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《虛擬現(xiàn)實》,教學目的和要求：1、了解虛擬現(xiàn)實的概念；2、了解虛擬現(xiàn)實的組成及國內和同外虛擬現(xiàn)實研究的現(xiàn)狀。,教學重點：1、虛擬現(xiàn)實定義；2、虛擬現(xiàn)實的組成；3、虛擬現(xiàn)實的應用研究現(xiàn)狀；4、虛擬現(xiàn)實的應用前景。,前言,人類有許多夢想，一些夢想已經變?yōu)楝F(xiàn)實，而有一些夢想也許永遠都不可能實現(xiàn)。然而，有一種技術卻能使一切夢想全部在感知中實現(xiàn)，這就是虛擬現(xiàn)實技術（VirtualReality，簡稱VR）。,虛擬現(xiàn)實是在計算機圖形學、計算機仿真技術、人機接口技術、多媒體技術以及傳感技術的基礎上發(fā)展起來的交叉學科，由于它生成的視覺環(huán)境是立體的、音效是立體的，人機交互是和諧友好的，因此虛擬現(xiàn)實技術將一改人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現(xiàn)狀，即計算機創(chuàng)造的環(huán)境將人們陶醉在流連忘返的工作環(huán)境之中。,虛擬現(xiàn)實（VR）技術是20世紀90年代以來興起的一種新型信息技術，它集多媒體、網絡技術、傳感技術等多種先進技術為一體，是當今前景最好的計算機技術之一。,幾種虛擬現(xiàn)實,虛擬環(huán)境,虛擬房間,虛擬汽車,虛擬人,虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展,1965年，Sutherland在篇名為《終極的顯示》（TheUltimateDisplay）的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，從此，人們正式開始了對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究探索歷程。,1970年，出現(xiàn)了第一個功能較齊全的HMD系統(tǒng)?；趶?0年代以來所取得的一系列成就，美國的JaronLanier在80年代初正式提出了“VirtualReality”一詞。,80年代，美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關虛擬現(xiàn)實技術的研究，并取得了令人矚目的研究成果，從而引起了人們對虛擬現(xiàn)實技術的廣泛關注。1984年，NASAAmes研究中心虛擬行星探測實驗室組織開發(fā)了用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器，將火星探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計算機，為地面研究人員構造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。,虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展,,90年代，迅速發(fā)展的計算機硬件技術與不斷改進的計算機軟件系統(tǒng)相匹配，使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖象的實時動畫制作成為可能；人機交互系統(tǒng)的設計不斷創(chuàng)新，新穎、實用的輸入輸出設備不斷地進入市場。而這些都為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎。例如1993年的11月，宇航員利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)成功地完成了從航天飛機的運輸艙內取出新的望遠鏡面板的工作，而用虛擬現(xiàn)實技術設計波音777獲得成功，是近年來引起科技界矚目的又一件工作。,虛擬現(xiàn)實的定義,虛擬現(xiàn)實外國有時還稱為：“信息空間”，“人工現(xiàn)實”，“合成環(huán)境“等，虛擬現(xiàn)實就是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供諸如視、聽、嗅、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段、最大限度地方便用戶的操作，從而提高整個系統(tǒng)的工作效率。關于虛擬現(xiàn)實的定義，我們可以簡單地理解為：利用計算機生成的能給人多種感官刺激的人機交互系統(tǒng)。,兩個方面：第一是計算機生成的虛擬環(huán)境必須是能給人提供多種感覺的感官刺激的環(huán)境，能讓人有“沉浸”的感覺，現(xiàn)在的技術水平，虛擬現(xiàn)實通常由視覺、聽覺和觸覺構成。其二是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一種高級的人機交互系統(tǒng)，因此人機交互是虛擬現(xiàn)實的核心。,科目1考試網,虛擬現(xiàn)實的基本特征,(1)多感知性:所謂多感知是指除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。,(2)沉浸性:又稱臨場感，讓用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度，沉浸被通俗地解釋為“身臨其境”。,(3)交互性:交互性指用戶對模擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實時性）。,(4)構想性:虛擬現(xiàn)實技術中人與虛擬環(huán)境的交互作用，在本質上意味著它不是預成性的而是生成性的，不是因循的而是創(chuàng)造的，,虛擬技術三角形,虛擬現(xiàn)實分類（1）,按照虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)功能和實現(xiàn)方式的不同，可以分為三種類型：（1）沉浸型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（“可穿戴的”VR系統(tǒng)）沉浸型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供完全沉浸的體驗。它利用頭盔式顯示器或其它設備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設備、聲音等使得參與者產生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。例如，在消防仿真演習系統(tǒng)中，消防員會沉浸于極度真實的火災場景并做出不同反應。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是用戶可完全沉浸到虛擬世界中去，缺點是系統(tǒng)設備尤其是硬件價格相對較高，難以大規(guī)則普及推廣。,虛擬現(xiàn)實分類（2）,（2）簡易型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（桌面VR系統(tǒng)）桌面虛擬現(xiàn)實利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口。通過各種輸入設備實現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實世界的充分交互，這些外部設備包括立體眼鏡、3D控制器使監(jiān)視器或者鼠標，追蹤球，力矩球等。它要求參與者使用輸入設備，通過計算機屏幕觀察360度范圍內的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時參與者缺少完全的沉浸，因為它仍然會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾。桌面虛擬現(xiàn)實最大特點是缺乏真實的現(xiàn)實體驗，但這種系統(tǒng)的特點是結構簡單、價格低廉，組成靈活，易于普及推廣，是一套經濟實用的系統(tǒng)。,虛擬現(xiàn)實分類（3）,（3）共享型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（網絡虛擬現(xiàn)實，又稱為分布式虛擬環(huán)境）是一種基于網絡連接的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它是多個用戶通過計算機網絡連接在一起，同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經歷，把虛擬現(xiàn)實則提升到了一個更高的境界，這就是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。在分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，多個用戶可通過網絡對同一虛擬世界進行觀察和操作，以達到協(xié)同工作的目的。例如，異地的醫(yī)科學生，可以通過網絡，對虛擬手術室中的病人進行外科手術。又如風靡因特網的網絡游戲，其實就是共享型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的有力表現(xiàn)。眾多玩家可以在同一個虛擬環(huán)境中交互式的進行交流、打斗、組織甚至生存，讓虛擬的情節(jié)持續(xù)發(fā)展。,洽談,討論,設計,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的主要技術構成,實時三維圖形生成技術、多傳感交互技術、高分辨率顯示技術.,(1)動態(tài)環(huán)境建模動態(tài)環(huán)境建模技術的目的就是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應用的需要建立相應的虛擬環(huán)境模型。(2)實時三維圖形生成技術三維圖形的生成技術已經較為成熟，為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，最好高于30幀/秒。提高刷新頻率是該技術的主要內容。(3)立體顯示和傳感器技術虛擬現(xiàn)實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術的發(fā)展，設備過重、分辨率低、延遲大、有線、跟蹤精度低、視場不夠寬、眼睛容易疲勞等，因此有必要開發(fā)新的三維顯示技術。(4)應用系統(tǒng)開發(fā)工具虛擬現(xiàn)實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發(fā)揮想像力和創(chuàng)造性。選擇適當?shù)膽脤ο罂梢源蠓忍岣呱a效率，減輕勞動強度，提高產品質量。(5)系統(tǒng)集成技術由于VR系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)集成技術起著至關重要的作用。集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數(shù)據(jù)轉換技術、數(shù)據(jù)管理模型、識別與合成技術等等。,硬件構成,（1）虛擬現(xiàn)實生成設備：是一臺或多臺高性能計算機，是帶有圖形加速器和多條圖形輸出流水線的高性能圖形計算機。（2）感知設備：感知設備是指將虛擬世界各類感知模型轉變?yōu)槿四芙邮艿亩嗤ǖ来碳ば盘柕脑O備。然而，相對成熟的感知信息和生產和檢測技術僅有視覺、聽覺和力覺三種通道。（3）跟蹤設備：跟蹤設備用于跟蹤并檢測位置和方位，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中人機交互操作。（4）基于自然方式的人機交互設備：應用手勢、體勢、眼神以及自然語言的人機交互設備，常見的有數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、眼球跟蹤器及語音綜合識別裝置。,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)硬件配置示意圖：,幾種常用的虛擬現(xiàn)實設備：,高性能圖形計算機,環(huán)形屏幕,頭盔,眼鏡,三維顯示器,三維鼠標,手套,虛擬現(xiàn)實的應用領域：,（1）用于遙控機器人的遙現(xiàn)技術：遙現(xiàn)技術是指當實際上在某一個地方時，可以產生在另一個地方的感覺。例如，在宇宙空間站的開發(fā)計劃中，受各種因素的制約，機器人的遙控遙現(xiàn)技術起了至關重要的作用。（2）仿真技術計算機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感覺。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：在科學研究中對研究數(shù)據(jù)生成可視化效果以便觀察和研究。例如：虛擬風洞。（4）虛擬實驗室：在研究工作和學習過程中，總會有許多實驗需反復進行，以期得到不同條件下的不同結果，虛擬實驗室能提供這樣一個平臺。例如：虛擬物理實驗室。（5）虛擬電力控制室：使用虛擬現(xiàn)實技術研制輔助設計控制室的系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)可以自由地改變控制室內的配置等室內外環(huán)境，以便從不同方向觀察研究控制室情況。,虛擬現(xiàn)實的應用領域：,（6）分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（DVR）即是一個較為典型的實例。所謂DVR是指一個支持多人實時通過網絡進行交互的軟件系統(tǒng)，每個用戶在一個虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，通過計算機與其它用戶進行交互，并共享信息。（7）擴增實境：擴增實境是虛擬現(xiàn)實最具實用價值的應用之一。它在真實環(huán)境的基礎上把虛擬環(huán)境疊加進去，使二者有機結合，產生虛實難辯、亦幻亦真的感覺。例如：當人進入到一商店購某物時，即可在顯示設備上顯示此物的價格、性能及各種參數(shù)等。,虛擬現(xiàn)實在教育領域的具體應用,虛擬學習環(huán)境虛擬實驗室虛擬實訓基地虛擬仿真校園虛擬遠程教育,虛擬現(xiàn)實在軍事領域的具體應用,虛擬戰(zhàn)場環(huán)境單兵模擬訓練與評判諸軍種聯(lián)合虛擬演習進行指揮員訓練,虛擬現(xiàn)實在礦業(yè)領域的具體應用,模擬礦井開采礦業(yè)人員技術培訓礦井設備的虛擬設計和制造事故模擬與調查分析,虛擬現(xiàn)實在商業(yè)領域的具體應用,物品外觀展示物品特性展示物品的功能參數(shù)物品的價格,虛擬現(xiàn)實在房地產領域的具體應用,最直觀的交流方式最快捷的審批平臺最方便的設計工具最先進的營銷手段,幾個已實現(xiàn)的例子：,1、日本松下公司用來招攬買主的“廚房世界”2、杭州大學開發(fā)的虛擬故官游玩系統(tǒng)3、美國佐治亞理工學院開發(fā)出虛擬動物園的大猩猩系統(tǒng)4、日本的一家公司設計制造出一個虛擬世界中的歌手5、賓夕法尼亞大學研究制成虛擬現(xiàn)實人杰克,國外虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀,（1）美國宇航局（NASA）的Ames實驗室完善了HMD，并將VPL的數(shù)據(jù)手套工程化，使其成為可用性較高的產品。NASA研究的重點放在對空間站操縱的實時仿真上，NASA完成的一項著名的工作是對哈勃太空望遠鏡的仿真?，F(xiàn)在正致力于一個叫“虛擬行星探索（VPE）”的試驗計劃。,（2）北卡羅來納大學（UNC）的計算機系是進行VR研究最早最著名的大學。他們主要研究：分子建模、航空駕駛、外科手術仿真、建筑仿真等。,（3）Linda大學醫(yī)學中心是一所經常從事高難度或者有爭議課題的醫(yī)學研究單位。他們以數(shù)據(jù)手套為工具，將手的運動實時地在計算機上用圖形表示出來；他們還首創(chuàng)了VR兒科治療法。,（4）麻省理工大學（MIT）是一個一直走在最新技術前沿的科學研究機構。MIT建立了一個名叫BOLIO的測試環(huán)境，用于進行不同圖形仿真技術的實驗。利用這一環(huán)境，MIT建立了一個虛擬環(huán)境下的對象運動跟蹤系統(tǒng)。,（5）SRI研究中心建立了“視覺感知計劃”，研究現(xiàn)有VR技術的進一步發(fā)展。1991年后，SRI進行了利用VR技術對軍用飛機或車輛駕駛的訓練研究。另外，SRI還利用遙控技術進行外科手術仿真的研究。,國內虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀,（1）北京航空航天大學計算機系是國內最早進行VR研究、最有權威的單位之一，他們在虛擬現(xiàn)實中的視覺接口方面開發(fā)出了部分硬件，并提出了有關算法及實現(xiàn)方法；實現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網絡設計，建立了網上虛擬現(xiàn)實研究論壇。（2）浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)。另外，他們還研制出了在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進網格的快速生成算法。（3）哈爾濱工業(yè)大學計算機系已經成功地虛擬出了人的高級行為中特定人臉圖象的合成，表情的合成和唇動的合成等技術問題，并正在研究人說話的頭勢和手勢動作，語音和語調的同步等。（4）清華大學計算機科學和技術系對虛擬現(xiàn)實和臨場感的方面進行了研究。他們還針對室內環(huán)境水平特征豐富的特點，提出借助圖象變換，使立體視覺圖象中對應水平特征呈現(xiàn)形狀一致性，以利于實現(xiàn)特征匹配，并獲取物體三維結構的新穎算法。,（5）西安交通大學信息工程研究所對虛擬現(xiàn)實中的關鍵技術——立體顯示技術進行了研究。他們在借鑒人類視覺特性的基礎上提出了一種基于JPEG標準壓縮編碼新方案，并獲得了教高的壓縮比、信噪比以及解壓速度，并且已經通過實驗結果證明了這種方案的優(yōu)越性。（6）中國科技開發(fā)院威海分院主要研究虛擬現(xiàn)實中視覺接口技術，完成了虛擬現(xiàn)實中的體視圖象對算法回顯及軟件接口。他們在硬件開發(fā)上已經完成了LCD紅外立體眼鏡，并且已經實現(xiàn)商品化。（7）北方工業(yè)大學CAD研究中心是我國最早開展計算機動畫研究的單位之一，中國第一部完全用計算機動畫技術制作的科教片《相似》就出自該中心。關于虛擬現(xiàn)實的研究已經完成了2個“863”項目，完成了體視動畫的自動生成部分算法與合成軟件處理，完成了VR圖象處理與演示系統(tǒng)的多媒體平臺及相關的音頻資料庫，制作了一些相關的體視動畫光盤。（8）國防科技大學開發(fā)了一個基于Internet的三維虛擬漫游環(huán)境Universe3D。（9）另外，西北工業(yè)大學CAD/CAM研究中心，上海交通大學圖象處理及模式識別研究所，華東船舶工業(yè)學院計算機系、安徽大學電子工程與信息科學系等單位也進行了一些研究工作和嘗試。,結束語,虛擬現(xiàn)實的發(fā)展前景誘人，在某種意義上說它將改變人們的思維方式，會改變人們對世界、自己、空間和時間的看法。它是一項發(fā)展中的、具有深遠的潛在應用方向的新技術。正如其它新興科學技術一樣，虛擬現(xiàn)實技術也是許多相關學科領域交叉、集成的產物。它的研究內容涉及到人工智能、計算機科學、電子學、傳感器、計算機圖形學、智能控制、心理學等。雖然這個領域的技術潛力是巨大的，應用前景也是很廣闊的。但是，仍存在著許多未解決的理論問題和未克服的技術障礙。我們期待這有朝一日，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)成為一種對多維信息處理的強大系統(tǒng)，成為人進行思維和創(chuàng)造的助手和對人們已有的概念進行深化和獲取新概念的有力工具。,