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虚拟现实技术及应用

虚拟现实技术及应用. 第一讲： 虚拟现实技术概论. VR 的概念和发展 VR 系统的硬件组成 VR 系统的体系结构 VR 的研究内容 增强现实 （ AR） VR 应用 虚拟现实的发展趋势. （ 一） VR 的概念和发展. （1）虚拟现实技术的提出 1965年计算机图形学的奠基者 Ivan Sutherland　 发表了“ The Ultimate Display” 论文，提出了一种全新的图形显示技术。他在论文中提出使观察者直接沉浸在计算机生成的三维世界中，而不是通过窗户（计算机屏幕）来观察。

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Presentation Transcript

  1. 虚拟现实技术及应用

  2. 第一讲： 虚拟现实技术概论 • VR的概念和发展 • VR系统的硬件组成 • VR系统的体系结构 • VR的研究内容 • 增强现实 （AR） • VR应用 • 虚拟现实的发展趋势

  3. （一）VR的概念和发展 （1）虚拟现实技术的提出 1965年计算机图形学的奠基者 Ivan Sutherland　发表了“ The Ultimate Display” 论文，提出了一种全新的图形显示技术。他在论文中提出使观察者直接沉浸在计算机生成的三维世界中，而不是通过窗户（计算机屏幕）来观察。 １）观察者自然地转动头部和身体，他看到的场景就实时地发生变化。 ２）观察者能够以自然的方式直接与虚拟世界中的对象进行交互操作，触摸它们，感觉它们，并能听到虚拟世界的三维空间声音。

  4. （2）虚拟现实的狭义解释 虚拟现实对不同的人的有不同的含义。比较狭义的解释是：虚拟现实是由计算机生成的、可交互的仿真环境。该虚拟环境具有以下三个特点： 1） 该环境将向介入者（人）提供视觉、听觉、触觉等多种感官刺激。 2）该环境应给人以一种身临其境的沉浸感。 3）人能以自然的方式与该环境中的一些对象进行交互操作，既不使用键盘鼠标等常规输入设备，而强调使用手势（数据手套）、体势（数据衣服）和自然语言等自然方式的交互操作。

  5. （3）一个典型的虚拟现实系统

  6. （4）虚拟现实的广义解释 虚拟现实是由计算机生成的给人以沉浸感的虚拟环境。

  7. （5）虚拟现实的概念模型 感官刺激信号 反应动作 感知系统 介 入 者 反应系统 虚拟世界 （环境）

  8. （6）虚拟环境系统提供的各种感官刺激 • 视觉 • 听觉 • 嗅觉 • 味觉 • 触觉（触觉，力觉） • 身体感觉

  9. （7）虚拟环境中用户的动作检测和设备 用户反应动作 检测设备 头部运动 头部跟踪装置 肢体或躯体运动 跟踪器，力反馈装置，空间球 手指运动 数据手套，按钮装置，操纵感 眼球运动 眼球跟踪器 语言 语音识别装置 受力 带力传感器的力反馈装置

  10. （8）虚拟现实的发展历程 • 1965年 Ivan Sutherland博士提出“ The Ultimate Display”概念，1968年他研制成功头盔式显示器（HMD） • 70年代以来图形学技术的进步，特别是90年代，可以实时显示复杂场景 • 军方飞行模拟器的研制和发展对VR的推动 • 1984年美国NASA的AMES中心研制成功VIVD系统，以及1986年的VIEW项目 • 1992年美国NSF召开VR研讨会 • 其他国际会议（IEEE VR；ACM VRST等），VR专著以及各种研究成果

  11. （二）VR系统的典型设备和环境 • 显示和观察设备 • 沉浸式现实设备 • 非沉浸式显示设备 • 交互设备 • 数据手套 （输入手的各种姿势） • 三维鼠标 • 游戏杆 • 传感设备 • 数据手套 • 数据衣 • 位置跟踪装置 • 三维立体声系统 • 三维数据获取设备

  12. （1）显示和观察设备 产生沉浸感的方法和装置 1. 头盔式显示器 2. 快速响应的工作平台 3. 大屏幕投影 洞穴状的投影屏幕（CAVE） 圆柱型的投影屏幕 由矩形块拼接构成的投影屏幕 4. 全景图 5. 可支持多用户协作的投影屏幕 6. 具有三维空间感的声音

  13. 头盔式显示器的特点 用户带着头盔。 双眼看到不同的图象。 跟踪器跟踪头的方向。 具有看穿功能（see-through)的头盔显示器

  14. 快速响应的工作平台

  15. 洞穴状的投影屏幕（CAVE）

  16. 安装在浙江大学的CAVE

  17. CAVE 示意图

  18. 圆柱型的投影屏幕

  19. 由矩形块拼接构成的投影屏幕

  20. 全景图

  21. 可支持多用户协作的投影屏幕

  22. 可支持多用户协作的投影屏幕的改进

  23. （2）交互设备 力反馈设备：

  24. 数据手套(cyberglove)：

  25. 三维鼠标

  26. （3）三维声音系统 声音在VR中的作用： 1）增强空间信息，尤其是当空间超出了视域范围。 2）数据驱动的声音能传递对象的属性信息。 3）声音是用户和虚拟环境的另一种交互方法。

  27. （4）三维数据获取设备 静态数据的获取： 三维扫描仪 动态数据的获取： 运动捕捉设备 用多摄像机实时重构三维数据

  28. 三维扫描仪 (来自cyberware 公司）

  29. 有多个摄像头的三维实时重构

  30. （4）基于图片的三维重建

  31. 基于图片的三维重建

  32. （三）VR系统的体系结构 （1）非分布式VR系统体系结构 设备服务器 会话管理 应用进程

  33. （2） 分布式虚拟现实系统（DVR）的结构 1） 数据模型 • 集中式结构 *结构简单 *实现比较容易 *对网络通信带宽有较高的要求 *中心服务器往往会成为整个系统的瓶颈 • 复制式结构 *所需网络带宽较小 *交互式响应效果好 *比集中式结构复杂 *维护多个备份的信息或状态一致性比较困难

  34. 2）基于分布仿真（DS）模型的VR系统软件结构 智能代理 用户 计算 几何模型 展示 交互 图 基于DS模型的VR系统软件结构

  35. 3） DVR系统的通用参考结构模型

  36. （四） VR的研究内容

  37. （1）研究内容的多种分类 • 技术/应用:层面 * 虚拟现实技术本身 * 虚拟现实应用技术 • 软硬件层面 * 虚拟现实硬件技术 * 虚拟现实软件技术 • 技术层面 * 建模（场景（基于：几何/图象），听觉，行为等） * 绘制（图形，声音，力觉） * 交互（人-机交互；人-人交互）

  38. （2）分布式虚拟现实 • 分布式虚拟现实(Distributed Virtual Reality, DVR) 在DVR系统中，位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相联结，进行信息共享和交互 • DVR系统或工具的开发涉及多个领域 * 虚拟现实 * 分布式系统 * 实时图形绘制技术 * 异步系统设计 * 数据库 * 用户界面设计

  39. DVR的实例

  40. （3）实时绘制技术 • 场景简化 • 快速消隐 • 纹理化对象 • 限时绘制

  41. （五）增强现实 增强现实允许用户看到真实世界，并且把虚拟对象叠加在真实世界之上。

  42. （1）增强现实系统的定义 • 真实世界和虚拟世界融为一体的系统 • 具有实时人-机交互功能 • 真实世界和虚拟世界是在三维空间上整合的。 （2）增强现实的关键技术 • 聚焦和对比度 • 系统的可移动性 • 整合技术 • 实时高精度传感器

  43. （六）虚拟现实的应用 * 应用（一） • 虚拟战场 • 核爆炸、战略导弹的虚拟杀伤 • 虚拟飞行/驾驶 • 虚拟建筑漫游 • 虚拟风洞实验 • 虚拟设计、虚拟制造

  44. 战场仿真

  45. 虚拟驾驶模拟

  46. 虚拟建筑漫游

  47. * 应用（二） • 虚拟课堂 • 虚拟手术和远程手术 • 城市规划和建筑设计的虚拟演示 • 虚拟商店、虚拟旅游、虚拟剧场 • 虚拟体育仿真 • 虚拟文化遗产保护（虚拟博物馆）

  48. 虚拟手术

  49. 虚拟故宫漫游

  50. 虚拟博物馆

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