1、虚拟现实的发展虚拟现实的发展n虚拟地理环境虚拟地理环境n分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统n增强现实增强现实一、虚拟地理环境一、虚拟地理环境n 地理学地理学+虚拟现实技术虚拟现实技术nGIS+虚拟现实技术虚拟现实技术虚拟地理环境虚拟地理环境n数字城市数字城市+虚拟现实技术虚拟现实技术虚拟城市虚拟城市n地理学地理学+虚拟现实技术虚拟现实技术虚拟虚拟GIS概念概念n地理环境：地理环境：n包括作为主体的人类社会以及围绕该主体存包括作为主体的人类社会以及围绕该主体存在的一切客观环境，自然环境、经济环境、在的一切客观环境，自然环境、经济环境、社会文化环境等。社会文化环境等。n虚拟地理环境虚拟地理环境n
2、虚拟地理环境虚拟地理环境n包括作为主体的化身人类社会和围绕该主体包括作为主体的化身人类社会和围绕该主体存在的一切客观环境，硬件环境、软件环境、存在的一切客观环境，硬件环境、软件环境、数据环境、虚拟图形境象环境、虚拟经济环数据环境、虚拟图形境象环境、虚拟经济环境、虚拟社会、政治文化环境。境、虚拟社会、政治文化环境。n比较：比较：n人类社会人类社会化身人类社会化身人类社会n化身人：现实世界中的人与虚拟世界中的化化身人：现实世界中的人与虚拟世界中的化身相结合后的集合整体；用户在虚拟世界中身相结合后的集合整体；用户在虚拟世界中的三维图形表达。的三维图形表达。n比较：比较：n环境环境自然环境经济环境社会
3、、文化环境硬件环境软件环境数据环境虚拟图形境象环境虚拟经济环境虚拟社会、文化环境数据环境虚拟图形境象环境三维世界n虚拟地理环境与现实地理环境一样，是人类虚拟地理环境与现实地理环境一样，是人类可以生活、工作、生产和消费的一个空间世可以生活、工作、生产和消费的一个空间世界；界；n是一个包含空间系统、生态系统和社会系统是一个包含空间系统、生态系统和社会系统的开放的、复杂性巨系统。的开放的、复杂性巨系统。层次结构层次结构硬件环境硬件环境软件环境软件环境数据环境数据环境虚拟图形境象环境虚拟图形境象环境虚拟经济环境虚拟经济环境虚拟社会、文化环境虚拟社会、文化环境实境虚境实境虚境计算机因特网通信和传感设备数
4、据图形实体或符号实境虚境三维虚拟世界虚拟社会世界n虚拟地理环境虚拟地理环境n现实地理环境现实地理环境地理位置空间节点密度反映两者之间的相互影响和相互作用强度和频度2、内表达数据层面、内表达数据层面n数据数据n数据的存储与感知数据的存储与感知n数据打开数据打开n图形处理图形处理3、外表达境象层面、外表达境象层面n内表达数据的外化、知觉化内表达数据的外化、知觉化n数据的三维图形视觉表达数据的三维图形视觉表达n山脉山脉n平原平原n房屋房屋n树、云树、云n化身化身n4、单主体感知认知层面、单主体感知认知层面n信息交互信息交互n感知虚拟世界感知虚拟世界n视觉视觉n听觉听觉n力觉力觉n触觉触觉n嗅觉嗅觉n
5、味觉味觉5、互主题社会层面、互主题社会层面n化身人之间化身人之间n化身人类社会与软硬件环境化身人类社会与软硬件环境n化身人类社会与虚拟社会图形环境化身人类社会与虚拟社会图形环境n化身人化身人=自然人自然人+化身化身n化身：化身：n化身人类在虚拟界中的身份，采用不同形态、化身人类在虚拟界中的身份，采用不同形态、性别的化身会影响化身人类在虚拟结合县世性别的化身会影响化身人类在虚拟结合县世界的心理状态和社会行为。界的心理状态和社会行为。虚拟社群：虚拟社群：VGE特点：特点：n虚拟地理环境强调虚拟地理环境强调“人人”的作用的作用n化身人使化身人使虚拟虚拟变得更为真实变得更为真实n化身人使人们愿意加入到
6、虚拟的地理环境中，化身人使人们愿意加入到虚拟的地理环境中，亲身体验虚拟环境带来的多方面的感受；亲身体验虚拟环境带来的多方面的感受；n虚拟地理环境强调虚拟地理环境强调虚拟虚拟而非而非数字数字n不仅仅是数据库和几何模型的建设，强调人不仅仅是数据库和几何模型的建设，强调人的地位，强调许多地理信息与地理知识在区的地位，强调许多地理信息与地理知识在区域可持续发展中的意义。域可持续发展中的意义。n虚拟环境与仿真环境不同虚拟环境与仿真环境不同n仿真是通过对系统模型的实验来研究一个存仿真是通过对系统模型的实验来研究一个存在的或设计中的系统在的或设计中的系统n仿真环境即运用仿真技术描述现实环境；仿真环境即运用仿
7、真技术描述现实环境；n虚拟环境是用虚拟现实技术来描述真实环境，虚拟环境是用虚拟现实技术来描述真实环境，使人和计算机融为一体，带来使人和计算机融为一体，带来沉浸感，交沉浸感，交互感和想象力互感和想象力虚拟地理环境与其他模拟环境的本质区别：建立模型的方式人-机关系nVGE为公众参与提供媒介为公众参与提供媒介nVGE需要空间数据库的支持，需要支持交互探需要空间数据库的支持，需要支持交互探索分析的环境；索分析的环境；nVGE强调人强调人/系统的（交互）融合，强调系统的（交互）融合，强调身临身临其境其境的感受；的感受；VGE的发展、演化的发展、演化n虚拟群落虚拟群落n虚拟村落虚拟村落n虚拟城市虚拟城市概
8、念的发展概念的发展n地理学地理学n计算机技术、计算机技术、GIS虚拟地理环境的产生虚拟地理环境的产生GIS与虚拟现实与虚拟现实nGIS：n三维可视化模块，用于数字高程模型的三维三维可视化模块，用于数字高程模型的三维可视呈现与分析；可视呈现与分析；n虚拟虚拟GISn把把GIS中三维可视化模块提高到了整个系统的中三维可视化模块提高到了整个系统的核心地位核心地位n把用户与地学数据的三维视觉、听觉等多感觉把用户与地学数据的三维视觉、听觉等多感觉实时交互作为系统的存在基础；实时交互作为系统的存在基础；n把观察者加入到把观察者加入到GIS中，成为一个参与者和系中，成为一个参与者和系统设计的重心统设计的重心
9、n虚拟地理环境：虚拟地理环境：n把人与人之间的交互与交流考虑进来把人与人之间的交互与交流考虑进来n地理学语言地理学语言虚拟地理学虚拟地理学n虚拟地理学虚拟地理学n研究虚拟地理环境的特征与规律，以及虚拟研究虚拟地理环境的特征与规律，以及虚拟地理环境与现实地理环境相互关系的一门科地理环境与现实地理环境相互关系的一门科学学二、分布式虚拟现实系统二、分布式虚拟现实系统概念概念nDVR：n分布式虚拟现实可以看作是分布式虚拟现实可以看作是基于网络基于网络的虚拟的虚拟现实系统，是可供现实系统，是可供多用户同时异地多用户同时异地参与的分参与的分布式虚拟环境，处于不同地理位置的用户如布式虚拟环境，处于不同地理位
10、置的用户如同进入到同一个真实环境中，通过姿势、声同进入到同一个真实环境中，通过姿势、声音或文字等音或文字等“在一起在一起”进行交流、学习、训进行交流、学习、训练、娱乐，甚至协同完成同一件复杂产品的练、娱乐，甚至协同完成同一件复杂产品的设计或进行同一任务的演练。设计或进行同一任务的演练。 nVR系统：系统：n单用户虚拟环境单用户虚拟环境n漫游、交互漫游、交互nDVR系统：系统：n关联局部虚拟环境关联局部虚拟环境大虚拟环境大虚拟环境n不同地域用户交互不同地域用户交互DVR研究的网络平台：研究的网络平台：n一、在一、在Internet上上n可追溯到早期基于文本的多参与者游戏可追溯到早期基于文本的多参
11、与者游戏MUD，还有基于，还有基于VRML标准的远程虚拟购标准的远程虚拟购物等。物等。n虚拟现实建模语言虚拟现实建模语言是一种可以发布是一种可以发布3D网页网页的跨平台语言，可提供一种更自然的体验方的跨平台语言，可提供一种更自然的体验方式，包括交互性、动态效果、延续性以及用式，包括交互性、动态效果、延续性以及用户的参与探索。户的参与探索。 多个不同位置的用户实时多个不同位置的用户实时交互。交互。n二、在高速专用网上二、在高速专用网上如美国军方国防仿真如美国军方国防仿真互联网。互联网。n最早的分布式虚拟战场环境是最早的分布式虚拟战场环境是1983年美国陆军制年美国陆军制定的虚拟环境研究计划，这一
12、计划将分散在不同地定的虚拟环境研究计划，这一计划将分散在不同地点的地面坦克、车辆仿真器通过计算机网络联合在点的地面坦克、车辆仿真器通过计算机网络联合在一起，进行各种复杂任务的训练和作战演练。一起，进行各种复杂任务的训练和作战演练。n1994年开始，美国陆军与美国大西洋司令部联合年开始，美国陆军与美国大西洋司令部联合开展了战争综合演练场的研究，建成了一个包括海开展了战争综合演练场的研究，建成了一个包括海陆空多兵种、有陆空多兵种、有3700多个仿真实体参与的地域范多个仿真实体参与的地域范围覆盖围覆盖500公里公里750公里的军事演练环境。公里的军事演练环境。DVR应用应用n产品设计与性能评价产品设
13、计与性能评价n波音波音777飞机的设计是虚拟原型机的应用典飞机的设计是虚拟原型机的应用典型实例，这是飞机设计史上第一次在设计过型实例，这是飞机设计史上第一次在设计过程中没有采用实物模型。波音程中没有采用实物模型。波音777由由300万万个零件组成，所有的设计在一个由数百台计个零件组成，所有的设计在一个由数百台计算机工作站组成的虚拟环境中进行。设计师算机工作站组成的虚拟环境中进行。设计师们戴上头盔显示器后，可以穿行于设计中的们戴上头盔显示器后，可以穿行于设计中的虚拟虚拟“飞机飞机”，审视，审视“飞机飞机”的各项设计指的各项设计指标。标。n教育与娱乐领域：教育与娱乐领域：n使学生能够游览海底、遨游
14、太空、观摩历史使学生能够游览海底、遨游太空、观摩历史城堡，甚至深入原子内部观察电子的运动轨城堡，甚至深入原子内部观察电子的运动轨迹和体验爱因斯坦的相对论世界，从而更形迹和体验爱因斯坦的相对论世界，从而更形象地获取知识，激发思维。象地获取知识，激发思维。n第一个大规模的第一个大规模的VR娱乐系统娱乐系统“BattleTech，将每个，将每个“座舱座舱”仿真器连仿真器连网进行组之间的对抗，网进行组之间的对抗，3D逼真视景、游戏逼真视景、游戏杆、油门、刹车和受到打击时的晃动给用户杆、油门、刹车和受到打击时的晃动给用户很强的感官刺激。很强的感官刺激。 n高难度和危险环境下的作业训练高难度和危险环境下的
15、作业训练n如医疗手术训练的如医疗手术训练的VR系统，用我们已经掌系统，用我们已经掌握的人体数据在计算机中重构人体或某一器握的人体数据在计算机中重构人体或某一器官的几何模型，并赋予一定的物理特征（例官的几何模型，并赋予一定的物理特征（例如密度、韧度、组织比例等），通过机械手如密度、韧度、组织比例等），通过机械手或数据手套等高精度的交互工具在计算机中或数据手套等高精度的交互工具在计算机中模拟手术过程，以达到训练、研究的目的。模拟手术过程，以达到训练、研究的目的。n北京航空航天大学计算机系虚拟现实与北京航空航天大学计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟可视化新技术研究室集成的分布式虚拟
16、环境；环境；n浙江大学心理学国家重点实验室开发的浙江大学心理学国家重点实验室开发的虚拟故宫、虚拟故宫、CAD&CG国家重点实验室开国家重点实验室开发出桌面虚拟建筑环境实时漫游系统；发出桌面虚拟建筑环境实时漫游系统；国内的国内的VR：n清华大学计算机系对虚拟现实和临场感清华大学计算机系对虚拟现实和临场感方面进行了研究，例如球面屏幕显示和方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感试验等方面都具有不少独特的方法；度感试验等方面都具有不少独特的方法；n西安交通大学、哈尔滨工业大学、国防西安交通大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、装甲兵工程
17、学院、中科院软科技大学、装甲兵工程学院、中科院软件所、上海交通大学等件所、上海交通大学等国内的国内的VR：n北航计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室与北航计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室与国防科技大学、浙江大学、装甲兵工程学院、中国防科技大学、浙江大学、装甲兵工程学院、中科院软件所和解放军测绘学院等单位一起建立了科院软件所和解放军测绘学院等单位一起建立了一个用于虚拟现实技术研究和应用的分布式虚拟一个用于虚拟现实技术研究和应用的分布式虚拟环境基础信息平台，英文缩写为环境基础信息平台，英文缩写为DVENET。nDVENET由一个专用计算机网络以及支持分布式由一个专用计算机网络以及支持分布式虚拟
18、环境研究与应用的各种标准、开发工具和基虚拟环境研究与应用的各种标准、开发工具和基础信息数据（如三维逼真地形）组成。础信息数据（如三维逼真地形）组成。n基于基于DVENET，一个分布式虚拟战场环境，一个分布式虚拟战场环境被成功开发出来。被成功开发出来。n应用应用DVENET，可以实现包含远程的数十，可以实现包含远程的数十个武器虚拟平台在同一块逼真地形下进行个武器虚拟平台在同一块逼真地形下进行协同作业或对抗演练。参演人员（即用户）协同作业或对抗演练。参演人员（即用户）可以通过不同的交互方式控制真实的或虚可以通过不同的交互方式控制真实的或虚拟的武器仿真平台在虚拟战场环境中进行拟的武器仿真平台在虚拟战
19、场环境中进行异地协同与对抗战术演练。异地协同与对抗战术演练。 n“虚拟珠峰飞行漫游系统虚拟珠峰飞行漫游系统”给中国科学技给中国科学技术馆研制的，用户可以驾驶虚拟直升机术馆研制的，用户可以驾驶虚拟直升机飞越虚拟珠穆朗玛峰，以体验飞越虚拟珠穆朗玛峰，以体验VR的魅力；的魅力； 三、增强现实三、增强现实概念概念n增强现实（增强现实（AR，Augmented Reality）是指虚拟世界直接叠加在人感知的真实是指虚拟世界直接叠加在人感知的真实世界之上；世界之上；n增强现实优点增强现实优点n真实感强、以假乱真真实感强、以假乱真n建模工作量小建模工作量小特性特性n组合实际与虚拟环境组合实际与虚拟环境n真实
20、的景物与虚拟的景物交互重叠真实的景物与虚拟的景物交互重叠n实时交互实时交互n定位在定位在3D空间空间与虚拟现实区别与虚拟现实区别n场景生成器场景生成器nAR：数据量小、真实感要求不强：数据量小、真实感要求不强nVR：数据量大，真实感强：数据量大，真实感强与虚拟现实区别与虚拟现实区别n显示设备显示设备nAR：要求低，光学透视式：要求低，光学透视式HMDnVR：全彩色、高分辨率、宽视场：全彩色、高分辨率、宽视场HMD与虚拟现实区别与虚拟现实区别n跟踪和传感设备跟踪和传感设备nAR：要求高与：要求高与VRnVR：发展发展n1960年代年代开始开始n在哈佛大学及犹他大学任教的在哈佛大学及犹他大学任教的
21、Ivan Sutherland，与两所大学的学生共同开发，与两所大学的学生共同开发出了第一套初期的出了第一套初期的AR系统。系统。n1970与与80年代年代n美国空军的阿姆斯特朗实验室、航天总署艾美国空军的阿姆斯特朗实验室、航天总署艾密斯研究中心，以及北卡罗来纳大学教堂山密斯研究中心，以及北卡罗来纳大学教堂山分校，有部份人员从事分校，有部份人员从事AR的相关研究。的相关研究。n1990年初期年初期n波音公司的几位科学家为了协助工人装配管波音公司的几位科学家为了协助工人装配管线设备，才创造出了扩增实境线设备，才创造出了扩增实境（Augmented Reality）这一名词。）这一名词。n国内研究
22、机构：国内研究机构：n北京理工大学北京理工大学n国防科技大学国防科技大学n西安石油学院西安石油学院n电子科技大学电子科技大学n华中科技大学华中科技大学n上海大学等上海大学等n国外研究机构：国外研究机构：n德国德国SIEMENS AG、n美国哥伦比亚大学、美国哥伦比亚大学、n澳大利亚澳大利亚Vienna大学、大学、n日本日本Nara协会等协会等n与与AR系统相关的国际专利系统相关的国际专利n108篇，篇，1995年至今年至今n如德国专利如德国专利DE10108064的增强现实系的增强现实系统，用视频或音频信息进行综合视觉跟统，用视频或音频信息进行综合视觉跟踪；踪；n系统包括：目标跟踪系统；图像记
23、录单元；系统包括：目标跟踪系统；图像记录单元；注释系统注释系统n美国专利美国专利US2002191003涉及的增强现涉及的增强现实显示技术，用摄像机定位物体位置并实显示技术，用摄像机定位物体位置并报告给连通的计算机以呈现图像报告给连通的计算机以呈现图像n可以呈现出天气、险情等情况，通过计算机可以呈现出天气、险情等情况，通过计算机图像处理后得到的画面令观众身临其境；图像处理后得到的画面令观众身临其境；n主要应用于航海安全控制辅助、飞行员培训、主要应用于航海安全控制辅助、飞行员培训、应急训练等。应急训练等。n而国内涉及而国内涉及AR的专利还很少的专利还很少n国内对国内对AR系统的研究尚处于起步阶段
24、。系统的研究尚处于起步阶段。nAR在美国在美国巴特尔巴特尔研究所的研究所的10个个2020年年最具战略意义的技术趋势的研究报告排最具战略意义的技术趋势的研究报告排名第名第10；n这些趋势将决定着未来一个时期的社会这些趋势将决定着未来一个时期的社会发展特征。发展特征。AR系统组成系统组成n追踪器追踪器n显示器显示器n绘图计算机绘图计算机n相关软件相关软件n追踪器追踪器n机械式头部追踪器机械式头部追踪器n超音波追踪器、电磁波、光波、以及视讯式超音波追踪器、电磁波、光波、以及视讯式追踪器追踪器n全球定位系统全球定位系统-GPS。n显示器显示器n桌上型显示器桌上型显示器n手持式显示器手持式显示器n头戴
25、式显示器：最主要的显示方式。头戴式显示器：最主要的显示方式。n光学式显示器：光学式显示器：n屏幕：半透明镜片，能反射光线，也能让光线屏幕：半透明镜片，能反射光线，也能让光线穿透，称为分光镜或是合并器；战斗穿透，称为分光镜或是合并器；战斗机飞行员的抬头显示器。机飞行员的抬头显示器。n能同时看到真实环境影像和虚拟影像；能同时看到真实环境影像和虚拟影像；n特点：特点：n真实与虚拟的景物以半透明的状态相互真实与虚拟的景物以半透明的状态相互重叠；重叠；n影像重叠时，真实景物与虚拟景物难以影像重叠时，真实景物与虚拟景物难以同时兼顾，真实感降低；同时兼顾，真实感降低； n视讯式显示器视讯式显示器n屏幕：不是
26、镜片，是一个电子视讯屏幕。屏幕：不是镜片，是一个电子视讯屏幕。n原理：原理：n头戴式摄影机捕捉背景环境影象，转换为电子头戴式摄影机捕捉背景环境影象，转换为电子画面；画面；n放进虚拟放进虚拟3D物体画面；物体画面；n与真实背景画面进行像素比对，替换掉真实背与真实背景画面进行像素比对，替换掉真实背景，合成一个影像。景，合成一个影像。n缺点缺点:n真实背景环境景象是透过摄影机拍摄后，再真实背景环境景象是透过摄影机拍摄后，再透过显示器放映到屏幕上，真实程度大打折透过显示器放映到屏幕上，真实程度大打折扣，不如人类眼睛直接观看真实背景所感受扣，不如人类眼睛直接观看真实背景所感受到的品质。到的品质。应用应用
27、n工程设计工程设计n现代展示现代展示n医疗医疗n军事军事n教育教育n娱乐娱乐n旅游等旅游等应用应用n医学医学n手术可视化手术可视化n训练训练应用应用n制造与维修制造与维修n设备的手册：叠加在实际设备上的设备的手册：叠加在实际设备上的3D图画；图画；n激光打印机的维护系统：激光打印机的维护系统：Columbia的的Steven Feiner应用应用n注释与可视化注释与可视化n建筑设计建筑设计应用应用n娱乐娱乐n虚拟演播室虚拟演播室应用应用n军事飞机军事飞机n头上显示其飞行图；头上显示其飞行图；n向量图形叠加飞行图上；向量图形叠加飞行图上；n增强现实技术的主要问题：增强现实技术的主要问题：n观察者运动的精确测量；观察者运动的精确测量；n获取和维持场模型。获取和维持场模型。 虚拟现实发展趋势虚拟现实发展趋势n发展三大障碍发展三大障碍n硬件硬件n建模建模n数据量数据量n硬件硬件n外部设备昂贵外部设备昂贵n图形工作站图形工作站n建模建模n繁琐的三维建模繁琐的三维建模n数据量数据量n数据庞大数据庞大n网络速度网络速度发展趋势：虚实结合发展趋势：虚实结合n图形学建模图形学建模虚景虚景n图像建模图像建模实景实景n虚实结合：虚景虚实结合：虚景+实景实景
