梁延研黃靜虛擬現實與建模VirtualRealityContents:1虛擬現實2虛擬現實運用3建模技術開展前景5存在的問題4虛擬現實與建模計算機屏幕只是一個窗口,但經過這個窗口,我們可以看見一個虛擬的世界。我們面臨的挑戰是如何使這個世界看起來真實、動起來真實、聽起來真實、摸起來真實！——伊萬·薩瑟蘭虛擬現實根本含義、開展歷史、特征、關鍵技術、硬件根底、VR系統14虛擬現實1.地理信息學：存在于計算機系統中的邏輯環境，經過輸出設備模擬顯示現實世界中的三維物體和它們的運動規律和方式。資源信息學：利用計算機開展中的高科技手段構造的，使參與者獲得與現實一樣的覺得的一個虛擬的境界。通訊科技學：一種模擬三維環境的技術，用戶可以如在現實世界一樣地體驗和支配這個環境。虛擬現真實不同窗科中有不同定義：5虛擬現實技術是一種綜合運用計算機圖形學、人機接口技術、傳感器技術以及人工智能等技術，制造逼真的人工模擬環境，并能有效地模擬人在自然環境中的各種感知的高級的人機交互技術。1.1詳細定義人機交互的飛躍61.1了解定義可以簡單地了解為：虛擬現實系統是利用計算機生成的能給人多種感官刺激的人機交互系統。反響動作感官刺激虛擬環境感知系統反響系統兩個方面的了解：計算機生成的虛擬環境必需能提供多種感官刺激，讓人有沉浸的覺得。一種高級的人機交互系統，人機交互是中心。計算機科學開展的一個重要推進力

—如何讓計算機更容易被人運用操作人員可以以更為自然的方式運用計算機將結果以更易被操作人員接受的方式盡快地表現出來計算機可以更準確地了解人的意圖從60年代末起

在計算機技術的支持下已對各種計算提出“可視〞的要求在計算數據的根底上要解釋數據、了解數據，把計算得到的數字信息轉換為直觀的、用視頻或聲頻信息表示的、隨時間和空間變化的物理景象或模擬的物理景象先進的科學計算將能洞察到傳統科學計算所不能夠看見的結果〔Toseetheunseen〕，可視化是把某些不可見對象或籠統事物轉化為可見的、可感知的結果“Thepurposeofcomputingisinsight,notnumber〞---RichardHamming人機調和、定性定量結合是發明性研討的源泉，要求在察看計算所得的數據的根底上，能感受計算所得的籠統結果和全局觀念研討人員甚至還希望能沉浸在計算所得、計算所創建的三維空間中，能交互地控制、駕馭和修正所“看見和感遭到〞的計算結果自90年代初起

在高性能計算的支持下要務虛現沉浸式的可視計算處理復雜問題，必需跨領域協作集體攻關網絡技術已根本成熟，基于網絡計算可實現資源共享基于一致的開放體系框架構造、運用程序接口和面向對象的中間件，已能實現“優勢互補〞、“即插即用〞的協同式的可視化計算自90年代中旬以來在網絡計算技術的支持下要務虛現協同式的可視化計算總之：沉浸式、協同式的可視化計算促進高性能計算機的開展,高性能計算機為沉浸式、協同式的可視化計算提供根底

關鍵技術高性能計算機和高性能網絡技術大量的、快速的、分布的、基于網絡的數值計算開放體系構造、中間件、人機接口和閱歷模型的建立把數據映射成可視化的、具有某種物理屬性的對象〔虛物實化〕把實物轉化為可融入虛擬環境的虛擬對象〔實物虛化〕美國各個國家計算中心和有關部門都提出迎接21世紀技術開展的相應規劃，如：DOE2000和NSF的PACI等121.2技術根底虛擬現實的關鍵技術，從自然信源獲取信息，并進展處置和識別。經過輸入、輸出設備，以有效的方式實現人與計算機對話。虛擬現實的奠基石，用數學算法實現圖形在計算機中的顯示。模擬、延伸和擴展人的智能的實際、方法、技術及運用系統。計算機圖形學人工智能傳感器技術人工交互技術虛擬現實131.3開展歷史Sutherland在TheUltimateDisplay的論文中初次提出虛擬現實系統的根本思想。出現了第一個功能較齊全的HMD〔頭盔顯示器〕系統。JaronLanier提出了"VirtualReality"一詞，美國的一系列研討成果，引起了人們的廣泛關注。迅速開展的計算機軟硬件技術，促進了人機交互系統的不斷創新與開展。各學科交叉交融共同開展，新技術雨后春筍般出現并廣泛運用，不斷改動著我們的生活。1990s1980s1970s1960sNowFuture？？？……141.4根本特征沉浸感(Immersion)：指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。交互性(Interaction)：指參與者對虛擬環境內物體的可操作程度和從環境中得到反響的自然程度。想象性(Imagination)：指用戶沉浸在多維信息空間中，依托本人的感知和認知才干全方位獲取知識，發揚客觀能動性，尋求解答，構成新的概念。ImaginationInteractionImmersion3I151.5虛擬現實系統的硬件組成虛擬現實系統感知設備虛擬環境生成設備跟蹤設備交互設備161.6硬件根底虛擬現實運用的主要交互設備，可實現對物體的抓取、挪動、裝配、支配、控制。數據手套用于六自在度虛擬現實場景的模擬交互，可從不同角度和方位對三維物體察看、閱讀、支配。三維空間交互球稱號運用17用于空間跟蹤定位的安裝，使參與者在空間上可以自在挪動、旋轉，不局限于固定的空間位置。位置跟蹤器不需求任何立體眼鏡設備，用肉眼即可察看到突出的立體顯示效果。3D顯示器能使參與者實現除視覺、聽覺之外的第三覺得——觸覺，加強虛擬現實的交互性和真實感。力反響安裝1.6硬件根底稱號運用快速呼應的任務平臺洞穴狀的投影屏幕〔CAVE〕安裝在浙江大學的CAVECAVE表示圖圓柱型的投影屏幕由矩形塊拼接構成的投影屏幕全景圖可支持多用戶協作的投影屏幕可支持多用戶協作的投影屏幕的改良力反響設備：數據手套(cyberglove)：三維鼠標三維聲音系統聲音在VR中的作用：1〕加強空間信息，尤其是當空間超出了視域范圍。2〕數據驅動的聲音能傳送對象的屬性信息。3〕聲音是用戶和虛擬環境的另一種交互方法。三維掃描儀(來自cyberware公司〕有多個攝像頭的三維實時重構基于圖片的三維重建基于圖片的三維重建361.7關鍵技術1〕環境建模技術即獲取實踐三維環境的三維數據，建立相應的虛擬環境模型的技術。2〕立體聲合成和立體顯示技術消除聲音的方向與用戶頭部運動的相關性，并在復雜的場景中實時生成立體圖形。373〕觸覺反響技術用戶可以直接操作虛擬物體并覺得到虛擬物體的反作用力，從而產生身臨其境的覺得。1.7關鍵技術4〕交互技術利用數字頭盔、數字手套等復雜的傳感器設備，三維交互技術與語音識別、語音輸入技術成為重要的人機交互手段。385〕三維跟蹤技術用于空間跟蹤定位，實時記錄參與者的相關動作軌跡等。1.7關鍵技術6〕系統集成技術包括數據轉換技術、語音識別與合成技術等，實現數據的實時傳輸與處置，方便智能控制和加強交互性。39虛擬現實的技術本質在于提供一種高級的人機接口和人性化的虛擬信息空間，改動了人與計算機之間枯燥、生硬和被動的交互現狀。1.8技術優點虛擬現實的出現，使人們從紛繁復雜的數據中解放出來，提供了一個嶄新的信息交流平臺，乃至一個全新的世界。401.9虛擬現實系統分類按交互和浸入程度的不同：分布式虛擬現實加強式虛擬現實桌面式虛擬現實沉浸式虛擬現實虛擬現實系統411.9虛擬現實系統分類<1>桌面式虛擬現實系統〔DesktopVR〕：利用PC機或中低檔任務站作虛擬環境產生器；計算機屏幕或投影屏幕作為察看窗口；參與者僅運用鍵盤、鼠標和力矩球等簡單外部設備。桌面虛擬現實系統桌面虛擬現實〔PCVR〕系統，根本上是一套基于普通PC平臺的小型桌面虛擬現實系統。桌面虛擬現實的參與者是不完全沉浸的，他要求參與者運用規范的顯示器和立體顯示設備，數據手套和六個自在度的三維空間鼠標器，戴上立體眼鏡坐在監視器前，在一些專業軟件的協助下，可以經過計算機屏幕察看虛擬境界。43<2>加強式虛擬現實系統〔AugmentedVR〕：真實世界和虛擬對象疊加在一同；部分真實環境由虛擬環境取代，減少構成復雜真實環境的開銷；1.9虛擬現實系統分類加強式虛擬現實系統加強式虛擬現實系統是把真實環境和虛擬環境組合在一同的一種系統，它既允許用戶看到真實世界，同時也可以看到疊加在真實世界的虛擬對象，這種系統既可減少對構成復雜真實環境的計算，又可對實踐物體進展操作，真正到達亦真亦幻的境界。45<3>沉浸式虛擬現實系統〔ImmersiveVR〕：各種高檔任務站、高性能圖形加速卡和交互設備。是一種高級的、較理想的虛擬現實系統，參與者置身于虛擬環境之中，能得到完全沉浸的體驗。1.9虛擬現實系統分類沉浸式虛擬現實系統沉浸式虛擬現實系統是一種高級的虛擬現實系統，它提供一個完全沉浸的體驗，運用戶有一種置身于虛擬境界之中的覺得。它利用頭盔式顯示器或其它設備，把參與者的視覺、聽覺和其它覺得封鎖起來，并提供一個新的、虛擬的覺得空間，并利用位置跟蹤器、數據手套、其它手控輸入設備、聲音等使得參與者產生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的覺得。47<4>分布式虛擬現實系統〔DistributedVR〕：虛擬現實技術和網絡技術結合的產物；以沉浸式虛擬現實系統為根底，多個用戶或虛擬世界經過網絡相銜接；多個用戶同時參與到同一個虛擬空間，共享信息，協同任務到達一個更高的境界。1.9虛擬現實系統分類分布式虛擬現實系統分布式虛擬現實系統是利用遠程網絡，將異地的不同用戶結合起來，多個用戶經過網絡同時參與一個虛擬空間，共同體驗虛擬閱歷，對同一虛擬世界進展察看和操作，到達協同任務的目的，從而將虛擬現實的運用提升到了一個更高的境界。49AugmentedVR穿透型頭戴式顯示器配合其他交互設備加強參與者對真實環境的感受本錢較高維修、醫學檢查、培訓等所需硬件實現效果本錢&運用完全的沉浸感，多用戶共享信息本錢高軍事仿真、文娛、多用戶環境、電子商務等DistributedVR沉浸式虛擬現實系統&互聯網絡1.10四種虛擬現實系統的對比DesktopVR沉浸感不夠好，受現實世界影響大本錢低運用廣泛，實現普通的虛擬現實PC機、中低檔任務站配合立體眼鏡、3D控制器或者鼠標，追蹤球，力矩球頭盔顯示器和數據手套等各種交互設備ImmersiveVR本錢高運用廣泛，如虛擬社區等完全的沉浸感，真實性好，多覺得性〔視、聽、觸〕根本含義、特點、分類、各層次建模技術虛擬現實建模技術2虛擬現實系統的構成

無論哪種VR系統，其系統構成都可以劃分為以下6個功能模塊：檢測反響傳感器控制3D模型建模模塊用戶虛擬世界現實世界檢測用戶的操作命令，并經過傳感器模塊作用于虛擬環境。檢測模塊接受來自傳感器模塊的信息，為用戶提供實時反響。反響模塊一方面接受來自用戶的操作命令，將其作用于虛擬環境，另一方面將操作后產生的結果以相應的反響方式提供應用戶傳感器模塊對傳感器進展控制，使其對用戶、虛擬環境和現實世界產生作用。控制模塊現實世界各組成部分的三維表示，并由此構成對應的虛擬環境。3D模型庫獲取現實世界各組成部分的三維數據，并建立它們的三維模型。建模模塊虛擬現實系統的構成

虛擬現實建模2.虛擬現實建模是為了建立虛擬現實所需求的數字模型，是虛擬現實技術中最重要的技術領域。從數學上定義根本過程,并配備已有的硬件資源。1開發對象數據庫，優化模型,建立對象的外形、外表、行為、限制模型，并映射到虛擬世界。2步驟如下：54虛擬現實建模與其他圖形建模系統相比，有本人獨特的特點:虛擬現實中有非常廣泛的物體,往往需求構造大量完全不同類型的物體。虛擬現實中有些物體必需有其本人的行為,即多是動態的物體。虛擬現實中的物體必需可以對察看者作出反響，即具有交互性。2.1虛擬現實建模技術特點552.1虛擬現實建模技術分類虛擬現實建模技術基于幾何繪制基于圖像幾何與圖像混合設定控制參數，獲取察看者的位置信息，輸出實時渲染繪制視景畫面。3建立光照模型，并借助紋理映射技術來提升真實感；2對虛擬環境進展數字化描畫，構造模型構造，同時設定材質信息；1561.基于幾何繪制的虛擬場景建模技術：以計算機圖形學原理為根底，用數學意義上的曲線、曲面、多邊形等數學模型預先構建好虛擬場景的幾何輪廓，并建立光照和材質模型。2.1虛擬現實建模技術572.1虛擬現實建模技術2.基于圖像的虛擬場景建模技術：選擇適宜的空間模型把多幅全景圖組織為虛擬場景空間3經過圖象處置系統對數據進展優化和整理，生成逼真的場景平面全景圖；2利用外部設備采集真實模型的離散圖象數據或延續圖象視頻數據；1582.1虛擬現實建模技術3.幾何與圖像混合的虛擬場景建模技術：-------對場景中的不同環節采用不同的處置方式。系統總體的全景視覺效果基于圖像的建模技術利用反映真實場景的高質量的圖象，在無須復雜建模的情況下獲得最真實的感官效果。系統的用戶交互部分基于幾何模型的方法對虛擬環境中用戶要與之交互的對象進展模型建構，以抑制圖像交互性不強的問題。59缺陷優點2.2三種虛擬現實建模技術對比基于幾何繪制幾何模型參數準確，整個場景細膩真實，碰撞檢測時容易實現，技術較成熟，產品很多復雜場景模型的構建任務量大，本錢較高；三維場景實時渲染繪制對計算機軟硬件要求較高基于圖像能生成高質量的圖象環境，遨游效果及處置時間與場景內容的復雜度無關，不需求專業的圖形加速設備必需有真實場景存在，二維對象難以實現交互，獲得實景圖象需求高性能攝影配備幾何與圖像混合無須復雜建模獲得最真實的感官效果，抑制圖像交互性不強的問題實體對象與虛擬對象坐標位置、亮度、陰影強度等要準確匹配；實時交互的實現較復雜60認知建模行為建模感知建模物理建模圖像建模幾何建模逼真感內在逼真感外在逼真感2.3虛擬現實建模的層次智能建模虛擬現實運用工程、軍事、航空航天、醫療、科學研討、教育文娛、其他3虛擬現真實教育領域的詳細運用虛擬學習環境虛擬實驗室虛擬實訓基地虛擬仿真校園虛擬遠程教育虛擬現真實軍事領域的詳細運用虛擬戰場環境單兵模擬訓練與評判諸軍種結合虛擬演習進展指揮員訓練虛擬現真實礦業領域的詳細運用模擬礦井開采礦業人員技術培訓礦井設備的虛擬設計和制造事故模擬與調查分析虛擬現真實商業領域的詳細運用物品外觀展現物品特性展現物品的功能參數物品的價錢虛擬現真實房地產領域的詳細運用最直觀的交流方式最快捷的審批平臺最方便的設計工具最先進的營銷手段幾個已實現的例子：1、日本松下公司用來招徠買主的“廚房世界〞2、杭州大學開發的虛擬故官玩耍系統3、美國佐治亞理工學院開發出虛擬動物園的大猩猩系統4、日本的一家公司設計制造出一個虛擬世界中的歌手5、賓夕法尼亞大學研討制成虛擬現實人杰克68虛擬樣機虛擬工業設計虛擬裝配3.1工程運用產品設計與人機效果(飛機，空間站等)奧迪效果圖和線框圖71虛擬戰場環境可以用來訓練軍事人員，同時又可以來檢查和評價武器系統的性能。利用虛擬現實技術，研討人員即使不進展核實驗，也能不斷改良核武器。3.2軍事運用用于核彈B-61-x的虛擬組裝系統73某型軍艦航空母艦模型3.2軍事運用北京郵電大學仿真訓練中國海警某型主力艇虛擬仿真虛擬現實&視景仿真技術在軍事上的運用VirtualRealitysystems

totrainaircraftpilotsandtankcommanders北京郵電大學協同任務環境的仿真783.3航空航天飛行員模擬操作訓練飛機飛行形狀模擬793.3航空航天虛擬太空環境訓練虛擬衛星運轉環境航天員操作訓練最為勝利的例子就是“哈勃望遠鏡的修復和維護〞。經過這個虛擬系統的訓練，宇航員于1993年12月，勝利地完成了從航天飛機上取出備件改換哈勃太空望遠鏡上損壞的MRI這一復雜而又費時的義務。空間技術VR813.4醫療運用虛擬手術虛擬人體模型823.5科學研討計算數據可視化參數化模型分析833.6教育文娛虛擬課堂虛擬實驗843.7其他運用室內設計虛擬現實技術問題軟硬件問題、本身問題4虛擬現實中的問題4.硬件問題軟件問題VR本身技術問題數據存儲設備的速度、容量缺乏，顯示設備的造價昂貴而且明晰度不夠。硬件問題限制了軟件的開發，費用驚人，實現的效果受時間和空間影響很大。874.1本身技術問題VR本身技術問題虛擬環境感知信息合成的真實性環境表示的準確性人與虛擬環境交互的自然性實時顯示的問題智能技術的實現圖形生成的問題虛物實化如何根據虛擬環境生成人可直接感遭到的真實信號〔聲、光、電〕。是一個顯示〔輸出〕問題。實物虛化如何將真實世界中的物〔特別是人〕與事件〔特別是人的動作〕傳入虛擬環境中。是一個感知的問題。主要研討方向之一：

感知技術的研討研討如何感知真實世界中人和物的存