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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,信息技术与教育,第五章 虚拟现实技术与教育,第一节 虚拟现实技术,第三节 桌面虚拟现实系统,第四节 虚拟现实技术在教育中的应用,第二节 虚拟现实的分类及实现,虚拟现实技术,什么是虚拟现实,虚拟现实系统的一般构成,虚拟现实的发展简史,虚拟现实的应用领域,概述,常用人机交互接口,输入设备,输出设备,什么是虚拟现实,是一种人与,(,通过计算机生成的,),虚拟环境进行自然交互的人机界面。,又称为临境技术或灵境技术，具有沉浸性、交互性和多感知性三大基本特征。,利用计算机技术和立体眼镜、,3D,声音生成器、传感手套、头盔等设备以自然的方式输入和输出。,向计算机输入信息：头的转动、肢体的运动等。,由计算机输出信息：图像、声音、压力等。,是对真实世界的虚拟，但能使人获得,“,真实,”,的三维视觉、听觉和触觉感受，并且能够,“,沉浸其中，驾驭其上,”,。,虚拟现实系统的一般构成,输入设备：将人的肢体动作等输入计算机，以构造虚拟世界；,VR,软件：支持对虚拟世界的实时观察和参与；,虚拟世界：可交互的三维虚拟环境；,输出设备：展示虚拟情景。,虚拟世界,VR,软件,输入设备,输出设备,计算机,激活输入,解释,输入,更新虚拟世界,计算,处理,信息输出,交互过程：,虚拟现实的发展历史,基本思想的提出：,1965,年，,Sutherland,在他的论文,终极的显示,中提出了交互图形显示、力反馈设备、声音提示的虚拟显示系统的基本思想。,HMD(,头盔显示器,),与,Virtual Reality,：,1966,年开始研制第一个,HMD (,美,),，成功之后又增加了力反馈装置。,80,年代初正式提出了,“,Virtual Reality,”,一词。,第一个虚拟环境视觉显示器：,1994,年美国将火星探测器发回的数据输入计算机，构造了火星表面的三位虚拟环境。之后，又开发了通用多传感个人仿真器和遥显设备。,进入,90,年代，由于计算机硬件和软件技术的发展，虚拟现实技术进入了一个新的发展时代，例如近年来用虚拟现实技术设计波音,777,飞机获得成功等。,虚拟现实的应用领域,军事及航空：财力充足，技术力量雄厚，历来都是尖端技术应用的重要领域。美国在研制联合打击战斗机时，利用虚拟现实技术，无须制造原型，就能获得大量宝贵的数据。,建筑与汽车业：利用虚拟技术，观察外观、动力等效果。,医学界：远程诊断、远程手术。,培训领域：航天员、飞行员、汽车驾驶员等培训。,娱乐领域：游戏机中的虚拟现实技术。,输入设备,控制虚拟世界渲染情景,3D,位置跟踪器：一个六维数据集,(,三个平移参数、三个旋转参数,),，用来测量和跟踪虚拟环境中活动的人或物的位置。,传感手套：弯曲、扭曲、压力传感器和相应软件，控制虚拟空间物体的位置和方向；光学传感器组成的系统；超声位置传感器和压力传器组成的系统。,数据衣：有大量光纤构成的紧身衣，用来测量肢体的位置、状态，并可以用计算机重建图像。,三维鼠标,:,多按键，操作三维图形界面。,交流电磁跟踪器,直流电磁跟踪器,超声波跟踪器,光学位置跟踪器,交流电磁跟踪器,发射器：安装于虚拟环境中的运动物体上，由三个相互垂直的交流电磁源构成，用来反映运动物体的位置,(,平移参数,),和状态,(,旋转参数,),。,接收器：接收信息作为计算机系统的输入，三个接收线圈分别能测量出来自发射器三个交流电磁源的信息。,计算机模块：分析接收信息，判断虚拟环境中运动物体的方位和状态。,直流电磁跟踪器,交流电磁跟踪器的缺点：交流电磁场会因为发射器和接收器附近导体的影响而产生涡流，涡流产生的次磁场会引起磁场畸变。,磁场畸变的结果，是造成计算机系统输入信息的错误和计算机分析结果的误差。,直流电磁跟踪器能克服交流电磁跟踪器由于磁场畸变造成的误差。,直流电磁跟踪器的发射器、接收器、分析过程和原理与交流电磁跟踪器类似。,超声波跟踪器,利用来自处于不同方位物体的超声波的时间差、相位差、声强差，跟踪虚拟环境中或动物体的方位和状态。,Piltdown,三维罗盘是一个具有六个自由度的实时方向和位置跟踪器。由发射器、接收器和控制单元组成。,优点：不受外部磁场和铁磁物质,干扰。,接收器,物体,1,物体,2,光学位置跟踪器,由天花板上的,LED,格网和带在头上的相机组成：通过,LED,发出序列脉冲，相机拍照，计算机分析图像判断活动物体的方位和状态。,利用多台摄像机同时获取虚拟场境中活动物体的图像，并由计算机进行分析，判断活动物体的位置和状态。,输出设备,输出三维视觉、听觉、触觉信息,3D,声音生成器,:,利用人的声音定位,(,时间差、强度差,),特点，由计算机软件生成，能由人工设定声源在空间中位置的声音。,触觉和力反馈装置,:,是输入也是输出装置；将压电晶体縫进手套，受电激励时，使人感受到压力。,立体显示设备,头盔显示器,(HMD),双目全方位监视器,(BOOM),立体眼镜,立体投影显示,3D,显示器,头盔显示器,(HMD),虽然附有头部跟踪器,(,输入装置,),，但主要功能是显示输出,(,输出装置,),。,把用户的视觉与真实的世界隔离，采用双显示器产生立体、虚拟的三维景象。,用户眼前的小型视频显示器可采用两个平面液晶显示器，并由光学装置为用户提供舒适的观察视野。,如果用较大的单显示器，则不能产生三维的立体视觉。,双目全方位监视器,(BOOM),把两个独立的,CRT,显示器捆绑在一起。用户使用时，,类似于使用双目望远镜，通过手动调节，能观察宽视角的虚拟空间。,具有高分辨率、低延迟的优点。,立体眼镜,眼镜上装置有液晶快门，通过高速切换，使左右两眼分别看到不同的图像。,显示器显示左眼图像时，打开左眼快门。反之，显示器显示右眼图像时，打开右眼快门。,切换频率应不低于,50,赫兹。,立体投影显示,基于空间投影的显示技术：,10,10,9,英尺的房间，每一面墙和地板均由大屏幕投影机投上,1024,768,分辨率的图像，,5,10,人戴上立体眼镜共享虚拟环境。,ImmersaDesk,则采用,67,50,的背投屏幕作为显示器，,5,个人戴上立体眼镜可共享立体画面。,美国,SGI,公司集中多台大屏幕投影机，并进行精心设计以创设三维的虚拟现实环境。,华盛顿大学人类接口技术实验室正在研制虚拟视网膜显示器，直接把图像投影到人的视网膜上。,3D,显示器,一种被称为边光显示器的新型三维显示器。,用户不需要带专门的眼镜也能观察到立体图像。,虚拟现实的分类及实现,虚拟现实技术的分类,沉浸型虚拟现实系统,增强型虚拟现实系统,分布式虚拟现实系统,桌面虚拟现实系统,虚拟现实的实现,图形表现方式的实现,人机交互的实现,沉浸型虚拟现实系统,是一种将参与者的视觉、听觉、触觉与真实的世界完全隔离或封闭，使之全身心地投入其中的虚拟现实环境。,使人能够真正地沉浸其中，驾驭其上的虚拟现实系统。,增强型虚拟现实系统,虚实结合，允许用户看到真实的世界，虚拟对象则被融合于真实世界之中。,例如，某学校要建一座体育馆，可以在相应的位置“建造”一个虚拟的体育馆，从而观察效果，看它是否与周围的环境匹配和谐。,虚拟演播室：在真实的演播室中配以虚拟景物，从而增加演播室的视觉效果。,在医学、复杂机器的组装与维修、娱乐界均有应用。,分布式虚拟现实系统,(DVR),一种基于网络的虚拟现实环境。支持多人通过网络进行交互，每个用户处于一个虚拟环境中，通过计算机与其他用户进行交互并共享信息。,根据系统中运行的共享用户的多少，,可将,DVR,分为集中式结构和复制式结构。,集中式结构：中心服务器上运行一套共享的虚拟现实应用系统，中心服务器管理各用户的输入,/,输出。,在每个用户的机器上复制中心服务器，具有对网络带宽要求低的优点。,协同虚拟现实系统：重点在于研究协同工作环境。,应用于工程技术、建筑、交互式娱乐、电子商务等。,桌面虚拟现实系统,界定：利用,PC,和低级工作站，以标准显示器为观察窗口，用鼠标、追踪球、力矩球等外部设备操作与控制的虚拟现实系统。,优点：成本低，应用广泛。,缺点：参与者的投入程度不高。,主要技术：利用静态图像的虚拟现实技术、虚拟现实造型语言,(VRML),、计算机辅助设计,(CAD),。,图形表现方式的实现,图形表现形式,所需要的设备,立体三维图形,宽场景三维图形,立体三维图形卡,(,配头盔显示器或立体眼镜、投影仪,),投影仪,(,如果是立体图形需配立体眼睛,),计算机三维图形的绘制需要应用一些图形软件以及一些模型构造软件。,人机交互的实现,人机交互系统,系统的一般组成,人机交互硬件,人机交互基础,数据手套、三维鼠标、操纵杆、数据衣、普通鼠标,图形开发包,(,例如,OpenGL,等,),、与应用内容相适应的图形实体,(,如虚拟手、方向盘,),桌面虚拟现实系统,什么是桌面虚拟现实系统,桌面虚拟现实系统的渲染引擎技术,通用的图形软件平台,什么是桌面虚拟现实系统,利用,PC,机或低级工作站，以,PC,机的显示器屏幕为交互窗口，用外部设备,(,鼠标、追踪球、力矩球等,),控制的虚拟现实系统。,可在观察,360,度范围内的三维虚拟环境，并操作其中的物体。,具有成本低、应用广泛等优点，其缺点是参与者的投入程度不高。,桌面虚拟现实系统中的常用技术,基于静态图像的虚拟现实技术,虚拟现实造型语言,(VRML),计算机辅助设计,(CAD),通用的图形软件平台,基于,DOS,操作系统,(,游戏与娱乐业,),的图形库；,基于,Windows NT,系统的图形接口,AIP(,应用程序接口,);,硬件图形加速卡；,各种图形开发包。,桌面虚拟现实系统的渲染引擎技术,VRML(,虚拟现实建模语言,),QTVR(,基于静态图形的虚拟现实,),HTML(,超文本标记语言,),：用于描述,Veb,页面的语言。,VRML,及其原理,VRML,的文件结构及应用,几个相关概念,QTVR,的基本特征,功能特点,造型特点,性能特点,VRML,的发展简史,QTVR,的基本原理,VRML,及其原理,VRML(,虚拟现实建模语言,),：在,Web,上创建可导航、超链接的三维虚拟现实空间。,VRML,工作原理,文本描述：不是用三维坐标数据描述三维物体，而是用标记语言描述场景，例如，一个立方体的描述文本,：,Box(size3.0,3.0,3.0),。因而可减少数据量和传输中的困难。,远程传输：将,VRML,描述文本随,Web,页面传输到本地的用户机。,本地计算机生成：,VRML,描述文本传输到本地机后，由浏览器对其进行解释计算，并动态地生成三维虚拟场景,(,或物体,),。,VRML,的文件结构及应用,VRML,文件包含四个部分：文件头、原型、造型节点和脚本、路由。,虚拟场景的设计,直接编辑描述文本。方法简单、方便但不直观，且设计效率不高；,利用可视化工具。利用可视化的组件组成虚拟场景，之后由系统自动生成,VRML,描述文本。,应用于可视化导航，例如网上三维图书馆、虚拟校园等；用于进行模拟训练或实验，可降低危险、节省费用。,VRML,的发展简史,1994,年，日内瓦,WWW,第一次年会上，作为一种新的技术标准被提出；,1995,年，发布,VRML1.0,版本，用以描述三维世界，能与,HTML,描述的二维页面连接，但只能描述静止的三维世界。,1996,年，发布,VRML2.0,版本，能使三维世界动起来。,QTVR,的基本原理,QuickTime,：苹果公司开发的视频播放平台。,QTVR,的,基本原理：基于静态图像处理，能在微机平台上实现的初级虚拟现实技术。,在空间中的一个特定点，,360,度范围拍摄一系列静态照片，并进行精细、准确的连接，即可形成全景图像。,移动视点,(,观察点,),，再拍摄、连接,几个相关概念,全景：特定观察点，一定高度，,360,度视图，可切换视线,(,方向,),、视角,(,推拉镜头,),。,对象：虚拟空间中的物体，可在以该物体为中心的球面上观察该物体。,场景：一个或多个全景图像,(360,度虚拟环境视图,),和对象电影,(,对象的三维视图,),的有序集合。用户可在其中漫游：,对象电影 场景图像,全景图像 全景图像,对象电影 对象电影,节点：场景中的全景图像和对象电影。,QTVR,的,造型特点,基于几何模型的实时建模与动态显示：对每一观察点都要进行复杂的计算和绘制，过程复杂、工作量大，需要高性能,(,计算和图形功能,),工作站。,基于图像的实时建模与动态显示：利用图像镶嵌方式，可避开复杂的计算和图形绘制,(QTVR),。,QTVR,三维场景的建造,选观察点 旋转摄像 拼图、压缩、存储 调出漫游,特点：场景与观察点一一对应，但切换不平滑；不需造型，对计算机要求不高；静态场景，观察点受限。,插值问题：不同图像或插图间插值,研究方向。,QTVR,的,功能特点,可实现对三维空间和三维物体全方位观察，设备简单，节省费用。,三种观察方式,观察三维空间：以观察者为中心,观察三维物体：以物体为中心,在节点,(,场景图像和对象电影,),间切换：超媒体连接，切换平滑。,观察的角度,(,摇镜头,),可随意选择，放大与缩小,(,推拉镜头,),相当于观察点前后移动。,QTVR,的,性能特点,设备简单：不需要头盔、数据手套等昂贵的设备。,兼容性好：在普通,PC,上运行，可跨平台运行。,高度的现实性：比计算机生成的图像更具真实感。,数据量小：用苹果公司的压缩技术，一个,360,度的全景图片可压缩到,540K,。,制作简单：包括拍摄、数字化、节点制作、场景制作，周期短，可控制性强。,在立体空间的展示、立体物体的展示、展品介绍、虚拟空间的营造与建构、虚拟环境的建构等方面有独到之处。,在教育领域有广泛的应用。,虚拟现实技术在教育中的应用,主要的四种应用,虚拟实验室,基于,Web,的虚拟实验室,基于,Web,的虚拟实验室概述,基于,Web,的虚拟实验室的系统结构,基于,Web,的虚拟实验室的构建方法,在教育中的应用实例,(,可后自学,),主要的四种应用,作为教育和研究的媒体：是一种传播信息的媒体，使学习者能够在与“真实”的客观世界相互作用过程中进行自主的意义建构。,作为虚拟环境：近似真实的环境，并能“沉浸其中，驾驭其上”。在解剖医学、飞行训练、“进入”微观世界、“遨游”宇宙等方面有广泛应用。,作为研究主题：一个新型教育应用领域，一是对虚拟现实技术本身的研究，二是这种技术对教育的影响与应用的研究。,作为合作空间：不但能实现人与环境的交互，还能在虚拟环境中实现人与人之间的交互，如在虚拟班级、虚拟实验室等环境中协同工作或学习。,虚拟实验室,一种允许学习者进行操作和试验的虚拟环境。,利用虚拟现实技术，模拟实验现象，使学习者不但能够,“,身临其境,”,，还能够与在真实环境中一样得到真实的数据。,集成化的虚拟仪器、虚拟设备，允许教师和学生自由、无顾虑地进行操作以完成试验任务；,可避免某些试验对学习者造成的伤害；可进行仿真试验,(,如,H,2,O),；可以探索研究自然现象,(,虚拟作物及其培育,),等。,可用来完成各种演示与研究试验：如物理中力的大小与作用结果、物体的形变与非形变碰撞、初始条件与运动轨迹等。,基于,Web,的虚拟实验室概述,在,Web,中创建可视化的三维环境,(,试验环境,),和三维物体,(,操作对象,),。,能解决远程教育中理论教学的远距离性和试验教学的近距离性之间的矛盾，使整个教育完全远程化。,基于,Web,的虚拟实验室的系统结构,外部仪器与合作工具,独立于客户的数据,试验条件、结果数据库,独立于客户的数据,服务器,(,软件核心,),客户机,客户机,基于,Web,的虚拟实验室的构建方法,JVM(Java,虚拟机,),：,Java,是一种往上通用语言，具有较强的可移植性、稳定性和安全性。,使用,ActiveX,控件开发：,ActiveX,时刻重用、可装配、可用以开发客户程序的组件。使用者无需知道这些软件是怎样开发出来的，甚至不需要自己变成就可以完成网页的设计。典型环境：,Visual Basic,使用,VRML,开发：开发周期短,(,与,Java,比,),；媒体表现形式丰富,(,三维,),；可视化管理协同工作角色；改善协同工作的用户界面；能增强交互。,使用,QTVR,开发：,QuickTime3.0,以上版本支持,QTVR,，且只需,PC,；与传统影视比，强交互；与多媒体软件比，应用广泛，操作三维对象；与,CAD,比，动态、真实、丰富的场景，鲜明的细节。,
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