虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述1

第一章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述什么是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality,簡(jiǎn)稱VR)技術(shù)是20世紀(jì)90年代以來(lái)興起的一種新型信息技術(shù)，它與多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并稱為三大前景最好的計(jì)算機(jī)技術(shù)。它以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主，利用并綜合三維圖形動(dòng)技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、伺服技術(shù)等多種高科技的最新發(fā)展成果，利用計(jì)算機(jī)等設(shè)備來(lái)產(chǎn)生一個(gè)逼真的三維視覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等多種感官體驗(yàn)的虛擬世界，從而使處于虛擬世界中的人產(chǎn)生一種身臨其境的感覺(jué)。在這個(gè)虛擬世界中，人們可直接觀察周圍世界及物體的內(nèi)在變化，與其中的物體之間進(jìn)行自然的交互，并能實(shí)時(shí)產(chǎn)生與真實(shí)世界相同的感覺(jué)，使人與計(jì)算機(jī)融為一體。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。通過(guò)參與者與仿真環(huán)境的相互作用，并利用人類本身對(duì)所接觸事物的感知和認(rèn)知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維，全方位地獲取事物的各種空間信息和邏輯信息°b5E2RGbCAP虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)的異同VR技術(shù)和三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)有本質(zhì)的區(qū)別：三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)是依靠計(jì)算機(jī)預(yù)先處理好的路徑上所能看見(jiàn)的靜止照片連續(xù)播放而形成的，不具有任何交互性，即不是用戶想看什么地方就能看到什么地方，用戶只能按照設(shè)計(jì)師預(yù)先固定好的一條線路去看某些場(chǎng)景，它給用戶提供的信息很少或不是所需的，用戶是被動(dòng)的；而VR技術(shù)則截然不同，它通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算場(chǎng)景，根據(jù)用戶的需要把整個(gè)空間中所有的信息真實(shí)地提供給用戶，用戶可依自己的路線行走，計(jì)算機(jī)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的場(chǎng)景，真正做到“想得到，就看得到”。所以說(shuō)交互性是兩者最大的不同。plEanqFDPw下面能看到什么地方，用戶只能按照設(shè)計(jì)師預(yù)先固定好的一條線來(lái)看一個(gè)應(yīng)用的實(shí)例。房地產(chǎn)展示是這兩個(gè)技術(shù)最常用的領(lǐng)域。在現(xiàn)在的應(yīng)用中，很多房地產(chǎn)公司采用三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)來(lái)展示樓盤，其設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，模式固定,制作費(fèi)用高；而同時(shí)在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有多家公司采用VR技術(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其展示效果好，設(shè)計(jì)周期短，更重要的是，它是基于真實(shí)數(shù)據(jù)的科學(xué)仿真，不僅可達(dá)到一般展示的功能，而且還可以把業(yè)主帶入到未來(lái)的建筑物里參觀，還可展示如門的高度、窗戶朝向、某時(shí)間的日照、采光的多少、樣板房的自我設(shè)計(jì)、與周圍環(huán)境的相互影響等。這些都是三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)所無(wú)法比擬的。有關(guān)VR技術(shù)與三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)的比較見(jiàn)表I。DXS"F3dDXDlla9E3d表1-1比較項(xiàng)VR技術(shù)三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)科學(xué)性及場(chǎng)景的選實(shí)時(shí)交虛擬世界基于真實(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，有產(chǎn)公司采用三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)來(lái)展示樓盤，其設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，模式固定,制作費(fèi)用高；而同時(shí)在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有多家公司采用VR技術(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其展示效果好，設(shè)計(jì)周期短，更重要的是，它是基于真實(shí)數(shù)據(jù)的科學(xué)仿真，不僅可達(dá)到一般展示的功能，而且還可以把業(yè)主帶入到未來(lái)的建筑物里參觀，還可展示如門的高度、窗戶朝向、某時(shí)間的日照、采光的多少、樣板房的自我設(shè)計(jì)、與周圍環(huán)境的相互影響等。這些都是三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)所無(wú)法比擬的。有關(guān)VR技術(shù)與三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)的比較見(jiàn)表I。DXS"F3dDXDlla9E3d表1-1比較項(xiàng)VR技術(shù)三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)科學(xué)性及場(chǎng)景的選實(shí)時(shí)交虛擬世界基于真實(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(jué)操縱者可以實(shí)時(shí)感受到運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的場(chǎng)景畫(huà)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，屬于演示類乙術(shù)作品。只能按預(yù)先假定的觀察路徑觀看。只能單向演示，場(chǎng)景變化的畫(huà)面需要事先制作生成互性場(chǎng)景變化，具有雙向互動(dòng)的功能空間立支持立體顯示和三維立體聲，不支持體感具有三維空間真實(shí)感互性場(chǎng)景變化，具有雙向互動(dòng)的功能空間立支持立體顯示和三維立體聲，不支持體感具有三維空間真實(shí)感演示時(shí)沒(méi)有時(shí)間限制，可真實(shí)詳盡的間展示，性價(jià)比高受動(dòng)畫(huà)制作時(shí)間限制，無(wú)法詳盡展示，性價(jià)比低支持方案調(diào)整、評(píng)估、管理、信息方案應(yīng)用的靈活演示時(shí)沒(méi)有時(shí)間限制，可真實(shí)詳盡的間展示，性價(jià)比高受動(dòng)畫(huà)制作時(shí)間限制，無(wú)法詳盡展示，性價(jià)比低方案應(yīng)用的靈活性查詢等功能，同時(shí)又具有更真實(shí)直觀的演示功能只具有簡(jiǎn)單的演示功能虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)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。第一套具有VR思想的裝置是莫頓。海利希在1962年研制的稱為Senorama的具有多種感官刺激的立體電影系統(tǒng)，它是一套只能供個(gè)人觀看立體的設(shè)備，采用模擬電子技術(shù)與娛樂(lè)技術(shù)相結(jié)合的全新技術(shù)，能產(chǎn)生立體聲音效果，并能有不同的氣味，座位也能根據(jù)劇情的變化搖擺或振動(dòng)，觀看時(shí)還能感覺(jué)到有風(fēng)在吹動(dòng)。RTCrpUDGiT在隨后幾年中，艾凡■薩瑟蘭在麻省理工學(xué)院開(kāi)始頭盔式顯示器的研制工作，人們戴上這個(gè)頭盔式顯示器，就會(huì)產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。5PCzVD7HxA研制者們于1970年研制出了第一個(gè)功能較齊全的HMD系統(tǒng)。這個(gè)頭盔式顯示器，就會(huì)產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。5PCzVD7HxA美國(guó)的JaronLanier在20世紀(jì)律80年代初正式提出了VirtualReality一詞。20世紀(jì)80年代,美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)及美國(guó)國(guó)防部組織了一系列有關(guān)

VR技術(shù)的研究VR技術(shù)的研究，并取得了令人矚目的研究成果。jLBHrnAlLg進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)與不斷改進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)相匹配，使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)制作成為可能，人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新，新穎、實(shí)用的輸入輸出設(shè)備不斷地涌入市場(chǎng)。XHAQX74J0X虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成典型的VR系統(tǒng)主要由計(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(kù)等組成，如圖1-1所示。1?計(jì)算機(jī)在VR系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)虛擬世界的生成和人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)。由于虛擬世界本身具有高度復(fù)雜性，尤其在某些應(yīng)用中，如航空航天世界的模擬、大型建筑物的立體顯示、復(fù)雜場(chǎng)景的建模等，使得生成虛擬世界所需的計(jì)算量極為巨大，因此對(duì)VR系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)的配置提出了極高的要求。LDAYtRyKfE2?輸入輸出設(shè)備在VR系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)人與虛擬世界的自然交互，必須采用特殊的輸入輸出設(shè)備，以識(shí)別用戶各種形式的輸入，并實(shí)時(shí)生成相應(yīng)的反饋信息。Zzz6ZB2Ltk3.VR的應(yīng)用軟件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)

VR的應(yīng)用軟件系統(tǒng)可完成的功能包括：虛擬世界中物體的幾何模型、物理模型、行為模型的建立，三維虛擬立體聲的生成，模型管理技術(shù)及實(shí)時(shí)顯示技術(shù)，虛擬世界數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與管理等幾部分。虛擬世界數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存放整個(gè)虛擬世界中所有物體的各個(gè)方面的信息。271BKdvzfvkwMIl出了極高的要求。LDAYtRyKfE中所有物體的各個(gè)方面的信息。271BKdvzfvkwMIl圖1-2典型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征VR技術(shù)有3個(gè)主要特征：沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity)和想像性(Imagination)像性(Imagination)，如圖1-3所示。rqyni4ZNxi三^出耳機(jī)：三^出?交互性(Interactivity)/、沉沒(méi)感)構(gòu)想性)圖1-3(1)沉浸性沉浸性(Immersion)是指用戶感受到被虛擬世界所包圍，好像完全置身于虛擬世界中一樣。VR技術(shù)最主要的技術(shù)特征是讓用戶覺(jué)得自己是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬世界中的一部分，使用戶由觀察者變成參與者，沉浸其中并參與虛擬世界的活動(dòng)。理想的虛實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)實(shí)更逼真的照明和音響效果。EmxvxOtOco擬世界應(yīng)該達(dá)到使用戶難以分辨真假的程度，甚至超越真實(shí)，實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)實(shí)更逼真的照明和音響效果。EmxvxOtOco(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(guò)自然的方式，產(chǎn)生同在真實(shí)世界中一樣的感覺(jué)。SixE2yXPq5(3)想像性想像性(Imagination)指虛擬的環(huán)境是人想像出來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)一定的目標(biāo)。所以說(shuō)VR技術(shù)不僅僅是一個(gè)媒體或一個(gè)高級(jí)用戶界面，同時(shí)它還是為解決工程、醫(yī)學(xué)、軍事等方面的問(wèn)題而由開(kāi)發(fā)者設(shè)計(jì)出來(lái)的應(yīng)用軟件。6ewMyirQFLVR技術(shù)的意義正是由于VR技術(shù)的廣泛應(yīng)用，并能夠?qū)崿F(xiàn)人與自然之間的和諧交互，擴(kuò)大對(duì)信息空間的感知通道，提高人類對(duì)跨越時(shí)空事物和復(fù)雜動(dòng)態(tài)事件的感知能力，把計(jì)算機(jī)應(yīng)用提高到一個(gè)嶄新的水平，其作用和意義是十分重要的。kavU42VRUs首先是在觀念上的轉(zhuǎn)變，它使人們對(duì)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用從“以計(jì)算機(jī)為主體”變成“以人為主體”。傳統(tǒng)的信息處理環(huán)境一直強(qiáng)調(diào)的是“人適應(yīng)計(jì)算機(jī)”，人與計(jì)算機(jī)通常通過(guò)鍵盤與鼠標(biāo)進(jìn)行交互，這種交互是間接的，非直覺(jué)的和有限的。而VR技術(shù)的目標(biāo)或理念是要逐步使“計(jì)算機(jī)適應(yīng)人”，人們要通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)以及形體、手勢(shì)或語(yǔ)言，參與到信息處理的環(huán)境中去，并獲得身臨其境的體驗(yàn)。人們不必意識(shí)到自己在同計(jì)算機(jī)打交道，而可以像在現(xiàn)實(shí)世界中處理事情一樣同計(jì)算機(jī)交流，這就把人從操作計(jì)算機(jī)的復(fù)雜工作中解放出來(lái)，使用計(jì)算機(jī)無(wú)需學(xué)習(xí)，操作也異常簡(jiǎn)單而方便。y6v3ALoS89第二個(gè)轉(zhuǎn)變發(fā)生在哲學(xué)中人們對(duì)“虛”和“實(shí)”之間的辯證關(guān)系的理解上。虛和實(shí)的關(guān)系是一個(gè)古老的哲學(xué)話題。我們是處于真實(shí)的客觀世界中，還是只處于自己的感知世界中，一直是唯物論和唯心論爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。以視覺(jué)為例，我們所看到的世界，不過(guò)是視網(wǎng)膜上的影像。過(guò)去，視網(wǎng)膜上的影像都是真實(shí)世界的反映，因此客觀的真實(shí)世界同主觀的感知世界是一致的?，F(xiàn)在，VR導(dǎo)致了二重性，VR的景物對(duì)人的感官來(lái)說(shuō)是實(shí)實(shí)在在存在的，但它又的的確確是虛構(gòu)的東西，而且按照虛構(gòu)的東西行事，往往又會(huì)得出正確的結(jié)果。因此這就引發(fā)了哲學(xué)上要重新認(rèn)識(shí)“虛”和“實(shí)”之間的關(guān)系的研究。M2ub6vSTnP7.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)VR技術(shù)對(duì)沉浸程度的高低和交互程度的不同，將VR系統(tǒng)劃分了解4種類型：沉浸式VR系統(tǒng)'桌面式VR系統(tǒng)'增強(qiáng)式VR系統(tǒng)'分布式VR系統(tǒng)。其中桌面式VR系統(tǒng)因其技術(shù)非常簡(jiǎn)單，需投入的成本也不高，在實(shí)際應(yīng)用中較廣泛。0YujCfmUCw(1)桌面式VR系統(tǒng)桌面式VR系統(tǒng)也稱窗口VR,見(jiàn)圖1-4所示，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eUts8ZQVRd一個(gè)窗口，通過(guò)各種輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)與虛擬世界的交互桌面式VR系統(tǒng)一般要求參與者使用空間位置跟蹤定位設(shè)備和其他輸入設(shè)備，如數(shù)據(jù)手套和6個(gè)自由度的三維空間鼠標(biāo)，使用戶雖然坐在監(jiān)視器前，卻可以通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕觀察sQsAEJkW5T360。范圍內(nèi)的虛擬世界。在桌面式VR系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的屏幕是用戶觀察虛擬世界的一個(gè)窗口，在一些VRT具軟件的幫助下，參與者可以在仿真過(guò)程中進(jìn)行各種設(shè)計(jì)。使用的硬件設(shè)備主要是立體眼鏡和件的幫助下，參與者可以在仿真過(guò)程中進(jìn)行各種設(shè)計(jì)。使用的硬件設(shè)備主要是立體眼鏡和一些交互設(shè)備(如數(shù)據(jù)手套'空間位置跟蹤定位設(shè)備等)。立體眼鏡觀看計(jì)算機(jī)屏幕中虛擬三維場(chǎng)景的立體效果，它所帶來(lái)的立體視覺(jué)能使用戶產(chǎn)生一定程度的沉浸感。有時(shí)為了增強(qiáng)桌面式VR系統(tǒng)的效果，在桌面式VR系統(tǒng)中還可以加入專業(yè)的投影設(shè)備，以達(dá)到增大屏幕觀看范圍的目的。GMsIasNXkA桌面式VR系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：對(duì)硬件要求極低，有時(shí)只需要計(jì)算機(jī)或是增加數(shù)據(jù)手套、空間位置跟蹤定位設(shè)備等。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。應(yīng)用比較普遍，因?yàn)樗某杀鞠鄬?duì)較低，而且它也具備了沉浸式VR系統(tǒng)的一些技術(shù)要求。作為開(kāi)發(fā)者和應(yīng)用者來(lái)說(shuō)，從成本角度考慮，采用桌面式VR技術(shù)往往被認(rèn)為是從事VR研究工作的必經(jīng)階段。聽(tīng)覺(jué)和其他感覺(jué)封閉起來(lái)，而使用戶真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)參與者，并能聽(tīng)覺(jué)和其他感覺(jué)封閉起來(lái)，而使用戶真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)參與者，并能⑵沉浸式VR系統(tǒng)沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等各種交互設(shè)備把用戶的視覺(jué)、TlrRGchYzg利用這些交互設(shè)備操作和駕馭虛擬環(huán)境，產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺(jué)（見(jiàn)圖1-5）。沉浸式VR系統(tǒng)的基本組成如圖1-6所示。TlrRGchYzg圖1-5沉浸式VR系統(tǒng)演示實(shí)例沉浸式VR系統(tǒng)的特點(diǎn)①高度的沉浸感。沉浸式VR系統(tǒng)采用多種輸入與輸出設(shè)備來(lái)營(yíng)造一個(gè)虛擬的世真實(shí)世界的影響。7EqZcWLZNX界，并使用戶沉浸于其中，同時(shí)還可以使用戶與真實(shí)世界完全隔離，不受外面

真實(shí)世界的影響。7EqZcWLZNX如當(dāng)人運(yùn)動(dòng)時(shí)，空②高度實(shí)時(shí)性。在虛擬世界中要達(dá)到與真實(shí)世界相同的感覺(jué)，如當(dāng)人運(yùn)動(dòng)時(shí)，空間位置跟蹤定位設(shè)備需及時(shí)檢測(cè)到，并且經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算，輸出相應(yīng)的場(chǎng)景變化，并且這個(gè)變化必需是及時(shí)的，延遲時(shí)間要很小。lzq7IGf