第9章 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).ppt

1、第9章 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)在于掌握虛擬現(xiàn)實(shí) 的基本概念、特點(diǎn)及應(yīng)用，并通過(guò)實(shí)例了解虛擬場(chǎng)景的生成,第9章 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),9.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念 9.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的主要研究?jī)?nèi)容 9.3 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本組成 9.4 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征 9.5 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類 9.6 虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用實(shí)例與開(kāi)發(fā)技術(shù) 9.7 本章小結(jié),9.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念,虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR），就是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)及味覺(jué)等虛擬的感觀世界，用戶可以直接用人的技能和智慧對(duì)這個(gè)生成的虛擬實(shí)體進(jìn)行考察和操作。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊。它開(kāi)始于軍

2、事領(lǐng)域，在軍事和航空航天的模擬和訓(xùn)練中起到了非常重要的作用。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療、制造業(yè)、娛樂(lè)和教育等方面的應(yīng)用也具有很大的潛力。不久的將來(lái)，它會(huì)得到廣泛應(yīng)用。,9.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的主要研究?jī)?nèi)容,虛擬現(xiàn)實(shí)的研究?jī)?nèi)容主要分以下幾個(gè)方面。 1. 人與環(huán)境融合技術(shù) 2. 物體對(duì)象的仿真技術(shù) 3. VR圖像生成技術(shù)及高效快速生成體系圖技術(shù) 4. 實(shí)時(shí)處理及并發(fā)處理的多維信息表示技術(shù) 5. 高性能的計(jì)算機(jī)圖形處理硬件研究 6. 分布式虛擬環(huán)境和基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的虛擬現(xiàn)實(shí)研究,人與環(huán)境融合技術(shù),（1）高分辨率立體顯示器 （2）方位跟蹤系統(tǒng) （3）手勢(shì)跟蹤系統(tǒng) （4）觸覺(jué)反饋系統(tǒng)： （5）聲音定位與跟蹤系統(tǒng)

3、（6）本體反饋,物體對(duì)象的仿真技術(shù),（1）幾何仿真 （2）物理仿真 （3）行為仿真,9.3 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本組成,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由五大部分組成： 虛擬世界 虛擬現(xiàn)實(shí)軟件 計(jì)算機(jī) 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備,虛擬世界,它一般是一個(gè)包含三維模型或環(huán)境定義的數(shù)據(jù)庫(kù)。虛擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的，通過(guò)視、聽(tīng)、觸覺(jué)等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境感覺(jué)的交互式視景仿真。虛擬環(huán)境有多種形式，它可能是某些物理環(huán)境（如建筑物、汽車、潛艇甚至像太空倉(cāng)這樣的物體內(nèi)部）的偽真實(shí)反映，也可能是根本沒(méi)有任何物理基礎(chǔ)的某一跨國(guó)公司的地理、層次網(wǎng)的三維數(shù)據(jù)庫(kù)，甚至可以是與股票交易有關(guān)的多維數(shù)據(jù)集,虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容,（1）虛擬環(huán)境建模 （2）動(dòng)

4、畫制作 （3）物理仿真 （5）交互模式 （4）碰撞檢測(cè),虛擬環(huán)境建模,CAD技術(shù)為虛擬現(xiàn)實(shí)提供了有效的建模手段。模型工具包括AutoCAD、3DS、Wavefront、Multigen、Modelgen 2和Computer Vision等。這些模型可為多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用，節(jié)省了大量的再建時(shí)間。建模工具一般提供了廣泛的圖形庫(kù)支持。,動(dòng)畫制作,一些動(dòng)畫可用矩陣操作來(lái)支持移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)，而擺動(dòng)及彈跳運(yùn)動(dòng)則需要專門程序。實(shí)時(shí)計(jì)算這些物理過(guò)程會(huì)帶來(lái)諸如系統(tǒng)延時(shí)等問(wèn)題，在某些動(dòng)畫序列中，復(fù)雜的動(dòng)作可用簡(jiǎn)單的模擬方法而不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)過(guò)程。這項(xiàng)技術(shù)要求將這些動(dòng)作分解為一系列離散的關(guān)鍵模型并放到數(shù)據(jù)庫(kù)中,物理

5、仿真,在進(jìn)行物理仿真時(shí)，我們必須為物體設(shè)計(jì)一些支持其某些物理行為的程序。這一方面要求很強(qiáng)的計(jì)算能力，同時(shí)也使系統(tǒng)增加了一些延時(shí)。例如，下落的物體必須賦予質(zhì)量屬性，必須用運(yùn)動(dòng)方程來(lái)計(jì)算其加速度,碰撞檢測(cè),在虛擬現(xiàn)實(shí)中，常用碰撞來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)生活中的接觸、抓、移動(dòng)和打擊等情形。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一個(gè)重要功能，就是能快速進(jìn)行虛擬世界中物體間的碰撞檢測(cè)。虛擬世界中的物體，是以計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的幾何模型形式而存在的。這樣，物體就可能占有一定的空間并具有穿透性，或者以一種非現(xiàn)實(shí)的途徑相互穿插。這些現(xiàn)象在現(xiàn)實(shí)世界中是永遠(yuǎn)不可能發(fā)生的，因?yàn)槲矬w間總會(huì)先發(fā)生碰撞。目前有多種碰撞測(cè)試方法，其中，基于快速計(jì)算的包圍球碰撞測(cè)試方法

6、和較為精確的包圍盒碰撞測(cè)試方法尤為人們所重視。,交互模式,為簡(jiǎn)化人機(jī)界面，人們提出了許多新方法，發(fā)明了許多新設(shè)備，以及與虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的新技術(shù)。由此出現(xiàn)了許多種交互模式。例如，特征識(shí)別單元、視覺(jué)顯示單元、觸摸屏、光筆、游戲桿、拇指輪、壓感筆、便箋簿、數(shù)字化儀等都是與虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的設(shè)備和技術(shù),9.4 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征,無(wú)論是哪種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，都有沉浸、交互和 構(gòu)想性這三個(gè)基本特征。 浸入性 是使使用者親身體驗(yàn)虛擬環(huán)境真實(shí)直觀的視圖，顯示系統(tǒng)應(yīng)直接受使用者的控制，獲得浸入虛擬環(huán)境的感覺(jué)。 交互性,9.4 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征,構(gòu)想性 構(gòu)想性是指在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，幫助人們獲取知識(shí) 和形成新的概念。,9

7、.5 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類,簡(jiǎn)易型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 簡(jiǎn)易型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以僅由一臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)組成，使用者通過(guò)鍵盤、鼠標(biāo)便可與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。 沉浸型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 沉浸型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是比較復(fù)雜的系統(tǒng)。使用者必須頭戴頭盔、手帶數(shù)據(jù)手套等傳感跟蹤裝置，才能與虛擬世界進(jìn)行交互。,9.5 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類,共享型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 共享型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，將異地的不同用戶聯(lián)結(jié)起來(lái)，共享一個(gè)虛擬空間，多個(gè)用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)同一虛擬世界進(jìn)行觀察和操作，達(dá)到協(xié)同工作的目的。例如，異地的醫(yī)生，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)虛擬手術(shù)室中的病人進(jìn)行外科手術(shù)。,9.6 虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用實(shí)例與開(kāi)發(fā)技術(shù),9.6.1 VRML 9.6.2

8、 一個(gè)VRML虛擬漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì),9.6.1 VRML,1. VRML簡(jiǎn)介 2. 線性變換 3. 場(chǎng)景交互 4. VRML節(jié)點(diǎn),9.6.1 VRML簡(jiǎn)介,VRML（Virtual Reality Modeling Language） 即虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言，它通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)虛擬場(chǎng)景以達(dá)到現(xiàn)實(shí)中的效果。VRML被廣泛應(yīng)用于Internet上創(chuàng)建虛擬三維空間，利用VRML可以隨意創(chuàng)建任何虛擬的物體，像建筑物、城市、山脈、星體等對(duì)象。當(dāng)然也可以在虛擬空間中添加聲音、動(dòng)畫，使之更加生動(dòng)，更接近現(xiàn)實(shí)，還可以具有與瀏覽者的交互性，從而實(shí)現(xiàn)更加接近現(xiàn)實(shí)生活中的網(wǎng)上虛擬空間。,9.6.1 VRML簡(jiǎn)介,VRML同H

9、TML語(yǔ)言一樣，是一種ASCII的描述性語(yǔ)言，可以用文本編輯器VRML編輯。用戶可選用自己喜愛(ài)的文本編輯器，如Windows下的NotePad等進(jìn)行編輯由于VRML將要在網(wǎng)絡(luò)上跨平臺(tái)傳輸，所以需要為它定義一種文件格式。1995年，正式推出VRML1.0版本。1996年，在對(duì)1.0版本進(jìn)行重大改進(jìn)的基礎(chǔ)上推出了2.0版本，其中添加了場(chǎng)景交互、多媒體支持、碰撞檢測(cè)等功能。1997年12月，VRML作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，并于1998年1月獲得ISO批準(zhǔn)，通常稱為VRML 97，它是VRML2.0經(jīng)編輯性修訂和少量功能性調(diào)整后的結(jié)果。,9.6.1 VRML簡(jiǎn)介,下面是一個(gè)VRML的簡(jiǎn)單例子，程序構(gòu)造了

10、一個(gè)半徑為1個(gè)單位的被 照亮的三維紅球。例sphere.wrl #VRML V2.0 utf8 Shape appearance Appearance material Material emissiveColor 1 0 0 geometry Sphere radius 1 ,9.6.1 VRML簡(jiǎn)介,程序說(shuō)明如下： 每個(gè)VRML2.0文件必須以下面的語(yǔ)句作為開(kāi)始： #VRML V2.0 utf8 “utf8”是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織確認(rèn)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在VRML文本節(jié)點(diǎn)中引導(dǎo)語(yǔ) 言字符。以或#開(kāi)頭的文本行是注釋行，直到下一個(gè)回車符為止， 它將被瀏覽器解釋所忽略。 Shape 是VRML的一個(gè)節(jié)點(diǎn)類型（N

11、ode），它有appearance和 geometry兩個(gè)字段（Field），分別用于定義物體的外觀屬性（如材 質(zhì)、紋理）和幾何屬性。 appearance字段后緊跟的Appearance也是VRML的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它的內(nèi) 容就是該物體的外觀屬性。 就是當(dāng)定義一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，總是包含一個(gè)可視的有形的結(jié)果。,9.6.1 VRML簡(jiǎn)介,Appearance可以定義material（材質(zhì)），texture（紋理）和textureTransform（紋理變換）三種屬性。Material節(jié)點(diǎn)緊跟在material字段后面，其內(nèi)容就是物體的材質(zhì)屬性。emissiveColor 1 0 0表示球的表面材質(zhì)反射100

12、%的紅光，0%的綠光和0%的藍(lán)光。 geometry字段后的Sphere節(jié)點(diǎn)表示物體是一個(gè)球體。radius 1 表示球體的半徑是1個(gè)單位。,9.6.1 線性變換,在VRML中，Transform節(jié)點(diǎn)是一個(gè)基本結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)常見(jiàn)的群組節(jié)點(diǎn)（Grouping node），可以作許多物體的容器。Transform還提供了更強(qiáng)大的功能，在計(jì)算機(jī)圖形中，無(wú)論是縮放比例、旋轉(zhuǎn)或是平移，“運(yùn)動(dòng)”總是和變換（Transformation）緊密相連的。VRML2.0中，Transform節(jié)點(diǎn)將其定義的變換施加于物體。它的各字段的缺省值定義如下： Transform center 0 0 0 translati

13、on 0 0 0 rotation 0 0 1 0 scale 1 1 1 scaleOrientation 0 0 1 0 children ,9.6.1 線性變換,VRML場(chǎng)景圖包含許多群組節(jié)點(diǎn)以便定義一個(gè)方便的等級(jí)來(lái)操縱場(chǎng)景。當(dāng)然，也可以把Transform和其他節(jié)點(diǎn)組成群組節(jié)點(diǎn)（例如，在一個(gè)物體等級(jí)的內(nèi)部某一層放置一個(gè)傳感器，用一個(gè)事件觸發(fā)它，但同時(shí)又保留著操縱整個(gè)組活動(dòng)的能力）。 Transform字段的值，例如轉(zhuǎn)變或旋轉(zhuǎn)，可以由任何Shape節(jié)點(diǎn)或它的子節(jié)點(diǎn)所繼承。,9.6.1場(chǎng)景交互,VRML2.0能夠支持動(dòng)態(tài)的、交互式的3D場(chǎng)景。利用VRML2.0建立的場(chǎng)景，不僅可以展示其中運(yùn)

14、動(dòng)的物體，而且還可以使用戶跟這些物體進(jìn)行交互。例如在某個(gè)場(chǎng)景中，門可開(kāi)著，電梯在運(yùn)行，出租車行駛著。更奇妙的是，用戶可以將門打開(kāi)或關(guān)上，選擇電梯的上下按鈕，或者招手叫出租車停下來(lái)。,9.6.1 場(chǎng)景交互,VRML2.0采用事件機(jī)制來(lái)支持動(dòng)態(tài)交互的場(chǎng)景。事件是包含一些數(shù)據(jù)的信息，它被用來(lái)作為事件的探測(cè)器。在VRML2.0中，每個(gè)事件包括兩個(gè)部分：來(lái)源和目標(biāo)，它們都是由某個(gè)節(jié)點(diǎn)的字段表示的。VRML2.0提供了一組描述事件探測(cè)器的節(jié)點(diǎn)。如TouchSensor用于描述用戶輸入的消息；TimeSensor用于產(chǎn)生定時(shí)器消息；ProximitySensor用于相應(yīng)用戶進(jìn)入某個(gè)區(qū)域的消息；Visibil

15、itySensor用于判斷某個(gè)包圍盒區(qū)域的可見(jiàn)性等等。探測(cè)器節(jié)點(diǎn)和插入器節(jié)點(diǎn)以及VRML與Java程序之間的通訊等等，這些內(nèi)容的引入，可以使場(chǎng)景交互變得很復(fù)雜和符合實(shí)際。,9.6.1 VRML節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)：VRML2.0節(jié)點(diǎn)可分成圖形和非圖形兩 類節(jié)點(diǎn)。圖形節(jié)點(diǎn)包括幾何類型，如Box和Sphere；屬性節(jié)點(diǎn)，如Appearance和Material；組節(jié)點(diǎn)，包括Shape和Transform。這些節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)造了表述的場(chǎng)景。 節(jié)點(diǎn)字段：VRML2.0的節(jié)點(diǎn)字段可以給節(jié)點(diǎn)分配屬性，以區(qū)別同一類型的節(jié)點(diǎn)。,9.6.2 一個(gè)VRML虛擬漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì),物體造型 碰撞檢測(cè) 場(chǎng)景集成,9.6.2 物體造型,

16、例如電腦主機(jī)的設(shè)計(jì)主要是一個(gè)長(zhǎng)方體，為了看起來(lái)真實(shí)，我們?yōu)橹鳈C(jī)的前面貼上紋理圖片，此圖片在項(xiàng)目文件的picture目錄下。貼圖的代碼如下： Shape appearance Appearance textureImageTexture url.picturehost.gif geometry Box size 0.3 1.4 0 ,9.6.2 物體造型,9.6.2 碰撞檢測(cè),Collision組節(jié)點(diǎn)觀測(cè)觀察者和組中的造型發(fā)生碰撞。語(yǔ)法如下： Collision #exposedFieldMFNodechildren #exposedFieldSFVec3fbboxCenter #exposed

17、FieldSFVec3fbboxSize #exposedFieldSFBoolcollide #exposedFieldSFNodeproxy #eventOutSFTimecollideTime #evnetInMFNode addChildren #eventOutMFNoderemoveChildren ,9.6.2 碰撞檢測(cè),children域的值指定了一個(gè)包含在組中的子節(jié)點(diǎn)列表 bboxSize域的值指定了一個(gè)約束長(zhǎng)方體的尺寸 bboxCenter域的值指定了約束長(zhǎng)方體的中心,9.6.2 場(chǎng)景集成,這需要用到Inline節(jié)點(diǎn)將物體模型都組合起來(lái)。語(yǔ)法如下： Inline #exposedFieldMFStringurl #exposedFieldSFVec3fbboxCenter #exposedFieldSFVec3fbboxSize url域的值用來(lái)指定一個(gè)VRML文件的URL地址列表. bboxCenter域值用來(lái)指定這個(gè)Inline