第一章虛擬現(xiàn)實技術(shù)概論

1虛擬現(xiàn)實技術(shù)概論人海量信息虛擬現(xiàn)實技術(shù)客觀世界11.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)根本概念虛擬現(xiàn)實技術(shù)：是指采用以計算機(jī)技術(shù)為中心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺等一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬世界中的物體進(jìn)展交互，相互影響，從而產(chǎn)生親臨真實環(huán)境的感受和體驗。21.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)根本概念虛擬現(xiàn)真實人機(jī)交互方面有了很大的改良：人機(jī)接口方式的改動〔常規(guī)接口設(shè)備->公用設(shè)備〕人機(jī)接口內(nèi)容的改動〔圖形圖像聲音等->環(huán)境〕人機(jī)接口效果的改動〔基于特殊設(shè)備得到逼真感知效果〕31.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)根本概念虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開展1962年，美國電影攝影師MortonHeilig研制出一套稱為Sensorama的立體電影系統(tǒng)，具有多種感官刺激的立體顯示設(shè)備。1965年，計算機(jī)圖形學(xué)的奠基者美國科學(xué)家IvanSurtherland博士在一篇名為“TheUltimateDisplay〞的論文中初次提出了一種全新的、富有挑戰(zhàn)性的圖形顯示技術(shù)，即能否不經(jīng)過計算機(jī)屏幕來觀看計算機(jī)生成的虛擬世界，而是使察看者直接沉浸在計算機(jī)生成的虛擬世界中。這一實際后來被以為在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中起著里程碑的作用，我們稱之為“虛擬現(xiàn)實技術(shù)〞之父。1968年，IvanSurtherland研制出了第一個頭盔式顯示器。20世紀(jì)八十年代，美國人JaronLanier正式提出了“VirtualReality〞一詞。41.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)根本概念1984年，美國宇航局〔NASA〕組織開發(fā)了用于火星探測的虛擬世界視覺顯示器，將火星探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，為地面研討人員構(gòu)造了火星外表的三維虛擬世界。1993年，波音公司在一個由數(shù)百臺任務(wù)站組成的虛擬世界中，用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計出由300萬個零件組成的波音777飛機(jī)。1996年10月，世界第一個虛擬現(xiàn)實技術(shù)博覽會在倫敦開幕。1996年12月，世界第一個虛擬現(xiàn)實環(huán)球網(wǎng)在英國投入運(yùn)轉(zhuǎn)?！?1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)根本概念虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成COMPUTER計算機(jī)SOFTWARESYSTEM運(yùn)用軟件系統(tǒng)DATABASE數(shù)據(jù)庫USER用戶I/ODEVICES輸入輸出設(shè)備61.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)根本概念〔1〕計算機(jī)：擔(dān)任虛擬世界的生成、人與虛擬世界的自然交互等功能的實現(xiàn)。通常可分為基于高性能個人計算機(jī)、基于高性能圖形任務(wù)站、高度并行的計算機(jī)及基于分布式構(gòu)造計算機(jī)系統(tǒng)等。71.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)根本概念〔2〕輸入與輸出設(shè)備：用戶與虛擬世界之間要實現(xiàn)自然的交互，必需采用特殊的輸入與輸出設(shè)備，用以識別用戶各種方式的輸入，并實時生成相應(yīng)反響信息。常用的設(shè)備有用于手勢輸入的數(shù)據(jù)手套、用于語音交互的三維聲音系統(tǒng)等。89高性能圖形計算機(jī)環(huán)形屏幕頭盔眼鏡三維顯示器三維鼠標(biāo)手套101.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)根本概念〔3〕虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的運(yùn)用軟件：運(yùn)用軟件完成的功能有：虛擬世界中物體的幾何模型、物理模型、運(yùn)動模型的建立；三維虛擬立體聲的生成；模型管理技術(shù)及實時顯示技術(shù)、虛擬世界數(shù)據(jù)庫的建立與管理等?！?〕數(shù)據(jù)庫：存放整個虛擬世界中一切物體的各方面信息。111.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)根本概念基于頭盔式顯示器的典型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：由計算機(jī)、頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、力反響安裝、話筒、耳機(jī)等設(shè)備組成。首先由計算機(jī)生成一個虛擬世界，由頭盔式顯示器輸出一個立體的顯示，用戶可以采用頭的轉(zhuǎn)動、手的挪動、語音等與虛擬世界進(jìn)展自然交互，計算機(jī)可以根據(jù)用戶輸入的各種信息實時進(jìn)展計算，即對交互行為進(jìn)展反響，由頭盔顯示器更新相應(yīng)的場景顯示，由耳機(jī)輸出虛擬立體聲音，由力反響安裝產(chǎn)生觸覺〔力覺〕反響。121.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征3I交互性Interactivity想象性Imagination沉浸性Immersion美國科學(xué)家BurdeaG.和PhilippeCoiffet在1993年世界電子年會上發(fā)表了一篇題為“VirtualRealitySystemandApplication〞的文章，提出了“虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三角形〞，表示出虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三個突出特征：沉浸性、交互性、想象性。131.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征〔1〕沉浸性：指用戶覺得到好似完全置身于虛擬世界之中一樣，被虛擬世界所包圍。包括視覺沉浸、聽覺沉浸、觸覺沉浸、嗅覺沉浸、身體覺得沉浸、味覺沉浸等?！?〕交互性：虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)人與在虛擬世界之間以自然的方式進(jìn)展交互，實時產(chǎn)生在真實世界中一樣的感知?！?〕想象性：虛擬的環(huán)境是人想象出來的，同時表達(dá)出設(shè)計者相應(yīng)的思想，因此可以用來實現(xiàn)一定的目的。141.3虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類〔1〕沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)〔ImmersiveVR〕：提供一個完全沉浸的體驗，運(yùn)用戶有一種仿佛置身于真實世界之中的覺得，具有以下五個特點(diǎn)：具有高度實時性能具有高度的沉浸感具有良好的系統(tǒng)集成度與整合性能具有良好的開放性能支持多種輸入與輸出設(shè)備并行任務(wù)常見的沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)151.3虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類〔2〕桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)〔DesktopVR〕：也稱窗口虛擬現(xiàn)實，利用個人計算機(jī)或初級圖形任務(wù)站，以計算機(jī)屏幕作為用戶察看虛擬世界的一個窗口，采用立體圖形、自然交互等技術(shù)，產(chǎn)生三維立體空間的交互場景，經(jīng)過包括鍵盤、鼠標(biāo)和力矩球等各種輸入設(shè)備支配虛擬世界，實現(xiàn)與虛擬世界的交互。其特點(diǎn)為：用戶處于不完全沉浸的環(huán)境對硬件設(shè)備要求極低實現(xiàn)本錢相對較低161.3虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類〔3〕加強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)〔AggrandizeVR〕：既可以允許用戶看到真實世界，同時也可以看到疊加在真實世界上的虛擬對象。是把真實環(huán)境和虛擬環(huán)境組合在一同的一種系統(tǒng)，既可減少構(gòu)成復(fù)雜真實環(huán)境的計算，又可對實踐物體進(jìn)展操作，真正到達(dá)了亦真亦幻的境界。其特點(diǎn)為：真實世界和虛擬世界融為一體具有實時人機(jī)交互功能真實世界和虛擬世界在三維空間中整合常用于醫(yī)學(xué)可視化、軍用飛機(jī)導(dǎo)航等領(lǐng)域。171.3虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類〔4〕分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)〔DistributedVR〕：是虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展和結(jié)合的產(chǎn)物，是一個在網(wǎng)絡(luò)的虛擬世界中，位于不同物理位置的多個用戶或多個虛擬世界經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合共享信息的系統(tǒng)。其特點(diǎn)為：各用戶具有共享的虛擬任務(wù)空間偽實體的行為真實感支持實時交互，共享時鐘多個用戶可以各自不同的方式相互通訊資源信息共享以及允許用戶自然支配虛擬世界中的對象181.4虛擬現(xiàn)實的運(yùn)用領(lǐng)域〔1〕用于遙控機(jī)器人的遙現(xiàn)技術(shù)：遙現(xiàn)技術(shù)是指當(dāng)實踐上在某一個地方時，可以產(chǎn)生在另一個地方的覺得。例如，在宇宙空間站的開發(fā)方案中，受各種要素的制約，機(jī)器人的遙控遙現(xiàn)技術(shù)起了至關(guān)重要的作用。〔2〕仿真技術(shù)計算機(jī)生成的具有沉浸感的環(huán)境，它對參與者生成諸如視覺、聽覺、觸覺、味覺等各種感官信息，給參與者一種身臨其境的覺得。例如：飛行仿真系統(tǒng)、與虛擬生物對話、作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)等。〔3〕對象可視化技術(shù)：在科學(xué)研討中對研討數(shù)據(jù)生成可視化效果以便察看和研討。例如：虛擬風(fēng)洞?！?〕虛擬實驗室：在研討任務(wù)和學(xué)習(xí)過程中，總會有許多實驗需反復(fù)進(jìn)展，以期得到不同條件下的不同結(jié)果，虛擬實驗室能提供這樣一個平臺。例如：虛擬物理實驗室。191.4虛擬現(xiàn)實的運(yùn)用領(lǐng)域〔5〕虛擬電力控制室：運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)研制輔助設(shè)計控制室的系統(tǒng)。〔6〕擴(kuò)增實境：擴(kuò)增實境是虛擬現(xiàn)實最具適用價值的運(yùn)用之一。它在真實環(huán)境的根底上把虛擬環(huán)境疊加進(jìn)去，使二者有機(jī)結(jié)合，產(chǎn)生真假難辯、亦幻亦真的覺得。例如：當(dāng)人進(jìn)入到一商店購某物時，即可在顯示設(shè)備上顯示此物的價錢、性能及各種參數(shù)等。20虛擬現(xiàn)真實教育領(lǐng)域的詳細(xì)運(yùn)用虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境虛擬實驗室虛擬實訓(xùn)基地虛擬仿真校園虛擬遠(yuǎn)程教育21虛擬現(xiàn)真實軍事領(lǐng)域的詳細(xì)運(yùn)用虛擬戰(zhàn)場環(huán)境單兵模擬訓(xùn)練與評判諸軍種結(jié)合虛擬演習(xí)進(jìn)展指揮員訓(xùn)練22虛擬現(xiàn)真