虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究與發(fā)展現(xiàn)實狀況虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第1頁主講內(nèi)容技術(shù)概論相關(guān)技術(shù)建模語言發(fā)展歷程技術(shù)概念系統(tǒng)特征簡單介紹VRML發(fā)展史系統(tǒng)分類發(fā)展與應(yīng)用系統(tǒng)組成VRML應(yīng)用研究現(xiàn)實狀況

發(fā)展趨勢

應(yīng)用

VRML基本特點虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第2頁虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念

虛擬現(xiàn)實(Virtual

Reality，簡稱VR)，又譯為臨境，靈境技術(shù)等。是以沉醉性、交互性和構(gòu)想性為基本特征計算機高級人機界面。經(jīng)過視、聽、觸等感知行為使得用戶產(chǎn)生一個沉醉于虛擬環(huán)境感覺，并與虛擬環(huán)境相互作用從而引發(fā)虛擬環(huán)境實時改變，并能夠經(jīng)過語言、手勢等自然方式與之進行實時交互，創(chuàng)建了一個適人化多維信息空間，含有遼闊應(yīng)用前景虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第3頁發(fā)展歷程20世紀(jì)50年代至70年代,是VR技術(shù)準(zhǔn)備階段；80年代初至80年代中期,是VR技術(shù)系統(tǒng)化、開始走出試驗室進入實際應(yīng)用階段；80年代末至90年代初,是VR技術(shù)迅猛發(fā)展階段；虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第4頁第一階段

50～70年代,為虛擬現(xiàn)實探索階段。1965年由美國MortonHeileg開發(fā)了一個稱做Sensorama摩托車仿真器,不但含有三維視頻及立體聲效果,還能產(chǎn)生風(fēng)吹感覺和街道氣味。1968年,美國計算機科學(xué)家I1E1Sutherland在哈佛大學(xué)組織開發(fā)了第一個計算機圖形驅(qū)動頭盔顯示器HMD及頭部位置跟蹤系統(tǒng),成為VR技術(shù)發(fā)展史上一個主要里程碑,為虛擬現(xiàn)實發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第5頁第二階段80年代初至80年代中期,開始形成VR技術(shù)基本概念,開始由試驗進入實用階段,其主要標(biāo)志是:1985年在MichaelMcGreevy領(lǐng)導(dǎo)下完成VIEW虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),裝備了數(shù)據(jù)手套和頭部跟蹤器,提供了手勢、語言等交互伎倆,使VIEW成為名副其實虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),成為以后開發(fā)虛擬現(xiàn)實體系結(jié)構(gòu)。其它如VPL企業(yè)開發(fā)了用于生成虛擬現(xiàn)實RB2軟件和DataGlove數(shù)據(jù)手套,為虛擬現(xiàn)實提供了開發(fā)工具。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第6頁第三階段80年代末至90年代初,為虛擬現(xiàn)實全方面發(fā)展階段。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)從試驗室試驗階段走向了市場實用階段,對虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究也從基本理論和系統(tǒng)組成研究轉(zhuǎn)向應(yīng)用過程中所碰到詳細(xì)問題探討。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中只有各種交互設(shè)備還不夠,還必須提供基本軟件支撐環(huán)境,用戶能方便地結(jié)構(gòu)虛擬環(huán)境并與虛擬環(huán)境進行高級交互。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第7頁系統(tǒng)特征主要借助于VR系統(tǒng)中特殊硬件設(shè)備、使用戶能經(jīng)過自然方式，產(chǎn)生同在真實世界中一樣感覺。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之中一樣。指虛擬環(huán)境是人想象出來，同時這種想象表達出設(shè)計者對應(yīng)思想，因而能夠用來實現(xiàn)一定目標(biāo)。沉醉性交互性想象性虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第8頁系統(tǒng)組成計算機輸入輸出設(shè)備應(yīng)用軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫用戶虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第9頁系統(tǒng)分類VR系統(tǒng)增強式

桌面式

沉醉式分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第10頁沉醉式VR系統(tǒng)

沉醉式VR系統(tǒng)提供完全沉醉體驗，使用戶有一個完全置身于虛擬世界之中感覺。它通常把參加者視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個新、虛擬感覺空間，利用空間位置跟蹤定位設(shè)備、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音設(shè)備等使得參加者產(chǎn)生一個完全投入并沉醉于其中感覺，是一個較理想VR系統(tǒng)。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第11頁桌面式VR系統(tǒng)桌面式VR系統(tǒng)也稱窗口VR，它是利用個人計算機或圖形工作站等設(shè)備，采取立體圖形、自然交互等技術(shù)，產(chǎn)生三維立體空間交互場景，利用計算機屏幕作為觀察虛擬世界一個窗口，經(jīng)過各種輸入設(shè)備實現(xiàn)與虛擬世界交互。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第12頁增強式VR系統(tǒng)增強式VR系統(tǒng)簡稱增強現(xiàn)實（AR），它既允許用戶看到真實世界，同時也能看到疊加在真實世界上虛擬對象，它是把真實環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來一個系統(tǒng)，既可降低組成復(fù)雜場景開銷，又可對實際物體進行操作，真正到達了亦真亦幻境界。在增強式VR系統(tǒng)中，虛擬對象所提供信息往往是用戶無法憑借其本身感覺器官直接感知深層信息，用戶能夠利用虛擬對象所提供信息來加強對現(xiàn)實世界認(rèn)知，這就是增強式VR系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第13頁分布式VR系統(tǒng)

分布式VR系統(tǒng)（DVR）是一個較為經(jīng)典實例。DVR系統(tǒng)是VR技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展和結(jié)合產(chǎn)物，是一個在網(wǎng)絡(luò)虛擬世界中，位于不一樣物理位置多個用戶或多個虛擬世界，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)連接成共享信息系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第14頁環(huán)境建模技術(shù)

實時三維圖形繪制技術(shù)

三維虛擬聲音顯示技術(shù)

自然交互與傳感技術(shù)

碰撞檢測技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第15頁Title物理建模技術(shù)幾何建模技術(shù)行為建模技術(shù)環(huán)境建模技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第16頁幾何建模技術(shù)幾何建模技術(shù)主要研究對象是對物體幾何信息表示與處理，它是包括表示幾何信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及相關(guān)結(jié)構(gòu)與操縱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法建模方法。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第17頁物理建模技術(shù)

建模技術(shù)深入發(fā)展產(chǎn)物是物理建模，也就是在建模時要考慮對象物理屬性。經(jīng)典物理建模技術(shù)有分形技術(shù)和粒子系統(tǒng)。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第18頁行為建模技術(shù)

行為建模技術(shù)主要研究是物體運動處理和對其行為描述，表達了虛擬環(huán)境中建模特征。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第19頁基于幾何圖形實時繪制技術(shù)基于圖像實時繪制技術(shù).實時三維圖形繪制技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第20頁

基于幾何圖形實時繪制技術(shù)

為了確保三維圖形顯示能實現(xiàn)刷新頻率不低于30幀/秒，除了在硬件方面采取高性能計算機外，還必須選擇適當(dāng)算法來降低場景復(fù)雜度（即降低圖形系統(tǒng)處理多邊形數(shù)目）。當(dāng)前，用于降低場景復(fù)雜度，以提升三維場景動態(tài)顯示速度慣用方法有預(yù)測計算、脫機計算、場景分塊、可見消隱、細(xì)節(jié)層次模型等，其中細(xì)節(jié)層次模型應(yīng)用較為普遍虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第21頁1．預(yù)測計算依據(jù)物體各種運動規(guī)律，如手移動，可在下一幀畫面繪制之前用預(yù)測方法推算出手位置，從而降低由輸入設(shè)備所帶來延遲。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第22頁2．脫機計算因為VR系統(tǒng)是一個較為復(fù)雜系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中能夠盡可能將一些可預(yù)先計算好數(shù)據(jù)進行預(yù)先計算并存放在系統(tǒng)中，這么可加緊需要運行時速度。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第23頁3．場景分塊將一個復(fù)雜場景劃分成若干個子場景，各個子場景間幾乎不可見或完全不可見。這么，系統(tǒng)就能有效地降低在某一時刻所需要顯示多邊形數(shù)目，從而有效降低了場景復(fù)雜度。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第24頁4．可見消隱使用這種方法，系統(tǒng)僅顯示用戶當(dāng)前能“看見”場景，當(dāng)用戶僅能看到整個場景中很小部分時，因為系統(tǒng)僅顯示對應(yīng)場景，此時可大大降低所需顯示多邊形數(shù)目。然而，當(dāng)用戶“看見”場景較復(fù)雜時，這種方法就作用不大。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第25頁5．細(xì)節(jié)層次模型所謂細(xì)節(jié)層次模型（LevelOfDetail，LOD），是對同一個場景或場景中物體使用含有不一樣細(xì)節(jié)描述方法得到一組模型。在實時繪制時，對場景中不一樣物體或物體不一樣部分采取不一樣細(xì)節(jié)描述方法。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第26頁基于圖像實時繪制技術(shù)

基于圖像繪制技術(shù)（ImageBasedRendering，IBR）是采取一些預(yù)先生成場景畫面，對靠近于視點或視線方向畫面進行變換、插值與變形，從而快速得到當(dāng)前視點處場景畫面。當(dāng)前，基于圖像繪制技術(shù)主要有兩種1．全景技術(shù)2．圖像插值及視圖變換技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第27頁全景技術(shù)全景技術(shù)是指在一個場景中一個觀察點用相機每旋轉(zhuǎn)一下角度拍攝得到一組照片，再在計算機采取各種工具軟件拼接成一個全景圖像。它所形成數(shù)據(jù)較小，對計算機配置要求低，適合用于桌面式VR系統(tǒng)，建模速度快，但普通一個場景只有一個觀察點，所以交互性較差。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第28頁圖像插值及視圖變換技術(shù)研究人員研究了依據(jù)在不一樣觀察點所拍攝圖像，交互地給出或自動得到相鄰兩個圖像之間對應(yīng)點，采取插值或視圖變換方法，求出對應(yīng)于其它點圖像，生成新視圖，依據(jù)這個原理可實現(xiàn)多點漫游要求

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第29頁三維虛擬聲音顯示技術(shù)

三維虛擬聲音概念：VR系統(tǒng)中三維虛擬聲音，使聽者能感覺到聲音卻是來自圍繞聽者雙耳一個球形空間中任何地方，即聲音可能來自于頭上方、后方或者前方。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第30頁三維虛擬聲音特征：1．全向三維定位特征2．三維實時跟蹤特征3．沉醉感與交互性虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第31頁語音識別與合成技術(shù)：語音識別技術(shù)（AutomaticSpeechRecognition，ASR），是指將人說話語音信號轉(zhuǎn)換為可被計算機程序所識別文字信息，從而識別出說話人語音指令以及文字內(nèi)容技術(shù)。語音識別普通包含參數(shù)提取、參考模式建立、模式識別等過程。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第32頁手勢識別

面部表情識別

眼動跟蹤

觸覺、力覺反饋傳感技術(shù)

自然交互與傳感技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第33頁手勢識別

手勢識別系統(tǒng)依據(jù)輸入設(shè)備不一樣，主要分為基于數(shù)據(jù)手套識別和基于視覺（圖像）手語識別系統(tǒng)兩種。基于數(shù)據(jù)手套手勢識別系統(tǒng)，就是利用數(shù)據(jù)手套和空間位置跟蹤定位設(shè)備來捕捉手勢在空間運動軌跡和時序信息，對較為復(fù)雜手動作進行檢測，包含手位置、方向和手指彎曲度等，并可依據(jù)這些信息對手勢進行分類，因而較為實用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第34頁面部表情識別

在VR系統(tǒng)中，人面部表情交互在當(dāng)前來說，還是一個不太成熟技術(shù)。普通人臉檢測問題能夠描述為：給定一幅靜止圖像或一段動態(tài)圖像序列，從未知圖像背景中分割、提取并確認(rèn)可能存在人臉。假如檢測到人臉，提取人臉特征。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第35頁眼動跟蹤

眼動跟蹤技術(shù)基本工作原理是利用圖像處理技術(shù)，使用能鎖定眼睛特殊攝像機，經(jīng)過攝入從人眼角膜和瞳孔反射紅外線連續(xù)地統(tǒng)計視線改變，從而到達統(tǒng)計、分析視線追蹤過程目標(biāo)。視線跟蹤技術(shù)能夠填補頭部跟蹤技術(shù)不足之處，同時又能夠簡化傳統(tǒng)交互過程中步驟，使交互更為直接，因而，當(dāng)前多被用于軍事領(lǐng)域（如飛行員觀察統(tǒng)計等），閱讀以及幫助殘疾人進行交互等領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第36頁觸覺、力覺反饋傳感技術(shù)

觸覺、力覺反饋傳感技術(shù)是利用先進技術(shù)伎倆，將虛擬物體空間運動轉(zhuǎn)變成特殊設(shè)備機械運動，在感覺到物體表面紋理同時，也使用戶能夠體驗到真實力度感和方向感，從而提供一個嶄新人機交互界面，即利用“作用力與反作用力”原理來到達傳遞力度和方向信息目標(biāo)。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第37頁

碰撞檢測技術(shù)1．碰撞檢測要求為了確保虛擬世界真實性，碰撞檢測必須有較高實時性和準(zhǔn)確性。所謂實時性，基于視覺顯示要求，碰撞檢測速度普通最少要到達24次/秒，而基于觸覺要求，碰撞檢測速度最少要到達300次/秒才能維持觸覺交互系統(tǒng)穩(wěn)定性，只有到達1000次/秒才能取得平滑效果。而準(zhǔn)確性要求則取決于VR系統(tǒng)在實際應(yīng)用中要求，比如對于小區(qū)漫游系統(tǒng)，只要近似模擬碰撞情況，此時，若兩個物體之間距離比較近，而不論是否實際有沒有發(fā)生碰撞，都能夠?qū)⑵洚?dāng)做是發(fā)生了碰撞，并粗略計算其發(fā)生碰撞位置。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第38頁2．碰撞檢測實現(xiàn)方法因為物體本身模型可能很復(fù)雜，直接采取物體原模型來檢測兩個物體碰撞，計算量依然過大。對兩物體間準(zhǔn)確碰撞檢測加速實現(xiàn)，現(xiàn)有碰撞檢測算法主要可劃分為兩大類：層次包圍盒法和空間分解法。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第39頁

虛擬現(xiàn)實建模語言——VRML

VRML發(fā)展史：1994年5月，第一屆Internet國際會議上，相關(guān)教授發(fā)表在Web上運行三維立體世界研究引發(fā)了廣泛討論。短短幾個月后，在1994年10月，VRML1.0規(guī)范正式公布。這以后，許多教授、企業(yè)主動投身于VRML推廣和研究，尤其是VRML技術(shù)組（VAG）不懈努力，使VRML得到了快速發(fā)展。1996年，VRML2.0規(guī)范正式確定。1998年1月被ISO正式確定為國際標(biāo)準(zhǔn)VRML正是現(xiàn)在我們常說VRML97。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第40頁

VRML應(yīng)用

VRML融合了二維和三維圖像技術(shù)、動畫技術(shù)和多媒體技術(shù)，借助于網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，構(gòu)建了一個交互虛擬空間。VRML技術(shù)和其它計算機技術(shù)結(jié)合，在Web環(huán)境中創(chuàng)建虛擬城市、虛擬校園、虛擬圖書館以及虛擬商店已經(jīng)不再是一個幻想。比如在電子購物中，用戶在虛擬商店里感受到是和真實商品一樣實在質(zhì)地，而不再是簡單圖片。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第41頁VRML文件基本特點

1．VRML文件基本要素——節(jié)點（Node）和域（Field）VRML文件擴展名為wrl，文件中最為主要兩個基本要素是節(jié)點（Node）和域（Field）。節(jié)點是VRML文檔中基本組成單元，VRML借助于節(jié)點來描述對象某首先特征，比如形狀、材質(zhì)和顏色等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第42頁2．事件（Event）和路由（Route）在現(xiàn)實環(huán)境中，事物往往伴隨時間會有對應(yīng)改變，比如，物體顏色伴隨時間發(fā)生改變。在VRML中借助事件（Event）和路由（Route）概念反應(yīng)這種現(xiàn)實情況。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第43頁3．VRML通用語法結(jié)構(gòu)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第44頁4．VRML空間坐標(biāo)與計量單位在實際環(huán)境中，組成場景造型有大小差異，物體間有不一樣相對位置，而且造型還會有旋轉(zhuǎn)、移動等運動，所以在VRML中，采取空間直角坐標(biāo)系確定造型位置，而且用特定計量單位定量表示長度。在VRML場景中，空間直角坐標(biāo)滿足右手螺旋法則，就是說，右手四指從x方向轉(zhuǎn)到y(tǒng)方向，則拇指指向是z方向。在默認(rèn)情況下，x坐標(biāo)向右為正，y坐標(biāo)向上為正，而z坐標(biāo)指向觀察者為正。在VRML中，長度及坐標(biāo)計量單位采取VRML單位計量，能夠簡稱為單位。在本書中，為敘述簡練而省去單位字樣。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第45頁虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究現(xiàn)實狀況

計算機發(fā)展提供了一個計算工具和分析工具，并所以造成了許多處理問題新方法產(chǎn)生。虛擬現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)生與發(fā)展也一樣如此，概括國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它主要包括到三個研究領(lǐng)域：經(jīng)過計算圖形方式建立實時三維視覺效果；建立對虛擬世界觀察界面；使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)加強諸如科學(xué)計算技術(shù)等方面應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第46頁虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究現(xiàn)實狀況

在美國研究現(xiàn)實狀況

在歐洲研究現(xiàn)實狀況

在日本研究現(xiàn)實狀況

在國內(nèi)研究現(xiàn)實狀況

VR技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀第47頁虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展趨勢

伴隨虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市規(guī)劃、軍事等方面應(yīng)用不停深入，在建模與繪制方法、交互方式