虚拟现实技术的发展课件

,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,教学目的和要求：,1、了解虚拟现实的概念；,2,、了解虚拟现实的组成及国内,和同外虚拟现实研究的现状。,教学重点：,1、虚拟现实定义；,2、虚拟现实的组成；,3、虚拟现实的应用研究现状；,4,、虚拟现实的应用前景。,虚拟现实教学目的和要求：教学重点：,1,前言,人类有许多梦想，一些梦想已经变为现实，而有一些梦想也许,永远都不可能实现。然而，有一种技术却能使一切梦想全部在感知,中实现，这就是,虚拟现实技术,（,Virtual Reality,，简称,VR,）,。,虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、,多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，由于它生,成的视觉环境是立体的、音效是立体的，人机交互是和谐友好的，,因此虚拟现实技术将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，,即计算机创造的环境将人们陶醉在流连忘返的工作环境之中。,虚拟现实（,VR,）技术是,20,世纪,90,年代以来兴起的一种新型信,息技术，它集多媒体、网络技术、传感技术等多种先进技术为一体，,是当今前景最好的计算机技术之一。,前言 人类有许多梦想，一些梦想已经变为现实，而有一些梦,2,几种虚拟现实,虚拟环境,虚拟房间,虚拟汽车,虚拟人,几种虚拟现实虚拟环境虚拟房间虚拟汽车虚拟人,3,虚拟现实技术的发展,1965,年,，,Sutherland,在篇名为终极的显示,（,The Ultimate Display,）,的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音,提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现,实系统的研究探索历程。,1970,年,，出现了第一个功能较齐全的,HMD,系统。基于从,60,年代以,来所取得的一系列成就，美国的,Jaron Lanier,在,80,年代初正式提出了,“,Virtual Reality,”一词。,80,年代,，美国宇航局（,NASA,）及美国国防部组织了一系列有关,虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了,人们对虚拟现实技术的广泛关注。,1984,年，,NASA Ames,研究中心虚,拟行星探测实验室组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，,将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星,表面的三维虚拟环境。,虚拟现实技术的发展 1965年，Sutherland,4,虚拟现实技术的发展,90,年代,，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机,软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时,动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实,用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统,的发展打下了良好的基础。,例如,1993,年的,11,月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成,了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚,拟现实技术设计波音,777,获得成功，是近年来引起科技界瞩目,的又一件工作。,虚拟现实技术的发展 90年代，迅速发展的计算机硬件技术,5,虚拟现实的定义,虚拟现实外国有时还称为：,“,信息空间,”,，,“,人工现实,”,，,“,合成,环境,“,等，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用,户同时提供诸如视、听、嗅、触等各种直观而又自然的实时感知,交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而提高整个系统的工,作效率。关于虚拟现实的定义，我们可以简单地理解为：,利用计算机生成的能给人多种感官刺激的人机交互系统。,两个方面：,第一是计算机生成的虚拟环境必,须是能给人提供多种感觉的感官刺激,的环境，能让人有“沉浸”的感觉，现,在的技术水平，虚拟现实通常由视觉、,听觉和触觉构成。,其二是虚拟现实系统是一种高级,的人机交互系统，因此人机交互是虚,拟现实的核心。,虚拟现实的定义 虚拟现实外国有时还称为：“信息空间”，,6,虚拟现实的基本特征,(1)多感知性:,所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉,感知、嗅觉感知等。,(2)沉浸性:,又称临场感，让用户感到作为主角存在于,模拟环境中的真实程度，沉浸被通俗地解释为,“身临其境”。,(3)交互性:,交互性指用户对模拟环境内物体的可操作,程度和从环境得到反馈的自然程度,（包括实时性）。,(4)构想性:,虚拟现实技术中人与虚拟环境的交互作用，,在本质上意味着它不是预成性的而是生成性的，,不是因循的而是创造的，,虚拟技术三角形,虚拟现实的基本特征(1)多感知性:(2)沉浸性:(3)交互性,7,虚拟现实分类（1）,按照虚拟现实系统,功能和实现方式,的不同，可以分为三种类型：,（1）沉浸型,虚拟现实系统,（,“可穿戴的”VR系统,）,沉浸型虚拟现实系统提供完全沉浸的体验。,它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的,视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个,新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、,数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参,与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中,的感觉。例如，在消防仿真演习系统中，消防,员会沉浸于极度真实的火灾场景并做出不同反,应。这种系统的优点是用户可完全沉浸到虚拟,世界中去，缺点是系统设备尤其是硬件价格相,对较高，难以大规则普及推广。,虚拟现实分类（1）按照虚拟现实系统功能和实现方式的不同，可以,8,虚拟现实分类（2）,（2）简易型,虚拟现实系统（,桌面VR系统,）,桌面虚拟现实利用个人计算机和低级,工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用,户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输,入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，,这些外部设备包括立体眼镜、3D控制器使,监视器或者鼠标，追踪球，力矩球等。它,要求参与者使用输入设备，通过计算机屏,幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵,其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉,浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干,扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的,现实体验，但这种系统的特点是结构简单、,价格低廉，组成灵活，易于普及推广，是,一套经济实用的系统。,虚拟现实分类（2）（2）简易型虚拟现实系统（桌面VR系统）,9,虚拟现实分类（3）,（3）共享型,虚拟现实系统,（网络虚拟现实，又称为,分布式,虚拟环境）,是一种基于网络连接的虚拟现实系统，,它是多个用户通过计算机网络连接在一起，,同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，,把虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这,就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现,实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟,世界进行观察和操作，以达到协同工作的目,的。例如，异地的医科学生，可以通过网络，,对虚拟手术室中的病人进行外科手术。又如,风靡因特网的网络游戏，其实就是共享型虚,拟现实系统的有力表现。众多玩家可以在同,一个虚拟环境中交互式的进行交流、打斗、,组织甚至生存，让虚拟的情节持续发展。,洽谈,讨论,设计,虚拟现实分类（3）（3）共享型虚拟现实系统洽谈讨论设计,10,虚拟现实系统的主要技术构成,实时三维图形生成技术、多传感交互技术、高分辨率显示技术,.,(1)动态环境建模,动态环境建模技术的目的就是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要建立相应,的虚拟环境模型。,(2)实时三维图形生成技术,三维图形的生成技术已经较为成熟，为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新频,率不低于15帧/秒，最好高于30帧/秒。提高刷新频率是该技术的主要内容。,(3)立体显示和传感器技术,虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展，设备过重、分辨率低、,延迟大、有线、跟踪精度低、视场不够宽、眼睛容易疲劳等，因此有必要开发新的,三维显示技术。,(4)应用系统开发工具,虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想像力和创造性。选择适,当的应用对象可以大幅度提高生产效率，减轻劳动强度，提高产品质量。,(5)系统集成技术,由于VR系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技术起着至关重要的作用。,集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别,与合成技术等等。,虚拟现实系统的主要技术构成实时三维图形生成技术、多传感交互技,11,硬件构成,（1）,虚拟现实生成设备：,是一台或多台高性能计算机，是带有图形加速器和,多条图形输出流水线的高性能图形计算机。,（2）,感知设备：,感知设备是指将虚拟世界各类感知模型转变为人能,接受的多通道刺激信号的设备。然而，相对成熟的感知,信息和生产和检测技术仅有视觉、听觉和力觉三种通道。,（3）,跟踪设备：,跟踪设备用于跟踪并检测位置和方位，实现虚拟现,实系统中人机交互操作。,（4）,基于自然方式的人机交互设备：,应用手势、体势、眼神以及自然语言的人机交互设备，,常见的有数据手套、数据衣服、眼球跟踪器及语音综合识,别装置。,硬件构成（1）虚拟现实生成设备：,12,虚拟现实系统硬件配置示意图：,虚拟现实系统硬件配置示意图：,13,几种常用的虚拟现实设备：,高性能图形计算机,环形屏幕,头盔,眼镜,三维显示器,三维鼠标,手套,几种常用的虚拟现实设备：高性能图形计算机环形屏幕头盔眼镜三,14,虚拟现实的应用领域：,（1）用于遥控机器人的遥现技术：,遥现技术是指当实际上在某一个地方时，可以产生在另一个地方的感觉。,例如，在宇宙空间站的开发计划中，受各种因素的制约，机器人的遥控遥现,技术起了至关重要的作用。,（2）仿真技术,计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、,味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。例如：飞行仿真系统,、,与虚拟生物对话,、,作战仿真系统,等。,（3）对象可视化技术：,在科学研究中对研究数据生成可视化效果以便观察和研究。例如：虚拟风洞。,（4）虚拟实验室：,在研究工作和学习过程中，总会有许多实验需反复进行，以期得到不同条件,下的不同结果，虚拟实验室能提供这样一个平台。例如：虚拟物理实验室。,（5）虚拟电力控制室：,使用虚拟现实技术研制辅助设计控制室的系统。使用该系统可以自由地改变,控制室内的配置等室内外环境，以便从不同方向观察研究控制室情况。,虚拟现实的应用领域：（1）用于遥控机器人的遥现技术：,15,虚拟现实的应用领域：,（6）分布式虚拟现实系统：,分布式虚拟现实系统（DVR）即是一个较为典型的实例。所谓DVR是指一个支,持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，,通过计算机与其它用户进行交互，并共享信息。,（7）扩增实境：,扩增实境是虚拟现实最具实用价值的应用之一。它在真实环境的基础上把虚拟环,境叠加进去，使二者有机结合，产生虚实难辩、亦幻亦真的感觉。例如：当人进,入到一商店购某物时，即可在显示设备上显示此物的价格、性能及各种参数等。,虚拟现实的应用领域：（6）分布式虚拟现实系统：,16,虚拟现实在,教育,领域的具体应用,虚拟,学习环境,虚拟,实验室,虚拟,实训基地,虚拟,仿真校园,虚拟,远程教育,虚拟现实在教育领域的具体应用 虚拟学习环境,17,虚拟现实在,军事,领域的具体应用,虚拟,战场环境,单兵,模拟训练与评判,诸军种,联合虚拟演习,进行,指挥员训练,虚拟现实在军事领域的具体应用虚拟战场环境,18,虚拟现实在,矿业,领域的具体应用,模拟,矿井开采,矿业人员,技术培训,矿井设备的虚拟,设计和制造,事故模拟与,调查分析,虚拟现实在矿业领域的具体应用模拟矿井开采,19,虚拟现实在,商业,领域的具体应用,物品,外观,展示,物品,特性,展示,物品的,功能参数,物品的,价格,虚拟现实在商业领域的具体应用物品外观展示,20,虚拟现实在,房地产,领域的具体应用,最直观的,交流方式,最快捷的,审批平台,最方便的,设计工具,最先进的,营销手段,虚拟现实在房地产领域的具体应用最直观的交流方式,21,几个已实现的例子：,1,、日本松下公司用来招揽买主的“厨房世界”,2、杭州大学开发的虚拟故官游玩系