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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,83虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的根本概念,近十余年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展進(jìn)入了虛擬世界的領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)又是開展最快的一項(xiàng)多學(xué)科綜合技術(shù)，“虛擬現(xiàn)實(shí)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下的一種人工環(huán)境，是人類與計(jì)算機(jī)和極其復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的一種技術(shù)，它綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有向用戶提供視覺、聽覺和觸覺、味覺和嗅覺等感知功能的能力，人們能夠在這個(gè)虛擬環(huán)境中觀察、聆聽、觸摸、漫游、聞賞、并與虛擬環(huán)境中的實(shí)體進(jìn)行交互，從而使用戶親

2、身體驗(yàn)沉浸虛擬空間中的感受。,虛擬現(xiàn)實(shí)通常是指頭盔顯示器和傳感手套等一系列新型交互設(shè)備構(gòu)造出的一種計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境，人們通過這些設(shè)施以自然的技能、聽覺及觸覺等多種感官的反響。,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的根本概念,現(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已不僅僅是哪些戴著頭盔顯示器和傳感手套的技術(shù)，而且還應(yīng)包括一切與之有關(guān)的具有自然模擬、逼真體驗(yàn)的技術(shù)與方法。它要?jiǎng)?chuàng)立一個(gè)酷似客觀環(huán)境又超越客觀時(shí)空、能沉浸其中又能駕馭其上的和諧人機(jī)環(huán)境，也就是一個(gè)由多維信息所構(gòu)成的可操縱的空間。它的最重要的目標(biāo)就是真實(shí)的體驗(yàn)和方便自然的人機(jī)交互，能夠到達(dá)或局部到達(dá)這樣目標(biāo)的系統(tǒng)就稱為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。,從概念上講，任何一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都可以用三個(gè)“

3、I來描述其特性，這就是沉浸“(Immersion)“交互(Interaction)“想象(Imagination)。如下圖。,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的根本概念,這三個(gè)“I反映了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，就是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中人的主導(dǎo)作用，其表現(xiàn)是：,(1)人能夠沉浸到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)立的環(huán)境中，而不是僅從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外部去觀測(cè)計(jì)算處理的結(jié)果；,(2)人能夠用多種傳感器與多維化信息的環(huán)境發(fā)生交互作用，而不是僅通過鍵盤、鼠標(biāo)與計(jì)算環(huán)境中的單維數(shù)字化信息發(fā)生交互作用；,(3)人可從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識(shí)從而深化概念和萌發(fā)新意，而不僅從以定量計(jì)算為主的結(jié)果中得到啟發(fā)和對(duì)事物的認(rèn)識(shí)。,圖8.3.1

4、 三I圖,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的根本概念,構(gòu)建一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要軟、硬件的支持，硬件方面主要有：,(1)高性能計(jì)算機(jī)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必須有運(yùn)算速度高、圖形能力強(qiáng)的計(jì)算機(jī)硬件支持，以實(shí)時(shí)處理復(fù)雜的圖像并縮短參與者的視覺延遲。例如，SGI公司的InfiniteRealityTM系統(tǒng)的紋理填充可到達(dá)每秒20.6G象素，紋理下載速度是336Mbyte/秒，每秒可以處理244M、55的RGBA圖像。,(2)頭盔顯示器。頭盔顯示器提供一種觀察虛擬世界的手段，通常支持兩個(gè)顯示源及一組光學(xué)器件。這組光學(xué)器件將圖像以預(yù)先確定的距離投影到參與者面前，并將圖形放大以加寬視域。,(3)跟蹤定位系統(tǒng)。為了與三維虛擬世界交互，必

5、須感知參與者的視線，即跟蹤其頭部的位置和方向，這需要在頭盔上安裝頭部跟蹤傳感器。為了在虛擬世界中移動(dòng)物體或移動(dòng)參與者的身體，必須跟蹤觀察者的手位和手勢(shì)，甚至于全身的各肢體的位置，此時(shí)參與者需要穿戴數(shù)手套和數(shù)據(jù)服裝。另外，也可使用三維或六維鼠標(biāo)和空間球等裝置與虛擬世界進(jìn)行交互。,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的根本概念,(4)立體聲音響和三維空間定位裝置系統(tǒng)。借助立體聲音響可以加強(qiáng)人們對(duì)虛擬世界的實(shí)際體驗(yàn)。聲音裝置采集或合成自然聲音信號(hào)，并利用特殊處理技術(shù)使這些信號(hào)在360球體中空間化，使參與者即使頭部在運(yùn)動(dòng)也能感覺到聲音保持在原處不變。,(5)觸覺/力量反響裝置。觸覺反響裝置使參與者除了接受虛擬世界物體的視覺和

6、聽覺信號(hào)外，同時(shí)還能接受其觸覺刺激，如紋理、質(zhì)地感；力量反響裝置那么可以提供虛擬物體對(duì)人體的作用力，或虛擬物體之間的吸引力和排斥力的信號(hào)。,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的根本概念,在軟件方面，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)除一般所需的軟件支撐環(huán)境之外，主要是需要提供一個(gè)產(chǎn)生虛擬環(huán)境的工具集或產(chǎn)生虛擬環(huán)境的外殼。它至少具有以下的功能:,能夠接受各種高性能傳感器的信息，如頭盔的跟蹤信息；,能生成立體的顯示圖形；,能把各種數(shù)據(jù)庫(kù)(如地形地貌數(shù)據(jù)庫(kù)、物體形象數(shù)據(jù)庫(kù)等)、各種CAD軟件進(jìn)行調(diào)用和互聯(lián)的集成環(huán)境。,具有典型代表性的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)軟件有:虛擬世界工具箱WorldToolKit(WTK)、MultiGen Creator、Veg

7、a、Maya、IRIS Performer、VTree、Open GVS等等。,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的根本概念,典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由效果產(chǎn)生器、實(shí)景仿真器、應(yīng)用系統(tǒng)和幾何構(gòu)造系統(tǒng)組成。,(1)效果產(chǎn)生器。效果產(chǎn)生器是完成人與虛擬環(huán)境交互的硬件接口裝置，包括能產(chǎn)生沉浸感的各類輸入裝置，例如，頭盔顯示器、立體聲耳機(jī)等，以及能測(cè)定視線方向和手指動(dòng)作的輸裝置，例如頭部方向探測(cè)器和數(shù)據(jù)手套等。,(2)實(shí)景仿真器。實(shí)景仿真器是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心局部，它由計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)、軟件開發(fā)具及配套硬件(如圖形和聲效卡)組成，接收或發(fā)送效果產(chǎn)生器產(chǎn)生或接收的信號(hào)。,(3)應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)是面向具體問題的軟件局部，描述仿真的

8、具體內(nèi)容，包括仿真的時(shí)態(tài)邏輯、結(jié)構(gòu)，以及仿真對(duì)象之間和仿真對(duì)象與用戶之間的交互關(guān)系。應(yīng)用軟件的內(nèi)容直接取決于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用目的。,(4)幾何構(gòu)造系統(tǒng)。幾何構(gòu)造系統(tǒng)提供了描述仿真對(duì)象的物理屬性(外形、顏色、位置等)信息，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)在生成虛擬世界時(shí)需要使用和處理這些信息。,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的根本概念,實(shí)物虛化、虛物實(shí)化和高效的計(jì)算機(jī)信息處理是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三個(gè)主要方面。,實(shí)物虛化是將現(xiàn)實(shí)世界的多維信息映射到計(jì)算機(jī)的數(shù)字空間生成相應(yīng)的虛擬世界。主要包括實(shí)體建模、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤和視點(diǎn)感應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)將現(xiàn)實(shí)世界中的各種事物的多維特性映射到計(jì)算機(jī)的數(shù)字空間生成虛擬世界中的

9、對(duì)應(yīng)事物，并使得虛擬環(huán)境對(duì)用戶操作的檢測(cè)和操作數(shù)據(jù)的獲取成為可能。,虛物實(shí)化是使計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界中的事物所產(chǎn)生的對(duì)人的感官的各種刺激盡可能逼真地反響給用戶，從而使人產(chǎn)生沉浸感。主要是視覺、聽覺、力覺和觸覺等感知技術(shù)。,高效的計(jì)算機(jī)信息處理，包括信息獲取、傳輸、識(shí)別、轉(zhuǎn)換，涉及理論、方法、交互工具和開發(fā)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)實(shí)物虛化和虛物實(shí)化的手段和途徑。一般來說，虛擬現(xiàn)實(shí)中計(jì)算機(jī)信息處理需要高計(jì)算速度、強(qiáng)處理能力、大存儲(chǔ)容量和強(qiáng)實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)特性等特征。主要涉及數(shù)據(jù)管理技術(shù)、圖形圖像生成技術(shù)、聲音合成與空間化技術(shù)、模式識(shí)別以及分布式和并行計(jì)算等等關(guān)鍵技術(shù),8.3.2 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

10、(Distributed Virtual Reality,簡(jiǎn)稱DVR)是單用戶虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、多用戶化的開展。傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單個(gè)用戶在虛擬環(huán)境中的漫游、與虛擬環(huán)境及其中的物體進(jìn)行交互。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)旨在將不同的局部虛擬環(huán)境通過空間關(guān)聯(lián)以構(gòu)造大范圍的虛擬環(huán)境，并與之進(jìn)行交互。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)又稱為分布式虛擬環(huán)境DVE(Distributed Virtual Environment)或分布式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境(Distributed Virtual Reality Environment)。,DVR應(yīng)具備以下關(guān)鍵特性:,(l)DVR允許一組分布在不同地理位置上的用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。這個(gè)

11、用戶組能同時(shí)容納幾千個(gè)用戶，甚至更多。例如，一個(gè)正在演播室中演奏的音樂家應(yīng)該可以走進(jìn)一個(gè)虛擬的音樂會(huì)場(chǎng)中，與正在聽他演奏的數(shù)萬名世界各地的觀眾見面。,8.3.2 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),(2)DVR所構(gòu)造出的虛擬環(huán)境對(duì)用戶的視覺和聽覺來說都應(yīng)該是三維的。當(dāng)用戶在虛擬環(huán)境中漫游時(shí)，用戶的視覺和聽覺透視效果也會(huì)同時(shí)發(fā)生變化。與視頻會(huì)議系統(tǒng)不同，所有的DVR用戶被封裝在同一個(gè)虛擬世界中。例如，他們同坐在一個(gè)房間的會(huì)議桌周圍，或同在一個(gè)虛擬建筑物內(nèi)走動(dòng)。,(3)DVR的每個(gè)用戶在計(jì)算機(jī)環(huán)境中都以替身的形式出現(xiàn)，這個(gè)替身或者是一個(gè)自定義的圖形描述，或者是用戶的視頻，或者是兩個(gè)的組合。,(4)用戶除與其他用戶

12、交互之外，還可以與其它計(jì)算機(jī)仿真的虛擬生物交互。虛擬世界的一個(gè)最吸引人的地方在于它允許用戶超越現(xiàn)實(shí)的局限，允許現(xiàn)實(shí)中不存在或不能存在的一些事情發(fā)生。,(5)用戶能夠相互說話，也能與計(jì)算機(jī)生成的虛擬生物或?qū)ο笳f話，虛擬生物也能作出反映。,8.3.2 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),總之，動(dòng)態(tài)、交互、沉浸、分布化四個(gè)詞應(yīng)該能在一定程度上總結(jié)DVR所應(yīng)具備的特性。,目前，在DVR系統(tǒng)中，虛擬環(huán)境的分布主要有兩種結(jié)構(gòu)：集中式和復(fù)制式。集中式是把虛擬環(huán)境存放在中心效勞器中，對(duì)虛擬環(huán)境的實(shí)時(shí)操縱和協(xié)同處理都是由中心效勞器來管理的，用戶需要更新或獲取虛擬環(huán)境中的信息時(shí)，它向中心效勞器申請(qǐng)，由中心效勞器響應(yīng)申請(qǐng)后得到用戶

13、所需要的信息并傳輸給用戶；復(fù)制式是在多個(gè)地點(diǎn)放置虛擬環(huán)境與虛擬環(huán)境的管理系統(tǒng)，每個(gè)參加者只與應(yīng)用系統(tǒng)的局部備份進(jìn)行交互。,集中式虛擬環(huán)境一般具有統(tǒng)一的局部數(shù)據(jù)庫(kù)，也就是說組成虛擬世界的所有對(duì)象(數(shù)據(jù)庫(kù))是完全相同的，雖然不同的用戶可以看到虛擬空間的不同局部，但是在局部數(shù)據(jù)庫(kù)中裝入的是相同的對(duì)象。這樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但是由于輸入和輸出都有播送給其它所有結(jié)點(diǎn)，因而對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊帶寬有較高的要求，且穩(wěn)固性差。,8.3.2 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),復(fù)制式虛擬環(huán)境可以使用統(tǒng)一的局部數(shù)據(jù)庫(kù)也可以使用不同的局部數(shù)據(jù)庫(kù)，復(fù)制式虛擬環(huán)境結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但由于每個(gè)參與者只與應(yīng)用系統(tǒng)的局部備份進(jìn)行交互，所需網(wǎng)絡(luò)帶寬較小且交互

14、效果好，其缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)備份時(shí)，需要有控制機(jī)制來保證每個(gè)用戶得到相同的輸入事件序列，因此維護(hù)信息和狀態(tài)一致性較困難。,8.3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用,由于虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)上的進(jìn)步與逐步成熟，其應(yīng)用在近幾年開展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域己由過去的娛樂與模擬訓(xùn)練開展到包含航空、航天、鐵道、建筑、土木、科學(xué)計(jì)算可視化、醫(yī)療、軍事、教育、娛樂、通信、藝術(shù)、體育等廣泛領(lǐng)域。幾種典型的應(yīng)用是：,(1)飛行模擬器(Fight Simulator),飛行模擬器由仿真計(jì)算機(jī)、視景系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、操作負(fù)載系統(tǒng)、音響系統(tǒng)和模擬座艙組成。仿真機(jī)解算描述飛行動(dòng)力學(xué)、機(jī)載系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)模型。視景系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)圖像實(shí)時(shí)生成技術(shù)，產(chǎn)生

15、座艙外的景象，包括機(jī)場(chǎng)與跑道、燈光、建筑物、田野、河流、道路、地形地貌等，視景系統(tǒng)應(yīng)模擬能見度、云、霧、雨、雪等氣象條件，以及白天、黃昏、夜間的景象，視景系統(tǒng)使飛行員有身臨其境的感覺。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)給飛行員提供加速、過載等感覺。音響系統(tǒng)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、氣流噪聲等音響效果。模擬座艙具有與真實(shí)飛機(jī)座艙一樣的布局，其中儀表顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示飛機(jī)的各種飛行參數(shù)和機(jī)載系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。,8.3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用,飛行員在模擬座艙內(nèi)根據(jù)窗外景象信息、艙內(nèi)儀表顯示信息等做出決策，通過駕駛桿、舵對(duì)飛機(jī)進(jìn)行操縱，操縱量經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸入仿真計(jì)算機(jī)，解算飛行動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，獲得相應(yīng)的飛行高度、飛行速度、飛機(jī)姿態(tài)等飛行參數(shù)，

16、更新窗外視景和儀表顯示。通過飛行模擬器訓(xùn)練飛行員是一條經(jīng)濟(jì)、平安、可行和有效的途徑。,(2)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)(Virtual Battlefield),傳統(tǒng)的實(shí)戰(zhàn)演習(xí)需要消耗大量的資金，且平安性保密性差。通過建立虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境來訓(xùn)練軍事人員，同時(shí)可以檢驗(yàn)和評(píng)估武器系統(tǒng)的性能，這使軍事演習(xí)在概念上和方法上有了一個(gè)新的飛躍。在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，參與者可以看到在地面行進(jìn)的坦克和裝甲車，在空中飛行的直升機(jī)、殲擊機(jī)和導(dǎo)彈，在水中游弋的潛艇；可以看到坦克前進(jìn)時(shí)后面揚(yáng)起的塵土和被擊中坦克的燃燒濃煙；可以聽到飛機(jī)或坦克的隆隆聲由遠(yuǎn)而近，從聲音區(qū)分目標(biāo)的來向和速度。武器平臺(tái)(坦克、裝甲車、殲擊機(jī)、直升機(jī)、導(dǎo)彈等)由仿真器實(shí)現(xiàn)，它們可以分布在不同地區(qū)，通過廣域網(wǎng)聯(lián)接進(jìn)行數(shù),8.3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用,據(jù)通訊。雖然武器平臺(tái)不在同一地區(qū)，距離相隔很遠(yuǎn)，但虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境描述的是在同一空間、同一地域和同一時(shí)間。前面所述的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要用于虛擬戰(zhàn)場(chǎng)的開發(fā)。圖是一個(gè)虛擬指揮中心。,圖8.3.2 虛擬戰(zhàn)場(chǎng)演示圖,8.3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用,(3)虛擬樣機(jī)(Virtual Prototyping),虛擬樣機(jī)是一種基于仿