虚拟现实系统简介

1.4 虚拟现实的关键技术
2,大视野立体显示技术 仅仅有一系列三维画面是不够的.VR试图给人身临其境的 仅仅有一系列三维画面是不够的.VR试图给人身临其境的 感觉,要求这些画面围绕着参与者, 感觉,要求这些画面围绕着参与者,这样的效果是通过配 戴头盔实现的.通常桌面显示器给人的画面视角仅为30 30度 戴头盔实现的.通常桌面显示器给人的画面视角仅为30度, 而一个好的VR系统的画面将包容参与者的整个视野, VR系统的画面将包容参与者的整个视野 而一个好的VR系统的画面将包容参与者的整个视野,这可 能需要水平线40度角,垂直120度角. 4角.当前大多数头盔显示 器的图象显示装置使用的液晶显示器(LCD), ),这种显示器 器的图象显示装置使用的液晶显示器(LCD),这种显示器 的有效分辩率一般仅为140 140线 的有效分辩率一般仅为140线.要将如此低分辩率的显示屏 通过光学透镜子装置横向扩展到一个较大的视野内, 通过光学透镜子装置横向扩展到一个较大的视野内,其显 示效果是可想而知的. 示效果是可想而知的.
1.4 虚拟现实的关键技术
1,三维真实感图象的实时生成 对于三维真实感造型,大家一定不会陌生. 对于三维真实感造型,大家一定不会陌生.只要有足 够的时间, 够的时间,计算机图形学方法就可以产生具有高度真 实感的物体图象.但是,VR的实是特性所限定的正是 实感的物体图象.但是,VR的实是特性所限定的正是 时间.VR系统要对参与者的行为反应灵敏 系统要对参与者的行为反应灵敏, 时间.VR系统要对参与者的行为反应灵敏,并保持内 部的一致性和连贯性,因此, 部的一致性和连贯性,因此,计算机系统必须具备强 大的运算功能,才能在进行三维图形消隐,浓淡, 大的运算功能,才能在进行三维图形消隐,浓淡,阴 纩理处理的同时,保证显示图象的"更新率" 影,纩理处理的同时,保证显示图象的"更新率"能 满足目标的要求,否则就会出现严重的"滞后" 满足目标的要求,否则就会出现严重的"滞后" latency)问题.所谓"滞后" (latency)问题.所谓"滞后"即动作开始与反映这 一动作的画面在显示器上出现之间的时间间隔. 一动作的画面在显示器上出现之间的时间间隔.
1.3虚拟系统组成 虚拟系统组成
虚拟现实系统可分为三大类:桌面虚拟 虚拟现实系统可分为三大类: 现实系统( VR), ),临境虚拟现 现实系统(Desktop VR),临境虚拟现 实系统(Immersive VR)和分布式虚拟现 实系统(Immersive VR)和分布式虚拟现 实系统(Distributed VR). 实系统(Distributed VR). 1) 桌面VR也称为窗口中的VR.这类系 桌面VR也称为窗口中的VR VR也称为窗口中的VR. 统由于采用标准的CRT CRT显示器和立体 统由于采用标准的CRT显示器和立体 (Stereoscopic)显示技术 显示技术, (Stereoscopic)显示技术,其分辨率较 价格较便宜.在使用时,桌面VR VR系 高,价格较便宜.在使用时,桌面VR系 统设定一个虚拟观察者的位置.桌面VR 统设定一个虚拟观察者的位置.桌面VR 系统通常用于工程CAD CAD, 系统通常用于工程CAD,建筑设计以及 某些医疗应用. 某些医疗应用.
1.4 虚拟现实的关键技术
虚拟现实技术是一项综合技术, 虚拟现实技术是一项综合技术,它以计 算机技术为核心,以显示技术为基础, 算机技术为核心,以显示技术为基础, 把计算机图形图象处理,人机接口, 把计算机图形图象处理,人机接口,显 示技术,传感技术,控制技术,通信技 示技术,传感技术,控制技术, 术等一系列高科技领域的最新成果汇集 于虚拟现实的实践中, 于虚拟现实的实践中,成为一门很有前 途的应用科学. 途的应用科学. VR系统中起到关键性作用的技术主要 在VR系统中起到关键性作用的技术主要 有:
1.3虚拟系统组成 虚拟系统组成
临境VR VR系统利用头盔显示器把用户 2)临境VR系统利用头盔显示器把用户 的视觉,听觉和其他感觉封闭起来, 的视觉,听觉和其他感觉封闭起来,产 生一种身在虚拟环境中的错觉. 生一种身在虚拟环境中的错觉. 分布式VR则是在临境VR VR则是在临境VR系统的基础 3)分布式VR则是在临境VR系统的基础 上将不同的用户(参与者)联结在一起, 上将不同的用户(参与者)联结在一起, 共享同一个虚拟空间, 共享同一个虚拟空间,使用户达到一个 更高的境界.分布式VR VR的基础是分布交 更高的境界.分布式VR的基础是分布交 互模拟(Distributed 互模拟(Distributed Interaction ). Simulation ).
临境(immersion); ; 临境 交互性(interactivity); 交互性 ; 想象(imagination). 想象 .
这三者都与人密切相关.我们可以简单地说, 这三者都与人密切相关.我们可以简单地说,VR 是计算机图形学和人-机交互技术的发展产物 机交互技术的发展产物. 是计算机图形学和人 机交互技术的发展产物.但 从更广泛的意义上讲, 是人与技术系统完美的 从更广泛的意义上讲,VR是人与技术系统完美的 结合,人在整个系统占有重要的地位. 结合,人在整个系统占有重要的地位.
3D 物体表示
1.2 虚拟现实技术的概念
由于虚拟现实技术在不同领域应用时所要实 现的功能各不相同, 现的功能各不相同,所以很难给出严格的定 但是,任何VR系统都具有以下几个特点. VR系统都具有以下几个特点 义,但是,任何VR系统都具有以下几个特点. 参与者可"沉浸" 1,参与者可"沉浸"在虚拟环境中 VR的 沉浸" immersion) VR的"沉浸"(immersion)特性是指暂时 把参与者与现实环境相隔离, 把参与者与现实环境相隔离,使其全身心置 于计算机所创建的三维虚拟环境之中, 于计算机所创建的三维虚拟环境之中,感到 虚拟环境的存在,这样, 虚拟环境的存在,这样,可以使参与者更自 然,更直接地与虚拟环境中的各种对象进行 交互. 交互.
1.2 虚拟现实技术的概念
虚拟现实的景物可以是真实物体的模型, 虚拟现实的景物可以是真实物体的模型,如 还没有施工的房屋, 还没有施工的房屋,正在设计中的工厂或产 品的工程模型; 品的工程模型;可以是现实中看不到的抽象 模型,如化学分子结构, 模型,如化学分子结构,飞机机翼的超音速 气流模型;甚至可以是利率, 气流模型;甚至可以是利率,股票等金融信 息的三维模型表示.无论怎样,它们都利用 息的三维模型表示.无论怎样, 了现实世界中存在的数据, 了现实世界中存在的数据,将计算机产生的 电子信号, 电子信号,通过多种输出设备转换成能够被 人类感觉器官所感知的各种物理现象, 人类感觉器官所感知的各种物理现象,如光 声波,力等, 波,声波,力等,使人感受到虚拟境界的存 是计算机生成的, 这种现实是计算机生成的 在.这种现实是计算机生成的,又是现实世 界的反映,是真实现实的一种表现形式, 界的反映,是真实现实的一种表现形式,因 称之为虚拟现实. 此,称之为虚拟现实.
1.2 虚拟现实技术的概念
2,参与者在虚拟环境中具有主动性 参与者在虚拟环境中不是被动地依据固定的程式 去观看虚拟环境里的各种物体, 去观看虚拟环境里的各种物体,而是可以根据自 己的意愿主动地去观察, 己的意愿主动地去观察,改变或影响场景中的对 例如,当参与者在一个VR VR系统中随意转动头 象.例如,当参与者在一个VR系统中随意转动头 部或移动其中的物体时, 部或移动其中的物体时,他所看到的景物应该随 之逼真地变化, 之逼真地变化,还应该具有声音和触觉等形式的 反馈. 反馈.
虚拟现实及其应用
虚拟环境研究
系统工程研究所 张建民
1 VE (Virtual Environment) 技术简介
科学技术的发展使得人们对信息的需求越来越多, 科学技术的发展使得人们对信息的需求越来越多, 人门对信息的接受和理解变得也愈重要, 人门对信息的接受和理解变得也愈重要,人门不 再满足通过数字, 再满足通过数字,图像的方式观察信息的处理结 视觉, 而迫切需要通过视觉 听觉,触觉,嗅觉, 果,而迫切需要通过视觉,听觉,触觉,嗅觉, 以及形体,手势或口令, 以及形体,手势或口令,并直接参与到信息的处 理环境中,获得身临其境的感觉. 理环境中,获得身临其境的感觉.
1 VE (Virtual Environment) 技术简介
虚拟环境是相对于实环境的, 虚拟环境是相对于实环境的,并有人的操 作和参与而形成的一种虚构的 视觉上的, 虚构的, 作和参与而形成的一种虚构的,视觉上的, 听觉上的,感觉上的存在 的存在, 听觉上的,感觉上的存在,是一种物理意 义上的人机交互和抽象组合, 义上的人机交互和抽象组合,而这种存在 是由计算机系统产生的.在实环境中, 是由计算机系统产生的.在实环境中,人 们可以直接的感受到实际的物体和存在, 们可以直接的感受到实际的物体和存在, 并与其进行交互和远程操作. 并与其进行交互和远程操作.而虚拟环境 是一种利用显示技术虚构的环境, 是一种利用显示技术虚构的环境,只是在 感觉上能够体验到的一种境界. 感觉上能够体验到的一种境界.
1.2 虚拟现实技术的概念
3,具有方便自然的交互手段 交互性(interaction)是对VR VR系统最基本的 交互性(interaction)是对VR系统最基本的 要求之一. 要求之一.它是指参与者虚拟环境中所遇到的 各种对象的相互作用能力.人可以抓取, 各种对象的相互作用能力.人可以抓取,释放 或搬移虚拟世界中的物体, 或搬移虚拟世界中的物体,甚至与某些拟人化 物体交谈. 物体交谈. 4,系统要具有实是性 系统要实时地跟踪参与者的观察方, 系统要实时地跟踪参与者的观察方,手部和身 体的运动情况,实时产生相应的画面, 体的运动情况,实时产生相应的画面,声音等 反馈,从而达到身临其境的切身感受. 反馈,从而达到身临其境的切身感受.
1.1 虚拟环境
虚拟现实技术近年来在技术研究领域十分活跃, 虚拟现实技术近年来在技术研究领域十分活跃,它 包容了计算机图形学,多媒体技术,人工智能技术, 包容了计算机图形学,多媒体技术,人工智能技术, 人机接口技术,传感器技术, 人机接口技术,传感器技术,并行实时计算技术和 人的行为学等关键技术, 人的行为学等关键技术,是多媒体技术的一种发展 境界.与传统计算机相比, 系统有着三个重要 境界.与传统计算机相比,VR系统有着三个重要 的特点: 的特点:
1.1 虚拟环境
1.1 虚拟环境
虚拟环境实质上不在是建立在一维的数字化 信息空间, 信息空间,而是建立在一个多维信息空间的 集成化环境, 集成化环境,而虚拟现实 (Virtual Reality VR) 技术是支撑这种集成环境的关键技术, 技术是支撑这种集成环境的关键技术,是一 种新的人—机界面形式 它为用户(参与者) 机界面形式, 种新的人 机界面形式,它为用户(参与者) 提供了一种临境(immersive)和多感觉通道 提供了一种临境 和多感觉通道 (multi-sensory)的体验,试图寻求一种最佳 )的体验, 的人-机通讯方式 机通讯方式. 的人 机通讯方式.虚拟现实也被称为人工环 境(artifical environments),电脑空间 , (cyberspace),人工合成环境 ,人工合成环境(synthetic environments),虚拟环境 ,虚拟环境(Virtual Environment). .
1.4 虚拟现实的关键技术
3,位置跟踪器 位置跟踪器可以检测到参与者的 物理位置和取向, 物理位置和取向,以便输入到计 算机中去产生虚拟境界中相应的 图象和声音. 图象和声音. 这一般是使用简单的电磁装置来 实现的. 实现的.几个很小的发射器固定 在用户的身上,例如, 在用户的身上,例如,头盔中放 一个,每只手上放一个, 一个,每只手上放一个,通过固 定在VR系统上的接收装置, VR系统上的接收装置 定在VR系统上的接收装置,可以 跟踪参与者的位置和方向. 跟踪参与者的位置和方向.还可 以使用若干台数字化摄像机, 以使用若干台数字化摄像机,通 过图象处理的方法专门用来监测 参与者头部,手部的位置和方向. 参与者头部,手部的位置和方向.