信息技术基础与应用)第七章虚拟现实技术

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1、第七章虚拟现实技术7.1虚拟现实技术简介7.2虚拟现实的主要特征7.3虚拟现实的关键技术7.4虚拟现实技术的应用虚拟现实技术(VirtualReality，VR)是美国人于1989年首先提出的概念，它是一系列高新技术相互渗透而形成的崭新学科，包括计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术和高度并行的实时计算技术，以及一些社会理论，如行为学、心理学、经济学和军事理论。虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境，通过多种传感设备，用户可根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作，并获

2、得与真实环境相类似的真实体验。正因为这种“现实”是虚拟的，所以它在中国有许多名称，如灵境、虚拟实在、虚拟实境、拟实、幻真、虚拟环境、同步环境、人造空间、模拟器技术等。这里，我们采用“虚拟现实”这一中文名称。　　虚拟现实系统具有“沉浸—交互—构想”三个基本特征。它由以下几部分构成：高性能计算机系统，三维视觉图像生成和立体显示系统，立体音响生成与扬声系统，反馈触觉系统，人体姿势、头、手位置跟踪测量系统等。虚拟现实技术具有超越现实的虚拟性。虚拟现实系统的核心设备仍然是计算机。它的一个主要功能是生成虚拟境界的图形，因此又称之为图形工作站。目前在此领域应

3、用最广泛的是SGI、SUN等生产厂商生产的专用工作站，但近年来基于Intel奔腾Ⅲ(Ⅳ代)芯片和图形加速卡的微机图形工作站性能价格比优异，有可能异军突起。7.1虚拟现实技术简介图像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设，目前常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。其中高档的头盔显示器在屏蔽现实世界的同时，可提供高分辨率、大视场角的虚拟场景，并带有立体声耳机，可以使人产生强烈的沉浸感。其他外设主要用于实现与虚拟现实的交互功能，包括数据手套、三维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、语音识别与合成系统等。虚拟现实技术的应用前景十分广阔。它始于军事

4、和航空航天领域的需求，但近年来，虚拟现实技术的应用已大步走进工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐等方面。它正在改变着我们的生活。虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义，把这两个词放在一起，似乎没有意义，但是科学技术的发展却赋予了它新的含义。可能很难给虚拟现实下一个明确的定义，按最早提出虚拟现实概念的学者J.Laniar的说法，虚拟现实又称假想现实，意思是“用电子计算机合成的人工世界”。由此可以清楚地看到，这个领域与计算机有着不可分离的密切关系，信息科学是合成虚拟现实的基本前提。1．多感知性(Multi-Sensory)所谓多感知，是指除了一般计算机技术所

5、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，目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。7.2虚拟现实的主要特征2．沉浸性(Immersion)沉浸性又称临场感或存在感，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使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉

6、都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。3．交互性(Interactivity)所谓交互性，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虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。4．构想性(Imagination)构想性又称为自主性，它强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类的认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境，以高

7、性能计算机为核心的虚拟环境处理器，以头盔显示器为核心的视觉系统，以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统，以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。虚拟现实是多种技术的综合，其关键技术包括以下几个方面。1．环境建模技术虚拟环境的建立，目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。图7.1给出了一个虚拟场景(室内外)。7.3虚拟现实的关键技术2．立体声合成和立体显示技术在虚拟现实系统中消除声音的方向与用户头部运动的相关性，同时在复杂

8、的场景中实时生成立体图形。近年来，为了更好地展示虚拟仿真的效果，国内外纷纷建立三维立体环幕显示系统，主要用于展示虚拟仿真效果，如图7.2