虚拟现实技术及应用授课讲义

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1、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IvanSutherland发表了“TheUltimateDisplay”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

2、界的三维空间声音。（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。（3）一个典型的虚拟现实系统（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。（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

3、者反应系统虚拟世界（环境）（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（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（8）虚拟现实的发展历程1965年IvanSutherland博士提出“TheUltimateDisplay”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

4、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（IEEEVR；ACMVRST等），VR专著以及各种研究成果（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（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

5、空间感的声音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)的头盔显示器快速响应的工作平台洞穴状的投影屏幕（CAVE）安装在浙江大学的CAVECAVE示意图圆柱型的投影屏幕由矩形块拼接构成的投影屏幕全景图可支持多用户协作的投影屏幕可支持多用户协作的投影屏幕的改进（2）交互设备力反馈设备：数据手套(cyberglove)：三维鼠标（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。（4）三维数据获取设备静态数

6、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三维扫描仪(来自cyberware公司）有多个摄像头的三维实时重构（4）基于图片的三维重建基于图片的三维重建（三）VR系统的体系结构（1）非分布式VR系统体系结构会话管理应用进程设备服务器（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2）基于分布仿真（DS）模型的VR系统软件结构计算几何模型展示用户交互

7、智能代理图基于DS模型的VR系统软件结构3）DVR系统的通用参考结构模型（四）VR的研究内容（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）（2）分布式虚拟现实分布式虚拟现实(DistributedVirtualReality,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