第8章多媒体技术与应用 虚拟现实技术教程

8.2 虚拟现实系统的组成
一个典型的虚拟现实系统主要由计 算机、输入输出设备、虚拟现实设计/ 浏览软件（应用软件系统）等组成。用 户以计算机为核心，通过输入输出设备 与应用软件设计的虚拟世界进行交互。
8.2虚拟现实系统构成
虚拟世界
虚拟现实设计/ 浏览软件
虚拟现实设计/ 浏览软件
输出设备
头盔显示器 3D立体显示器 3D立体眼镜 CAVE 展示系统 影象分离器 力反馈系统
8.2.2虚拟现实系统的开发软件
2．虚拟现实交互设计工具软件 虚拟现实技术的迅猛发展 ，从美国 Sende8公司开发的WTK（WorldToolKit）， 到在军事仿真领域占据统治地位的美国 MultiGen-Paradigm公司的Vega及发展到后 来的Vega Prime，另外包括Virtools、Cult 3D、EON Studio、Quest3D、Anark等Web 3D技术。
8.2.1虚拟现实系统的硬件设备
（4）CAVE 展示系统 CAVE（洞穴式）是一种基于多通道视 景同步技术和立体显示技术的房间式投影 可视协同环境 .该系统可提供一个房间大小 的最小三面或最大七十六面（2004年）立 方体投影显示空间，供多人参与，所有参 与者均完全沉浸在一个被立体投影画面包 围的高级虚拟仿真环境中，借助相应虚拟 现实交互设备（如数据手套、力反馈装置、 位置跟踪器等），从而获得一种身临其境 的高分辨率三维立体视听影像和6自由度交 互感受。
三维建模软件
三维建模辅助硬件设备
三维扫描仪
3DS Max Auto Cad
Maya Catia
……
Lightwave Pro/E
Softimage UG
动作捕捉器
虚拟现实软件 输入设备 三维鼠标 数据手套 运动跟踪器 作品内容 Vega Virtools
输出设备 立体显示器
数字头盔 影分离器
CAVE系统 力反馈系统 …… 应用领域
Virtools的编辑界面以许多的Tab所组成， 每一个编辑器、设定界面等都放在Tab中。 1．3D Layout Virtools 3D场景编辑区域
8.3.2 Virtools软件的界面
2．Building Blocks 行为模块组库
8.3.2 Virtools软件的界面
3．Virtools Resources Virtools外部资源库
图8-6沉浸式虚拟现实系统
（3）增强现实系统 增强现实（AR Augmented Reality）是一 个较新的研究领域，是一种利用计算机对 使用者所看到的真实世界产生的附加信息 进行景象增强或扩张的技术 .增强现实系 统是利用附加的图形或文字信息，对周围 真实世界的场景动态地进行增强。在增强 现实的环境中，使用者可以在看到周围真 实环境的同时，看到计算机产生的增强信 息。
8.1.2虚拟现实技术的特征
沉浸性
交互性（Interactivity）
交互性
3I
想象性
沉浸性（Immersion）
想象性（Imagination）
8.1.3虚拟现实系统的分类
1．按虚拟世界模型的建立方式分类 （1）影像式虚拟现实 影像式虚拟现实又分为针对环境的全景虚拟现实和针 对物体的环物虚拟现实两类 全景虚拟现实 环物虚拟现实
8.2.1虚拟现实系统的硬件设备
2．输出设备 （1）头盔显示器 （2）3D立体眼镜
8.2.1虚拟现实系统的硬件设备
（3）3D立体显示器 使用特殊的光学元件改变显示 器和人眼的成像系统。利用通用 的TFT LCD液晶显示器作为图像 显示部件，通过科学设计符合立 体显示照明原理的照明板部件， 与液晶盒精密装配在一起组成裸 眼立体显示屏，配合电路系统和 显示软件完成裸眼立体显示器的 系统结构设计。
8.2.2虚拟现实系统的开发软件
1．建模工具软件 在建筑设计、游戏场景及角色设计和动画设 计等数字娱乐领域比较通用的有Autodesk公司 的3DS Max和Maya，Avid公司的Softimage XSI及NewTek公司的Lightwave等；在飞机设 计、船舶设计、汽车设计等工业机械设计领域 主要被法国达索公司（Dassault Systemes）的 Catia，美国PTC（Parametric Technology Corporation）公司的Pro/E（Pro/Engineer）和 美国UGS公司的UG（Unigraphics）三大厂商 的产品占据主流市场。
8.3.2 Virtools软件的界面
4．Level Manager Virtools内部资源管理器
8.3.2 Virtools软件的界面
5．Schematic Virtools脚本编辑区域
8.3.2 Virtools软件的界面
6．3D Layout 工具 形变工具. 对象建立工具 .场景浏览工具
图8-7增强现实头盔显示器
（4）分布式虚拟现实系统 分布式虚拟现实系统（DVR）是指一 个支持多人实时通过网络进行交互的 软件系统，每个用户在一个虚拟现实 环境中，通过计算机与其它用户进行 交互，并共享信息。
8.1.4 虚拟现实技术的应用
军事模拟 工业仿真 数字城市
数字娱乐 数字教学 电子商务
（1）桌面式虚拟现实
3D/VR虚拟现实
（2）沉浸式虚拟现实系统 沉浸式虚拟现实系统（Immersive VR）是一种 高级的、较理想的虚拟现实系统，它提供一个完 全沉浸的体验，使用户有一种仿佛置身于真实世 界之中的感觉。它通常采用洞穴式立体显示装置 （CAVE系统）或头盔式显示器（HMD）等设备， 首先把用户的时间、听觉和其他感觉封闭起来， 并提供一个新的、虚拟的感觉空间，利用三维鼠 标、数据手套、空间位置跟踪器等输入设备和视 觉、听觉等设备，使用户产生一种身临其境、完 全投入和沉浸于其中的感觉
计算机
输入设备
游戏手柄/摇杆 3D鼠标器 3D数据手套 位置追踪器 动作捕捉器
8.2.1虚拟现实系统的硬件设备
1．输入设备 （1）3D鼠标器 （2）数据手套
8.2.1虚拟现实系统的硬件设备
（3）位置追踪器 三维定位跟踪设备是虚拟现实系统中关键 传感设备之一。它的任务是检测位置与方位， 并将其数据报告给虚拟现实系统。
8.1 虚拟现实技术概述 8.1.1 虚拟现实技术的概念 8.1.2 虚拟现实技术的特征 8.1.3 虚拟现实系统的分类 8.1.4 虚拟现实技术的应用 8.2 虚拟现实系统的组成 8.2.1 虚拟现实系统的硬件 设备 8.2.2 虚拟现实系统的开发 软件
8.3 虚拟现实系统的开发 8.3.1 Virtools软件特点及工 作流程 8.3.2 Virtools软件的界面与 工具简介 8.3.3 建模与模型导入 8.3.4 角色动作与移动控制 8.3.5 场景属性设定 8.3.6 系统的输出
8.3 虚拟现实系统的开发
虚拟现实系统的开发三个步骤: 第一步：虚拟现实作品三维模型建立，包括设计3D 型、3D场景、贴图、骨骼系统、 角色动作等等。 第二步：虚拟现实作品交互设计，对第一步建立的三 维模型进行整合、加入互动、物体行为、镜头特效、 光影效果、粒子效果等。 第三步：系统集成，即将输入输出设备与虚拟现实作 品内容整合起来，完成读取虚拟世界资料、接收输 入设备信号、送交计算机运算、将结果传到输出设 备等功能，形成一套完整的系统，以供用户使用。
8.1.3虚拟现实系统的分类
（2）3D/VR虚拟现实 3D/VR虚拟现实（Polygon base Virtual Reality）是使用三维模型设计软件， 通过多个多边形组合成一个三维模型，再 给模型增加上纹理、材质、贴图等完成虚 拟场景及人物的三维呈现。
图8-4 3D/VR虚拟现实
2．按虚拟现实系统的功能和实现方式分类



6. 虚拟现实技术(Virtual Reality) 从本质上讲,虚拟现实技术是一种崭新的人机界面,是三维的,对物理现实的仿真.虚拟现实系统实际上是一种多媒 体计算机系统,它利用多种传感器输入信息仿真人的各种感觉,经过计算机高速处理,再由头盔显示器,声音输出装 置,触觉输出装置及语音合成装置等输出设备,以人类感官易于接受的形式表现给用户.虚拟现实技术能实现人与环 境的统一,仿真"人在自然环境之中". 人的感觉是多方面的,要想使处于虚拟现实中的人在各种感觉上都能仿真是很困难的,要达到智能就更困难了.但是, 虚拟现实技术提供了一种崭新的人机界面设计的方向,在国民经济许多领域都会有重要应用,是多媒体系统重要的 发展方向. 虚拟现实技术 它综合集成了计算机图形学,人机交互技术,传感与测量技术,仿真,人工智能,微电子等科学技术 虚拟现实技术主要应用于工程设计,数据可视化,飞行模拟,模拟实验,多媒体远程教育,远程医疗,旅游娱乐等方面 网络通讯与虚拟现实技术的结合具有诱人的前景和巨大的潜在应用价值,它将在某种程度上改变人类的思维方式 和时空观,实现真正意义上的远程交互式教育 虚拟现实技术的发展必须有大容量的数据存储,快速的数据处理和宽频信息通道的技术支撑 虚拟现实技术 所谓虚拟现实,就是采用计算机技术生成一个逼真的视觉,听觉,触觉及嗅觉的感觉世界,用户可以用人的自然技能 对这个生成的虚拟实体进行交互考察.这个概念包含三层含义: - 虚拟实体用计算机来生成的一个逼真的实体; - 用户可以通过人的自然技能(人的头部转动,眼动,手势或其它的身体动作)与这个环境交互; - 要借助于一些三维传感设备来完成交互动作,常用的如头盔立体显示器,数据手套,数据服装,三维鼠标等. 虚拟现实技术 它综合集成了计算机图形学,人机交互技术,传感与测量技术,仿真,人工智能,微电子等科学技术 虚拟现实技术主要应用于工程设计,数据可视化,飞行模拟,模拟实验,多媒体远程教育,远程医疗,旅游娱乐等方面 网络通讯与虚拟现实技术的结合具有诱人的前景和巨大的潜在应用价值,它将在某种程度上改变人类的思维方式 和时空观,实现真正意义上的远程交互式教育 虚拟现实技术的发展必须有大容量的数据存储,快速的数据处理和宽频信息通道的技术支撑
学习目标
1.掌握虚拟现实技术的相关概念和关键特性； 2.了解虚拟现实系统的组成； 3.了解虚拟现实系统的开发流程； 4.掌握Virtools虚拟现实软件的基本操作。
8.1.1虚拟现实技术
虚拟现实技术就是 采用以计算机技术为 核心的现代高科技生 成逼真的视、听、触 觉一体化的特定范围 内虚拟的环境（如飞 机驾驶舱、分子结构 世界）。
摄像头
……
工业仿真
军事模拟
数字城市
数字娱乐
数字教学
电子商务
8.3.1 Virtools软件特点及工作流程
Virtools 是一套整合软件，可以将现有 常用的文件格式整合在一起，如3D的模型、 2D图形或是音效等。Virtools 不是3D Engine，Virtools 是一套具备丰富的互动 行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件， 可以制作出许多不同用途的3D产品 .
Virtools软件的特点
Virtools软件开发流程
Virtools 4基本平台部分就拥有超过 500个以上的互动模块可供运用，经 由编辑后的互动模块群可以组合成一 个新的单一互动模块以方便重复使用、 编辑，甚至可以交换或卖给需要的使 用者。
8.3.2 Virtools软件的界面
8.3.2 Virtooຫໍສະໝຸດ Baidus软件的界面
8.3.3建模与模型导入
1．静态场景输出 （1）安装Plug-in For 3DS MAX。 （2）执行File/Open命令
8.3.3建模与模型导入
（3）执行File/Expor命令。 （Step 1）选择存档类型，并输入文件名称
8.3.3建模与模型导入
8.2.1虚拟现实系统的硬件设备
（4）3D扫描仪 三维扫描仪是当前 使用的对实际物体三 维建模的重要工具， 能快速方便地将真实 世界的立体彩色的物 体转换为计算机能直 接处理的数字信号， 为实物数字化提供了 有效的手段。
8.2.1虚拟现实系统的硬件设备
（5）动作采集器 运动采集系统利用网 络连接的运动捕捉摄 像机和其它相应设备 来进行实时运动捕捉 和分析