第10章：虛擬現實技術虛擬現實技術概述虛擬現實系統分類虛擬現實系統組成虛擬現實技術研究內容虛擬現實關鍵技術虛擬現實應用虛擬現實所追求久遠目標虛擬現實建模語言VRML使用VRML2.0結構虛擬世界第1頁10.1虛擬現實技術概述虛擬現實定義虛擬現實發展及研究現實狀況虛擬現實主要研究內容虛擬現實特點沉醉感MultimediaTechnology&Application*第2頁10.1.1虛擬現實定義包含了三層含義：虛擬實體是用計算機來生成一個逼真實體，“逼真”就是要到達三維視覺，甚至包含三維聽覺及嗅覺等；用戶能夠經過人自然技能與這個環境交互，這里自然技能能夠是人頭部轉動、眼動、手勢或其它身體動作；虛擬現實往往要借助一些三維傳感設備來完成交互動作。MultimediaTechnology&Application*第3頁虛擬現實技術示意圖MultimediaTechnology&Application*第4頁10.1.2虛擬現實發展1965年IvanSutherland提出虛擬現實基本思想1966年MIT林肯試驗室第一個HMD樣機完成,并融入力反饋裝置1970年IvanSutherland研制成功第一個功效較為齊全HMD1975年MyronKrueger提出“人工現實”思想20世紀80年代虛擬現實深入發展，出現

”VirtualReality”(虛擬現實)一詞20世紀90年代明確提出虛擬現實研究主要內容，虛擬現實技術飛速發展MultimediaTechnology&Application*第5頁10.1.3虛擬現實研究現實狀況國外研究北卡羅來納大學(UNC)計算機系麻省理工學院(MIT)媒體試驗室

洛瑪琳達(LomaLinda)大學醫學中心華盛頓大學人機界面技術試驗室(HITLab)美國宇航局(NASA)Ames試驗室伊利諾斯州立大學

其它機構國內研究北京航空航天大學計算機系

浙江大學（CAD&CG國家重點試驗室、心理試驗室）清華大學計算機科學和技術系西安交通大學信息工程研究所

北方工業大學CAD研究中心

中國科技開發院威海分院

其它機構MultimediaTechnology&Application*第6頁10.1.4虛擬現實特點沉醉感(Immersion)視覺浸入聽覺浸入觸覺浸入嗅覺浸入與味覺浸入交互性(Interaction)構想性(Imagination)MultimediaTechnology&Application*第7頁10.1.5沉醉感造成沉醉感原因是用戶對計算機環境虛擬物體產生了類似于現實物體存在意識或幻覺。沉醉感必須具備三個要素：圖象(imagery)交互(interaction)行為(behavior)沉醉感存在感存在感存在感存在感認知MultimediaTechnology&Application*第8頁10.2虛擬現實系統分類依照虛擬現實與外界交互分類依照虛擬現實特點分類MultimediaTechnology&Application*第9頁10.2.1依照虛擬現實與外界交互分類從虛擬現實與外界交互考慮能夠分成三類：封閉式虛擬現實，即與外部現實世界不產生直接交互；開放式虛擬現實，即經過各種傳感裝置與外界組成反饋閉環；以上兩類結合，即兼備封閉式或開放式特點，是一個較實用虛擬現實系統。MultimediaTechnology&Application*第10頁10.2.2依照虛擬現實組成特點分類依照虛擬現實組成特點可分為：桌面虛擬現實系統，利用微機或低級工作站進行模擬，在一些專用硬件和軟件支持下，參加者可在仿真過程中設計各種環境；臨境虛擬現實系統，也稱投入式虛擬現實系統。利用使參加者完全投入各種設備把用戶視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，產生一個與世隔絕而被虛擬環境籠罩錯覺，到達完全投入目標。分布式虛擬現實系統，在臨境虛擬現實系統基礎上將不一樣用戶聯接在一起，共享同一個虛擬空間，使用戶到達一個更高境界。傳感真實環境控制虛擬環境表現虛擬環境

MultimediaTechnology&Application*第11頁桌面虛擬現實系統與臨境虛擬現實系統MultimediaTechnology&Application*第12頁10.3系統組成虛擬現實系統由可交互虛擬環境、虛擬現實軟件、虛擬現實硬件(包含計算機、虛擬現實輸入輸出設備)三部分組成虛擬現實系統模型在系統組成上普通包含檢測、反饋、傳感器、控制、三維模型及建模模塊。桌面虛擬現實系統和臨境虛擬現實系統之間主要差異在于：參加者身臨其境程度，這也是他們系統結構、應用領域和成本都大不相同原因；前者以常規CRT彩色顯示器和立體眼鏡來增加身臨其境感覺，主要交互裝置為6自由度鼠標或三維操縱桿，后者采取HMD現實，主要交互裝置為數據手套和頭部跟蹤器。MultimediaTechnology&Application*第13頁虛擬現實系統基本組成輸入設備虛擬現實軟件虛擬世界計算機輸出設備MultimediaTechnology&Application*第14頁虛擬現實系統模型圖操作虛擬環境反饋外部世界傳感裝置操作顯示MultimediaTechnology&Application*第15頁虛擬系統組成圖虛擬環境現實世界系統建模3D模型檢測反饋傳感器控制用戶MultimediaTechnology&Application*第16頁桌面虛擬現實系統基本組成圖虛擬環境發生器聲音合成2

6自由度控制器立體視覺顯示器觸覺/視覺系統聲音顯示器聲音合成MultimediaTechnology&Application*第17頁臨境虛擬現實系統基本組成圖虛擬環境發生器頭盔顯示器/數據手套聲音合成聲音定位語言識別顯示電子裝置頭/眼/手/體跟蹤觸覺/動覺系統命令圖形圖象頭位置眼位置手位置MultimediaTechnology&Application*第18頁MultimediaTechnology&Application*第19頁10.4虛擬現實主要研究內容基于視覺、聽覺、觸覺和嗅覺逼真模擬世界生成技術三維實時動畫視覺環境建模（體視圖生成原理）空間定位和空間仿真技術

聲像一體化仿真技術

虛擬環境中標定

人與技術融為一體臨場感技術

寬視場立體顯示技術

感知并識別用戶視點改變，頭、手、肢體、身軀動作和語音基于自然方式人機交互技術

快速、高精度三維跟蹤技術

人原因與用戶心理學研究

MultimediaTechnology&Application*第20頁10.4虛擬現實主要研究內容虛擬環境控制系統

實時、低延時控制軟硬件設計傳感技術和傳感設備研究多傳感器數據融合遙感技術虛擬環境與現實環境一致性保持開發新非應用虛擬環境技術不可領域虛擬現實系統開發平臺研制

分布式虛擬現實技術

虛擬現實實用系統開發MultimediaTechnology&Application*第21頁10.5虛擬現實關鍵技術提升圖形系統實時性三維位置方位跟蹤與視覺、聽覺、嗅覺等傳感及識別技術高速計算能力及計算復雜性問題面向對象技術應用動態環境三維建模技術紋理貼圖、全局光照建模技術、立體顯示技術（體視圖等）、幾何建模（NURBS建模技術、過程建模技術）、運動建模、物理建模、基于圖像建模等系統集成技術MultimediaTechnology&Application*第22頁NURBS技術生成圖像空間點左視圖左視點右視點右視圖體視圖生成原理MultimediaTechnology&Application*第23頁被動式立體投影原理MultimediaTechnology&Application*第24頁10.6虛擬現實應用可視化研究與應用工程計算機輔助設計和制造(CAD/CAM)醫學方面應用軍事模擬和飛行模擬教育和藝術遙在和遙控游戲和娛樂MultimediaTechnology&Application*第25頁10.7虛擬現實技術所追求久遠目標虛擬顯示系統擴大人類感知和認知能力；虛擬技術必定會推進生產管理模式改變；虛擬技術不但支持著靈捷制造系統建立，而且能夠使整個設計制造過程對用戶是透明，使用戶有可能參加設計；虛擬現實技術將引發設計制造業巨變；虛擬現實技術將造成醫學革命；虛擬現實技術將促使遙在技術發展；虛擬現實技術幫助殘疾人和增強殘疾人自理能力；虛擬現實技術還將有效地輔助人類進行決議和行動。MultimediaTechnology&Application*第26頁虛擬現實技術在設計中應用圖象MultimediaTechnology&Application*第27頁飛機機艙圖象MultimediaTechnology&Application*第28頁虛擬儀表圖象MultimediaTechnology&Application*第29頁水下航行模擬圖象MultimediaTechnology&Application*第30頁飛行模擬圖象MultimediaTechnology&Application*第31頁虛擬現實在軍事訓練中應用MultimediaTechnology&Application*第32頁虛擬現實在醫學上應用MultimediaTechnology&Application*第33頁10.8虛擬現實建模語言VRML10.8.1概述

10.8.2VRML誕生與發展

10.8.3VRML2.0介紹

10.8.4VRML世界瀏覽和公布

10.8.5建模軟件和創作工具

10.8.6開辟一個虛擬世界

MultimediaTechnology&Application*第34頁10.8.1概述虛擬現實建模語言VRML（VirtualRealityModelingLanguage）是一個描述虛擬現實場景專用語言，其作用是描述三維場景方便建立交互式、可導航三維世界，可用于萬維網WWW（和HTML一樣）。VRML允許用有限交互行為結構虛擬世界，這些虛擬世界包含有同其它“世界”超鏈接對象VRML提供三維元素有站點地圖、庫、科學知識可視化代表、數據庫可視化代表、模擬地理信息系統、交互式廣告等。MultimediaTechnology&Application*第35頁10.8.2VRML誕生與發展VRML提出（1994年春，第一屆國際互聯網絡年會）VRML設計主要目標瀏覽器負責解釋VRML文件，使VRML描述3D景象可見。當前VRML數據經過HTTP協議傳輸。VRML兩個版本(1.0、2.0)VRML1.0存在問題：景象游歷細節水平沒有原型沒有獨一無二名字VRML2.0提出MultimediaTechnology&Application*第36頁10.8.3VRML2.0介紹VRML2.0推出主要目標是擴展其靜態景象描述語言從而使其成為虛擬現實描述語言，其中包含交互和對象行為以及對媒體規范，其中最主要改變表達在節點類型擴充上。VRML2.0是基于節點建模語言，共有54種標準節點類型，按功效分成9類。VRML2.0特點增強三維建模能力聲音和動畫交互式能力編程能力MultimediaTechnology&Application*第37頁10.8.3VRML2.0介紹支持VRML世界交互行為三種設計模型擴展VRML語言規范，加入新代碼和關鍵字，使之能很輕易地結合到擴展、開放VRML語言規范中去。提供與場景接口并實現外部腳本描述行為。在景象行為語言中嵌入VRML景象描述。擴展到多用戶世界需要處理問題可縮放性持久性鎖定同時行為協議代理MultimediaTechnology&Application*第38頁10.8.4VRML世界瀏覽和公布支持VRML瀏覽器MicrosoftVRML2.0ViewerCosmo播放器其它VRML播放器VRML世界大多以.wrl為擴展名文件進行公布。為了讓瀏覽器知道.wrl文件內保留是何種類型VRML，.wrl文件必須在頂部包含單獨一行設置信息，除此之外，還包含一個三維世界描述。

MultimediaTechnology&Application*第39頁MultimediaTechnology&Application*第40頁10.8.5建模軟件和創作工具三維建模軟件和動畫應用軟件Alias|WavefrontAnimator、3Dstudio、Maya、LightWave等VRML文件轉換器VRML創作工具MultimediaTechnology&Application*第41頁MultimediaTechnology&Application*第42頁10.8.6開辟一個虛擬世界基本框架設計構建物體并組成世界添加動畫和腳本修改和測試MultimediaTechnology&Application*第43頁MultimediaTechnology&Application*第44頁10.9使用VRML2.0結構虛擬世界VrmlPad介紹使用VRML2.0利用節點構建靜態形體讓形體含有交互能力檢測器(Sensor)節點觀察點(Viewpoint)節點事件路由傳遞機制使用腳本節點定義行為場景中動畫實現使用接觸檢測器，結合腳本節點實現動畫使用時間檢測器，結合腳本節點實現動畫使用插補器，結合時間檢測器實現動畫MultimediaTechnology&Application*第45頁10.10本

章

小

結虛擬現實技術基本概念虛擬現實系統分類與組成虛擬現實技術研究內容虛擬現實關鍵技術虛擬現實應用及久遠目標虛擬現實建模語言VRML介紹VRML2.0使用MultimediaTechnology&Application*第46頁附錄#VRMLV2.0utf8

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返回MultimediaTechnology&Application*第52頁附錄#VRMLV2.0utf8DEFview1Viewpoint{position0010description"view1"}DEFview2Viewpoint{position4210description"view2"}Group{children[Transform{translation800children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}]}DEFtouchSensor TouchSensor{}]}DEFtouchscriptScript{eventInSFBooltouchSensorIsActiveeventOutSFBoolbindView2url"javascript:functiontouchSensorIsActive(){bindView2=TRUE;}"}ROUTEtouchSensor.isActiveTOtouchscript.touchSensorIsActiveROUTEtouchscript.bindView2TOview2.set_bind返回MultimediaTechnology&Application*第53頁附錄#VRMLV2.0utf8DEFboxTransform{rotation2220children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryBox{}}DEFTouchSTouchSensor{}]}DEFrScript{eventInSFBoolstartRevolvingeventOutSFRotationrevolvefieldSFFloatangle0url"javascript:functionstartRevolving(){revolve[0]=2;revolve[1]=2;revolve[2]=2;revolve[3]=angle;angle+=0.1;}"}ROUTETouchS.isOverTOr.startRevolvingROUTEr.revolveTObox.set_rotation

返回MultimediaTechnology&Application*第54頁附錄#VRMLV2.0utf8DEFboxTransform{rotatio