虚拟现实技术简介

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,*,*,虚拟现实技术,主讲教师：陈昌红,2015.8,总学时：32,学分： 2,教学环节：作业、日常考勤,使用教材：苗志宏等编著，虚拟现实技术基础与应用，清华大学出版社，2014.05.,虚拟现实技术是什么？,虚拟现实系统介绍,虚拟现实技术的发展历程,虚拟现实的原理和本质,虚拟现实系统的组成虚拟现实系统的分类,虚拟现实相关技术发展,虚拟现实技术价值,虚拟现实技术的应用,为何虚拟现实技术未爆发？,主要内容,虚拟现实技术是指采用计算机技术为核心的现代高科技手段生成一种虚拟环境，用户借助特殊的,输入,/,输出设备,，与虚拟世界中的物体进行自然的交互，从而通过,视觉、听觉和触觉,等获得与真实世界相同的感受,虚拟现实技术是什么？,虚拟现实,(,VirtuaI,Reality,VR,),是由美国,VPL Research,公司创始人,Jaron,Lanier,在,1989,年提出的。,Virtual,是虚假的意思,其含义是这个环境或世界是虚拟的,是存在于计算机内部的。,Reality,就是真实的意思,其含义是现实的环境或真实的世界。,虚拟现实这个概念最早是由谁在什么时间提出的？,1989,年，美国,VPL Research,公司创始人,Jaron Lanier,提出了,“Virtual Reality”,（虚拟现实）的概念。,如何理解“虚拟”这个词？,“Virtual”,说明，这个世界或环境是虚拟的，不是真实的。这个世界或环境是,人工构造,的，是存在于计算机内部的。用户应该能够,“,进入,”,这个虚拟的环境中。所谓,“,进入,”,这个虚拟的环境中，是指用户,以自然的方式与这个环境交互,如何理解“交互”这个词？,包括,感知,环境并,干预,环境，从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感，身临其境的感觉。,虚拟现实或虚拟环境系统包括哪些？,包括人类,操作者,、人机,接口,和,计算机,虚拟现实技术是什么？,虚拟现实技术是什么？,要素：,现代高科技手段,（计算机图形技术、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术、传感技术）,虚拟环境,（模拟真实世界中的环境、模拟人类主观构造的环境、模拟真实世界中人类不可见的环境）,输入,输出,输出设备：头戴显示器、,3D,立体显示器、,3D,立体眼镜、洞穴式立体显示系统,输入设备：游戏手柄,/,摇杆、,3D,数据手套、位置追踪器、眼动仪、动作捕捉器（数据衣）等,自然的交互,（用户采用自然的方式对虚拟物体进行操作并得到实时立体的反馈。如：语音、手的移动、头的转动、脚的走动等）,虚拟现实技术是什么？,对于虚拟现实系统，与用户交互的环境实际是,人工构造,的，存在于计算机内部的环境。这种虚拟的环境，可能有几种情况：,一种情况是,真实环境的仿真,。,例如，仿真真实建筑物的虚拟建筑物。这种真实建筑物可能是已经建成的，也可能是已经设计好但尚未建成的。,一种情况是,完全虚拟的人造环境,。,例如在虚拟风洞中，借助可视化技术构造的虚拟风洞环境。又如在三维动画中，人工构造的虚拟环境。,虚拟现实系统介绍,虚拟现实的概念中有三个,I,：,（,1,）,I,mmersion(,沉浸,),，是指逼真的，身临其境的感觉。,（,2,）,I,nteraction(,交互,),，是指用户感知与操作环境,（,3,）,I,magination(,想象,),，是指创造性,虚拟现实系统介绍,萌芽阶段,：此阶段虚拟现实技术没有形成完整的概念，处于探索阶段。,1956,年，具有多感官体验的立体电影系统,Sensorama,被开发。,1965,年，“虚拟现实之父”美国科学家,LvanSutherland,提出感觉真实、交互真实的人机协作新理论。,1968,年，,Lvan Sutherland,研发出视觉沉浸的头盔式立体显示器和头部位置跟踪系统。,1973,年，,Myron Krurger,提出“,VirtualReality”,概念。,虚拟现实技术的发展历程,虚拟现实技术从实验室走向系统化实现阶段,：此阶段虚拟现实技术的概念逐渐形成和完善，出现了一些比较典型的虚拟现实应用系统。,20,世纪,80,年代初，美国国防部研发出虚拟战场系统,SIMNET,，宇航局开发用于火星探测的虚拟环境视觉显示器。,1986,年，“虚拟工作台”的概念被提出，裸视,3D,立体显示器被研发。,1988,年，,VPL,公司研制出第一款民用虚拟现实产品,EyePhone,。,1989,年，,VPL,公司创始人正式提出了“,VirtualReality”,并被正式认可和使用。,虚拟现实技术的发展历程,虚拟现实技术快速发展和完善阶段,：此阶段与虚拟现实技术密切相关的计算机软件、硬件系统迅速发展，从而推动了虚拟现实技术在各行业领域广泛应用。,1992,年，,Sense8,公司开发“,WTK”,软件开发包，极大缩短虚拟现实系统的开发周期。,1993,年，波音公司使用虚拟现实技术设计出波音,777,飞机。,1994,年，虚拟现实建模语言、建模语言出现，为图形数据的网络传输和交互奠定基础。,虚拟现实技术的发展历程,人在物理交互空间通过传感器集成等设备与由计算机硬件和VR引擎产生的虚拟环境交互,虚拟现实的原理和本质,多传感器的原始数据经过传感器处理成为融合信息,经过行为解释器产生行为数据,然后输人虚拟环境并与用户进行交互,最后,来自虚拟环境的配置和应用状态再反馈给传感器,虚拟现实的本质在于它的模拟和仿真,可以通过现有的信息技术手段达到对现实世界中客观事物的模拟和再现。,虚拟现实通过模仿,尽可能地模拟出现实中的功能和特性,通过交互的手段,令使用者产生“身临其境”的感觉。,虚拟现实系统的组成,桌面式虚拟现实,利用个人计算机或初级图形工作站,以计算机屏幕作为用户观察虚拟世界的一个窗口,采用立体图形、自然交互等技术,产生三维立体空间的交互场景,通过包括键盘、鼠标和力矩球等在内的各种输人设备操纵虚拟世界,实现与虚拟世界的交互,虚拟现实系统的分类,沉浸式虚拟现实,提供了一个完全沉浸的体验,使用户有一种仿佛置身于真实世界之中的感觉,是,种高级的、较理想的虚拟现实系统。,通常采用洞穴式立体显示装置或头盔式显示器等设备,首先把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来,并提供一个新的、虚拟的感觉空间,利用三维鼠标、数据手套、空间位置跟踪器等输人设备和视觉、听觉等设备,使用户产生一种身临其境、完全投人和沉浸其中的感觉。,虚拟现实系统的分类,增强式虚拟现实,增强现实是在虚拟现实与真实世界之间的沟壑上架起,座桥梁；,例如,可以利用叠加在周围环境上的图形信息和文字信息,以指导操作者对设备进行操作、维护或是修理,而不需要操作者去查阅手册,甚至不需要操作者具有工作经验。,虚拟现实系统的分类,分布式虚拟现实,分布式虚拟现实系统是虚拟现实技术和网络技术结合的产物,;,在沉浸式虚拟现实系统的基础上,将地理上分布的多个用户或多个虚拟世界通过网络连接在一起,使每个用户同时参与到一个虚拟空间,通过联网的计算机与其他用户进行交互,共同体验虚拟经历,协同工作达到一个更高的境界。,4,个基本组成部分,:,图形显示器、通信和控制设备、处理系统和数据网络。,虚拟现实系统的分类,硬件,被设计用来面向,Hardcore Gamer,的,Oculus,，倚仗着游戏,PC,的强大计算能力，将,VR,产品引入了消费者的视野。,虚拟现实相关技术发展,各大游戏内容和游戏硬件厂商：,Sony,，,Valve,和,Razor,都迅速的推出了自己基于,PC,的,VR,产品。,微软展示了结合,AR,的,Hololens,，整合,Windows 10,平台和全套开发环境，决心打造,VR,产业生态标准。,谷歌推出廉价的、用来推广,VR,概念的,CardBoard,，也斥资,5,亿美元领投了,AR,公司,Magic Leap,。,移动端，三星抢先进驻移动,VR,领域，让更多的消费者了解到了,VR,产品并不是那么触不可及。,虚拟现实相关技术发展,移动系统支持,谷歌在,Android,平台虽然还算成功，但是碎片化严重的问题导致利润率根本无法和,iOS,相提并论。不久前，谷歌宣布将专门开发为,VR,应用特别优化的,Android,系统。看得出谷歌打算要在系统支持上投入更大的精力，期待在新一轮移动,VR,竞争中，通过,Android,取得优势。,Android,的逻辑分层为通用开发铺平了道路，但是在,VR,应用中，过多的分层反而导致效率降低，拖慢画面渲染速度，耗电量也随之增加。三星的,GearVR,在,Android,上层做了尽可能多的优化，但是如果谷歌可以从更加底层对系统进行优化，为,VR,应用专门提供一套直接与底层图形渲染通信的,api,。,虚拟现实相关技术发展,VR,操作系统,下一步各大科技公司想要得到人机交互技术，就是无需凭借外设、最自然的手势交互技术。而且,AR,技术也随着,VR,的推广进入了人们的视野，通过,AR,的方式来进行人机交互也在探索中，这将极大的提高移动,VR,头盔的用户体验。,虚拟现实相关技术发展,虚拟现实技术价值,沉浸式,VR,设备市场成熟度,沉浸式,VR,设备市场处于市场启动期，,2015,年大量设备实现量产，推向消费级市场，行业即将进入高速发展期。,虚拟现实技术价值,虚拟现实技术价值,虚拟现实技术价值,虚拟现实游戏,Unity 3D,宣布对年收入,10w,美元以下的开发者免费，,Unreal,紧随其后也宣布了对开发者免费的政策，,Oculus,去年收购了,RakNet,以后，立刻就开放了源代码。,Oculus,还特别展示了使用,CryEngine,制作的,VR,内容。日益开放的游戏开发平台，对制作,VR,游戏内容开发者社区有重大意义。,使用,Xbox,手柄操作，画面无颗粒感和延迟感，流畅。,战斗系统虽然并不丰富，但是可以预见，魔法特效以后，效果绝对惊艳。,未来两年，各大游戏厂商都会加入,VR,支持！,虚拟现实技术的主要应用,电影,好莱坞的电影制作人们已经跃跃欲试的要把电影,VR,化了，对,VR,这个新技术他们充满了好奇。,梦工厂的动画实验室更是重新以第一视角，专门渲染了一个,VR,版本的,驯龙高手,片段，可以让带上,VR,头盔的你和无牙仔一起翱翔在博克岛的天空！,要制作,VR,电影，拍摄,360,度的摄像机（拼合画面呈圆柱状）已经不够用了，我们需要球型摄像机（拼合图像是闭合的球状）。,Jaunt,在这方面非常活跃，在,VR,展会上展示他们最新的,Demo,。,使用,Jaunt,拍摄的画面全方位无死角（仅在最下方放置支架的地方有一小块盲区）。,虚拟现实技术的主要应用,在线视频,在线的,VR,传播平台也是,VR,产业链里重要的一环。,Youtube,已经成功推出了,360,度视频，允许用户随时选择、切换观看视角，谷歌当然会率先在,Youtube,推出,VR,视频内容，这样一来用户就无需再在本地下载大体量的,VR,视频内容，而是通过,Youtube,这类在线视频服务来获取,VR,内容，谷歌一直在大力推广的,VP9,压缩标准应该也能在视频质量上提供帮助。,虚拟现实技术的主要应用,军事领域,VR,技术在军事训练领域主要集中在虚拟战场环境、单兵模拟训练、近战战术训练和诸军种联合虚拟演习、指挥员训练等方面。,采用虚拟现实技术使受训者在视觉和听觉上真实体验战场环境、熟悉即将作战区域的环境特征。以增强其临场感觉,提高训练质量。,虚拟现实技术的主要应用,工业领域,虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现,即采用计算机仿真与虚拟技术,通过仿真模型,在计算机上仿真生产全过程,实现产品的工艺规程、加工制造、装配和调试,预估产品的功能、性能和加工性等方面可能存在的问题,虚拟制造实际上就是要用计算机生产出虚拟产品。,教育领域,虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境,在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验,从而加速和巩固学生学习知识的过程。,亲身去经历、去感受比空洞抽象的说教更具说服力,主动交互与被动地灌输有本质的差别。,医学领域,虚拟现实技术在医学上已应用于构建仿真组织、器官的解剖结构以后还可构建“虚拟器官”,远程医疗系统在医学中用于控制远方的医疗设备,远程手术系统根据遥感和机器人等技术将远程传送来的图像仿真成手术场景,手术医生在此场景下进行手术操作,传感器将医生的操作控制信号传送到手术目的地,控制手术目的地的手术机器人或机器手完成手术。,BusinessInsider-Intelligence,近期发布了一个虚拟现实市场的研究预测报告。预测，从,2015,年到,2020,年，虚拟现实头盔的销售量将每年呈现,99%,的复合年度增长率。到,2020,年，虚拟现实头盔市场的容量，将达到,28,亿美元，远高于,2015,年的,3700,万美元。,虚拟现实为何未爆发？,核心技术与用户体验需要提高,当我们建立一个以地理位置为核心的虚拟环境时，一定要确保用户体验。如果游戏或应用设计不佳，用户感到不满意，初始阶段就会比较糟糕。,在近期拉下帷幕的,ChinaJoy,中多数虚拟现实设备仍旧存在长时间使用产生视觉眩晕的效果，用户的体验还不是十分完善，技术还有待提升。,虚拟现实为何未爆发？,内容上的坎还需跨越,尽管目前资本与舆论都纷纷看好虚拟现实，但不可否认的是，不论是游戏、视频，还是旅游、教育、医疗等专业用途虚拟现实的内容都是寥寥无几的。,VR,成长初期以来与游戏相结合是最合适不过相信大活不得而知。虚拟现实游戏的制作成本不是一般团队能够承担的，目前在国内，虚拟现实内容主要应用在旅游景点的电子导览和教育课件方面。,虚拟现实为何未爆发？,任天堂曾于,1995,年推出一款名叫“虚拟男孩”（,Virtual Boy,）的头戴式虚拟现实游戏装置，不过第二年便将其下架了。这款产品有很多问题：首先它其实并不具备便携性，其次是价格非常昂贵，穿戴起来也很不舒服，而且显示屏还是黑白的。（更不用说估计只有男孩才喜欢玩它。）它与如今,Oculus VR,和三星等公司推出的虚拟现实套件的唯一共同点，就是评测过这些设备的人都认为它们“缺乏社交性” 。,任天堂公司领袖人物之一宫本茂谈及,VR,的时候这样说道：,“我们知道这项技术的发挥空间，我们在这方面已经尝试过很长很长时间了。所以我们相信，如果真的要在游戏界推动这个技术，你需要把它做得更加的有趣，更加的社交。就目前我看的东西来说，这东西一点也不有趣，也不够社交，它只是一个技术。”,虚拟现实为何未爆发？,