虛擬現(xiàn)實概論

第一章

虛擬現(xiàn)實概論主講教師：賈金原助教：楊寒冰聯(lián)絡(luò)方式Q:605360422email:tongjissevr@同濟大學軟件學院圖形圖像研究中心虛擬現(xiàn)實概論第1頁第1章虛擬現(xiàn)實概論--綱領(lǐng)1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展史1.3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)介紹1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)特征1.5 虛擬現(xiàn)實與動畫和游戲區(qū)分1.6 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類1.7虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域1.8虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究現(xiàn)實狀況虛擬現(xiàn)實概論第2頁1.1 虛擬現(xiàn)實（VirtualReality）基本概念

虛擬現(xiàn)實是一個逼真視、聽、觸覺一體化計算機生成環(huán)境，用戶能夠借助必要裝備以自然方式與虛擬環(huán)境中物體進行交互作用、相互影響，從而取得親臨等同真實環(huán)境感受和體驗。

虛擬現(xiàn)實=Virtual+Reality虛擬現(xiàn)實是虛擬化、數(shù)字化現(xiàn)實環(huán)境，它忠于現(xiàn)實，更能夠超越現(xiàn)實！虛擬現(xiàn)實概論第3頁1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展史

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality）簡稱VR技術(shù)，是20世紀末逐步興起一門綜合性信息技術(shù)，融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學、人工智能、多媒體、傳感器、網(wǎng)絡(luò)以及并行處理等多個信息技術(shù)分支最新發(fā)展結(jié)果。虛擬現(xiàn)實概論第4頁1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展史1929年，EdwardLink設(shè)計出用于訓練飛行員模擬器1956年，MortonHeilig開發(fā)出多通道仿真體驗系統(tǒng)Sensorama虛擬現(xiàn)實概論第5頁1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展史1965年，IvanSutherland發(fā)表論文“UltimateDisplay”（終極顯示）1968年，IvanSutherland研制成功了帶跟蹤器頭盔式立體顯示器（HeadMountedDisplay，HMD）虛擬現(xiàn)實概論第6頁1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展史1972年，NolanBushnell開發(fā)出第一個交互式電子游戲Pong1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第一個數(shù)據(jù)手套——SayreGlove20世紀80年代，美國國家航空航天局（NASA）組織了一系列相關(guān)VR技術(shù)研究：1984年，NASAAmes研究中心M.McGreevy和J.Humphries開發(fā)出用于火星探測虛擬環(huán)境視覺顯示器；1987年，JimHumphries設(shè)計了雙目全方位監(jiān)視器（BOOM）最早原型。

虛擬現(xiàn)實概論第7頁1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展史1990年，在美國達拉斯召開SIGGRAPH會議上為VR技術(shù)發(fā)展確定了研究方向，明確提出VR技術(shù)研究主要內(nèi)容包括:實時三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)、高分辨率顯示技術(shù)。從20世紀90年代開始，VR技術(shù)研究熱潮也開始向民間高科技企業(yè)轉(zhuǎn)移。著名VPL企業(yè)開發(fā)出第一套傳感手套命名為“DataGloves”，第一套HMD命名為“EyePhones”。進入二十一世紀后，VR技術(shù)更是進入軟件高速發(fā)展時期，

一些有代表性VR軟件開發(fā)系統(tǒng)不停在發(fā)展完善，如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。虛擬現(xiàn)實概論第8頁1.3虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)介紹經(jīng)典VR系統(tǒng)主要由：計算機軟件系統(tǒng)VR軟件VR環(huán)境數(shù)據(jù)庫計算機硬件系統(tǒng)

VR輸入設(shè)備VR輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實概論第9頁1.4虛擬現(xiàn)實特征傳統(tǒng)三個特征（3個I）沉醉感(Immersion)參加者全身心地沉醉于計算機所生成三維虛擬環(huán)境，并產(chǎn)生身臨其境感覺。交互性

(Interaction)參加者能夠利用各種感官功效及人類自然技能對虛擬環(huán)境進行交互考查與操作。構(gòu)想性(Imagination)參加者借助VR系統(tǒng)給出逼真視聽觸覺信號而產(chǎn)生對虛擬空間想象虛擬現(xiàn)實概論第10頁1.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)特征--沉醉感VR技術(shù)沉醉感：又稱臨場感，是指用戶感到作為主角存在于虛擬環(huán)境中真實程度。VR技術(shù)最主要特征。影響沉醉感主要原因包含多感知性、自主性、三維圖像中深度信息、畫面視野、實現(xiàn)跟蹤時間或空間響應(yīng)及交互設(shè)備約束程度等。虛擬現(xiàn)實概論第11頁1.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)特征--交互性VR技術(shù)交互性：指用戶對虛擬環(huán)境中對象可操作程度和從虛擬環(huán)境中得到反饋自然程度（包含實時性）。主要借助于各種專用設(shè)備（如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等）產(chǎn)生，從而使用戶以自然方式如手勢、體勢、語言等技能，如同在真實世界中一樣操作虛擬環(huán)境中對象。虛擬現(xiàn)實概論第12頁1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)特征—想象力VR技術(shù)想象力：指用戶在虛擬世界中依據(jù)所獲取各種信息和本身在系統(tǒng)中行為，經(jīng)過邏輯判斷、推理和聯(lián)想等思維過程，伴隨系統(tǒng)運行狀態(tài)改變而對其未來進展進行想象能力。對適當應(yīng)用對象加上虛擬現(xiàn)實創(chuàng)意和想象力，能夠大幅度提升生產(chǎn)效率、減輕勞動強度、提升產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。虛擬現(xiàn)實概論第13頁1.5虛擬現(xiàn)實與三維動畫區(qū)分（1）真實性

三維動畫－－場景畫面由動畫制作人員依據(jù)材料或想象直接畫制而成，與真實環(huán)境和數(shù)據(jù)有較大差距，屬于演示類藝術(shù)作品。虛擬現(xiàn)實－－虛擬環(huán)境由基于真實數(shù)據(jù)建立數(shù)字模型組合而成，嚴格遵照工程項目設(shè)計標準和要求，屬于科學仿真系統(tǒng)。操縱者親身體驗虛擬三維空間，身臨其境。交互性三維動畫－－只能如電影一樣單向演示，場景改變，瀏覽路徑，需要預先指定，無法改變。畫面需要事先制作生成，耗時、費勁、成本較高。沒有互動性。

虛擬現(xiàn)實－－操縱者能夠?qū)崟r感受運動帶來場景改變，步移景異，并可親自布置場景，含有雙向互動功效。

虛擬現(xiàn)實概論第14頁1.5虛擬現(xiàn)實與三維動畫區(qū)分（2）時間性三維動畫－－受動畫制作時間限制，無法詳盡展示，性價比低。虛擬現(xiàn)實－－沒有時間限制，可真實詳盡地展示，并能夠在虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)上導出動畫視頻文件，一樣能夠用于多媒體資料制作和宣傳，性價比高。應(yīng)用性三維動畫－－只適合簡單演示功效。虛擬現(xiàn)實－－在實時三維環(huán)境中，支持方案調(diào)整、評定、管理、信息查詢等功效，適合較大型復雜工程項目標規(guī)劃、設(shè)計、投標、報批、管理等需要，同時又含有更真實和直觀多媒體演示功效。

虛擬現(xiàn)實概論第15頁1.5分布式虛擬現(xiàn)實與網(wǎng)絡(luò)游戲區(qū)分網(wǎng)絡(luò)游戲普通是基于C/S需要安裝客戶端客戶端通常很大（對客戶端配置有要求）以娛樂為目標用戶通常有耐心等候下載和安裝（Web）VR不需要安裝客戶端Down-and-Play下載即觀看以宣傳和展示為目標用戶沒有耐心等候下載和安裝假如2分鐘內(nèi)還看不到東西就放棄了虛擬現(xiàn)實概論第16頁1.6虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類

桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）沉醉式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）增強式VR系統(tǒng)（AugmentedVR）分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR）基于網(wǎng)頁VR系統(tǒng)（WebVR）

虛擬現(xiàn)實概論第17頁1.6 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類

桌面式VR系統(tǒng)使用個人計算機和低級工作站來產(chǎn)生三維空間交互場景。用戶會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境干擾而不能取得完全沉醉感，但因為其成本相對較低桌面式VR系統(tǒng)依然比較普及。虛擬現(xiàn)實概論第18頁1.6 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類

沉醉式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器、洞穴式顯示設(shè)備和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備把用戶視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，而使用戶真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部一個參加者，產(chǎn)生一個身臨其境、全心投入并沉醉其中體驗。與桌面式VR系統(tǒng)相比，沉醉式VR系統(tǒng)主要特點在于高度實時性和沉醉感。虛擬現(xiàn)實概論第19頁1.6虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類

增強式VR系統(tǒng)(AugmentedReality,AR)允許用戶對現(xiàn)實世界進行觀察同時，將虛擬圖像疊加在真實物理對象之上。為用戶提供與所看到真實環(huán)境相關(guān)、存放在計算機中信息，從而增強用戶對真實環(huán)境感受，又被稱為疊加式或補充現(xiàn)實式VR系統(tǒng)。能夠使用光學技術(shù)/視頻技術(shù)/傳感器技術(shù)來實現(xiàn)。實中有虛，使實更實！增強虛擬混合現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實概論第20頁1.6虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類

分布式VR系統(tǒng)(DVR)指基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建虛擬環(huán)境，將位于不一樣物理位置多個用戶或多個虛擬環(huán)境經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)相連接并共享信息，從而使用戶協(xié)同工作到達一個更高境界。主要被應(yīng)用于遠程虛擬會議、虛擬醫(yī)學會診、多人網(wǎng)絡(luò)游戲、虛擬戰(zhàn)爭演練等領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實概論第21頁1.6

分布式虛擬現(xiàn)實

DistributedVirtualReality概念在互聯(lián)網(wǎng)上構(gòu)建一個逼真而互動三維虛擬空間特點分布于不一樣地理位置多臺計算機經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)允許多用戶之間進行實時互動虛擬現(xiàn)實概論第22頁1.6分布式虛擬現(xiàn)實特點我擴充DVR新3個I智能性(Intelligence)虛擬人H-Anim（國際標準）DigitalStorytellingAIML、ICML（講故事、多人聊天、人機對話）集成性(Integration)圖形、圖像、音頻、視頻、文本、GIS、遙感影像等互聯(lián)網(wǎng)(Internet)-基于WebVR－WebVR基于WebGraphics虛擬城市－虛擬小區(qū)SecondLife,GoogleEarth,VirtualEarth虛擬現(xiàn)實概論第23頁1.7虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域教育與訓練設(shè)計與規(guī)劃

科學計算可視化

商業(yè)領(lǐng)域

藝術(shù)與娛樂虛擬現(xiàn)實概論第24頁1.7虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域教育與訓練

虛擬現(xiàn)實技術(shù)能使學習者能直接、自然地與虛擬對象進行交互，以各種形式參加事件發(fā)展改變過程，并取得最大控制和操作整個環(huán)境自由度。1、仿真教學與試驗2、特殊教育3、各種專業(yè)訓練4、應(yīng)急演練和軍事演練虛擬現(xiàn)實概論第25頁1.7虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計與規(guī)劃

虛擬現(xiàn)實已被看作是設(shè)計領(lǐng)域中唯一開發(fā)工具。它能夠防止傳統(tǒng)方式在原型制造、設(shè)計和生產(chǎn)過程中重復工作，有效降低成本，應(yīng)用領(lǐng)域包含汽車制造業(yè)、城市規(guī)劃、建筑設(shè)計等。虛擬現(xiàn)實概論第26頁1.7虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域科學計算可視化

科學可視化功效就是將大量字母、數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成比原始數(shù)據(jù)更輕易了解各種圖像，并允許參加者借助各種虛擬現(xiàn)實輸入設(shè)備檢驗這些“可見”數(shù)據(jù)。它通常被用于建立分子結(jié)構(gòu)、地震以及地球環(huán)境等模型。虛擬現(xiàn)實概論第27頁1.7虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域商業(yè)領(lǐng)域VR技術(shù)被逐步應(yīng)用于網(wǎng)上銷售、客戶服務(wù)、電傳會議及虛擬購物中心等商業(yè)領(lǐng)域。它能夠使客戶在購置前先看到產(chǎn)品外貌與內(nèi)在，甚至在虛擬世界中使用它，所以對產(chǎn)品推廣和銷售都很有幫助。虛擬現(xiàn)實概論第28頁1.7虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域藝術(shù)與娛樂VR技術(shù)所含有身臨其境感及實時交互性還能將靜態(tài)藝術(shù)（如油畫、雕刻等）轉(zhuǎn)化為動態(tài)形式，使觀賞者更加好地觀賞作者思想藝術(shù)，包含虛擬畫廊、虛擬音樂廳、文物保護等方面。娛樂是VR系統(tǒng)另一個主要應(yīng)用領(lǐng)域，市場上已經(jīng)推出了多款VR環(huán)境下電腦游戲，帶給游戲者強烈感官刺激。虛擬現(xiàn)實概論第29頁1.8虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究現(xiàn)實狀況

國外研究現(xiàn)實狀況介紹美國是VR技術(shù)發(fā)源地，有美國宇航局（NASA）、麻省理工學院（MIT）媒體試驗室、華盛頓大學人機界面技術(shù)試驗室（HITLab）等許多著名研究機構(gòu)。美國在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。虛擬現(xiàn)實概論第30頁1.8 虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究現(xiàn)實狀況

國外研究現(xiàn)實狀況英國主要有四個從事VR技術(shù)研究中心，包含Windustries企業(yè)、BritishAerospace企業(yè)、DimensionInternational企業(yè)、DivisonLTD企業(yè)等。日本主要致力于建立大規(guī)模VR知識庫和人機接口方面研究項目上，在VR游戲方面研究也處于領(lǐng)先地位。另外，國外還研制出多個用于開發(fā)應(yīng)用程序VR軟件開發(fā)平臺，比如美國Sense8企業(yè)WorldToolKit（WTK），愛荷華州立大學虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中心VRJuggler，DenebRobotics企業(yè)ENVISION，英國Superscape企業(yè)VRT，Division企業(yè)dVISE等。虛擬現(xiàn)實概論第31頁1.8虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究現(xiàn)實狀況

國內(nèi)研究現(xiàn)實狀況我