第七章 虚拟现实及其应用.ppt

主讲：夏洪文 本章要点 本章要点 虚拟现实的定义和特征 虚拟现实系统的构成与分类 虚拟现实实现的关键技术与设备 虚拟现实建模语言VRML 虚拟现实的教育应用 7.1 虚拟现实的定义和特征 7.1.1 虚拟现实的定义 虚拟现实（Virtual Reality）技术是20世纪80年代末90年代初崛起的一种实用技术。它是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境——虚拟环境，可以真实的模拟现实世界可以实现的（甚至是不可实现的）物理上的、功能上的事物和环境。用户投入到这种环境中，立即有“亲临其境”的感觉，并可亲自操作、实践，与虚拟的环境交互作用。 这里所谓虚拟环境就是用计算机生成的具有表面色彩的立体图形，它可以是某一特定现实世界的真实体现，也可以是纯粹构想的世界。传感设备包括立体头盔，立体眼镜等在用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置。自然交互是指用日常使用的方式对环境内的物体进行操作(如用手拿东西，行走等)并得到实时立体反馈。 7.1.2 虚拟现实的特征 多感知性(Multi－Sensory) 所谓多感知就是除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知，力觉感知，触觉感知，运动感知，甚至应该包括味觉感知，嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制日前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉，运动等几种，而且无论从感知范围还是从感知的精确程度都还无法与人相比拟。 2．沉浸感(presence) 又称为临场感(Immersion)，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度(例如，可视场景应随着视点的变化而变化)，甚至比真的还“真”，如实现比现实更逼真的照明和音响效果等。 3．交互性(Interaction) 交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中的物体，这时手有握着东西的感觉。并可以感觉物体和重量(其实这时手里并没有实物)，视觉中被抓的物体也立刻随着手的移动而移动。 虚拟现实的特征 4．自主性(Autonomy) 自主性是指虚拟环境中物体反映现实规律的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动或翻倒，或从桌面落到地面等。 7.1.3 虚拟现实的用途 7.2 虚拟现实系统的构成与分类 虚拟现实系统的构成 虚拟现实技术的实现，主要分三大块：建模技术、显示技 术、三维场景中的交互技术。 具体来说虚拟现实系统主要由以下五个模块构成： 图7-2 虚拟现实系统的构成 7.2.1 虚拟现实系统的构成 检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。 反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。 传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面 将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。 控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。 建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。 7.2.2 虚拟现实系统的分类 虚拟现实系统按其功能高低大体可分为四类： 1．桌面虚拟现实系统，也称窗口中的VR。它可以通过桌上型机实现，所以成本较低，功能也最简单，主要用于CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、建筑设计、桌面游戏等领域。 2．沉浸虚拟现实系统，如各种用途的体验器，使人有身临其境的感觉，各种培训、演示以及高级游戏等用途均可用 这种系统。 3．分布式虚拟现实系统，它在因特网环境下， 充分利用分布于各地的资源，协同开发各种虚 拟现实的利用。它通常是浸沉虚拟现实系统的 发展，也就是把分布于不同地方的沉浸虚拟现 实系统，通过因特网连接起来，共同实现某种 用途。 分布式虚拟现实系统（DVR）即是一个较为典型的实例。所谓DVR是指一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，通过计算机与其它用户进行交互，并共享信息。 把分布式虚拟现实系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、化合物分子结构显示等领域，由于数据更加逼真，大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习兴趣，学习效果十分显著。同时，随着计算机技术、心理学、教育学等多种学科的相互结合、促进和发展，系统因此能够提供更加协调的人机对话方式。 4．增强现实又称混合现实系统。 它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，既可减少构成复杂真实环境的开销（因为部分真实环境由虚拟环境取代）