01第一章虚拟现实与系统仿真概述44

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,#,虚拟现实（LNTU)第一章 虚拟现实与系统仿真概述,虚 拟 现 实,电信学院 刘文进,联系电话：04186892020,E-MAIL:XIAOHAO_69163.COM,办公室：静远414（5310941）,1,授课计,划,划,虚拟现,实,实与系,统,统仿真,概,概述,仿真系,统,统的数,学,学模型,离散事,件,件系统,仿,仿真,面向对,象,象的仿,真,真*,分布交,互,互仿真,*,*,虚拟现,实,实感观,基,基础（,输,输入设,备,备、输,出,出设备,）,）,VR的,计,计算机,体,体系结,构,构,VR建,模,模,VRML语言,及,及其实,现,现方法,虚拟现,实,实仿真,应,应用实,例,例*,2,虚拟现,实,实与系,统,统仿真,概,概述,电信学,院,院,刘,刘文,进,进,3,第一章,虚,虚,拟,拟现实,与,与系统,仿,仿真概,述,述,虚拟现,实,实与系,统,统仿真,的,的基本,概,概念,虚拟现,实,实技术,的,的发展,虚拟现,实,实的基,本,本特征,虚拟现,实,实分类,虚拟现,实,实系统,的,的主要,技,技术构,成,成,虚拟现,实,实的应,用,用,国内外,虚,虚拟现,实,实技术,的,的研究,现,现状,4,人类有,许,许多梦,想,想，一,些,些梦想,已,已经变,为,为现实,，,，而有,一,一些梦,想,想也许,永远都,不,不可能,实,实现。,然,然而，,有,有一种,技,技术却,能,能使一,切,切梦想,全,全部在,感,感知,中实现,，,，这就,是,是,虚拟现,实,实技术,（VirtualReality，简称VR）。,虚拟现,实,实是在,计,计算机,图,图形学,、,、计算,机,机仿真,技,技术、,人,人机接,口,口技术,、,、多媒,体,体技术,以,以及传,感,感技术,的,的基础,上,上发展,起,起来的,交,交叉学,科,科，由,于,于它生,成,成的视,觉,觉环境,是,是立体,的,的、音,效,效是立,体,体的，,人,人机交,互,互是和,谐,谐友好,的,的，因,此,此虚拟,现,现实技,术,术将一,改,改人与,计,计算机,之,之间枯,燥,燥、生,硬,硬和被,动,动的现,状,状，即,计,计算机,创,创造的,环,环境将,人,人们陶,醉,醉在流,连,连忘返,的,的工作,环,环境之,中,中。,虚拟现,实,实（VR）技术,是,是20世纪90年代以,来,来兴起,的,的一种,新,新型信,息技术,，,，它集,多,多媒体,、,、网络,技,技术、,传,传感技,术,术等多,种,种先进,技,技术为,一,一体，,是,是当今,前,前景最,好,好的计,算,算机技,术,术之一,。,。,5,几种虚,拟,拟现实,虚拟环,境,境,虚拟房,间,间,虚拟汽,车,车,虚拟人,6,参考书,：,：,现在仿,真,真技术,与,与应用,康,康,凤,凤举等,国,国,防,防工业,出,出版社,虚拟现,实,实技术,（,（第二,版,版）,【,【美,】,】GrigoreC.Burdea,、,、【,法,法】Philippe Coiffet,著,著,电,电子,工,工业出,版,版社,虚拟现,实,实与系,统,统仿真,韦,韦有,双,双等,国,国防,工,工业出,版,版社,7,虚拟现,实,实与系,统,统仿真,的,的基本,概,概念,一、系,统,统仿真,1、定,义,义,系统仿,真,真是以,相,相似原,理,理、系,统,统技术,、,、信息,技,技术及,其,其应用,领,领域有,关,关专业,技,技术为,基,基础，,以,以计算,机,机、仿,真,真器和,各,各种专,用,用物理,效,效应设,备,备为工,具,具，利,用,用系统,模,模型对,真,真实的,或,或设想,的,的系统,进,进行动,态,态研究,的,的一门,多,多学科,的,的综合,性,性技术,。,。,1946年电,子,子微分,分,分析器,的,的诞生,，,，开创,了,了系统,仿,仿真的,新,新阶段,，,，系统,仿,仿真逐,渐,渐成为,以,以相似,论,论、系,统,统科学,、,、计算,机,机科学,、,、系统,工,工程理,论,论、概,率,率论、,数,数理统,计,计和时,间,间序列,分,分析等,多,多个学,科,科为基,础,础的新,兴,兴的综,合,合性学,科,科。,8,虚拟现,实,实与系,统,统仿真,的,的基本,概,概念,2、仿,真,真学科,的,的理论,体,体系,相似理,论,论：研,究,究事物,之,之间相,似,似规律,及,及其应,用,用的科,学,学（几,何,何相似,、,、离散,相,相似、,等,等效、,感,感觉相,似,似、思,维,维相似,）,）；,模型论,：,：以各,应,应用领,域,域内的,科,科学理,论,论为基,础,础，建,立,立符合,仿,仿真应,用,用要求,、,、通用,的,的、各,领,领域专,用,用的各,种,种模型,的,的理论,和,和方法,（,（模型,的,的体系,结,结构、,建,建模的,工,工具环,境,境等）,；,；,仿真系,统,统理论,：,：研究,和,和论述,构,构建符,合,合应用,需,需求的,仿,仿真系,统,统理论,和,和要求,（,（仿真,系,系统的,体,体系和,构,构成、,设,设计及,其,其公共,关,关键技,术,术、研,制,制和运,用,用、规,范,范和标,准,准等）,；,；,仿真方,法,法论：,结,结合各,应,应用领,域,域的不,同,同需求,，,，研究,仿,仿真基,本,本思想,和,和方法,（,（定量,仿,仿真、,定,定性仿,真,真、集,中,中式仿,真,真、分,布,布交互,式,式仿真,、,、面向,对,对象仿,真,真、智,能,能仿真,等,等）；,仿真的,可,可信性,理,理论；,仿真科,学,学和技,术,术的应,用,用理论,。,。,9,虚拟现,实,实与系,统,统仿真,的,的基本,概,概念,3、仿,真,真的工,作,作流程,系统,系统模型,计算机物理效应模型实物,系统建模,仿真建模,仿真试验,主要工,作,作流程,：,：,系统定,义,义,数学建,模,模,仿真建,模,模,装载,试验,结果分,析,析,10,虚拟现,实,实与系,统,统仿真,的,的基本,概,概念,仿真问题的描述,特定的模型：,参数模型,参数值,试验：,实验框架,仿真运行控制,行为产生器,模型行为及其处理,模型行为（仿真数据）,轨迹产生,结构行为,行为处理：分析、显示,4、仿,真,真的基,本,本框架,1984年Oren,提,提出了,现,现在仿,真,真的基,本,本框架,：,：,“建模,试,验,验,分,分析”,仿真研,究,究的基,本,本要素,的,的具体,内,内容和,相,相互关,系,系如图,所,所示。,11,Virtual Reality,（,（VR,）,）,(J.Lanier,1989),译为:,虚,虚,拟,拟现实,、,、灵境,、,、幻真,.,.,其他：VirtualEnvironment,Artificial Reality,(M.W.Krueger,1970s,),),Cyberspace,(W.Gibson,1984),虚拟现,实,实与系,统,统仿真,的,的基本,概,概念,二、虚,拟,拟现实,是一种,可,可以创,建,建和体,验,验虚拟,世,世界的,计,计算机,系,系统。,而,而虚拟,世,世界是,全,全体虚,拟,拟环境,或,或给定,仿,仿真对,象,象的全,体,体。虚,拟,拟环境,是,是由计,算,算机生,成,成的，,通,通过视,、,、听、,触,触觉等,作,作用于,用,用户，,使,使之产,生,生身临,其,其境感,觉,觉的交,互,互式视,景,景仿真,。,。,利用计,算,算机生,成,成的能,给,给人多,种,种感官,刺,刺激的,人,人机交,互,互系统,。,。,12,用计算,机,机技术,来,来生成,一,一个逼,真,真的三,维,维视觉,、,、听觉,、,、触觉,或,或嗅觉,等,等感觉,世,世界，,让,让用户,可,可以从,自,自己的,视,视点出,发,发，利,用,用自然,的,的技能,和,和某些,设,设备对,这,这一生,成,成的虚,拟,拟世界,客,客体进,行,行浏览,和,和交互,考,考察。,.逼,真,真的感,觉,觉,视觉，,听,听觉，,触,触觉，,嗅,嗅觉,等,等,.自,然,然的交,互,互,运动，,姿,姿势，,语,语言，,身,身体跟,踪,踪 等,.个,人,人的视,点,点,用户的,眼,眼、耳,、,、身,所,所感到,的,的感觉,信,信息,.迅,速,速的响,应,应,感觉信,息,息根据,视,视点变,化,化和用,户,户输入,及,及时,更,更新,虚拟现,实,实与系,统,统仿真,的,的基本,概,概念,13,虚拟现,实,实与系,统,统仿真,的,的基本,概,概念,虚拟现,实,实是一,项,项综合,技,技术,涉及：,计,计算机,图,图形学,、,、人机,接,接口技,术,术、图,像,像处理,与,与模式,识,识别、,多,多传感,器,器技术,、,、语音,处,处理与,音,音响技,术,术、网,络,络技术,、,、并行,处,处理技,术,术、高,性,性能计,算,算机系,统,统、人,工,工智能,技,技术.,.,.,核心：2M(MPP,MultiMedia),2O,(,(OpenSystem,Object-oriented),需要：,计,计算机,专,专家、,人,人类工,程,程学(Ergonomics)专,家,家、心,理,理学专,家,家等共,同,同开发,研,研究。,两个方,面,面：,第一是,计,计算机,生,生成的,虚,虚拟环,境,境必,须是能,给,给人提,供,供多种,感,感觉的,感,感官刺,激,激,的环境,，,，能让,人,人有“,沉,沉浸”,的,的感觉,，,，现,在的技,术,术水平,，,，虚拟,现,现实通,常,常由视,觉,觉、,听觉和,触,触觉构,成,成。,其二是,虚,虚拟现,实,实系统,是,是一种,高,高级,的人机,交,交互系,统,统，因,此,此人机,交,交互是,虚,虚,拟现实,的,的核心,。,。,14,虚拟现,实,实的基,本,本特征,1、沉,浸,浸性(Immersion,),):,又称临,场,场感，,让,让用户,感,感到作,为,为主角,存,存在于,模,模拟环,境,境中的,真,真实程,度,度，沉,浸,浸被通,俗,俗地解,释,释为“,身,身临其,境,境”。,虚拟技,术,术三角,形,形,视觉沉,浸,浸：显,示,示象素,足,足够小,、,、刷新,频,频率足,够,够高、,具,具有双,目,目视差,、,、足够,大,大的视,场,场等；,听觉沉,浸,浸：三,维,维声音,；,；,触觉沉,浸,浸：力,反,反馈方,面,面；,嗅觉沉,浸,浸,身体感,觉,觉沉浸,、,、味觉,沉,沉浸等,15,虚拟现,实,实的基,本,本特征,(2),交,交互性,(,(Interaction,),):,交互性,指,指用户,对,对模拟,环,环境内,物,物体的,可,可操作,程,程度和,从,从环境,得,得到反,馈,馈的自,然,然程度,（,（包括,实,实时性,）,）。,(3),构,构想性,(,(Imagination,),):,用户沉,浸,浸在多,维,维信息,空,空间中,，,，依靠,自,自己感,知,知和认,知,知能力,全,全方位,地,地获取,知,知识，,发,发挥主,观,观能动,性,性，寻,求,求解答,，,，形成,新,新概念,。,。,虚拟技,术,术三角,形,形,特点：,虚拟环,境,境中人,的,的参与,与,与反馈,；,；,人机交,互,互的有,效,效性,人机交,互,互的实,时,时性,16,虚拟现,实,实技术,的,的发展,1965年，Sutherland在篇名,为,为终,极,极的显,示,示,（TheUltimateDisplay）,的论文,中,中首次,提,提出了,包,包括具,有,有交互,图,图形显,示,示、力,反,反馈设,备,备以及,声,声音,提示的,虚,虚拟现,实,实系统,的,的基本,思,思想，,从,从此，,人,人们正,式,式开始,了,了对虚,拟,拟现,实系统,的,的研究,探,探索历,程,程。,1970年，出现,了,了第一,个,个功能,较,较齐全,的,的HMD系统。,基,基于从60年代以,来所取,得,得的一,系,系列成,就,就，美,国,国的JaronLanier在80