虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述課件

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用任課教師:鄭德華虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用任課教師:鄭德華11.什么叫虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality簡稱VR)是一種模擬人類視覺、聽覺、力覺、觸覺等感知行為的高度逼真的人機(jī)交互技術(shù)，是在數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人—機(jī)接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及傳感器技術(shù)等許多信息技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門多學(xué)科的交叉技術(shù)。第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述1.什么叫虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述2與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)相比，VR技術(shù)的主要特征是：用戶能夠進(jìn)入到一個(gè)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成的交互式的三維虛擬環(huán)境中，可以與之進(jìn)行交互。2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維動(dòng)畫技術(shù)的異同VR技術(shù)和三維動(dòng)畫技術(shù)有本質(zhì)上的區(qū)別,可以說交互性是兩者最大的不同?？梢娤卤?第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述課件3比較項(xiàng)目VR技術(shù)三維動(dòng)畫技術(shù)科學(xué)性及場(chǎng)景的選擇性虛擬世界基于真實(shí)數(shù)據(jù)建立的模型組合而成，屬于科學(xué)仿真系統(tǒng)。操縱者親身體驗(yàn)三維空間，可自由選擇觀察路徑，有身臨其境的感覺場(chǎng)景畫面根據(jù)材料或想像直接繪制而與真實(shí)的世界和數(shù)據(jù)有較大的差距，屬于演示類藝術(shù)作品。只能按預(yù)先假定的觀察路徑觀看。實(shí)時(shí)交互性操縱者可以實(shí)時(shí)感受到運(yùn)動(dòng)帶來的場(chǎng)景變化，具有雙向互動(dòng)的功能只能單向演示，場(chǎng)景變化的畫面需要事先制作生成空間立體感支持立體顯示和三維立體聲，具有三維空間真實(shí)感不支持演示時(shí)間沒有時(shí)間限制，可真實(shí)詳盡的展示，性價(jià)比高受動(dòng)畫制作時(shí)間限制，無法詳盡展示，性價(jià)比低方案應(yīng)用的靈活性支持方案調(diào)整、評(píng)估、管理、信息查詢等功能，同時(shí)又具有更真實(shí)直觀的演示功能只具有簡單的演示功能VR技術(shù)與三維動(dòng)畫技術(shù)的比較比較項(xiàng)目VR技術(shù)三維動(dòng)畫技術(shù)虛擬世界基于真實(shí)數(shù)據(jù)建立的模43.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展簡史VR技術(shù)的發(fā)展大致分為3個(gè)階段：20世紀(jì)50年代到70年代末，是VR技術(shù)的探索階段；20世紀(jì)80年代初期到80年代中期，是VR技術(shù)系統(tǒng)化、從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱玫碾A段；20世紀(jì)80年代末期到達(dá)21世紀(jì)初，是VR技術(shù)高速發(fā)展的階段。4.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入輸出設(shè)備、用戶和數(shù)據(jù)庫等組成。如圖：計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備應(yīng)用軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫用戶3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展簡史計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備應(yīng)用軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)5典型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述課件65.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有3個(gè)主要特征：沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和想像性（Imagination）。(1)沉浸性沉浸性（Immersion）又稱臨場(chǎng)感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。(2)交互性交互性（Interactivity）的產(chǎn)生，主要借助于VR系統(tǒng)中的特殊硬件設(shè)備（如數(shù)據(jù)手套、力反饋裝置等），使用戶能通過自然的方式，產(chǎn)生同在真實(shí)世界中一樣的感覺。(3)想像性想像性（Imagination）指虛擬的環(huán)境是人想像出來的，同時(shí)這種想像體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者相應(yīng)的思想，因而可以用來實(shí)現(xiàn)一定的目標(biāo)。5.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征76.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)沉浸程度的高低和交互程度的不同，將虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)劃分為以下4種類型:(1)桌面式VR系統(tǒng)它是利用個(gè)人計(jì)算機(jī)或圖形工作站等設(shè)備，采用立體圖形、自然交互等技術(shù)，產(chǎn)生三維立體空間的交互場(chǎng)景，利用計(jì)算機(jī)的屏幕作為觀察虛擬世界的一個(gè)窗口，通過各種輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)與虛擬世界的交互。6.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類8

立體眼鏡

第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述課件9桌面式VR系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：①缺少完全沉浸感，參與者不完全沉浸，因?yàn)榧词勾魃狭Ⅲw眼鏡，仍然會(huì)受到周圍現(xiàn)實(shí)世界的干擾。②對(duì)硬件要求極低③應(yīng)用比較普遍，因?yàn)樗某杀鞠鄬?duì)較低(2)沉浸式VR系統(tǒng)它利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個(gè)新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中、并能全心投入和沉浸其中的感覺。常見的沉浸式系統(tǒng)有：①基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)②投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)③遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)桌面式VR系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：10沉浸式VR系統(tǒng)的特點(diǎn)①高度的沉浸感。②高度實(shí)時(shí)性。利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備進(jìn)行的飛機(jī)戰(zhàn)斗游戲沉浸式VR系統(tǒng)的特點(diǎn)11(3)增強(qiáng)式VR系統(tǒng)它既允許用戶看到真實(shí)世界，同時(shí)也能看到疊加在真實(shí)世界上的虛擬對(duì)象，它是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來的一種系統(tǒng)。常見的增強(qiáng)式VR系統(tǒng)有：①基于臺(tái)式圖形顯示器的系統(tǒng)。②基于單眼顯示器的系統(tǒng)（一個(gè)眼睛看到顯示屏上的虛擬世界，另一只眼睛看到的是真實(shí)世界）。③基于透視式頭盔顯示器的系統(tǒng)。增強(qiáng)式VR系統(tǒng)有以下3個(gè)特點(diǎn)：①真實(shí)世界和虛擬世界融為一體。②具有實(shí)時(shí)人機(jī)交互功能。③真實(shí)世界和虛擬世界是在三維空間中整合的。(3)增強(qiáng)式VR系統(tǒng)12

在房間原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述課件13（4）分布式VR系統(tǒng)它在沉浸式VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將位于不同物理位置的多個(gè)用戶或多個(gè)虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相連接，并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達(dá)到一個(gè)更高的境界。分布式VR系統(tǒng)具有以下5個(gè)特點(diǎn)：①各用戶具有共享的虛擬工作空間。②偽實(shí)體的行為真實(shí)感。③支持實(shí)時(shí)交互，共享時(shí)鐘。④多個(gè)用戶可用各自不同的方式相互通信。⑤資源信息共享以及允許用戶自然操縱虛擬世界中的對(duì)象。（4）分布式VR系統(tǒng)14虛擬戰(zhàn)場(chǎng)第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述課件158.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及研究方向(1)國外研究現(xiàn)狀①美國是VR技術(shù)的發(fā)源地。美國VR研究技術(shù)的水平基本上就代表國際VR技術(shù)發(fā)展的水平。目前美國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面。②英國在VR技術(shù)的研究與開發(fā)的某些方面，如分布式并行處理、輔助設(shè)備（觸覺反聵設(shè)備等）設(shè)計(jì)、應(yīng)用研究等方面，在歐洲是領(lǐng)先的。③在德國，主要從事虛擬世界的感知、虛擬環(huán)境的控制和顯示、機(jī)器人遠(yuǎn)程控制、VR在空間領(lǐng)域的應(yīng)用、宇航員的訓(xùn)練、分子結(jié)構(gòu)的模擬研究等。④日本主要致力于建立大規(guī)模VR知識(shí)庫的研究，另外在VR游戲方面的研究也做了很多的工作。8.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及研究方向16(2)國內(nèi)研究現(xiàn)狀①清華大學(xué)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)及其臨場(chǎng)感等方面進(jìn)行了大量的研究。②北京科技大學(xué)成功開發(fā)出了純交互式汽車模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)。③北京航空航天大學(xué)開發(fā)了直升飛機(jī)虛擬仿真器、坦克虛擬住仿真器、虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境觀察器、計(jì)算機(jī)兵力生成器。國內(nèi)還有浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京大學(xué)、國防科技大學(xué)、天津大學(xué)、北京理工大學(xué)、西北大學(xué)、山東大學(xué)、大連海事大學(xué)和香港中文大學(xué)等高校以及其他民營研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)的研究。(2)國內(nèi)研究現(xiàn)狀17（3）目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的局限性

①硬件設(shè)備的局限性。②軟件的局限性。③應(yīng)用的局限性。④效果的局限性。（4）VR技術(shù)的研究方向①感知研究領(lǐng)域②人機(jī)交互界面③高效的VR軟件和算法④廉價(jià)的VR硬件系統(tǒng)（3）目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的局限性18虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用任課教師:鄭德華虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用任課教師:鄭德華191.什么叫虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality簡稱VR)是一種模擬人類視覺、聽覺、力覺、觸覺等感知行為的高度逼真的人機(jī)交互技術(shù)，是在數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人—機(jī)接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及傳感器技術(shù)等許多信息技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門多學(xué)科的交叉技術(shù)。第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述1.什么叫虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述20與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)相比，VR技術(shù)的主要特征是：用戶能夠進(jìn)入到一個(gè)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成的交互式的三維虛擬環(huán)境中，可以與之進(jìn)行交互。2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維動(dòng)畫技術(shù)的異同VR技術(shù)和三維動(dòng)畫技術(shù)有本質(zhì)上的區(qū)別,可以說交互性是兩者最大的不同。可見下表:第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述課件21比較項(xiàng)目VR技術(shù)三維動(dòng)畫技術(shù)科學(xué)性及場(chǎng)景的選擇性虛擬世界基于真實(shí)數(shù)據(jù)建立的模型組合而成，屬于科學(xué)仿真系統(tǒng)。操縱者親身體驗(yàn)三維空間，可自由選擇觀察路徑，有身臨其境的感覺場(chǎng)景畫面根據(jù)材料或想像直接繪制而與真實(shí)的世界和數(shù)據(jù)有較大的差距，屬于演示類藝術(shù)作品。只能按預(yù)先假定的觀察路徑觀看。實(shí)時(shí)交互性操縱者可以實(shí)時(shí)感受到運(yùn)動(dòng)帶來的場(chǎng)景變化，具有雙向互動(dòng)的功能只能單向演示，場(chǎng)景變化的畫面需要事先制作生成空間立體感支持立體顯示和三維立體聲，具有三維空間真實(shí)感不支持演示時(shí)間沒有時(shí)間限制，可真實(shí)詳盡的展示，性價(jià)比高受動(dòng)畫制作時(shí)間限制，無法詳盡展示，性價(jià)比低方案應(yīng)用的靈活性支持方案調(diào)整、評(píng)估、管理、信息查詢等功能，同時(shí)又具有更真實(shí)直觀的演示功能只具有簡單的演示功能VR技術(shù)與三維動(dòng)畫技術(shù)的比較比較項(xiàng)目VR技術(shù)三維動(dòng)畫技術(shù)虛擬世界基于真實(shí)數(shù)據(jù)建立的模223.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展簡史VR技術(shù)的發(fā)展大致分為3個(gè)階段：20世紀(jì)50年代到70年代末，是VR技術(shù)的探索階段；20世紀(jì)80年代初期到80年代中期，是VR技術(shù)系統(tǒng)化、從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱玫碾A段；20世紀(jì)80年代末期到達(dá)21世紀(jì)初，是VR技術(shù)高速發(fā)展的階段。4.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入輸出設(shè)備、用戶和數(shù)據(jù)庫等組成。如圖：計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備應(yīng)用軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫用戶3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展簡史計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備應(yīng)用軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)23典型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述課件245.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有3個(gè)主要特征：沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和想像性（Imagination）。(1)沉浸性沉浸性（Immersion）又稱臨場(chǎng)感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。(2)交互性交互性（Interactivity）的產(chǎn)生，主要借助于VR系統(tǒng)中的特殊硬件設(shè)備（如數(shù)據(jù)手套、力反饋裝置等），使用戶能通過自然的方式，產(chǎn)生同在真實(shí)世界中一樣的感覺。(3)想像性想像性（Imagination）指虛擬的環(huán)境是人想像出來的，同時(shí)這種想像體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者相應(yīng)的思想，因而可以用來實(shí)現(xiàn)一定的目標(biāo)。5.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征256.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)沉浸程度的高低和交互程度的不同，將虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)劃分為以下4種類型:(1)桌面式VR系統(tǒng)它是利用個(gè)人計(jì)算機(jī)或圖形工作站等設(shè)備，采用立體圖形、自然交互等技術(shù)，產(chǎn)生三維立體空間的交互場(chǎng)景，利用計(jì)算機(jī)的屏幕作為觀察虛擬世界的一個(gè)窗口，通過各種輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)與虛擬世界的交互。6.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類26

立體眼鏡

第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述課件27桌面式VR系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：①缺少完全沉浸感，參與者不完全沉浸，因?yàn)榧词勾魃狭Ⅲw眼鏡，仍然會(huì)受到周圍現(xiàn)實(shí)世界的干擾。②對(duì)硬件要求極低③應(yīng)用比較普遍，因?yàn)樗某杀鞠鄬?duì)較低(2)沉浸式VR系統(tǒng)它利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個(gè)新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中、并能全心投入和沉浸其中的感覺。常見的沉浸式系統(tǒng)有：①基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)②投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)③遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)桌面式VR系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：28沉浸式VR系統(tǒng)的特點(diǎn)①高度的沉浸感。②高度實(shí)時(shí)性。利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備進(jìn)行的飛機(jī)戰(zhàn)斗游戲沉浸式VR系統(tǒng)的特點(diǎn)29(3)增強(qiáng)式VR系統(tǒng)它既允許用戶看到真實(shí)世界，同時(shí)也能看到疊加在真實(shí)世界上的虛擬對(duì)象，它是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來的一種系統(tǒng)。常見的增強(qiáng)式VR系統(tǒng)有：①基于臺(tái)式圖形顯示器的系統(tǒng)。②基于單眼顯示器的系統(tǒng)（一個(gè)眼睛看到顯示屏上的虛擬世界，另一只眼睛看到的是真實(shí)世界）。③基于透視式頭盔顯示器的系統(tǒng)。增強(qiáng)式VR系統(tǒng)有以下3個(gè)特點(diǎn)：①真實(shí)世界和虛擬世界融為一體。②具有實(shí)時(shí)人機(jī)交互功能。③真實(shí)世界和虛擬世界是在三維空間中整合的。(3)增強(qiáng)式VR系統(tǒng)30

在房間原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述課件31（4）分布式VR系統(tǒng)它在沉浸式VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將位于不同物理位置的多個(gè)用戶或多個(gè)虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相連接，并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達(dá)到一個(gè)更高的境界。分布式VR系統(tǒng)具有以下5個(gè)特點(diǎn)：①各用戶具有共享的虛擬工作空間。②偽實(shí)體的行為真實(shí)感。③支持實(shí)時(shí)交互，共享時(shí)鐘。④多個(gè)用戶可用各自不同的方式相互通信。⑤資源信息共享以及允許用戶自然操縱虛擬世界中的對(duì)象。（4）分布式VR系統(tǒng)32虛擬戰(zhàn)場(chǎng)第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述課件338.虛擬