嫘匀菀淄ㄟ^(guò)普通的取消動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是為每個(gè)動(dòng)作設(shè)計(jì)自然的反向動(dòng)作可能更具吸引力。用直接操縱更好的表示復(fù)雜的動(dòng)作，但為了新用戶優(yōu)雅進(jìn)化成專家用戶而使用的多層設(shè)計(jì)策略可能是一個(gè)主要貢獻(xiàn)。對(duì)專家用戶來(lái)講，直接操縱編程仍是個(gè)機(jī)會(huì)，但需要好的方法來(lái)保存歷史記錄和編輯動(dòng)作序列，還要更加關(guān)注用戶生成的內(nèi)容。3D交互的誘惑十分(shfn)巨大，但研究人員需要對(duì)如何和何時(shí)使用遮擋、減少導(dǎo)航之類的特性和遠(yuǎn)程操作和X光線、視覺(jué)之類的增強(qiáng)3D動(dòng)作，提供更好的理解。共二十頁(yè)需要更好的理解使用跨越不同年齡和活動(dòng)的、豐富的社會(huì)媒體交互來(lái)沉浸到游戲和虛擬世界之中的影響。在桌面計(jì)算機(jī)和膝上型計(jì)算機(jī)之外，還有遙現(xiàn)、虛擬環(huán)境、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和背境感知設(shè)備(shbi)的誘惑。有趣的方面將肯定被追求，但真正的挑戰(zhàn)是發(fā)現(xiàn)實(shí)用的設(shè)計(jì)和更好地理解置身于和察看三維世界，在豐富的社會(huì)媒體參與環(huán)境中，既作為個(gè)人，也作為協(xié)作者和玩家。共二十頁(yè)內(nèi)容摘要5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)。構(gòu)想性：指虛擬的環(huán)境是人構(gòu)想出來(lái)的，因而可用于實(shí)現(xiàn)一定目標(biāo)的用途。虛擬現(xiàn)實(shí)的遙現(xiàn)方面打破了空間的物理限制，允