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1、虚拟现实技术（VR）Virtual Reality,魏善宝,2022年12月11日,主要内容,一 概述二 虚拟现实技术的软硬件三 虚拟现实相关技术发展四 虚拟现实技术价值五 虚拟现实技术的主要应用六 发展展望与存在的问题,一 、概述,虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信，甚至与气象、地理、美学、心理学和社会学等相关。,1.1 什么是虚拟现实,虚拟现实技术本质上说是一种高度逼真地模拟人在现实生活中视觉、听觉、动作等行为的交互技术。传统的信息处理环境一直是“人
2、适应计算机”，而当今的目标或理念是要逐步使 “计算机适应人”，人们要求通过视觉、听觉、触觉、嗅觉，以及形体、手势或口令，参与到信息处理的环境中去，从而取得身临其境的体验。这种信息处理系统已不再是建立在单维的数字化空间上，而是建立在一个多维的信息空间中。虚拟现实技术就是支撑这个多维信息空间的关键技术。,1.2虚拟现实的特点,浸没感 (Immersion) 交互性 (Interaction) 想象性 (Imagination),浸没感 (Immersion),指用户感到作为主角存在于模拟环境中真实程度。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
3、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、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。,交互性 (Interaction),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。,想象性 (Imagination),又称为自主性，强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，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。,1.3 虚拟现实的分类,桌面虚拟现实沉浸的虚
4、拟现实增强现实性的虚拟现实分布式虚拟现实,桌面虚拟现实系统,它是利用个人计算机或图形工作站等设备，采用立体图形、自然交互等技术，产生三维立体空间的交互场景，利用计算机的屏幕作为观察虚拟世界的一个窗口，通过各种输入设备实现与虚拟世界的交互。,沉浸式虚拟现实系统,通常采用头盔式显示器、洞穴式立体显示等设备，把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，利用空间位置跟踪定位设备、数据手套、其他手控输入设备、声音设备等使得参与者产生一种完全投入并沉浸于其中的感觉，是一种较理想的VR系统。,增强式虚拟现实系统,既允许用户看到真实世界，同时也能看到叠加在真实世界上的虚拟对象，它是
5、把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统,分布式虚拟现实系统,最典型的应用是SIMNET系统，SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。通过SIMNET，位于德国的仿真器可以和位于美国的仿真器运行在同一个虚拟世界中，参与同一场作战演习,构建一个虚拟现实系统需要软、硬件的支持，硬件方面主要有：（1）高性能计算机 虚拟现实系统必须有运算速度高、图形能力强的计算机硬件支持，以实时处理复杂的图像并缩短参与者的视觉延迟。例如，SGI公司的InfiniteRealityTM系统的纹理填充可达到每秒20.6G象素，纹理下载速度是336Mbyte/秒，每秒可以处理244M、55的RGBA图像
6、。,二、虚拟现实技术的软硬件,SGI（Silicon Graphics ）美国硅图公司是一个生产高性能计算机系统的跨国公司，总部设在美国加州旧金山硅谷 MOUNTAIN VIEW的SGI公司是业界高性能计算系统、复杂数据管理及可视化产品的重要提供商。 它提供世界上最优秀的服务器系列以及具有超级计算能力的可视化工作站。,(2)头盔显示器 头盔显示器提供一种观察虚拟世界的手段，通常支持两个显示源及一组光学器件。这组光学器件将图像以预先确定的距离投影到参与者面前，并将图形放大以加宽视域。,(3)立体声音响 借助立体声音响可以加强人们对虚拟世界的实际体验。声音装置采集或合成自然声音信号，并利用特殊处理
7、技术使这些信号在360球体中空间化，使参与者即使头部在运动也能感觉到声音保持在原处不变。,(4）力反馈装置 力反馈装置则可以提供虚拟物体对人体的作用力，或虚拟物体之间的吸引力和排斥力的信号。,(5)触觉反馈装置 （如数据手套）使参与者除了接受虚拟世界物体的视觉和听觉信号外，同时还能接受其触觉刺激，如纹理、质地感；观察者还可借助数据手套来操纵虚拟场景中的对象，数据手套中装有许多光纤传感器，能够感知手指关节的弯曲状态，观察者通过手指的活动来实现与虚拟场景互作用，数据手套是一种多模式的虚拟现实硬件，通过软件编程，可进行虚拟场景中物体的抓取、移动、旋转等动作，也可以利用它的多模式性，用作一种控制场景漫
8、游的工具。,（6）多通道环幕（立体）投影系统。是指采用多台投影机组合而成的多通道大屏幕展示系统，它比普通的标准投影系统具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率，以及更具冲击力和沉浸感的视觉效果。该系统可以应用于教学、视频播放、电影播放（现在好多影视院采用这种方式）等。,360 度环幕投影显示,球幕无缝拼接显示,硬件 被设计用来面向专业玩家的Oculus，倚仗着游戏PC的强大计算能力，将VR产品引入了消费者的视野。,三、虚拟现实相关技术发展,各大游戏内容和游戏硬件厂商：Sony，Valve和Razor都迅速的推出了自己基于PC的VR产品。微软展示了结合AR的Hololen
9、s，整合Windows 10平台和全套开发环境，决心打造VR产业生态标准。谷歌推出廉价的、用来推广VR概念的CardBoard，也斥资5亿美元领投了AR公司Magic Leap。移动端，三星抢先进驻移动VR领域，让更多的消费者了解到了VR产品并不是那么触不可及。,三、虚拟现实相关技术发展,移动系统支持 谷歌在Android平台虽然还算成功，但是碎片化严重的问题导致利润率根本无法和iOS相提并论。不久前，谷歌宣布将专门开发为VR应用特别优化的Android系统。看得出谷歌打算要在系统支持上投入更大的精力，期待在新一轮移动VR竞争中，通过Android取得优势。 Android的逻辑分层为通用开发
10、铺平了道路，但是在VR应用中，过多的分层反而导致效率降低，拖慢画面渲染速度，耗电量也随之增加。三星的GearVR在Android上层做了尽可能多的优化，但是如果谷歌可以从更加底层对系统进行优化，为VR应用专门提供一套直接与底层图形渲染通信的api。,三、虚拟现实相关技术发展,VR操作系统 下一步各大科技公司想要得到人机交互技术，就是无需凭借外设、最自然的手势交互技术。而且AR技术也随着VR的推广进入了人们的视野，通过AR的方式来进行人机交互也在探索中，这将极大的提高移动VR头盔的用户体验。,三、虚拟现实相关技术发展,四、虚拟现实技术价值,沉浸式VR设备市场成熟度 沉浸式VR设备市场处于市场启动
11、期，2015年大量设备实现量产，推向消费级市场，行业即将进入高速发展期。,四、虚拟现实技术价值,四、虚拟现实技术价值,四、虚拟现实技术价值,1、虚拟现实游戏 Unity 3D宣布对年收入10w美元以下的开发者免费，Unreal紧随其后也宣布了对开发者免费的政策，Oculus去年收购了RakNet以后，立刻就开放了源代码。Oculus还特别展示了使用CryEngine制作的VR内容。日益开放的游戏开发平台，对制作VR游戏内容开发者社区有重大意义。使用Xbox手柄操作，画面无颗粒感和延迟感，流畅。战斗系统虽然并不丰富，但是可以预见，魔法特效以后，效果绝对惊艳。未来几年，各大游戏厂商都会加入VR支持
12、！,五、虚拟现实技术的主要应用,2、电影 好莱坞的电影制作人们已经跃跃欲试的要把电影VR化了，对VR这个新技术他们充满了好奇。梦工厂的动画实验室更是重新以第一视角，专门渲染了一个VR版本的驯龙高手片段，可以让带上VR头盔的你和无牙仔一起翱翔在博克岛的天空！要制作VR电影，拍摄360度的摄像机（拼合画面呈圆柱状）已经不够用了，我们需要球型摄像机（拼合图像是闭合的球状）。Jaunt在这方面非常活跃，在VR展会上展示他们最新的Demo。使用Jaunt拍摄的画面全方位无死角（仅在最下方放置支架的地方有一小块盲区）。,五、虚拟现实技术的主要应用,3、在线视频在线的VR传播平台也是VR产业链里重要的一环。
13、 Youtube已经成功推出了360度视频，允许用户随时选择、切换观看视角，谷歌当然会率先在Youtube推出VR视频内容，这样一来用户就无需再在本地下载大体量的VR视频内容，而是通过Youtube这类在线视频服务来获取VR内容，谷歌一直在大力推广的VP9压缩标准应该也能在视频质量上提供帮助。,五、虚拟现实技术的主要应用,4、军事领域VR技术在军事训练领域主要集中在虚拟战场环境、单兵模拟训练、近战战术训练和诸军种联合虚拟演习、指挥员训练等方面。采用虚拟现实技术使受训者在视觉和听觉上真实体验战场环境、熟悉即将作战区域的环境特征。以增强其临场感觉,提高训练质量。,五、虚拟现实技术的主要应用,5、工
14、业领域 虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现,即采用计算机仿真与虚拟技术，通过仿真模型，在计算机上仿真生产全过程,实现产品的工艺规程、加工制造、装配和调试,预估产品的功能、性能和加工性等方面可能存在的问题，虚拟制造实际上就是要用计算机生产出虚拟产品。,五、虚拟现实技术的主要应用,6、教育领域 虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境, 在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验,从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、去感受比空洞抽象的说教更具说服力,主动交互与被动地灌输有本质的差别。,五、虚拟现实技术的主要应用,7、地理方面的应用 应用虚拟现实技术，将三维地面模型、正射影像和城市街
15、道、建筑物及市政设施的三维立体模型融合在一起，再现城市建筑及街区景观，用户在显示屏上可以很直观地看到生动逼真的城市街道景观，可以进行诸如查询、量测、漫游、飞行浏览等一系列操作，满足数字城市技术由二维G1S向三维虚拟现实的可视化发展需要，为城建规划、社区服务、物业管理、消防安全、旅游交通等提供可视化空间地理信息服务。典型应用如：百度地图街景浏览、谷歌地球。,五、虚拟现实技术的主要应用,六、发展展望与存在的问题,目前主要存在的问题：v 软件方面v 硬件方面v 其他方面,软件方面,v 复杂的逻辑控制的实现v 模拟实时的相互作用v 模拟人脑所有的智能行为v 模拟复杂的时空关系,涉及时间与空间的同步 的
16、问题v 感觉的表达,包括人的听觉.视觉.触觉.味觉和嗅觉的计算机表达v 实时的数据采集.压缩.分析.解压缩v 支持与虚拟环境交互的定位.操纵.导航等工具,硬件方面,v 数据存储设备要求,动画图像存储需要 更大存储容量的设备v 图像显示设备v 数据采集与处理系统v 虚拟现实技术的操作设备v 网络带宽的限制,其他方面,解决因虚实结合而引起的生理和心理问题是建立和谐的人机环境的最后难点 例如，在以往的飞行模拟器中就存在一个长期未曾解决的现象，即模拟器晕眩症。如何正确处理好现实世界和虚拟世界的区别和联系。,未来展望,虽然仍存在许多有待解决与突破的问题。为了提高VR系统的交互性、逼真性和沉浸感，在新型传感和感知机理、几何与物理建模新方法、高性能计算，特别是高速图形图像处理，以及人工智能、心理学、社会学等方面都有许多挑战性的问题有待解决。但虚拟现实任然是一个充满无限活力、具有巨大应用前景的高新技术领域。,END,谢 谢 大 家,
