VRML課件虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)與VRML編程

虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)與VRML基礎(chǔ)授課教師：趙應(yīng)丁:zhaoyingding@163.com明德廷：jxau_mdt@163.com江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第1

頁<<虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)與VRML編程>>目錄1.虛擬現(xiàn)實概論2.虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備及技術(shù)3.VRML概述與VRML文件4.VRML基本造型5.VRML空間變換6.VRML紋理映射7.VRML聲音技術(shù)8.VRML光照效果9.VRML空間效果10.VRML視點與導(dǎo)航2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第2

頁<<虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)與VRML編程>>目錄11.VRML復(fù)雜造型12.VRML動畫13.VRML交互功能14.VRML腳本設(shè)計15.VRML其他節(jié)點16.原型及其應(yīng)用17.綜合舉例之一18.綜合舉例之二2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第3

頁參考資料段新，虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)與VRML編程，武漢大學(xué)出版社2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第4

頁第一講虛擬現(xiàn)實概論1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)2.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類3.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)硬件組成4.虛擬現(xiàn)實研究內(nèi)容5.增強現(xiàn)實與隨身增強現(xiàn)實2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第5

頁1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是21世紀三大最具發(fā)展?jié)摿Φ挠嬎銠C技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(VirtualReality,VR)是由美國VPL公司的JaronLanier在1989年創(chuàng)造的一個新詞。它通常是指頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等一系列新型交互設(shè)備構(gòu)造出的用以體驗或感知虛擬境界的一種計算機軟、硬件環(huán)境，用戶使用這些高級設(shè)備以自然的技能向計算機發(fā)送各種指令，并得到環(huán)境對用戶視覺、聽覺、觸覺等多種感官信息的實時反饋。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第6

頁1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)(續(xù))世界上首個具有虛擬現(xiàn)實思想的裝置是由MortonHeilig在1962年研制成功的，它是一種被稱之為Sensorma的具有多種感官刺激的全景式立體電影設(shè)備。該設(shè)備主要由三維視頻組成，并具有立體聲功能，能產(chǎn)生不同的氣味，能產(chǎn)生自然風的吹拂，座椅還可以隨劇情變化而振動。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在很大程度上基于計算機圖形學(xué)技術(shù)發(fā)展而來。1965年，IvanSutherland博士發(fā)表”TheUltimateDisplay”一文，提出了一種全新的圖形顯示技術(shù)。觀察者可以自然地轉(zhuǎn)動頭部和身體即可改變視點，所看到的場景即計算機生成的虛擬境界也將實時地發(fā)生變化；觀察者還可以以自然的方式直接與虛擬境界中的對象進行交互操作。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第7

頁1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)(續(xù))虛擬現(xiàn)實可以概括為3個方面：真實性、沉浸性和交互性。真實性是指由計算機生成看起來像真的、聽起來像真的、觸摸起來像真的虛擬境界，該境界同時還可以向介入者提供視覺、聽覺、觸覺等多種人類具有的感官刺激。沉浸性是指計算機控制下的虛擬境界應(yīng)給人一種身臨其境的沉浸感。交互性是指人能以純自然方式與虛擬境界中的對象進行交互操作，即不使用鼠標、鍵盤等常規(guī)設(shè)備，而要求使用手勢、體勢、人類語言等自然方式進行交互操作。能夠滿足以上要求的系統(tǒng)稱之為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，構(gòu)建此系統(tǒng)所需要的各種軟、硬件技術(shù)被定義為虛擬現(xiàn)實技術(shù)。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第8

頁1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)(續(xù))理論上，可以將虛擬現(xiàn)實簡明定義為：由計算機及其軟硬件技術(shù)生成的，給人多種感官刺激的虛擬境界(VirtualEnvironment，VE，虛擬環(huán)境)2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第9

頁1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)(續(xù))(1)多種感官刺激感官刺激說明裝置視覺感知可見光聽覺感知聲波嗅覺感知空氣中的化學(xué)成分味覺感知液體中的化學(xué)成分觸覺以皮膚感知力覺以肌肉、關(guān)節(jié)和肌腱等感知身體感覺感知肢體或身軀等前庭感覺平衡感知2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第10

頁1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)(續(xù))(2)虛擬現(xiàn)實本質(zhì)上是一種人機交互系統(tǒng)，而且是一種高級的人機交互系統(tǒng)。定義沒有特別強調(diào)沉浸感，隱含表明虛擬現(xiàn)實可分為”沉浸式”和”非沉浸式”兩種。算法結(jié)構(gòu)清晰，層次分明，便于算法正確性的證明和復(fù)雜性的分析。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第11

頁1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)(續(xù))1962年MortonHeiling研制成功首臺全傳感仿真系統(tǒng)。1965年SutherLand博士提出UltimateDisplay概念。1965年SutherLand首次研制成功頭盔式顯示器。20世紀70年代中美軍戰(zhàn)斗機飛行模擬器研制成功。20世紀80年代中期，美國NASA研制成功應(yīng)用于載人航天使用的VIEW系統(tǒng)。20世紀90年代開始，VR的研究熱潮開始向民用高科技轉(zhuǎn)移。數(shù)據(jù)手套(DataGloves)EyePhones20年代90年代中期，標準化的虛擬現(xiàn)實建模語言VRML為在Internet上構(gòu)建可共享、可交換的WWW虛擬環(huán)境奠定了良好基礎(chǔ)。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第12

頁1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)(續(xù))VRML1.0VRML2.0VRML97X3DX3D由4部分組成：結(jié)構(gòu)和基本組件、應(yīng)用程序接口、XML編碼及VRML97編碼。XML是新出現(xiàn)的具有強大生命力的網(wǎng)絡(luò)通用語言規(guī)范，它本身所具有的良好的數(shù)據(jù)存儲格式?？蓴U展性、高度結(jié)構(gòu)化、便于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍攸c，決定了其卓越的性能表現(xiàn)，使其成為未來網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的通用語言。目前，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)已由單機系統(tǒng)發(fā)展到分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，進一步還要發(fā)展到支持協(xié)同工作的分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，即由過去只支持多用戶共享，發(fā)展到需要支持以多人相互感知、協(xié)同操作等為目的的協(xié)同感知領(lǐng)域。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第13

頁1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)(續(xù))存在的問題視覺真實感知和實時化問題聽覺感知問題交互性問題2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第14

頁1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)(續(xù))虛擬現(xiàn)實的價值沉浸性體驗意味著體驗，那么體驗的目的終將落實于對環(huán)境的操作和改造。虛擬現(xiàn)實中人與虛擬環(huán)境的交互，本質(zhì)上意味著它不是預(yù)成的而是生成的、不是因循的而是創(chuàng)新的，空間想象力所要表達的正是虛擬現(xiàn)實的這一秉性。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第15

頁2.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類按時空概念分類由傳感器測得的真實世界的時間和空間概念以及沉浸在虛擬境界中的人所感知的時間和空間概念。對準的(Aligned)有偏移的(Displaced)經(jīng)縮放的(Scaled)2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第16

頁2.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類(續(xù))按傳感器與人的感官分類視覺聽覺觸覺前庭器官嗅覺或味覺2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第17

頁2.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類(續(xù))按隔離與融合分類隔離是指計算機生成的虛擬境界被人所感知時與人所處的真實世界相互隔離，即用戶既看不到真實世界系統(tǒng)、也聽不到真實世界聲音，完全被虛擬環(huán)境所封閉，該類系統(tǒng)即稱為沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。融合是指計算機生成的虛擬境界可以疊加在人所能感知的真實世界之上，即虛擬境界直接與人看到的真實世界疊加在一起，該類系統(tǒng)近年來被稱之為增強現(xiàn)實系統(tǒng)。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第18

頁3.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)硬件組成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件由4部分組成：虛擬境界生成設(shè)備，感知設(shè)備、跟蹤設(shè)備和基于自然方式的人與環(huán)境交互設(shè)備。1.虛擬境界生成設(shè)備虛擬境界生成設(shè)備可以是一臺或多臺高性能計算機，通常又可分為：基于高性能個人計算機、基于高性能圖形工作站和基于分布式異構(gòu)計算機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)三大類。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對于計算機硬件的圖形處理性能要求較高。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第19

頁3.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)硬件組成(續(xù))虛擬境界生成設(shè)備的主要功能如下：(1)視覺通道信號的生成與顯示。(2)聽覺通道信號的生成與展示。(3)觸覺與力覺通道信號。(4)支持實時人機交互操作，包括3維空間定位、碰撞檢測、語音識別以及人與環(huán)境實時對話環(huán)境。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第20

頁3.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)硬件組成(續(xù))(2)感知設(shè)備視覺感知設(shè)備。聽覺感知設(shè)備。觸覺感知設(shè)備。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第21

頁3.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)硬件組成(續(xù))(3)跟蹤設(shè)備跟蹤設(shè)備是用于跟蹤并檢測用戶位置和朝向的裝置，用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中基于自然方式的人機交互操作。跟蹤設(shè)備一般都由一個或多個信號發(fā)射器以及多個接受器組成。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第22

頁3.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)硬件組成(續(xù))(4)人與環(huán)境交互設(shè)備虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所使用的交互設(shè)備應(yīng)用手勢、體勢、眼勢以及自然語言的人機交互設(shè)備，常見的有數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、眼球跟蹤器以及語音識別裝置。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第23

頁4.虛擬現(xiàn)實研究內(nèi)容虛擬現(xiàn)實的研究內(nèi)容大致可分為虛擬現(xiàn)實技術(shù)及虛擬現(xiàn)實應(yīng)用兩大類。虛擬現(xiàn)實技術(shù)人機自然交互技術(shù)基于圖形學(xué)的研究基于圖像的建模和渲染碰撞技術(shù)基于Internet的研究聲音技術(shù)。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第24

頁4.虛擬現(xiàn)實研究內(nèi)容(續(xù))虛擬現(xiàn)實應(yīng)用真實世界仿真。抽象概念建模，也稱為可視化。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第25

頁5.增強現(xiàn)實與隨身增強現(xiàn)實增強現(xiàn)實概念增強現(xiàn)實是虛擬現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域中產(chǎn)生的一個新興的研究方向。虛擬現(xiàn)實強調(diào)沉浸感，要求使人感覺與其所處的環(huán)境完全隔離。增強現(xiàn)實作為對真實世界的一種補充和增強，豐富了用戶對真實世界的感知和人機交互。增強現(xiàn)實具有以下3個主要特征：真實世界與虛擬境界要求在三維空間上加以整合。具有實時人機交互功能。增強特征適用于所有感知通道，不僅有景象，還應(yīng)包括聲音等；也可以使用增強技術(shù)實現(xiàn)削。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第26

頁5.增強現(xiàn)實與隨身增強現(xiàn)實(續(xù))增強現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)造一個增強現(xiàn)實系統(tǒng)的核心是如何將真實世界與虛擬境界在視覺領(lǐng)域完美融合，現(xiàn)有兩類基本技術(shù)加以實現(xiàn)：基于光學(xué)的技術(shù)和基于視頻的技術(shù)?；诠鈱W(xué)技術(shù)實現(xiàn)虛擬融合的基本原理是通過半透明、半反射的光學(xué)鏡片將虛擬境界和真實世界疊加在一起；基于視頻技術(shù)實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實融合的基本原理是通過攝像機將真實世界采樣圖像在圖形處理器中與虛擬對象疊加在一起后再顯示出來。基于光學(xué)的透視式HMD實現(xiàn)方法是把光學(xué)融合器放置在用戶眼前來實現(xiàn)增強現(xiàn)實的?；谝曨l的封閉式HMD實現(xiàn)方法是把一個封閉的視頻頭盔同1-2個視頻攝象機結(jié)合在一起。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第27

頁5.增強現(xiàn)實與隨身增強現(xiàn)實(續(xù))基于光學(xué)方法的主要優(yōu)點有：簡單和廉價。顯示分辨率高。系統(tǒng)安全性好。無眼睛位置偏移。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第28

頁5.增強現(xiàn)實與隨身增強現(xiàn)實(續(xù))基于視頻技術(shù)的主要優(yōu)點有：融合靈活。圖像延時匹配較好?；兛善ヅ?。亮度匹配容易。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第29

頁5.增強現(xiàn)實與隨身增強現(xiàn)實(續(xù))增強現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)聚焦與對比度。融合精度與實時性問題。系統(tǒng)可移動性。傳感系統(tǒng)。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第30

頁5.增強現(xiàn)實與隨身增強現(xiàn)實(續(xù))增強現(xiàn)實應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。機械制造、維修?？梢暬瘧?yīng)用。娛樂應(yīng)用。2023/2/4江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院第31