第一讲虚拟现实概述

虚拟现实技术的发展和应用
• 虚拟现实技术不仅创造出虚拟场景，而且还创 造出虚拟主持人、虚拟歌星、虚拟演员。 日本电视台推出的歌星DiKi，不仅歌声迷 人而且风采翩翩，引得无数歌迷纷纷倾倒，许 多追星族欲亲睹其芳容，迫使电视台只好说明 她不过是虚拟的歌星。 美国迪斯尼公司还准备推出虚拟演员。这 将使“演员”艺术青春常在、活力永存。 明星片酬走向天价是导致使用虚拟演员的 另一个原因。虚拟演员成为电影主角后，电影 将成为软件产业的一个分支。各软件公司将开 发数不胜数的虚拟演员软件供人选购。固然， 在幽默和人情味上，虚拟演员在很长一段时间 内甚至永远都无法同真演员相比，但它的确能 成为优秀演员。
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虚拟现实技术的发展和应用
• 商业上，虚拟现实常被用于推销。 例如建筑工程投标时，把设计 的方案用虚拟现实技术表现出来， 便可把业主带入未来的建筑物里参 观，如门的高度、窗户朝向、采光 多少、屋内装饰等，都可以感同身 受。 它同样可用于旅游景点以及功 能众多、用途多样的商品推销。 用虚拟现实技术展现这类商品 的魅力，比单用文字或图片宣传更 加有吸引力。
4虚拟现实技术发展与应用 • 虚拟现实的发展历程
1965年 Ivan Sutherland博士提出“ The Ultimate Display”概念，1968年他研制成功头盔式 显示器（HMD） 70年代以来图形学技术的进步，特别是90年代，可以实 时显示复杂场景 军方飞行模拟器的研制和发展对VR的推动 1984年美国NASA的AMES中心研制成功VIVD系统， 以及1986年的VIEW项目 1992年美国NSF召开VR研讨会 其他国际会议（IEEE VR；ACM VRST等），VR专著 以及各种研究成果
2 虚拟现实技术的特性 • 交互性 • 头盔立体显示器
2 虚拟现实技术的特性 • 交互性 • 数据手套
2 虚拟现实技术的特性 • 交互性 • 交互式物理触摸屏
2 虚拟现实技术的特性 • 想象性 指借助虚拟现实技术，使抽象概念具体化。 如：室内设计
2 虚拟现实技术的特性 • 想象性 如：物理实验
二 交互设备 • 力反馈装置 力反馈器是VR研究中的一种重要的设备，该设备 能使参与者实现虚拟环境中除视觉、听觉之外的 第三感觉——触觉和力感，进一步增强虚拟环境 的交互性，从而真正体会到虚拟世界中的交互真 实感，该设备广泛应用于虚拟医疗、虚拟装配等 诸多领域。
二 交互设备 • 力反馈系统 • Force Dimension
2 虚拟现实技术的特性 • 沉浸性 • 借助交互设备和自身的感知系统，参与者会产 生类似于现实世界的意识或幻觉。
仿真游戏
模拟驾驶
2 虚拟现实技术的特性 • 沉浸性 • 网上Leabharlann Baidu游-虚拟圆明园
2 虚拟现实技术的特性 • 交互性 • 通过使用专门的输入输出设备，对虚拟环境进 行观察与操作的程度。
2 虚拟现实技术的特性 • 交互性 • 3D立体眼镜
1 虚拟现实技术概念 • 虚拟现实的广义解释 • 虚拟现实是由计算机生成的给人以沉浸感的虚 拟环境。
1 虚拟现实技术概念 • 虚拟现实的概念模型
感官刺激信号 感知系统
介 入 者 虚拟世界 （环境）
反应动作
反应系统
1 虚拟现实技术概念 • 虚拟环境系统提供的各种感官刺激
• • • • • • 视觉 听觉 嗅觉 味觉 触觉（触觉，力觉） 身体感觉
• ２）观察者能够以自然的方式直接与虚拟世界中的对象进 行交互操作，触摸它们，感觉它们，并能听到虚拟世界的 三维空间声音。
1 虚拟现实技术概念
• 虚拟现实的狭义解释
• 虚拟现实是由计算机生成的、可交互的仿真环境。该虚拟 环境具有以下三个特点： • 1） 该环境将向介入者（人）提供视觉、听觉、触觉等多 种感官刺激。 • 2）该环境应给人以一种身临其境的沉浸感。 • 3）人能以自然的方式与该环境中的一些对象进行交互操 作，既不使用键盘鼠标等常规输入设备，而强调使用手势 （数据手套）、体势（数据衣服）和自然语言等自然方式 的交互操作。
1 虚拟现实技术概念 •
在虚拟现实中和通常图像显示不同的是： 1.要求显示的图像要随观察者眼睛位置的变化而变化。
2.要求能快速生成图像以获和实时感。例如，制作动画 时不要求实时，为了保证质量每幅画面需要多长时间生成 不受限制。而虚拟现实时生成的画面通常为30帧/秒。 有 了这样的图像生成能力，再配以适当的音响效果，就可以 使人有身临其境的感受。
1 虚拟现实技术概念 关键技术和研究内容
4、交互技术 虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式，利 用数字头盔、数字手套等复杂的传感器设备，三维交互技术与语音识 别、语音输入技术成为重要的人机交互手段。
5、系统集成技术 由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统的 集成技术为重中之重：包括信息同步技术、模型标定技术、数据转换 技术、识别和合成技术等等。
5 虚拟现实系统的典型设备
显示和观察设备
沉浸式现实设备 非沉浸式显示设备
交互设备
数据手套 （输入手的各种姿势） 三维鼠标 游戏杆
传感设备
数据手套 数据衣 位置跟踪装置
三维立体声系统 三维数据获取设备
一 显示和观察设备
产生沉浸感的方法和装置
1. 头盔式显示器 2. 快速响应的工作平台 3. 大屏幕投影 洞穴状的投影屏幕（CAVE） 圆柱型的投影屏幕 由矩形块拼接构成的投影屏幕 4. 全景图 5. 可支持多用户协作的投影屏幕 6. 具有三维空间感的声音
虚拟现实技术的发展和应用
• 娱乐上，应用是虚拟现实最广阔的用途。英国出售的一种 滑雪模拟器。使用者身穿滑雪服、脚踩滑雪板、手拄滑雪 棍、头上载着头盔显示器，手脚上都装着传感器。虽然在 斗室里，只要做着各种各样的滑雪动作，便可通过头盔式 显示器，看到堆满皑皑白雪的高山、峡谷、悬崖陡壁，一 一从身边掠过，其情景就和在滑雪场里进行真的滑雪所感 觉的一样。
1 虚拟现实技术概念 • 虚拟环境中用户的动作检测和设备
用户反应动作
头部运动 肢体或躯体运动 手指运动 眼球运动 语言 受力
检测设备
头部跟踪装置 跟踪器，力反馈装置，空间球 数据手套，按钮装置，操纵感 眼球跟踪器 语音识别装置 带力传感器的力反馈装置
1 虚拟现实技术概念
• 虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义，把这两个词放在一 起，似乎没有意义，但是科学技术的发展却赋予了它新的 含义。 • 虚拟现实的明确定义不太好说，按最早提出虚拟现实概念 的学者J.Laniar的说法，虚拟现实，又称假想现实，意 味着“用电子计算机合成的人工世界”。 • 可以清楚地看到，这个领域与计算机有着不可分离的密切 关系，信息科学是合成虚拟现实的基本前提。
虚拟现实技术基础与应用
第一讲 虚拟现实概述
主要内容
1 2 3 4 5
虚拟现实技术概念
虚拟现实技术的特性
虚拟现实系统分类
虚拟现实技术的发展与应用 典型设备
1 虚拟现实技术概念
• 虚拟现实技术的提出
• 1965年计算机图形学的奠基者 Ivan Sutherland 发表了“ The Ultimate Display” 论文，提出了一种 全新的图形显示技术。他在论文中提出使观察者直接沉浸 在计算机生成的三维世界中，而不是通过窗户（计算机屏 幕）来观察。 • １）观察者自然地转动头部和身体，他看到的场景就实时 地发生变化。
CAVE系统
美国伊利诺斯大学EVL(Electronic Visualization Laboratory) 实验室开发
头盔式立体显示器
HMD，Head Mounted Display
3虚拟现实系统分类 • 增强现实系统
可以允许用户看到真实世界，同时也可以看到叠 加在真实世界上的虚拟对象。
特点 （1）真实世界与虚拟世界融为一体； （2）具有实时人机交互功能 （3）真实世界和虚拟世界是在三维空间中整合的
• 瑞士 R&D 公司产品，在世界上领先了 10 多年
6 自由度力反馈接口界面
3自由度力反馈接口界面
互动3D显示器
IO2 Technology 使用激光在空气中显示3D立体图形 至可以用手指来与其完成交流互动以及 其他操作
数据手套(cyberglove)：
虚拟现实应用的主要交互设备，它作为一只虚拟的手或控件用于3DVR场景的模 拟交互，可进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制，有有线和无线、左手和 右手之分，可用于视景仿真软件环境中。
3虚拟现实系统分类 • 分布式虚拟现实系统 在一个网络的虚拟环境中，位于不同物理位置的 多个用户或多个虚拟世界通过网络相连接共享信 息的系统。
• 共享虚拟环境(Shared Virtual Environment) • 多人虚拟环境(Multi-user Virtual Environment) • 网络虚拟环境(Networked Virtual Environment)
头盔式显示器的特点
用户带着头盔。 双眼看到不同的图象。 跟踪器跟踪头的方向。
具有看穿功能（see-through)的头盔显 示器
快速响应的工作平台
洞穴状的投影屏幕（CAVE）
安装在浙江大学的CAVE
CAVE 示意图
圆柱型的投影屏幕
由矩形块拼接构成的投影屏幕
全景图
可支持多用户协作的投影屏幕
2 虚拟现实技术的特性 • 想象性 如：虚拟人生游戏
3 虚拟现实系统分类 • 桌面虚拟现实系统 以计算机屏幕作为用户观察虚拟世界的一个窗 口，采用立体图形、自然交互等技术，产生三维 立体空间的交互场景，实现与虚拟世界的交互。
3 虚拟现实系统分类 • 沉浸式虚拟现实系统
提供一个完全沉浸的体验，使用户 有一种仿佛置身于真实世界的感觉
4虚拟现实技术发展与应用 • 虚拟现实技术的应用 • 早在20世纪70年代便开始将虚拟现实用于培训 宇航员。由于这是一种省钱、安全、有效 的培训 方法，现在已被推广到各行各业的培训中。目前， 虚拟现实已被推广到不同领域中，得到广泛应用。
虚拟现实技术的发展和应用
• 在科技开发上，虚拟现实可缩 短开发周期，减少费用。例如克莱 斯勒公司1998年初便利用虚拟现 实技术，在设计某两种新型车上取 得突破，首次使设计的新车直接从 计算机屏幕投入生产线，也就是说 完全省略了中间的试生产。 由于利用了卓越的虚拟现实技 术，使克莱斯勒避免了1500项设 计差错，节约了8个月的开发时间 和8000万美元费用。利用虚拟现 实技术还可以进行汽车冲撞试验， 不必使用真的汽车便可显示出不同 条件下的冲撞后果。
虚拟现实技术的发展和应用
• 医疗上 虚拟现实应用大致上有两类：
一是虚拟人体，也就是数字化人 体，这样的人体模型医生更容易了 解人体的构造和功能
另一是虚拟手术系统，可用于指导 手术的进行。
虚拟现实技术的发展和应用
• 军事上，利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的 多快好省的研究战争、培训指挥员的方法。也是由于虚拟 现实技术达到很高水平，所以尽管不进行核试验，也能不 断改进核武器。战争实验室在检验预定方案用于实战方面 也能起巨大作用。1991年海湾战争开始前，美军便把海 湾地区各种自然环境和伊拉克军队的各种数据输入计算机 内，进行各种作战方案模拟后才定下初步作战方案。后来 实际作战的发展和模拟实验结果相当一致。
1 虚拟现实技术概述 关键技术和研究内容
1、环境建模技术 即虚拟环境的建立，目的是获取实际三维环境的三维数据，并 根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。 2、立体声合成和立体显示技术 在虚拟现实系统中消除声音的方向与用户头部运动的相关性， 同时在复杂的场景中实时生成立体图形。 3、触觉反馈技术 在虚拟现实系统中让用户能够直接操作虚拟物体并感觉到虚拟 物体的反作用力，从而产生身临其境的感觉。
1 虚拟现实技术概念
• 生成虚拟现实需要解决以下三个主要问题：
①以假乱真的存在技术。即，怎样合成对观察者的感 官器官来说与实际存在相一致的输入信息，也就是如何可 以产生与现实环境一样的视觉，触觉，嗅觉等。 ②相互作用。观察者怎样积极和能动地操作虚拟现实 ，以实现不同的视点景象和更高层次的感觉信息。实际上 也就是怎么可以看得更像，听得更真等等。 ③自律性现实。感觉者如何在不意识到自己动作、行 为的条件下得到栩栩如生的现实感。在这里，观察者、传 感器、计算机仿真系统与显示系统构成了一个相互作用的 闭环流程。