1、虛擬現實技術虛擬現實技術( (Virtual Reality)Virtual Reality) 徐雷徐雷12 April 201112 April 2011主要內容主要內容 虛擬現實技術概述虛擬現實技術概述 虛擬現實體系結構虛擬現實體系結構 虛擬環(huán)境的建立虛擬環(huán)境的建立 產品的虛擬原型產品的虛擬原型 在虛擬環(huán)境中制造在虛擬環(huán)境中制造虛擬現實技術概述虛擬現實技術概述 定義和特征定義和特征 虛擬現實的發(fā)展歷程虛擬現實的發(fā)展歷程 虛擬現實的國內外研究現狀虛擬現實的國內外研究現狀 虛擬現實的主要應用領域虛擬現實的主要應用領域定義和特征定義和特征 概念概念虛擬現實虛擬現實( (Virtual Reali

2、tyVirtual Reality，簡稱簡稱VR)VR)是一是一種計算機界面技術。從本質上講，虛擬現實種計算機界面技術。從本質上講，虛擬現實就是一種先進的計算機用戶接口，它通過給就是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供諸如視覺、聽覺、觸覺等各種用戶同時提供諸如視覺、聽覺、觸覺等各種直觀而又自然的實時感知交互手段，最大限直觀而又自然的實時感知交互手段，最大限度地方便用戶操作，從而減輕用戶的負擔，度地方便用戶操作，從而減輕用戶的負擔，提高整個系統(tǒng)的工作效率。提高整個系統(tǒng)的工作效率。定義和特征定義和特征 類似概念類似概念人工現實人工現實( (Artificial RealityArtifi

3、cial Reality，簡稱簡稱AR)AR) ：與：與VRVR相類相類似的一個概念似的一個概念，它是可以更方便地與用可視化技術建它是可以更方便地與用可視化技術建立的三維空間中的物體進行交互的技術。這個空間是立的三維空間中的物體進行交互的技術。這個空間是人造的，但是物體的控制方法就像物體在現實空間中人造的，但是物體的控制方法就像物體在現實空間中一樣，所以就稱為人工現實。例如，可用一樣，所以就稱為人工現實。例如，可用ARAR技術來漫技術來漫游用可視化技術建立的大腦結構。游用可視化技術建立的大腦結構。遙現技術遙現技術( (TelepresenceTelepresence) )，它是一種基于它是一種

4、基于VRVR的遙控制、的遙控制、遙操作或遙顯示技術。遙操作或遙顯示技術。 定義和特征定義和特征 虛擬現實的四個重要特征虛擬現實的四個重要特征多感知性多感知性( (Multi-SensoryMulti-Sensory) )。存在感存在感( (PresencePresence) )又稱為臨場感又稱為臨場感( (ImmersionImmersion) ) 交互性交互性( (InteractionInteraction) ) 自主性（自主性（AutonomyAutonomy）虛擬現實的發(fā)展歷程虛擬現實的發(fā)展歷程 發(fā)展歷程發(fā)展歷程 19651965年年SutherlandSutherland提出提出19

5、661966年年開始開始HDMHDM的研究的研究19681968年年研制出第一臺研制出第一臺HMDHMD19751975年年Myron KruegerMyron Krueger提出提出ARAR的思想的思想19851985年年研制出數據手套研制出數據手套19861986年年VIEWVIEW系統(tǒng)研制成功系統(tǒng)研制成功19901990年年SiggraphSiggraph會議確定會議確定VRVR技術的發(fā)展方向技術的發(fā)展方向2020世紀世紀9090年代以來年代以來VRVR應用到眾多領域應用到眾多領域虛擬現實的研究現狀虛擬現實的研究現狀 國外虛擬現實技術的研究現狀國外虛擬現實技術的研究現狀美國宇航局美國宇航

6、局( (NASA)NASA) 美國宇航局美國宇航局( (NASA)NASA)的的AmesAmes實驗室完善了實驗室完善了HMDHMD，并并將將VPLVPL的數據手套工程化，使其成為可用性較高的數據手套工程化，使其成為可用性較高的產品。的產品。 NASANASA完成的一項著名的工作是對哈勃太空望遠完成的一項著名的工作是對哈勃太空望遠鏡的仿真。鏡的仿真。 現在現在NASANASA已經建立了航空、衛(wèi)星維護已經建立了航空、衛(wèi)星維護VRVR訓練系統(tǒng)、訓練系統(tǒng)、空間站空間站VRVR訓練系統(tǒng)，并且已經建立了可供全國使訓練系統(tǒng)，并且已經建立了可供全國使用的用的VRVR教育系統(tǒng)。教育系統(tǒng)。虛擬現實的研究現狀虛擬

7、現實的研究現狀北卡羅來納大學北卡羅來納大學( (UNC)UNC)的計算機系是進行的計算機系是進行VRVR研究最早研究最早最著名的大學。他們主要研究分子建模、航空駕駛、最著名的大學。他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術仿真、建筑仿真等。外科手術仿真、建筑仿真等。麻省理工學院麻省理工學院( (MIT)MIT)是一個一直走在最新技術前沿的是一個一直走在最新技術前沿的科學研究機構。科學研究機構。19851985年年M1TM1T成立了媒體實驗室，進行成立了媒體實驗室，進行虛擬環(huán)境的正規(guī)研究。虛擬環(huán)境的正規(guī)研究。SRISRI研究中心建立了研究中心建立了“視覺感知計劃視覺感知計劃”，研究現有，研究現有V

8、RVR技術的進一步發(fā)展。技術的進一步發(fā)展。19911991年后，年后，SRISRI進行了利用進行了利用VRVR技技術對軍用飛機或車輛駕駛的訓練研究，試圖通過仿術對軍用飛機或車輛駕駛的訓練研究，試圖通過仿真來減少飛行事故。此外，真來減少飛行事故。此外，SRISRI還利用遙控技術進行還利用遙控技術進行外科手術仿真的研究外科手術仿真的研究。虛擬現實的研究現狀虛擬現實的研究現狀華盛頓大學華盛頓技術中心的人機界面技術實驗室華盛頓大學華盛頓技術中心的人機界面技術實驗室( (HIT Lab)HIT Lab)在新概念的研究中起著領先作用，同時也在新概念的研究中起著領先作用，同時也在進行感知、知覺、認知和運動控

9、制能力的研究。在進行感知、知覺、認知和運動控制能力的研究。 HITHIT將將VRVR研究引人了教育、設計、娛樂和制造領域。研究引人了教育、設計、娛樂和制造領域。例如，波音公司的例如，波音公司的V22V22運輸機就是先在實驗室中造出運輸機就是先在實驗室中造出虛擬機后再投人生產的。虛擬機后再投人生產的。虛擬現實的研究現狀虛擬現實的研究現狀WindustriesWindustries位于位于LeicesterLeicester，是國際是國際VRVR界的界的著名開發(fā)機構，正在開發(fā)一系列著名開發(fā)機構，正在開發(fā)一系列 VRVR產品，產品，主要是娛樂業(yè)方面的。正在計劃推出新型輕主要是娛樂業(yè)方面的。正在計劃推

10、出新型輕量顯示頭盔和功能強大的圖形引擎量顯示頭盔和功能強大的圖形引擎( (Graphics Engine)Graphics Engine)。British British Aerospace(BAEAerospace(BAE) )的許多部門參與了的許多部門參與了VRVR，利用利用VRVR技術設計高級戰(zhàn)斗機座艙，技術設計高級戰(zhàn)斗機座艙，虛擬現實的研究現狀虛擬現實的研究現狀Dimension InternationalDimension International是桌面是桌面VRVR的先驅，的先驅，盡管桌面盡管桌面VRVR是非沉浸式的，但是與那些可視是非沉浸式的，但是與那些可視效果和動態(tài)質量差的沉

11、浸式效果和動態(tài)質量差的沉浸式( (Immersive)Immersive)系系統(tǒng)相比，具有優(yōu)質圖像和實時交互特性。統(tǒng)相比，具有優(yōu)質圖像和實時交互特性。英國的高級機器人研究有限公司英國的高級機器人研究有限公司( (ARRL)ARRL)關于關于遠程呈現的實驗研究主要包括遠程呈現的實驗研究主要包括VRVR技術重構問技術重構問題。頭控立體攝像系統(tǒng)、在手套和題。頭控立體攝像系統(tǒng)、在手套和3 3D D6D6D鼠鼠標上使用了觸覺反饋等。標上使用了觸覺反饋等。虛擬現實的研究現狀虛擬現實的研究現狀 在德國有大約在德國有大約5050個研究所，研究開發(fā)工作個研究所，研究開發(fā)工作集中在計算機圖形學有關的領域，如集中在

12、計算機圖形學有關的領域，如可視可視模擬、可視化、圖像處理和模擬、可視化、圖像處理和VRVR等等，并對那，并對那些需要復雜底層結構、技術支持和專業(yè)性些需要復雜底層結構、技術支持和專業(yè)性的中長期項目實現承包管理方法。的中長期項目實現承包管理方法。虛擬現實的研究現狀虛擬現實的研究現狀 國內虛擬現實技術的研究現狀國內虛擬現實技術的研究現狀：北京航天航空大學計算機系是國內最早進行北京航天航空大學計算機系是國內最早進行VRVR研研究的單位之一，他們首先進行了一些基礎研究，究的單位之一，他們首先進行了一些基礎研究，并著重研究虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處并著重研究虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬

13、現實中的視覺接口方面開發(fā)了部分硬理；在虛擬現實中的視覺接口方面開發(fā)了部分硬件，并提出了有關算法及實現方法；分布式虛擬件，并提出了有關算法及實現方法；分布式虛擬環(huán)境環(huán)境DVENET DVENET 虛擬現實的研究現狀虛擬現實的研究現狀浙江大學浙江大學CAD&CGCAD&CG國家重點實驗室在基于圖像國家重點實驗室在基于圖像的虛擬現實、分布式虛擬環(huán)境的建立、多細的虛擬現實、分布式虛擬環(huán)境的建立、多細節(jié)層次模型、真實感三維重建、基于幾何和節(jié)層次模型、真實感三維重建、基于幾何和圖像的混合式圖形實時繪制算法等領域開展圖像的混合式圖形實時繪制算法等領域開展了深入的研究，在國內外產生了廣泛的影響。了深入的研究，

14、在國內外產生了廣泛的影響。清華大學計算機科學和技術系對虛擬現實和清華大學計算機科學和技術系對虛擬現實和臨場感的方面進行了研究，例如球面屏幕顯臨場感的方面進行了研究，例如球面屏幕顯示和圖像隨動、克服立體圖閃爍的措施和深示和圖像隨動、克服立體圖閃爍的措施和深度感試驗等方面都有不少獨特的方法。度感試驗等方面都有不少獨特的方法。虛擬現實技術的主要應用領域虛擬現實技術的主要應用領域 工程應用工程應用虛擬現實技術在制造業(yè)的廣泛應用。虛擬現實技術在制造業(yè)的廣泛應用。 德國的汽車制造企業(yè)，將德國的汽車制造企業(yè)，將vrvr應用到零部件設計、應用到零部件設計、內部設計、空氣動力學實驗和模擬撞車安全測試。內部設計、

15、空氣動力學實驗和模擬撞車安全測試。 福特公司的虛擬工廠福特公司的虛擬工廠 英國航空實驗室的虛擬轎車客艙英國航空實驗室的虛擬轎車客艙 雷諾汽車公司的雷諾汽車公司的“city Fleet”city Fleet”虛擬現實技術的主要應用領域虛擬現實技術的主要應用領域工程應用工程應用 虛擬現實技術在飛行仿真領域的應用虛擬現實技術在飛行仿真領域的應用 飛行員的操縱艙系統(tǒng)飛行員的操縱艙系統(tǒng)顯示外部圖像的顯示外部圖像的視覺系統(tǒng)視覺系統(tǒng)產生運動感的產生運動感的運動系統(tǒng)運動系統(tǒng)計算和控制飛行運動的計算機系統(tǒng)計算和控制飛行運動的計算機系統(tǒng)。 虛擬現實技術的主要應用領域虛擬現實技術的主要應用領域 工程應用工程應用虛擬

16、現實技術在虛擬實驗的應用虛擬現實技術在虛擬實驗的應用 虛擬風洞虛擬風洞 虛擬物理實驗室虛擬物理實驗室 虛擬電力控制室虛擬電力控制室 虛擬現實技術的主要應用領域虛擬現實技術的主要應用領域醫(yī)學領域的應用醫(yī)學領域的應用 “虛擬現實虛擬現實”裝置裝置 虛擬現實技術分析神經系統(tǒng)虛擬現實技術分析神經系統(tǒng) 分子造型分子造型虛擬現實技術的主要應用領域虛擬現實技術的主要應用領域教育培訓領域的應用教育培訓領域的應用 建筑工程學建筑工程學 考古學考古學 醫(yī)學教育醫(yī)學教育 導游培訓導游培訓 生物教育生物教育 歷史教育歷史教育 化學和物理教育化學和物理教育 社會科學社會科學虛擬現實技術的主要應用領域虛擬現實技術的主要應

17、用領域軍事應用軍事應用 步兵訓練系統(tǒng)步兵訓練系統(tǒng) 作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)虛擬現實技術體系結構虛擬現實技術體系結構虛擬現實的硬件系統(tǒng)結構虛擬現實的硬件系統(tǒng)結構虛擬現實技術體系結構虛擬現實技術體系結構虛擬現實系統(tǒng)的組成模塊虛擬現實系統(tǒng)的組成模塊 輸入模塊：是虛擬現實系統(tǒng)的輸入接口，其功能是檢測用戶輸入模塊：是虛擬現實系統(tǒng)的輸入接口，其功能是檢測用戶的輸入信號，并通過傳感器模塊作用于虛擬環(huán)境。的輸入信號，并通過傳感器模塊作用于虛擬環(huán)境。 傳感器模塊：是虛擬現實系統(tǒng)中操作者和虛擬環(huán)境之間的橋傳感器模塊：是虛擬現實系統(tǒng)中操作者和虛擬環(huán)境之間的橋梁。梁。 響應模塊：是虛擬現實系統(tǒng)的控制中心。響應模塊：是

18、虛擬現實系統(tǒng)的控制中心。 反饋模塊：是虛擬現實系統(tǒng)的輸出接口。反饋模塊：是虛擬現實系統(tǒng)的輸出接口。用戶用戶傳感傳感器模器模塊塊輸入模塊輸入模塊用戶界面用戶界面反饋模塊反饋模塊相應模塊相應模塊虛擬現實系統(tǒng)的分類虛擬現實系統(tǒng)的分類虛擬現實系統(tǒng)的分類虛擬現實系統(tǒng)的分類 沉浸式：用封閉的視景和音響系統(tǒng)將用戶的視聽覺沉浸式：用封閉的視景和音響系統(tǒng)將用戶的視聽覺與外界隔離，使用戶完全置于計算機生成的環(huán)境之與外界隔離，使用戶完全置于計算機生成的環(huán)境之中，計算機通過用戶戴的數據手套和跟蹤器可以測中，計算機通過用戶戴的數據手套和跟蹤器可以測試用戶的運動和姿態(tài)，并將測得的數據反饋到生成試用戶的運動和姿態(tài)，并將測得

19、的數據反饋到生成的視景中，產生人在其中的效果。的視景中，產生人在其中的效果。虛擬現實系統(tǒng)的分類虛擬現實系統(tǒng)的分類虛擬現實系統(tǒng)的分類虛擬現實系統(tǒng)的分類 非沉浸式：非沉浸式非沉浸式：非沉浸式VRVR系統(tǒng)又稱為桌面系統(tǒng)又稱為桌面VRVR系統(tǒng)或非配帶型系統(tǒng)或非配帶型VRVR系統(tǒng)，其視景是通過計系統(tǒng)，其視景是通過計算機屏幕、或投影屏幕、或室內的實際景算機屏幕、或投影屏幕、或室內的實際景物加上部分計算機生成的環(huán)境來提供給用物加上部分計算機生成的環(huán)境來提供給用戶的；音響是由安放在桌面上的或室內音戶的；音響是由安放在桌面上的或室內音響系統(tǒng)提供的。這種系統(tǒng)有時稱為響系統(tǒng)提供的。這種系統(tǒng)有時稱為“窗口窗口虛擬現實

20、系統(tǒng)虛擬現實系統(tǒng)( (through-the-Windows VR through-the-Windows VR system)”system)”或者或者“桌面虛擬現實系統(tǒng)桌面虛擬現實系統(tǒng)( (Desk-Desk-top VR System)”top VR System)”。圖8.5 沉浸式VR系統(tǒng)虛擬現實系統(tǒng)的分類虛擬現實系統(tǒng)的分類虛擬現實系統(tǒng)的分類虛擬現實系統(tǒng)的分類 疊加式：疊加式虛擬現實系統(tǒng)允許用戶對現實世疊加式：疊加式虛擬現實系統(tǒng)允許用戶對現實世界進行觀察的同時，虛擬圖像疊加在被觀察點界進行觀察的同時，虛擬圖像疊加在被觀察點( (即即現實世界現實世界) )之上。疊加式虛擬現實系統(tǒng)又稱為

21、之上。疊加式虛擬現實系統(tǒng)又稱為“補補充現實系統(tǒng)充現實系統(tǒng)”或者或者“擴大的現實系擴大的現實系統(tǒng)統(tǒng)”(”(Augmented RealityAugmented Reality，A11)A11)。 虛擬現實系統(tǒng)的分類虛擬現實系統(tǒng)的分類虛擬現實系統(tǒng)的分類虛擬現實系統(tǒng)的分類分布式虛擬現實系統(tǒng)分布式虛擬現實系統(tǒng)( (DVR) )是一種基于網絡的虛是一種基于網絡的虛擬現實系統(tǒng)，它可使一組虛擬環(huán)境連成網絡，使擬現實系統(tǒng)，它可使一組虛擬環(huán)境連成網絡，使其能在虛擬域內交互，同時在交互過程中意識到其能在虛擬域內交互，同時在交互過程中意識到彼此的存在，每個用戶是虛擬環(huán)境中的一個化身彼此的存在，每個用戶是虛擬環(huán)境中的

22、一個化身( (Avatar)。它的基礎是網絡技術、實時圖像壓縮技。它的基礎是網絡技術、實時圖像壓縮技術等，它的關鍵是分布交互仿真協(xié)議，必須保證術等，它的關鍵是分布交互仿真協(xié)議，必須保證各個用戶在任意時刻的虛擬環(huán)境視圖是一致的，各個用戶在任意時刻的虛擬環(huán)境視圖是一致的，而且協(xié)議還必須支持用戶規(guī)模的可伸縮性，常用而且協(xié)議還必須支持用戶規(guī)模的可伸縮性，常用的分布式協(xié)議是的分布式協(xié)議是DIS和和HLA。分布式分布式VRVR技術主要運用于遠程虛擬會議，虛擬醫(yī)技術主要運用于遠程虛擬會議，虛擬醫(yī)院，虛擬戰(zhàn)場等。院，虛擬戰(zhàn)場等。虛擬現實硬件基礎虛擬現實硬件基礎頭盔式顯示器頭盔式顯示器( (Head一一Moun

23、ted Display, HMD) ) ：最常見的使用最常見的使用戶產生沉浸感的戶產生沉浸感的裝置是頭盔顯示裝置是頭盔顯示器器，它可提供視它可提供視覺顯示、立體聲覺顯示、立體聲音輸出以及頭部音輸出以及頭部位置跟蹤的功能位置跟蹤的功能，是進入虛擬環(huán)，是進入虛擬環(huán)境首選的裝置。境首選的裝置。 虛擬環(huán)境的視覺通道虛擬環(huán)境的視覺通道 圖8.10 頭盔顯示器(HMD)虛擬現實硬件基礎虛擬現實硬件基礎 原理：計算機系統(tǒng)針對左右眼的兩個原理：計算機系統(tǒng)針對左右眼的兩個RGBRGB信信號，通過雙路立體顯示系統(tǒng)發(fā)送給號，通過雙路立體顯示系統(tǒng)發(fā)送給HMDHMD的控的控制單元，用于立體觀察。控制單元同時接制單元，用

24、于立體觀察。控制單元同時接收立體聲，發(fā)送給收立體聲，發(fā)送給HMDHMD的立體耳機。的立體耳機。 位置跟蹤器位置跟蹤器 頭盔的缺點是使人感到不習慣和不舒適，頭盔的缺點是使人感到不習慣和不舒適，加上分辨率低和視野范圍不夠會引起信息加上分辨率低和視野范圍不夠會引起信息丟失。丟失。 虛擬現實硬件基礎虛擬現實硬件基礎立體投影顯示立體投影顯示 CAVECAVE握由美國握由美國IllinoisIllinois大學大學EVLEVL實驗室為克服實驗室為克服HMDHMD存存在的問題而研制的一個系統(tǒng)，完成于在的問題而研制的一個系統(tǒng)，完成于2020世紀世紀9090年代年代初。它由一個初。它由一個1010ftftlOf

25、tlOft9ft9ft大小的房間組成，大小的房間組成，房間的每一面墻與地板均由大屏幕背投影機投上房間的每一面墻與地板均由大屏幕背投影機投上10241024768768分辨率的立體圖像。可允許多人走進分辨率的立體圖像。可允許多人走進CAVECAVE中，用戶戴上立體眼鏡便能從空間中任一方向中，用戶戴上立體眼鏡便能從空間中任一方向看到立體的圖像。看到立體的圖像。CAVICAVI實現了大視角、全景、立體實現了大視角、全景、立體、且支持、且支持5 5lOlO人共享的一個虛擬環(huán)境。人共享的一個虛擬環(huán)境。 虛擬現實硬件基礎虛擬現實硬件基礎CAVECAVE的優(yōu)點的優(yōu)點 它可提供它可提供180180度的寬視域和

26、度的寬視域和20002000 x2000 x2000以上的高分辨以上的高分辨率。率。 它允許用戶在虛擬空間中走動，而不用佩戴笨重設它允許用戶在虛擬空間中走動，而不用佩戴笨重設備。備。 它允許在同一個環(huán)境中存在多個用戶，而且用戶之它允許在同一個環(huán)境中存在多個用戶，而且用戶之間可以自然地交互。間可以自然地交互。 一次能顯示大型模型，如汽車、房屋等，而用一次能顯示大型模型，如汽車、房屋等，而用HMDHMD則需要頭部運動刁能看到完整的模型。則需要頭部運動刁能看到完整的模型。虛擬現實硬件基礎虛擬現實硬件基礎CAVECAVE的不足的不足 價格昂貴價格昂貴 要求更大的空間和更多的硬件要求更大的空間和更多的硬

27、件 還沒有產品化和標準化等。還沒有產品化和標準化等。改進改進ImmersaDeskImmersaDeskInfinity Wall Infinity Wall SGI Reality Center SGI Reality Center 虛擬視網膜顯示器虛擬視網膜顯示器( (Virtual Retinal Virtual Retinal DisplayDisplay，簡稱簡稱VRDVRD) ) 虛擬現實硬件基礎虛擬現實硬件基礎立體眼鏡立體眼鏡被動式（被動式（Passive），這兩幅圖像可以并排放置，），這兩幅圖像可以并排放置，重疊在一起，圖像能夠通過放于眼前的不同的重疊在一起，圖像能夠通過放于眼

28、前的不同的濾波器投影到眼睛，立體圖像使用偏正光眼鏡濾波器投影到眼睛，立體圖像使用偏正光眼鏡或紅或紅/ /藍玻璃眼鏡，以提供天然的（無色彩）立藍玻璃眼鏡，以提供天然的（無色彩）立體視覺，這類眼鏡造價便宜，電影等娛樂業(yè)大體視覺，這類眼鏡造價便宜，電影等娛樂業(yè)大量采用該類型。量采用該類型。主動式（主動式（Active），計算機交替產生左、右眼），計算機交替產生左、右眼圖像，使用液晶顯示眼鏡與顯示器上的立體圖圖像，使用液晶顯示眼鏡與顯示器上的立體圖像對，同步開關，遮擋左像對，同步開關，遮擋左/ /右眼，使大腦很快收右眼，使大腦很快收到交替圖像，并融合圖像為單一的場景和景深。到交替圖像，并融合圖像為單一

29、的場景和景深。所以需要高速的場頻（最小為所以需要高速的場頻（最小為60Hz）來避免閃）來避免閃爍，否則用戶佩戴后會感到頭昏。這類眼鏡較爍，否則用戶佩戴后會感到頭昏。這類眼鏡較昂貴，主要有昂貴，主要有Crystal Eye公司的立體眼鏡，見公司的立體眼鏡，見圖。圖。虛擬現實硬件基礎虛擬現實硬件基礎立體顯示器立體顯示器不需借助外部設備和編程開發(fā)技術，只不需借助外部設備和編程開發(fā)技術，只要有三維模型，就可以實現三維模型的要有三維模型，就可以實現三維模型的立體顯示。立體顯示。虛擬現實硬件基礎虛擬現實硬件基礎虛擬環(huán)境的聽覺通道虛擬環(huán)境的聽覺通道 聽覺環(huán)境系統(tǒng)的組成聽覺環(huán)境系統(tǒng)的組成語音與音響合成設備語音

30、與音響合成設備 識別設備識別設備 聲源定位設備聲源定位設備 人類進行聲音的定位依據兩個要素：人類進行聲音的定位依據兩個要素：兩耳時間差兩耳時間差( (InterauralInteraural Time Differences Time Differences，簡稱簡稱ITD)ITD)兩耳強度差兩耳強度差( (InterauralInteraural Intensity Intensity DifferencesDifferences，簡稱簡稱IID)IID)。虛擬現實硬件基礎虛擬現實硬件基礎虛擬環(huán)境的聽覺通道虛擬環(huán)境的聽覺通道 聽覺通道接口技術存在的問題：聽覺通道接口技術存在的問題：其中問題之

31、一就是多聲源聲場的聲音立體化，用其中問題之一就是多聲源聲場的聲音立體化，用戶稍微偏離預定的位置，聲音的立體聲效果就會戶稍微偏離預定的位置，聲音的立體聲效果就會降低。降低。另一個問題是聲音信號的生成，語言和音樂的合另一個問題是聲音信號的生成，語言和音樂的合成已經有了較好的辦法，但環(huán)境聲音合成和建模成已經有了較好的辦法，但環(huán)境聲音合成和建模以及聲學場景分析尚有待研究。以及聲學場景分析尚有待研究。 虛擬現實硬件基礎虛擬現實硬件基礎輸入裝置輸入裝置 數據手套（數據手套（Data Glove Data Glove ）數據手套制作技術卻相當復雜。數據手套由很數據手套制作技術卻相當復雜。數據手套由很輕的彈性

32、材料構成，緊貼在手上。這個系統(tǒng)包輕的彈性材料構成，緊貼在手上。這個系統(tǒng)包括括位置、方向傳感器位置、方向傳感器和沿每個手指背部安裝的和沿每個手指背部安裝的一組有保護套的一組有保護套的光纖導線光纖導線，它們檢測手指和手，它們檢測手指和手的運動。的運動。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管光傳感器光傳感器計算機計算機光電信號數據光電信號數據當彎曲手指時，發(fā)光二極管的光經過光纖導當彎曲手指時，發(fā)光二極管的光經過光纖導線從導線保護套的裂縫或切口逸出。關節(jié)越線從導線保護套的裂縫或切口逸出。關節(jié)越彎曲，光纖逸出越多，到達光傳感器的光越彎曲，光纖逸出越多，到達光傳感器的光越少。光量的多少就反映了手指的彎曲程度。少。光量的多

33、少就反映了手指的彎曲程度。 圖8.6 6D鼠標/控制桿圖8.7 數據手套虛擬現實硬件基礎虛擬現實硬件基礎5DT DATA GLOVE 5W5DT DATA GLOVE 5W 黑色有彈性的雙層紡織品，夾層中是用黑色有彈性的雙層紡織品，夾層中是用光纖的皮線傳感器，標準的光纖的皮線傳感器，標準的RS-232RS-232或或usbusb與計算機相連。與計算機相連。 無位置傳感器無位置傳感器 header F1 F2 F3 F4 F5 PITCH ROLL header F1 F2 F3 F4 F5 PITCH ROLL CHECKSUMCHECKSUMCyber Glove Cyber Glove 1

34、8-2218-22個傳感器，線性彎曲傳感器個傳感器，線性彎曲傳感器虛擬現實硬件基礎虛擬現實硬件基礎觸覺和力反饋裝置觸覺和力反饋裝置為了產生虛擬的觸摸感覺，研究人員開發(fā)了觸覺和力反為了產生虛擬的觸摸感覺，研究人員開發(fā)了觸覺和力反饋裝置。雖然它們的樣式和大小各不相同，但它們大致饋裝置。雖然它們的樣式和大小各不相同，但它們大致上做相同的事情：推我們的手臂，并把機械或動力信號上做相同的事情：推我們的手臂，并把機械或動力信號記錄下來。產生觸覺的任務仍然是虛擬現實研究人員所記錄下來。產生觸覺的任務仍然是虛擬現實研究人員所面臨的最為困難的挑戰(zhàn)之一。面臨的最為困難的挑戰(zhàn)之一。力反饋的裝置相對于觸覺要容易，國際

35、上已有一些機械力反饋的裝置相對于觸覺要容易，國際上已有一些機械的力反饋裝置，但用戶更需要的可能是輕便小巧一些的的力反饋裝置，但用戶更需要的可能是輕便小巧一些的裝置。裝置。ImmersionImmersion公司推出的公司推出的FeelitFeelit鼠標，能夠使用戶感鼠標，能夠使用戶感受帶力度的受帶力度的InternetInternet網頁。用戶在瀏覽網頁時，可以發(fā)網頁。用戶在瀏覽網頁時，可以發(fā)現有些地方能夠接下鼠標鍵，有些地方則無法按下鼠標現有些地方能夠接下鼠標鍵，有些地方則無法按下鼠標鍵。鍵。 虛擬現實硬件基礎虛擬現實硬件基礎三維位置跟蹤器三維位置跟蹤器 位置跟蹤器是用戶與虛擬環(huán)境進行交互

36、的基本位置跟蹤器是用戶與虛擬環(huán)境進行交互的基本裝置之一，用于跟蹤頭、手、腿或其它對象的裝置之一，用于跟蹤頭、手、腿或其它對象的位置。位置跟蹤器的形式很多，原理也完全不位置。位置跟蹤器的形式很多，原理也完全不同，通常由超聲波、低頻磁場、光學和機械位同，通常由超聲波、低頻磁場、光學和機械位移等各種傳感器構成，用以測量移等各種傳感器構成，用以測量3 3個坐標的位移個坐標的位移和方向和方向(6(6個自由度個自由度) )。 傳感器類型 優(yōu) 點 缺 點 機械式傳感器 價格較低，滯后性較小 工作空間受限制 磁性傳感器 使用方便，價格較低 作用范圍小，滯后大對磁場干涉敏感 超聲傳感器 價格較低 精度有待提高

37、光學傳感器 位置精度和采樣頻率較高 成本高虛擬現實硬件基礎虛擬現實硬件基礎三維鼠標三維鼠標/ /跟蹤球跟蹤球/ /游游戲桿戲桿它們都帶有額外的按它們都帶有額外的按鈕和滑輪，不僅僅用鈕和滑輪，不僅僅用于控制于控制XYXY坐標變換坐標變換, ,而且可以控制而且可以控制Z Z方向的方向的旋轉。全設備旋轉。全設備6D6D控制控制桿是一個桿是一個6D6D游戲桿。游戲桿。它看起來象一個附在它看起來象一個附在短棒上的網球。你可短棒上的網球。你可以在左以在左/ /右和上右和上/ /下方向下方向拉扭這個球。拉扭這個球。圖8.6 6D鼠標/控制桿常用的虛擬現實開發(fā)工具常用的虛擬現實開發(fā)工具Cult3D是由是由Cy

38、core公司開發(fā)的一個面向電子商務的公司開發(fā)的一個面向電子商務的交互三維軟件。它是一種全新的網絡交互三維軟件。它是一種全新的網絡3D技術、一個技術、一個跨平臺的跨平臺的3D引擎，其目的是在網頁上建立交互的引擎，其目的是在網頁上建立交互的3D對象。利用對象。利用Cult3D技術可以讓設計者制作出技術可以讓設計者制作出3D立體立體的產品，并且放置于網頁中。瀏覽者可以通過鼠標即的產品，并且放置于網頁中。瀏覽者可以通過鼠標即可控制可控制3D產品的旋轉、放大、縮放，實現與產品的旋轉、放大、縮放，實現與Cult3D對象的交互。對象的交互。Cult3D主要應用于電子商務和電子交主要應用于電子商務和電子交易、

39、產品和銷售展示、娛樂、游戲。易、產品和銷售展示、娛樂、游戲。由于由于Cult3D 本身沒有建模功能，其所用的模型必須本身沒有建模功能，其所用的模型必須從其它三維建模軟件導出。從其它三維建模軟件導出。Cult3D Exporter便實現便實現了這一功能。目前，了這一功能。目前， Cult3D Exporter只有支持只有支持3DS MAX 和和Maya導出的版本。導出的版本。圖8.11 Cult3D用戶界面常用的虛擬現實開發(fā)工具常用的虛擬現實開發(fā)工具ISB（Internet Space Builder）是由美國是由美國Parallel Graphics 公司公司開發(fā)的一種專用虛擬現實開發(fā)工具。它

40、采用了一種開發(fā)的一種專用虛擬現實開發(fā)工具。它采用了一種“所見即所所見即所得得”方式，通過圖形界面可以很方便的制作出虛擬場景。方式，通過圖形界面可以很方便的制作出虛擬場景。ISB不不僅提供了符合僅提供了符合VRML語言標準的基本幾何造型，還為開發(fā)者提語言標準的基本幾何造型，還為開發(fā)者提供了豐富的三維模型庫，開發(fā)者可以直接利用它們來創(chuàng)建供了豐富的三維模型庫，開發(fā)者可以直接利用它們來創(chuàng)建VRML場景。場景。特點：可以利用特點：可以利用ISB提供的基本造型（長方體、圓柱體、球體、提供的基本造型（長方體、圓柱體、球體、錐體等）通過布爾運算（加或減）創(chuàng)建逼真的三維場景和模型；錐體等）通過布爾運算（加或減）

41、創(chuàng)建逼真的三維場景和模型；可定制的用戶界面；符合可定制的用戶界面；符合VRML97標準。導入和輸出標準。導入和輸出VRML2.0格式的文件，能夠在格式的文件，能夠在VRML瀏覽器中瀏覽；具有可視化的場景瀏覽器中瀏覽；具有可視化的場景結構樹和用戶自定義的場景結構層次；提供了豐富的材質、圖結構樹和用戶自定義的場景結構層次；提供了豐富的材質、圖片、組件庫，并且可隨意擴展的各種圖庫；多重渲染模式；支片、組件庫，并且可隨意擴展的各種圖庫；多重渲染模式；支持持3DS對象、對象、DXF文件的導入文件的導入常用的虛擬現實開發(fā)工具常用的虛擬現實開發(fā)工具VRML（虛擬現實建模語言，（虛擬現實建模語言，Virtua

42、l Reality Modeling Language）是一種與互聯(lián)網結合，用來描）是一種與互聯(lián)網結合，用來描述三維交互世界的程序語言，可應用于創(chuàng)建虛擬現實述三維交互世界的程序語言，可應用于創(chuàng)建虛擬現實的對象、景象和展示模型等。的對象、景象和展示模型等。VRML語義描述的是基語義描述的是基于時間的交互式三維多媒體信息的抽象功能行為。利于時間的交互式三維多媒體信息的抽象功能行為。利用三維用三維VRML格式的圖形預覽，用戶可以對三維模型格式的圖形預覽，用戶可以對三維模型進行旋轉、漫游等方式的瀏覽。虛擬原型機用場景圖進行旋轉、漫游等方式的瀏覽。虛擬原型機用場景圖描述，因此要建立虛擬原型機的坐標空間。

43、原型機的描述，因此要建立虛擬原型機的坐標空間。原型機的基本模塊用節(jié)點（基本模塊用節(jié)點（Node）表達。節(jié)點以層次關系組）表達。節(jié)點以層次關系組織在一起，并通過腳本定義模塊的行為。節(jié)點之間可織在一起，并通過腳本定義模塊的行為。節(jié)點之間可以通過消息（稱為事件）相互通訊，事件通過路由在以通過消息（稱為事件）相互通訊，事件通過路由在場景中傳播。場景中傳播。常用的虛擬現實開發(fā)工具常用的虛擬現實開發(fā)工具VRML在在internetinternet上定義交互式可視化應用的技上定義交互式可視化應用的技術術基本特征：分布式、三維、交互式、多媒基本特征：分布式、三維、交互式、多媒體集成、場景逼真體集成、場景逼真工

44、作過程：用文本信息描述三維場景，通工作過程：用文本信息描述三維場景，通過過internetinternet傳輸，在本地機上由傳輸，在本地機上由vrmlvrml瀏瀏覽器解釋成三維場景。覽器解釋成三維場景。場景圖：節(jié)點場景圖：節(jié)點常用的虛擬現實開發(fā)工具常用的虛擬現實開發(fā)工具用用VRML建立虛擬原型的過程建立虛擬原型的過程利用利用CAD軟件進行幾何造型和裝配，它是生成虛擬原型的軟件進行幾何造型和裝配，它是生成虛擬原型的基礎；基礎；從從CAD模型中取出幾何模型，利用接口工具轉換并輸出模型中取出幾何模型，利用接口工具轉換并輸出VRML格式文件，將實體零件用多邊形網格來逼近，以便與格式文件，將實體零件用多

45、邊形網格來逼近，以便與虛擬原型信息的描述方式相一致；虛擬原型信息的描述方式相一致；簡化：為了保證虛擬環(huán)境中能夠以每秒簡化：為了保證虛擬環(huán)境中能夠以每秒20302030幅畫面進行幅畫面進行人機交互，必須通過根據不同要求簡化算法，減少多邊形的人機交互，必須通過根據不同要求簡化算法，減少多邊形的數目，刪去不必要的細節(jié)，必要時對由于簡化引起的邊界裂數目，刪去不必要的細節(jié)，必要時對由于簡化引起的邊界裂縫或重疊借助修補算法進行重構；縫或重疊借助修補算法進行重構；利用利用3D MAX，結合，結合VRML文本編輯器，對虛擬原型進行著文本編輯器，對虛擬原型進行著色、材料特性渲染、光照渲染、屬性信息附加及運動建模

46、等色、材料特性渲染、光照渲染、屬性信息附加及運動建模等編輯加工；編輯加工；輸出虛擬原型并存入數據庫。輸出虛擬原型并存入數據庫。虛擬環(huán)境的計算平臺虛擬環(huán)境的計算平臺 關鍵技術關鍵技術環(huán)境建模技術環(huán)境建模技術 基于基于PCPC的虛擬環(huán)境體系的虛擬環(huán)境體系 基于幾何建模和圖像結合的建模方法和算基于幾何建模和圖像結合的建模方法和算法法 基于圖像的虛擬現實關鍵技術，解壓縮基于圖像的虛擬現實關鍵技術，解壓縮 建立具有物理屬性的虛擬原型建立具有物理屬性的虛擬原型關鍵技術關鍵技術觸覺和力覺反饋觸覺和力覺反饋 虛擬觸覺虛擬觸覺 實時力覺反饋：實時碰撞檢測、實時力覺實時力覺反饋：實時碰撞檢測、實時力覺繪制和實時力

47、覺反饋設備繪制和實時力覺反饋設備 精度和成本的問題精度和成本的問題關鍵技術關鍵技術交互技術交互技術 三維交互技術三維交互技術 語音識別和輸入語音識別和輸入 立體顯示和傳感技術。立體顯示和傳感技術。HMDHMD，數據衣，數據，數據衣，數據手套的延遲、分辨率、作用范圍、使用方手套的延遲、分辨率、作用范圍、使用方便性、跟蹤精度和范圍等問題。便性、跟蹤精度和范圍等問題。關鍵技術關鍵技術碰撞檢測碰撞檢測 碰撞檢測、碰撞相應、碰撞處理。碰撞檢測、碰撞相應、碰撞處理。 二維平面碰撞和三維空間碰撞。二維平面碰撞和三維空間碰撞。 一般采用矩形或球形包圍盒的層次數據結一般采用矩形或球形包圍盒的層次數據結構，通過對

48、樹的遍歷減少檢測所需時間。構，通過對樹的遍歷減少檢測所需時間。近似碰撞方法。近似碰撞方法。存在問題存在問題費用問題費用問題 在產品開發(fā)過程中，所建立的虛擬環(huán)境要真正達到在產品開發(fā)過程中，所建立的虛擬環(huán)境要真正達到沉浸性、實時交互性的效果，費用是一個嚴重的問沉浸性、實時交互性的效果，費用是一個嚴重的問題。在虛擬環(huán)境中，要獲得與虛擬物體的交互性，題。在虛擬環(huán)境中，要獲得與虛擬物體的交互性，需要具有強大計算能力、高性能的計算系統(tǒng)。需要具有強大計算能力、高性能的計算系統(tǒng)。輸入輸產裝置性能不夠完善輸入輸產裝置性能不夠完善 輸入輸出裝置很大的一個弱點就是缺少好的傳感輸入輸出裝置很大的一個弱點就是缺少好的傳

49、感反饋元件，尤其是力反饋元件。另一個問題是精度反饋元件，尤其是力反饋元件。另一個問題是精度問題。問題。到口與標準不健全到口與標準不健全 快速開發(fā)完整系統(tǒng)的重大障礙之一就是缺乏標準。快速開發(fā)完整系統(tǒng)的重大障礙之一就是缺乏標準。目前，在位置跟蹤裝置、圖形生成裝置、三維聲音目前，在位置跟蹤裝置、圖形生成裝置、三維聲音系統(tǒng)設備之間沒有一定的接口準則。系統(tǒng)設備之間沒有一定的接口準則。產品的虛擬原型產品的虛擬原型概念概念 虛擬原型虛擬原型( (Virtual Prototyping)Virtual Prototyping)是利用虛擬環(huán)境在是利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢以及可交互地探索虛擬物體的功可視化方

50、面的優(yōu)勢以及可交互地探索虛擬物體的功能，對產品進行幾何、功能、制造等方面交互的建能，對產品進行幾何、功能、制造等方面交互的建模與分析。模與分析。虛擬原型、數字原型與物理原型的關系虛擬原型、數字原型與物理原型的關系 與物理原型相比較，虛擬原型生成的速度快，生成與物理原型相比較，虛擬原型生成的速度快，生成的原型可被人們直接感觸、操縱和修改，且數據可的原型可被人們直接感觸、操縱和修改，且數據可被重新利用。被重新利用。 在產品開發(fā)的早期階段，往往不必要進行詳細的分在產品開發(fā)的早期階段，往往不必要進行詳細的分析。這一階段所考慮的重點是外觀、總體布置以及析。這一階段所考慮的重點是外觀、總體布置以及一些諸如

51、運動約束、可接近性等特征。這樣，基于一些諸如運動約束、可接近性等特征。這樣，基于傳統(tǒng)傳統(tǒng)CADCADCAMCAM的數字原型就不能滿足要求了。的數字原型就不能滿足要求了。 建立虛擬原型的主要步驟建立虛擬原型的主要步驟 從從CADCADCAMCAM模型中取出幾何模型模型中取出幾何模型鑲嵌鑲嵌用多面體和多邊形逼近幾何模型。用多面體和多邊形逼近幾何模型。簡化簡化根據不同要求刪去不必要的細節(jié)根據不同要求刪去不必要的細節(jié)虛擬原型編輯虛擬原型編輯著色、材料特性渲染、光照渲染等。著色、材料特性渲染、光照渲染等。特征輪廓的粘貼，以更好地表達某些細節(jié)。特征輪廓的粘貼，以更好地表達某些細節(jié)。增加周圍環(huán)境和其他要素的

52、幾何模型。增加周圍環(huán)境和其他要素的幾何模型。添加操縱功能和性能。添加操縱功能和性能。虛擬原型建立示例虛擬原型建立示例鑲嵌和簡化鑲嵌和簡化虛擬原型建立示例虛擬原型建立示例修補修補表面模型通常用一些裝飾性線條來連接共同邊界。表面模型通常用一些裝飾性線條來連接共同邊界。在模型鑲嵌和簡化的過程中，在邊界上會產生裂縫或重疊。在模型鑲嵌和簡化的過程中，在邊界上會產生裂縫或重疊。這就要借助修補算法將它加以修補，以便獲得完整的多面形這就要借助修補算法將它加以修補，以便獲得完整的多面形簡化表面。簡化表面。 虛擬原型建立示例虛擬原型建立示例特征輪廓的粘貼特征輪廓的粘貼在建立虛擬轎車內部原型時，某些具有細節(jié)的在建立

53、虛擬轎車內部原型時，某些具有細節(jié)的要素，如儀表、音響或空調設備等的描繪需要要素，如儀表、音響或空調設備等的描繪需要數量很大的多邊形，但又不宜簡化，否則無法數量很大的多邊形，但又不宜簡化，否則無法表現它的特征或影響操作者的沉浸感。這個問表現它的特征或影響操作者的沉浸感。這個問題可通過將照片和透視圖粘貼到原型上的辦法題可通過將照片和透視圖粘貼到原型上的辦法來解決，采用粘貼技術可以明顯降低幾何模型來解決，采用粘貼技術可以明顯降低幾何模型的復雜程度。的復雜程度。虛擬原型建立示例虛擬原型建立示例 操作者的介入和虛擬原型調整操作者的介入和虛擬原型調整為了使用戶能進入虛擬轎車內部，并與所建立的虛擬原型為了使用戶能進入虛擬轎車內部，并與所建立的虛擬原型要素交互，需要借助于物理的模擬駕駛座，如圖所示。要素交互，需要借助于物理的模擬駕駛座，如圖所示。模擬駕駛座包括座位、方向盤、油門踏板和變速桿。在模擬駕駛座包括座位、方向盤、油門踏板和變速桿。在雙筒顯示裝置中出現的虛擬轎車內部場景如圖所示。雙筒顯示裝置中出現的虛擬轎車內部場景如圖所示。虛擬原型建立示例虛擬原型建立示例 功能和性能的添加功能和性能的添加為了使虛擬原型能夠對用戶的操縱作出反應，必須添為了使虛擬原型能夠對