1、第一章第一章 虚拟现实概述虚拟现实概述u定义定义u特点特点u发展简史发展简史u虚拟现实应用虚拟现实应用u虚拟现实系统虚拟现实系统一、虚拟现实一、虚拟现实定义定义虚拟？Virtual：”being in essence or effect,but not in fact”现实？ Reality：”the state or quality of being real. Something that exists independently of ideas concerning it. Something that constitutes a real or actual thing as dis
2、tinguished from something that is merely apparent”虚拟？虚拟？虚拟世界虚拟世界u舞蹈、音乐舞蹈、音乐u洞穴绘画洞穴绘画u书写语言（文字）书写语言（文字）u报纸、书籍、报纸、书籍、u电影、电视、视频电影、电视、视频u网上世界网上世界传递、表达和交流传递、表达和交流思想、常识和事件思想、常识和事件现实？现实？现实世界现实世界u教室教室u校园校园u城市城市u地球地球u宇宙宇宙客观存在客观存在u地理实体地理实体u地理现象地理现象虚拟虚拟+现实？现实？虚拟现实世界虚拟现实世界u教室教室u校园校园u城市城市u地球地球u宇宙宇宙舞蹈、音乐舞蹈、音乐洞穴绘画洞
3、穴绘画报纸、书籍、报纸、书籍、电影、电视、视频电影、电视、视频网上世界网上世界从虚拟世界中获取现实的体验虚拟世界：单独存在于创建者心中或通过共享进行传播u电影电影剧本表达的虚拟世界剧本表达的虚拟世界演员、场景、道具布置和音乐等演员、场景、道具布置和音乐等u虚拟世界虚拟世界想象空间，想象空间，想象想象是虚拟世界的是虚拟世界的起点，也是许多虚拟世界的体验方式；起点，也是许多虚拟世界的体验方式；如何获得体验？如何获得体验？沉浸沉浸u精神沉浸小说中的世界，电影中的角色u身体沉浸u身体沉浸是虚拟现实的本质特性，用于增强或替代参与者的感官刺激；u精神沉浸是大多数媒体创作者的目的。感觉反馈：感觉反馈：u用户
4、通过身体感觉体验一个构想的现实；用户通过身体感觉体验一个构想的现实；u立体电影立体电影交互性交互性u对用户动作做出响应对用户动作做出响应u游戏游戏u计算机仿真计算机仿真u飞行仿真飞行仿真虚拟现实体验的四个要素u虚拟世界u沉浸 u感觉反馈u交互性 虚拟现实：由交互式计算机仿真组成的一种媒体，能够感知参与者的位置和动作，替代或增强一种或多种感觉反馈，从而产生一种精神沉浸或出现在仿真环境（虚拟世界）中的感觉。从虚拟世界中获取现实的体验如何实现？虚拟现实技术相关技术？一、虚拟现实一、虚拟现实定义定义虚拟现实技术虚拟现实技术对虚拟想象或真实三对虚拟想象或真实三维世界的模拟维世界的模拟u不仅仅是人机交互接
5、口不仅仅是人机交互接口u对虚拟世界内部的模拟对虚拟世界内部的模拟虚拟现实技术虚拟现实技术先进的人机交互方式先进的人机交互方式u基于自然的人机接口基于自然的人机接口u看：看：彩色的、立体的、随视点不同而变化的景彩色的、立体的、随视点不同而变化的景象；象；u听：听：虚拟环境中的声响；虚拟环境中的声响；u手脚身体部位：手脚身体部位：感受到虚拟环境反馈给他的作感受到虚拟环境反馈给他的作用力；用力；u采用以采用以计算机技术计算机技术为核心的现代高科技手为核心的现代高科技手段生成逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉、段生成逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等味觉等一体化的虚拟环境一体化的虚拟环境，用户从自己的，用
6、户从自己的视点出发，借助特殊的输入输出设备，采视点出发，借助特殊的输入输出设备，采用用自然的方式自然的方式与虚拟世界的物体进行与虚拟世界的物体进行交互，交互，相互影响相互影响。虚拟现实定义：用户戴一个用户戴一个头盔，头盔，手持手持传感手套传感手套，置身于一个，置身于一个幻觉世界中，在虚拟环幻觉世界中，在虚拟环境中漫游，并允许操作境中漫游，并允许操作其中的其中的“物体物体”虚拟楼房虚拟楼房建筑、机械、兵器的设计建筑、机械、兵器的设计技术操作训练技术操作训练军事演习军事演习 其他相关概念其他相关概念Virtual RealityVirtual EnvironmentArtificial Reali
7、tyCyber City幻境或灵境(钱学森院士)技术人工现实人工现实（Artificial Reality）：用户可以）：用户可以交互参与的合成环境；交互参与的合成环境；u根据参与者的身体与图形世界的关系感知参与者的动作，并且产生响应，以维持在这个世界中发生动作的错觉；赛博空间赛博空间（Cyberspace）：）：u仅在参与者心中存在的场所，通常指能够使具有一定地理距离的人相互沟通的技术的产物；u电话、聊天室、视频会议、电话会议等； 增强现实增强现实：（：（Augmented Reality ）u把虚拟表现与物理世界中的感觉结合起来，提供关于物理世界的额外信息人自身感知能力无法感知u工程承建者
8、：看到管道和管道系统；u医生：看到病人身体外观和内部器官；对虚拟现实概念的理解虚拟现实与仿真：虚拟现实与仿真：u仿真环境：运用仿真技术描述现实环境；u虚拟环境：用虚拟现实技术来描述真实环境，使人和计算机融为一体，带来沉浸感，交互感和想象力虚拟现实与仿真的不同：虚拟现实与3D动画共同点：u从3D数字内容的角度来看，两者都是以计算机图学模型为基础所构建的3D数字内容。差异性：互动性：互动性：3D动画：动画：u静态对象，执行预先设定的动作静态对象，执行预先设定的动作u没有互动，单向演示没有互动，单向演示虚拟场景：虚拟场景：u按预先设定的路径执行动画效果，有主动的按预先设定的路径执行动画效果，有主动的
9、行为动作行为动作u对象与使用者互动，步移景异，可亲自布置对象与使用者互动，步移景异，可亲自布置场景，具有双向互动的功能。场景，具有双向互动的功能。 场景效果场景效果3D动画动画u画格事先准备，可应用许多费时的画格事先准备，可应用许多费时的3D计算计算机图学技术，花几分钟甚至几小时去算图以机图学技术，花几分钟甚至几小时去算图以得到逼真的视觉效果。得到逼真的视觉效果。虚拟场景虚拟场景u场景以实时算图方式算出，即每秒最少要算场景以实时算图方式算出，即每秒最少要算图画出图画出158次以上影像画面，才不会让使用次以上影像画面，才不会让使用者有跳格的感觉；者有跳格的感觉；学科性：学科性：虚拟环境：虚拟环境
10、：u基于真实数据建立的数字模型组合而成，严基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求，属于科格遵循工程项目设计的标准和要求，属于科学仿真系统。学仿真系统。场景画面：场景画面：u根据材料或想象直接画制而成，与真实的环根据材料或想象直接画制而成，与真实的环境和数据有较大的差距，属于演示类艺术作境和数据有较大的差距，属于演示类艺术作品。品。实用性：实用性：虚拟环境：虚拟环境：u没有时间限制，可真实详尽地展示，可导出动没有时间限制，可真实详尽地展示，可导出动画视频文件，用于多模体资料制作和宣传，性画视频文件，用于多模体资料制作和宣传，性价比高。价比高。u实时三维环境，支持方案
11、调整、评估、管理、实时三维环境，支持方案调整、评估、管理、信息查询等，适合大型复杂工程项目的规划、信息查询等，适合大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理等需要。设计、投标、报批、管理等需要。 3D动画动画u受动画制作时间限制，无法详尽展示，受动画制作时间限制，无法详尽展示，只适只适合简单的演示功能，合简单的演示功能，性价比低性价比低。 二、虚拟现实的特征二、虚拟现实的特征四个重要特征：四个重要特征：临临 境境 性性交交 互互 性性想想 象象 性性多多 感感 知知 性性q虚拟现实特征虚拟现实特征“ 3 I ”“ 3 I ”图，图， Immersion-Immersion-Interact
12、ion-Imagination (Interaction-Imagination (沉浸沉浸 - -交互交互 - -构构想想 ) )ImmersionImaginationInteraction临境性（沉浸感）Immersion：u用户感到作为用户感到作为主角主角存在于模拟环境中的真存在于模拟环境中的真实程度。实程度。理想的模拟环境：难辨真假理想的模拟环境：难辨真假多方面多方面“迷惑迷惑” ：看、听、触及嗅虚拟世：看、听、触及嗅虚拟世界界交互性交互性Interactionu用户对模拟环境内物体的用户对模拟环境内物体的可操作程度可操作程度和和从环境得到从环境得到反馈的自然程度反馈的自然程度（包括
13、实时（包括实时性）性）想象性（构想性）想象性（构想性）Imagination：u广阔的想像空间，拓宽认知范围广阔的想像空间，拓宽认知范围真实环境真实环境客观不存在或不可能发生的环境客观不存在或不可能发生的环境 多感知性多感知性视觉听觉触觉嗅觉味觉受力感等理想的虚拟现实应具有人所具有的感知功能。 三、虚拟现实发展历程三、虚拟现实发展历程1962年：年： Morton Heilig申请专利申请专利 “全传感仿真器全传感仿真器” Sensorama Simulator 功能功能：模拟骑车穿越纽约市曼哈顿街 特点特点：三维视频，运动，颜色，立体声 音，香气，风，震动l1962年：年： Morton H
14、eilig申请专利申请专利 “仿真面罩仿真面罩” 功能功能： 1965年： 美科学家美科学家Ivan Sutherland发表论文发表论文 “The Ultimate Display” ： ： Sutherland博士对虚拟现实概念的经典描述博士对虚拟现实概念的经典描述l1968年： Ivan Sutherland ：l1970年： Ivan Sutherland l19721972年：年：Nolan BushnellNolan Bushnell 开发了第一个交互式电子游戏开发了第一个交互式电子游戏PongPong，实现，实现了了交互性交互性；19841984年：年： NASA AmesNAS
15、A Ames虚拟行星探测实验虚拟行星探测实验室的室的McGreevyMcGreevy和和HumphriesHumphries博士博士 开发了用于火星探测的虚拟世界视觉系统，开发了用于火星探测的虚拟世界视觉系统，能构造火星表面的三维虚拟世界。能构造火星表面的三维虚拟世界。l19851985年：年： 第一套商用虚拟现实硬件：第一套商用虚拟现实硬件：Intel 386Intel 386； 第一套商用虚拟现实软件：美国空军的第一套商用虚拟现实软件：美国空军的 SupercockpitSupercockpit飞行模拟器飞行模拟器1985年：Scott Fisher “数据手套” VIEW ，测量手指关节
16、动作、手掌的弯曲以及手指间的分合，可编程实现各种“手语”1987年：VPL研究公司 数据服1989年：Jaron Lanier 提出“虚拟现实”名词，指“计算机产生的三维交互环境，在使用中用户是投入到这个环境中去的”；1985，Jaron Lanier与Thomas Zemmerman等创办专门从事VR的研究及VR产品的推广VPL的兴衰的兴衰 LanierVR天才u富有创造性的思想火花推动VR技术发展；u在当时几乎看不到一篇有关VR报道文章的情况下,使得媒介对“Virtual Reality”的概念倍加注意；u引起大众对VR技术的关心和重视。1985年，Zimmerman想要找到一种方法来实现
17、其少年时代空气吉它的梦想,即通过操作假想的乐器来产生实在的音乐。他试验了用手套作为输入/输出设备。数据手套VPL的发展：uLanier的积蓄； 朋友的资助u美国国家航空航天局(NASA)的资助NASA的开发合同带来了资金和技术,使得VPL能够稳占VR系统的硬件开发市场uNASA Ames实验室Michael McGreery和Scott Fisher的鼓励。Fisher给VPL带来了第一份数据手套的合同,并与Michael一起鼓励Lanier生产头盔显示器(HMD),这后来成为VPL的Eyephone头盔显示器。u后来,VPL与NASA在HMD与数据手套的专利申请及研究项目目标上发生分歧,使得
18、VPL的第一份NASA合同也是它的最后一份合同。 VPL的产品：u吸引了许多领域科学家的兴趣,各式各样的公司或政府研究机械(不只是美国,也包括日本以及欧洲的一些国家)购买了几百数据手套和头盔。VPL的成功：u朋友的影响力； 媒介的吹捧uVPL制造出了他人所不能的产品。uLanier本人也成为VR领域的权威,他的有关VR方面的言论被人们反复引用,VPL产品的价格也因没有竞争对手,只需考虑用户的承受能力即可。Lanier为了进一步巩固其霸主地位,于19901991年申请了两项专利。u一项光纤弯曲感受器“u另一项计算机数据输入及操作装置和方法“VPL要求竞争对手停止销售未经VPL许可或注册的产品。反
19、对这专利,寻找数据手套的替代物。VPL和Lanier的声望急剧下降,并从此陷于无休止的法律纠纷之中。有人评论他们当时的日常工作就是研究与法律有关的事务。VPL:u盗用他人的思想与成果u发布并不存在的专利权威胁其他公司uVPL产品在商业展示上的不良表现,在SIGGRAPH91上,一种新式头盔不能正常工作, 损害了已有市场,使得其产品的市场份额下降。u用户对其服务的投诉u专利保护巨额诉讼，资金困难,裁员。VPL由于经营上(而非技术上)的失败,于1992年12月2日宣布公司倒闭。 l1993年 两个值得注意的事件：借助虚拟系统的训练借助虚拟系统的训练使用虚拟现实技术，使用虚拟现实技术，l1996年
20、英国开通世界第一个虚拟现实环球网 l1996年 英国伦敦举办了世界第一个虚拟现实技术博览会：l21世纪 虚拟现实技术和应用迅速发展：虚拟现实发展方向：u计算机技术、网络技术、投影技术等的发展，出现了分布式虚拟现实系统、CAD Wall、VR Center、CAVE、IDesk等新技术；u与专业技术相融合，产生了数字地球研究、虚拟规划设计、虚拟现实机械装备、虚拟考古、虚拟手术、虚拟驾驶、虚拟管线设计、虚拟军事对抗等应用系统虚拟现实研究大约始于虚拟现实研究大约始于8080年代初期年代初期, ,大大多数研究机构在美国。多数研究机构在美国。国外研究国外研究VRVR的主要机构的主要机构 1.The Xe
21、rox Palo Alto研究中心(PARC) 施乐帕洛阿尔托研究中心施乐公司的重要研究机构; u用VR技术建立“未来办公室”。u设计基于VR的使数据存取更容易的窗口系统Room数据以可视化的三维图形room表示的,各room之间通过door连接。u2.SRI International(斯坦福研究院)“视知觉计划”(Visual Perception Program), 主要从事定位光标、视觉显示器、光学部件、触觉与力反馈、三维输入装置及语言交互等研究。1991年后年后,SRI利用利用VR技术对军用飞机或车技术对军用飞机或车辆辆驾驶的训练驾驶的训练,试图通过仿真来减少飞行事试图通过仿真来减少
22、飞行事故。故。SRI在在NASA、美国国防部和国家科学基金、美国国防部和国家科学基金会的资助下会的资助下,进行了利用遥控技术进行进行了利用遥控技术进行外科外科手术仿真手术仿真的研究；的研究；3.AT&T贝尔实验室u从电话(Telephone)向遥在(Telepresence)的转变感兴趣uVR环境下的语音建模及提高人与人之间的通讯联系能力等问题 4.北加利福尼亚大学(UNC)u最早且最著名的VR研究，主要在四个方面:分子建模、航空驶驶问题、外科手术仿真、建筑仿真。u开发了帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示的并行处理系统像素飞机(Pixel Planes)。UNC与空军技术学院合作与空军技术学
23、院合作,开发一套头盔显示系开发一套头盔显示系统统,采用采用LEEP广角镜及广角镜及3英寸液晶电视屏幕英寸液晶电视屏幕。采。采用了用了Polnemus跟踪球跟踪球,用于头部定位用于头部定位,VPL的的数数据手套据手套用于输入。用于输入。Walk Though系统系统人像坐直升机一样在人像坐直升机一样在建筑物中漫游。设计的第一个建筑物是建筑物中漫游。设计的第一个建筑物是UNC的的计算机系大楼。计算机系大楼。 5.NASA的Ames实验室u完善了HMDu将VPL的数据手套工程化,成为可用性较高的产品。u“虚拟行星探索”(VPE)“虚拟探索者”(Virtual Explorer)利用虚拟环境考察遥远的
24、行星,第一个目标是火星。u虚拟视觉环境显示虚拟视觉环境显示(VIVED)项目。项目。uScott Fisher还开发了虚拟界面环境还开发了虚拟界面环境(VIEW)工作站。工作站。 NASA研究重点研究重点空间站操纵的实时空间站操纵的实时仿真仿真,大多在大多在NASA的约翰逊空间中心完的约翰逊空间中心完成。成。对哈勃太空望远镜的仿真对哈勃太空望远镜的仿真6.MIT媒体实验室(Media Lab)uMIT研究人工智能、机器人和计算机图形及动画的先锋。uBOLIO的测试环境,用于进行不同图形仿真技术的实验虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。 “虚拟蟑螂虚拟蟑螂”：VR实验的一个原形。这个项目实验的一个
25、原形。这个项目的目的在于的目的在于学习如何在图形环境中表达与控制学习如何在图形环境中表达与控制日常行为日常行为,这个项目取得了很大的成功。这个项目取得了很大的成功。7.Loma Linda大学医学中心u从事高难或或有争议医学项目研究u将VR设备用于探讨与神经疾病相关的问题,如帕金氏症、舞蹈症等。uVPL的数据手套笔测量手颤动，将手的运动实时地在计算机上用图形表示出来8.人机界面技术实验室(Human Interface Technology Lab,HIT Lab)u美国华盛顿大学华顿技术中心的一部分,它是于1989年由Tom Furness创办的。HIT发展VR的新技术,关心可能带来的技术与
26、社会的影响。 将将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域域1991年年,HIT发起了一场很有影响的研讨会发起了一场很有影响的研讨会,“虚虚拟环境技术产业研讨会拟环境技术产业研讨会”。参加的有波音公司。参加的有波音公司等等500家大型企业的代表家大型企业的代表,探讨探讨VR有关有关制造业制造业的应用问题。的应用问题。波音公司的波音公司的V22运输机运输机就是先在实验室造出虚就是先在实验室造出虚拟机后再投入生产的拟机后再投入生产的四、虚拟现实主要技术内容四、虚拟现实主要技术内容虚拟现实是多种技术的综合，包括：实时三维计算机图形技术u计算机图形学：如果有足够准确的
27、模型，有足够的时间，就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像，但关键是实时。u飞行模拟系统：图像的刷新，图像质量，复杂的虚拟环境广角（宽视野）的立体显示广角（宽视野）的立体显示uVR系统双目立体视觉：两只眼睛看到不同图像，显示在不同显示器上。u单个显示器，用户一只眼睛看到奇数帧图像，另一只眼睛看到偶数帧图像，产生立体感。 用户（头、眼）的跟踪：用户（头、眼）的跟踪：u确定用户位置u头部跟踪，眼部跟踪立体声立体声u现实：头部转动时，听到的声音方向会改变。uVR系统：声音方向与用户头部的运动无关。触觉与力觉反馈触觉与力觉反馈u抓住虚拟世界中的杯子u穿越u碰撞检测语音输入输出语音输入输出u语言交互计算机识别人的语音是相当困难的。
