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文檔簡介

1、虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)在虛擬空間中進行三維設(shè)計隨著科技的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)世界日益與現(xiàn)實世界重疊。而虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)將現(xiàn)實徹底地、立體地虛擬化,人們將身在“太虛幻境”中,親自感受物質(zhì)生活外的虛擬時空。今年 8 月 7 日到 9 日,在美國加州圣地亞哥市舉辦的SIGGRAPH 2007的展會 (詳見本報第62 期 C5 版相關(guān)報道 )上,GrImage(Grid and Image)技術(shù)引起了眾多參會者的興趣,而它所代表的其實是虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)交互技術(shù)。虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)是一門新興的綜合信息技術(shù),融合了數(shù)字圖像處理、多媒體技術(shù)、計算機圖形學、傳感器技術(shù)等多方面信息技術(shù)。它通過計算機圖形

2、學構(gòu)成三維數(shù)字模型,產(chǎn)生逼真的虛擬環(huán)境,在視覺上給用戶一種立體的虛擬環(huán)境。與通常的CAD(計算機輔助設(shè)計)系統(tǒng)所產(chǎn)生的三維模型不同,它不是一個靜態(tài)的世界,而是一個互動的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)主要有以下四個特征:第一,強烈的臨場感。用戶在模擬環(huán)境中,能夠感到虛擬世界是真實存在的。第二,友好的交互性。交互性是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。例如,用戶用手直接抓取環(huán)境中的物體時,手里會有握著東西的感覺,并可以感覺到物體的重量,視場中的物體也隨著手的移動而移動。第三,多感知性。除了具有一般計算機的視覺感知外,還具備聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知 ,甚至包括味覺感知

3、、嗅覺感知等。第四,虛擬現(xiàn)實世界的自主性。也就是說虛擬環(huán)境中的物體會依據(jù)物理定律進行動作。技術(shù)基礎(chǔ)具體講,虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)就是使用以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技,生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境,用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響,從而產(chǎn)生與親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗。那么,這種虛擬的真實世界是如何形成的呢?首先,需要生成虛擬實體,虛擬實體主要是針對用戶的生理感覺而言;其次,用戶通過人生理的自然技能同這個環(huán)境進行交互;最后,利用傳感器完成人和虛擬環(huán)境的交互。從系統(tǒng)上看,虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)包括檢測模塊、反饋模塊、傳感器模塊、控制模塊以及建模模塊

4、等。在該系統(tǒng)中,主要采用了動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實時三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)及系統(tǒng)集成技術(shù)。動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。使用動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)可以獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù),并利用獲得的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。 采用 CAD 技術(shù)或非接觸式的視覺建模技術(shù)獲取三維數(shù)據(jù),兩者的有機結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。該技術(shù)是應(yīng)用計算機技術(shù)生成虛擬世界的基礎(chǔ)。實時三維圖形生成技術(shù)。三維圖形生成技術(shù)的關(guān)鍵是如何實現(xiàn)實時生成。為了達到實時的目的,在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的前提下,要保證圖形刷新率不低于 15 幀/ 秒,最好是高于 30 幀/ 秒。立體顯示和傳感器技術(shù)。虛擬現(xiàn)實的交互能力主要依靠立體顯示

5、和傳感器技術(shù)?,F(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)還遠遠不能滿足系統(tǒng)的需要,虛擬現(xiàn)實設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍都有待提高。用戶通過傳感裝置可以直接對虛擬環(huán)境進行操作,并得到實時的三維顯示和反饋信息 (如觸覺、力覺反饋等 )??臻g跟蹤,主要是通過 HMD(頭盔顯示器 )、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等交互設(shè)備上的空間傳感器,確定用戶的頭、手、軀體或其他操作物在虛擬環(huán)境中的位置和方向。聲音跟蹤,利用不同聲源的聲音到達某一特定地點的時間差、相位差、聲壓差等進行虛擬環(huán)境的聲音跟蹤。視覺跟蹤,使用從視頻攝像機到平面陣列、周圍光或者跟蹤光在圖像投影平面不同時刻和不同位置上的投影,計算被跟蹤對象的位置和方向。系統(tǒng)集成技術(shù)。由于虛擬現(xiàn)實

6、中包括了大量的感知信息和模型,因此系統(tǒng)的集成技術(shù)變得至關(guān)重要。集成技術(shù)包括信息同步技術(shù)、模型標定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型和識別技術(shù)等。發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,主要集中在工程設(shè)計 CAD、數(shù)據(jù)可視化、飛行模擬、多媒體遠程教育、臨床外科、遠程醫(yī)療、藝術(shù)創(chuàng)作和娛樂等方面。軍事領(lǐng)域是最早研究和應(yīng)用該技術(shù)的。早在1983 年,美國陸軍就曾制定了虛擬環(huán)境研究計劃。它將分散在不同地點的坦克、車輛仿真器通過計算機網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合在一起,形成一個虛擬戰(zhàn)場環(huán)境,進行各種復(fù)雜任務(wù)的訓練和作戰(zhàn)演練等。從 1994 年開始,美國陸軍與美國大西洋司令部合作建立了一個包括海陸空所有兵種,有3700

7、 多個仿真實體參與的,地域范圍覆蓋500km 750km 范圍的軍事演練環(huán)境。在醫(yī)療方面,虛擬現(xiàn)實技術(shù)更是大有作為,具有十分重要的現(xiàn)實意義。通過在虛擬環(huán)境中建立虛擬的人體模型,借助 HMD 、跟蹤球、 感覺手套等設(shè)備, 醫(yī)生就會很容易了解人體內(nèi)部各器官的結(jié)構(gòu)。 20 世紀 90 年代初, Pieper 和 Satara等研究者基于 SGI工作站,建立了一個虛擬外科手術(shù)訓練器,用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個訓練器虛擬了真實的手術(shù)臺與手術(shù)燈、外科工具(如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等)和人體模型器官等。借助于HMD 及感覺手套,使用者可以對虛擬的人體模型實施手術(shù)。隨著該技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用,必將會減少

8、手術(shù)風險,大大造福患者。結(jié)合了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的GrImage 柵格影像技術(shù)因為融合了視覺效果、物理仿真和實時功能,也是新一代虛擬空間應(yīng)用的重要方面。這項技術(shù)使用了多種復(fù)雜軟件,通過精確的3D 數(shù)據(jù)運算,建立了高質(zhì)量的3D 建模。在物理仿真方面使用了 SOFA軟件,根據(jù)物體的曲線圖構(gòu)建多種實體模型,包括可變形的模型和碰撞模型等等。當把任何一件物品放入作用空間中時, GrImage 就會立刻在虛擬空間中進行三維建模,變成或軟或硬的虛擬物體。虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)可以把虛擬物體變成我們可觸及的東西,你可以推、抓,甚至擠壓他們。它能在相互空間中俘獲真實物件,利用三維建模實現(xiàn)高質(zhì)量的虛擬克隆,變成用戶可觸及的東西,縮短生活中重要的人員、地點和活動之間的距離 (社區(qū)、工作地點、玩游戲、教學等 )。通過使用這項技術(shù),我們可以在虛擬世界中實現(xiàn)更多的驚奇體驗,比如在虛擬空間中見面握手。也許,你會認為虛擬化現(xiàn)實技術(shù)離我們的生活仍然很遙遠。但是實際上,目前世界許多公司已經(jīng)使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行產(chǎn)品的網(wǎng)上宣傳了??蛻敉ㄟ^鼠標、鍵盤等簡單操作就可以了解到產(chǎn)品的詳細情況。比如海爾公司的冰王子電冰箱,客戶只需在網(wǎng)頁上,使用鼠標拖拽旋轉(zhuǎn)冰箱;單擊冰箱門可以打開冰箱,再單擊關(guān)閉;可以任意抽拉里面的部件;使用控制按鈕可以控制冰箱執(zhí)行動畫演示以及規(guī)定的展

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