虛擬現實基礎與VRML基礎授課教師：趙應丁:zhaoyingding@163.com明德廷：jxau_mdt@163.com江西農業大學計算機與信息工程學院2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第1

頁<<虛擬現實基礎與VRML編程>>目錄1.虛擬現實概論2.虛擬現實硬件設備及技術3.VRML概述與VRML文件4.VRML基本造型5.VRML空間變換6.VRML紋理映射7.VRML聲音技術8.VRML光照效果9.VRML空間效果10.VRML視點與導航2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第2

頁<<虛擬現實基礎與VRML編程>>目錄11.VRML復雜造型12.VRML動畫13.VRML交互功能14.VRML腳本設計15.VRML其他節點16.原型及其應用17.綜合舉例之一18.綜合舉例之二2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第3

頁參考資料段新，虛擬現實基礎與VRML編程，武漢大學出版社2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第4

頁第一講虛擬現實概論1.虛擬現實技術2.虛擬現實系統分類3.虛擬現實系統硬件組成4.虛擬現實研究內容5.增強現實與隨身增強現實2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第5

頁1.虛擬現實技術虛擬現實技術、多媒體技術和網絡技術是21世紀三大最具發展潛力的計算機技術。虛擬現實(VirtualReality,VR)是由美國VPL公司的JaronLanier在1989年創造的一個新詞。它通常是指頭盔顯示器、數據手套等一系列新型交互設備構造出的用以體驗或感知虛擬境界的一種計算機軟、硬件環境，用戶使用這些高級設備以自然的技能向計算機發送各種指令，并得到環境對用戶視覺、聽覺、觸覺等多種感官信息的實時反饋。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第6

頁1.虛擬現實技術(續)世界上首個具有虛擬現實思想的裝置是由MortonHeilig在1962年研制成功的，它是一種被稱之為Sensorma的具有多種感官刺激的全景式立體電影設備。該設備主要由三維視頻組成，并具有立體聲功能，能產生不同的氣味，能產生自然風的吹拂，座椅還可以隨劇情變化而振動。虛擬現實技術在很大程度上基于計算機圖形學技術發展而來。1965年，IvanSutherland博士發表”TheUltimateDisplay”一文，提出了一種全新的圖形顯示技術。觀察者可以自然地轉動頭部和身體即可改變視點，所看到的場景即計算機生成的虛擬境界也將實時地發生變化；觀察者還可以以自然的方式直接與虛擬境界中的對象進行交互操作。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第7

頁1.虛擬現實技術(續)虛擬現實可以概括為3個方面：真實性、沉浸性和交互性。真實性是指由計算機生成看起來像真的、聽起來像真的、觸摸起來像真的虛擬境界，該境界同時還可以向介入者提供視覺、聽覺、觸覺等多種人類具有的感官刺激。沉浸性是指計算機控制下的虛擬境界應給人一種身臨其境的沉浸感。交互性是指人能以純自然方式與虛擬境界中的對象進行交互操作，即不使用鼠標、鍵盤等常規設備，而要求使用手勢、體勢、人類語言等自然方式進行交互操作。能夠滿足以上要求的系統稱之為虛擬現實系統，構建此系統所需要的各種軟、硬件技術被定義為虛擬現實技術。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第8

頁1.虛擬現實技術(續)理論上，可以將虛擬現實簡明定義為：由計算機及其軟硬件技術生成的，給人多種感官刺激的虛擬境界(VirtualEnvironment，VE，虛擬環境)2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第9

頁1.虛擬現實技術(續)(1)多種感官刺激感官刺激說明裝置視覺感知可見光聽覺感知聲波嗅覺感知空氣中的化學成分味覺感知液體中的化學成分觸覺以皮膚感知力覺以肌肉、關節和肌腱等感知身體感覺感知肢體或身軀等前庭感覺平衡感知2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第10

頁1.虛擬現實技術(續)(2)虛擬現實本質上是一種人機交互系統，而且是一種高級的人機交互系統。定義沒有特別強調沉浸感，隱含表明虛擬現實可分為”沉浸式”和”非沉浸式”兩種。算法結構清晰，層次分明，便于算法正確性的證明和復雜性的分析。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第11

頁1.虛擬現實技術(續)1962年MortonHeiling研制成功首臺全傳感仿真系統。1965年SutherLand博士提出UltimateDisplay概念。1965年SutherLand首次研制成功頭盔式顯示器。20世紀70年代中美軍戰斗機飛行模擬器研制成功。20世紀80年代中期，美國NASA研制成功應用于載人航天使用的VIEW系統。20世紀90年代開始，VR的研究熱潮開始向民用高科技轉移。數據手套(DataGloves)EyePhones20年代90年代中期，標準化的虛擬現實建模語言VRML為在Internet上構建可共享、可交換的WWW虛擬環境奠定了良好基礎。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第12

頁1.虛擬現實技術(續)VRML1.0VRML2.0VRML97X3DX3D由4部分組成：結構和基本組件、應用程序接口、XML編碼及VRML97編碼。XML是新出現的具有強大生命力的網絡通用語言規范，它本身所具有的良好的數據存儲格式。可擴展性、高度結構化、便于網絡傳輸等特點，決定了其卓越的性能表現，使其成為未來網絡開發的通用語言。目前，虛擬現實系統已由單機系統發展到分布式虛擬現實系統，進一步還要發展到支持協同工作的分布式虛擬現實系統，即由過去只支持多用戶共享，發展到需要支持以多人相互感知、協同操作等為目的的協同感知領域。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第13

頁1.虛擬現實技術(續)存在的問題視覺真實感知和實時化問題聽覺感知問題交互性問題2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第14

頁1.虛擬現實技術(續)虛擬現實的價值沉浸性體驗意味著體驗，那么體驗的目的終將落實于對環境的操作和改造。虛擬現實中人與虛擬環境的交互，本質上意味著它不是預成的而是生成的、不是因循的而是創新的，空間想象力所要表達的正是虛擬現實的這一秉性。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第15

頁2.虛擬現實系統分類按時空概念分類由傳感器測得的真實世界的時間和空間概念以及沉浸在虛擬境界中的人所感知的時間和空間概念。對準的(Aligned)有偏移的(Displaced)經縮放的(Scaled)2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第16

頁2.虛擬現實系統分類(續)按傳感器與人的感官分類視覺聽覺觸覺前庭器官嗅覺或味覺2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第17

頁2.虛擬現實系統分類(續)按隔離與融合分類隔離是指計算機生成的虛擬境界被人所感知時與人所處的真實世界相互隔離，即用戶既看不到真實世界系統、也聽不到真實世界聲音，完全被虛擬環境所封閉，該類系統即稱為沉浸式虛擬現實系統。融合是指計算機生成的虛擬境界可以疊加在人所能感知的真實世界之上，即虛擬境界直接與人看到的真實世界疊加在一起，該類系統近年來被稱之為增強現實系統。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第18

頁3.虛擬現實系統硬件組成虛擬現實系統的硬件由4部分組成：虛擬境界生成設備，感知設備、跟蹤設備和基于自然方式的人與環境交互設備。1.虛擬境界生成設備虛擬境界生成設備可以是一臺或多臺高性能計算機，通常又可分為：基于高性能個人計算機、基于高性能圖形工作站和基于分布式異構計算機的虛擬現實系統三大類。虛擬現實系統對于計算機硬件的圖形處理性能要求較高。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第19

頁3.虛擬現實系統硬件組成(續)虛擬境界生成設備的主要功能如下：(1)視覺通道信號的生成與顯示。(2)聽覺通道信號的生成與展示。(3)觸覺與力覺通道信號。(4)支持實時人機交互操作，包括3維空間定位、碰撞檢測、語音識別以及人與環境實時對話環境。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第20

頁3.虛擬現實系統硬件組成(續)(2)感知設備視覺感知設備。聽覺感知設備。觸覺感知設備。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第21

頁3.虛擬現實系統硬件組成(續)(3)跟蹤設備跟蹤設備是用于跟蹤并檢測用戶位置和朝向的裝置，用于虛擬現實系統中基于自然方式的人機交互操作。跟蹤設備一般都由一個或多個信號發射器以及多個接受器組成。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第22

頁3.虛擬現實系統硬件組成(續)(4)人與環境交互設備虛擬現實系統所使用的交互設備應用手勢、體勢、眼勢以及自然語言的人機交互設備，常見的有數據手套、數據衣服、眼球跟蹤器以及語音識別裝置。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第23

頁4.虛擬現實研究內容虛擬現實的研究內容大致可分為虛擬現實技術及虛擬現實應用兩大類。虛擬現實技術人機自然交互技術基于圖形學的研究基于圖像的建模和渲染碰撞技術基于Internet的研究聲音技術。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第24

頁4.虛擬現實研究內容(續)虛擬現實應用真實世界仿真。抽象概念建模，也稱為可視化。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第25

頁5.增強現實與隨身增強現實增強現實概念增強現實是虛擬現實技術領域中產生的一個新興的研究方向。虛擬現實強調沉浸感，要求使人感覺與其所處的環境完全隔離。增強現實作為對真實世界的一種補充和增強，豐富了用戶對真實世界的感知和人機交互。增強現實具有以下3個主要特征：真實世界與虛擬境界要求在三維空間上加以整合。具有實時人機交互功能。增強特征適用于所有感知通道，不僅有景象，還應包括聲音等；也可以使用增強技術實現削。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第26

頁5.增強現實與隨身增強現實(續)增強現實系統構造一個增強現實系統的核心是如何將真實世界與虛擬境界在視覺領域完美融合，現有兩類基本技術加以實現：基于光學的技術和基于視頻的技術。基于光學技術實現虛擬融合的基本原理是通過半透明、半反射的光學鏡片將虛擬境界和真實世界疊加在一起；基于視頻技術實現虛擬現實融合的基本原理是通過攝像機將真實世界采樣圖像在圖形處理器中與虛擬對象疊加在一起后再顯示出來。基于光學的透視式HMD實現方法是把光學融合器放置在用戶眼前來實現增強現實的。基于視頻的封閉式HMD實現方法是把一個封閉的視頻頭盔同1-2個視頻攝象機結合在一起。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第27

頁5.增強現實與隨身增強現實(續)基于光學方法的主要優點有：簡單和廉價。顯示分辨率高。系統安全性好。無眼睛位置偏移。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第28

頁5.增強現實與隨身增強現實(續)基于視頻技術的主要優點有：融合靈活。圖像延時匹配較好。畸變可匹配。亮度匹配容易。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第29

頁5.增強現實與隨身增強現實(續)增強現實關鍵技術聚焦與對比度。融合精度與實時性問題。系統可移動性。傳感系統。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第30

頁5.增強現實與隨身增強現實(續)增強現實應用領域醫學領域。機械制造、維修。可視化應用。娛樂應用。2023/2/4江西農業大學計算機與信息工程學院第31