第13章 虚拟地理环境

地球信息科学引论
授课人：张喜旺 E-mail：zxiwang@163.com
河南大学环境与规划学院
The College of Environment and Planning of Henan University
主要内容 单击此处编辑母版标题样式
1 虚拟现实技术及其应用
2 虚拟地理环境的概念与特征
数据手套
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（5）虚拟现实系统的构成
三维鼠标 河南大学环境与规划学院
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（5）虚拟现实系统的构成 • 输出设备 立体显示设备、3D声音生成器、触觉和 力反馈的装置。
头盔显示器
快速响应工作台
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（6）虚拟现实的实现技术 • 立体显示与传感器技术
虚拟现实依赖于立体显示和传感器技术的发展。立 体显示技术涉及人眼的生理原理及在计算机上如何产生 深度线索的技术，现有的硬件系统如头盔显示器、单目 镜及可移动视觉显示器有待进一步研究，光学显示还存 在许多局限性。传感器技术中需解决设备的可靠性、可 重复性、精确性及安全性等问题，各种类型传感器的性 能急需提高。
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（6）虚拟现实的实现技术 • 多种系统集成技术
VR系统的最终集成是必然的，它包含了大量表达信 息的模型，必须根据设计意图进行合理组合。集成技术 包括信息的同步、模型的标定、数据转换、数据管理模 型、模式识别与合成等技术。
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• 投入式虚拟现实系统
在投入式系统中，以对使用者头部位置、方向作出反 应的计算机生成的图像代替真实世界的景观。用户可做能 在工作站上完成的任何事，其明显长处是完成投入。当具 备结合模拟软件的额外处理能力后，使用者就可交互地探 索新景观，体验到实时的视觉回应。
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（2）发展历程
• 1965年，Sutherland在《终极的显示》中首次提出虚拟现实系统 的基本思想。 • 1966年，MIT的林肯实验室开始头盔式显示器研制。 • 70年代出现第一个功能较齐全的HMD系统。 • 80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词 • 80年代，美国宇航局（NASA）及国防部组织了一系列有关虚拟现 实技术的研究。如，1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验 室将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星 表面的三维虚拟环境。 • 90年代，计算机软硬件的发展为虚拟现实系统的发展打下了的基 础。1993年11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从飞机的运 输舱内取出望远镜面板的工作。再如，用虚拟现实技术设计波音 777 获得成功。
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（3）基本特征 • 多感知性
所谓多感知性(Multi-Sensor)就是除了具有的视觉感 知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、 甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应 该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是 传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅 限于视觉，听觉、力觉、触觉、运动等几种，无论从感知 范围还是从感知的精确程度都无法与人相比拟。
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• 叠加式虚拟现实系统
叠加式虚拟现实系统允许用户对现实世界进行观察的 同时，虚拟图像叠加在现实世界之上。叠加式虚拟现实系 统又称补充现实系统。 例如，战斗机驾驶员使用的头盔可让驾驶员同时看到 外面世界及上置的合成图形。额外的图形可在驾驶员对机 外地形视图上叠加地形数据，或许是高亮度的目标、边界 或战略陆标（Landmark）。补充现实系统的效果显然在很 大程度上依赖于对使用者及其视线方向的精确的三维跟踪。
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（5）虚拟现实系统的构成——系统构成
①检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。 ②反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。 ③传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另 一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。 ④控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。 ⑤建模模块：获取现实世界组成部分的3维表示，并由此构成对应的虚拟环境。
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（7）应用领域
军事及航空 如，SGI虚拟现实系统。无需制造真正的原型试验机即可获得宝贵的 数据。 建筑与汽车业 设计师，通过虚拟现实技术观察他们设计的效果，如外观、动力性、 使用方便性。 用户，可通过虚拟现实技术在设计完成后“进入”大厦漫游，以便得 知大厦各房间的规划、装饰材料的选择等是否满意。 医学 医生远程做手术 培训 汽车驾驶模拟训练，大型飞机驾驶模拟 娱乐
桌面立体显示器
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（6）虚拟现实的实现技术 • 动态环境建模技术
虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，应用 动态环境建模技术能获取实际环境的3维数据，并根据需 要，利用获取的3维数据建立相应的虚拟环境模型。目前 可采用虚拟环境建模工具或VRML等专用的虚拟现实建模 语言来完成建模，当然也可以直接利用OpenGL建立模型 库或开发专门的建模工具，但这样做工作量是非常大的。 另一种方法是借助于AutoCAD、3DS Max等普通的三维建 模工具，先建立起三维模型，再编程或借助于工具的方 法，将模型导入到虚拟环境中。
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肢体治疗 单击此处编辑母版标题样式
Application Airborne
Airbourne Ranger Birds N' Balls Coconutz
Therapeutic Exercise Shoulder, Torso, Full Body, Lower Extremity Proprioception
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（6）虚拟现实的实现技术 • 实时3维图形生成技术
目前，3维图形的生成技术已较成熟，而关键是如何 满足实时性的要求，为了达到实时的目的，至少要保证 图形的刷新频率不低于15帧/秒、最好高于30帧/秒。在 不降低图形质量和复杂程度的前提下，提高刷新频率。 这里，图形生成的硬件系统性能及在虚拟现实的真实感 图形生成中用于加速的各种有效技术是关键所在。
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（3）基本特征 • 存在感
存在感(Presence)又称为临场感(Immersion)，它是 指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想 的模拟环境应达到使用户难以分辨真假的程度(例如可视 场只应随着视点的变化而变化)，甚至比真的还真，如实 现比现实更逼真的照明和音响效果等。
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（5）虚拟现实系统的构成——软硬件构成
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（5）虚拟现实系统的构成 • 输入设备
输入设备：3D位置跟踪器、传感手套、数据衣、 三维鼠标、跟踪球、三维探针及三维操作杆等。
Birds & Balls CocoNuts Drums Formula Racing
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军事应用 单击此处编辑母版标题样式
军事应用
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校园规划 单击此处编辑母版标题样式
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文物古迹还原 单击此处编辑母版标题样式
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模拟驾驶 单击此处编辑母版标题样式
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（3）基本特征 • 自主性
自主性(Automomy)是指虚拟环境中物体依据物理定律 进行动作的程度，例如有力的推动时，物体会向力的方向 移动、翻倒或从桌面落到地面等。
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（5）虚拟现实系统的构成——系统模型
用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得 到实时3维显示和其他反馈信息（如触觉、力觉反馈等）。 当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用 户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界 产生作用（如遥操作等）。
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（3）基本特征 • 交互性
交互性(interaction)是指用户对模拟环境内的物体 可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。 例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中的物体，这时 手有捏着东西的感觉，并可以感觉物体的重量(其实这时 手里并没有实物)，视场中被抓的物体也立刻随着手的移 动而移动。
3 虚拟地理环境的构建和应用
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（1）基本概念 虚拟现实是一种人与通过计算机生成的虚拟 环境可自然交互的人机界面，是指利用计算机和 一系列传感辅助设施来实现的使人能有置身于真 正现实世界中的感觉的环境,是一个看似真实的模 拟环境。通过传感设备,用户根据自身的感觉,使 用人的自然技能考察和操作虚拟世界中的物体,获 得相应看似真实的体验。
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工艺流程 单击此处编辑母版标题样式
皇家御用砖金砖的制作
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虚拟装配维修 单击此处编辑母版标题样式
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医学仿真 单击此处编辑母版标题样式
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肢体治疗 单击此处编辑母版标题样式
与游戏结合 由屏幕提供一种人工 景物,使患者如同置 身于游戏或旅游的环 境中,使治疗过程充 满乐趣,提高患者的 乐观情绪。
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• 分布式虚拟现实系统
分布式虚拟现实(Distributed Virtual Reality,简 称DVR)又称网络虚拟现实(Net Worked Virtual Reality, 简称NVR),其目标是建立一个可供异地多用户同时参与的 分布式虚拟环境(Distributed Virtual Environment,简 称DVE),在这个环境中,位于不同物理位置的多台计算机及 其用户,可以不受其各自的时空限制,在一个共享虚拟环境 中实时交互、协同工作,共同完成某一复杂产品的设计、 制造、销售全过程的模拟或某一艰难任务的演练。它特别 适合用于实现对造价高、危险、不可重复、宏观及微观事 件的仿真。
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（6）虚拟现实的实现技术 • 应用系统开发工具
wenku.baidu.com
技术最终要面向应用。通用平台的开发可缩短与应 用结合的时间，为此，必须研究虚拟现实的开发工具。 目前，常用的虚拟现实系统开发工具有Superscape公司 的VRT，它是一个可视化平台，允许较高程度的交互和网 络处理；Sense 8公司的WTK是一个C函数库，提供了一个 完整的合成虚拟环境的应用开发环境。
（4）分类 • • 非完全投入式虚拟现实系统 叠加式虚拟现实系统
•
•
投入式系统
分布式虚拟现实系统
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• 非完全投入式虚拟现实系统
在非投入式系统 中，使用者可从视觉上感觉到真实 世界，但通过某种显示装置如图形工作站，可对虚拟世界 进行观察，用户利用像空间鼠标这样的装置在虚拟环境内 漫游，这种装置使用户可对视点作六自由度平移及旋转。