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1、第一章 虚 拟 现 实 概 论,主讲教师：贾金原助 教：杨寒冰 联系方式：QQ:605360422同济大学软件学院 图形图像研究中心,第1章 虚拟现实概论-大纲,1.1 虚拟现实技术的概念1.2 虚拟现实技术的发展史1.3 虚拟现实系统简介1.4 虚拟现实技术的特征1.5 虚拟现实与动画和游戏的区别1.6 虚拟现实系统的分类1.7 虚拟现实技术的应用领域1.8 虚拟现实技术的研究现状,1.1 虚拟现实（Virtual Reality）基本概念,虚拟现实 是一种逼真的视、听、触觉一体化的计算机生成环境，用户可以借助必要的装备以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响，从而获得亲临等同真
2、实环境的感受和体验。虚拟现实=Virtual+Reality虚拟现实是虚拟化的、数字化的现实环境，它忠于现实，更可以超越现实！,1.2 虚拟现实技术的发展史,虚拟现实技术（Virtual Reality）简称VR技术，是20世纪末逐渐兴起的一门综合性信息技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体、传感器、网络以及并行处理等多个信息技术分支的最新发展成果。,1.2虚拟现实技术的发展史,1929年，Edward Link设计出用于训练飞行员的模拟器,1956年，Morton Heilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama,1.2 虚拟现实技术的发展史,1965年，Ivan S
3、utherland发表论文“Ultimate Display”（终极的显示）,1968年，Ivan Sutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器（Head Mounted Display，HMD）,1.2 虚拟现实技术的发展史,1972年，Nolan Bushnell开发出第一个交互式电子游戏Pong 1977年，Dan Sandin、Tom DeFanti和Rich Sayre研制出第一个数据手套Sayre Glove20世纪80年代，美国国家航空航天局（NASA）组织了一系列有关VR技术的研究：1984年，NASA Ames研究中心的M.McGreevy 和J.Humphrie
4、s开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器；1987年，Jim Humphries设计了双目全方位监视器（BOOM）的最早原型。,1.2 虚拟现实技术的发展史,1990年，在美国达拉斯召开的SIGGRAPH会议上为VR技术的发展确定了研究方向，明确提出VR技术研究的主要内容包括:实时三维图形生成技术、多传感器交互技术、高分辨率显示技术。从20世纪90年代开始，VR技术的研究热潮也开始向民间的高科技企业转移。著名的VPL公司开发出第一套传感手套命名为“DataGloves”，第一套HMD命名为“EyePhones”。进入21世纪后，VR技术更是进入软件高速发展的时期，一些有代表性的VR软件开发系统
5、不断在发展完善，如MultiGen Vega、OpenSceneGraph、Virtools等。,1.3 虚拟现实系统简介,典型的VR系统主要由：计算机软件系统 VR软件 VR环境数据库 计算机硬件系统 VR输入设备 VR输出设备,1.4 虚拟现实的特征,传统的三个特征（3个I）沉浸感(Immersion)参与者全身心地沉浸于计算机所生成的三维虚拟环境，并产生身临其境的感觉。交互性(Interaction)参与者可以利用各种感官功能及人类自然技能对虚拟环境进行交互考察与操作。构想性(Imagination)参与者借助VR系统给出的逼真视听触觉信号而产生的对虚拟空间的想象,1.4虚拟现实技术的特
6、征-沉浸感,VR技术的沉浸感：又称临场感，是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。VR技术最主要的特征。影响沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、三维图像中的深度信息、画面的视野、实现跟踪的时间或空间响应及交互设备的约束程度等。,1.4虚拟现实技术的特征-交互性,VR技术的交互性：指用户对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度（包括实时性）。主要借助于各种专用设备（如头盔显示器、数据手套等）产生，从而使用户以自然方式如手势、体势、语言等技能，如同在真实世界中一样操作虚拟环境中的对象。,1.4 虚拟现实技术的特征想象力,VR技术的想象力：指用户在虚拟世界中根据所获取的
7、多种信息和自身在系统中的行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未来进展进行想象的能力。对适当的应用对象加上虚拟现实的创意和想象力，可以大幅度提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。,1.5 虚拟现实与三维动画的区别（1）,真实性三维动画场景画面由动画制作人员根据材料或想象直接画制而成，与真实的环境和数据有较大的差距，属于演示类艺术作品。虚拟现实虚拟环境由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求，属于科学仿真系统。操纵者亲身体验虚拟三维空间，身临其境。交互性三维动画只能如电影一样单向演示，场景变化，浏览路径，需要预先指定，无法改变
8、。画面需要事先制作生成，耗时、费力、成本较高。没有互动性。虚拟现实操纵者可以实时感受运动带来的场景变化，步移景异，并可亲自布置场景，具有双向互动的功能。,1.5 虚拟现实与三维动画的区别（2）,时间性三维动画受动画制作时间限制，无法详尽展示，性价比低。虚拟现实没有时间限制，可真实详尽地展示，并可以在虚拟现实基础上导出动画视频文件，同样可以用于多媒体资料制作和宣传，性价比高。应用性三维动画只适合简单的演示功能。虚拟现实在实时三维环境中，支持方案调整、评估、管理、信息查询等功能，适合较大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理等需要，同时又具有更真实和直观的多媒体演示功能。,1.5 分布式虚拟
9、现实与网络游戏的区别,网络游戏一般是基于C/S需要安装客户端客户端通常很大（对客户端的配置有要求）以娱乐为目的用户通常有耐心等待下载和安装（Web）VR不需要安装客户端Down-and-Play下载即观看以宣传和展示为目的用户没有耐心等待下载和安装如果2分钟内还看不到东西就放弃了,1.6 虚拟现实系统的分类,桌面式VR系统（Desktop VR）沉浸式VR系统（Immersive VR）增强式VR系统（Augmented VR）分布式VR系统（Distributed VR）基于网页的VR系统（WebVR）,1.6 虚拟现实系统的分类,桌面式VR系统,使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交
10、互场景。用户会受到周围现实环境的干扰而不能获得完全的沉浸感，但由于其成本相对较低桌面式VR系统仍然比较普及。,1.6 虚拟现实系统的分类,沉浸式VR系统,利用头盔显示器、洞穴式显示设备和数据手套等交互设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为VR系统内部的一个参与者，产生一种身临其境、全心投入并沉浸其中的体验。与桌面式VR系统相比，沉浸式VR系统的主要特点在于高度的实时性和沉浸感。,1.6 虚拟现实系统的分类,增强式VR系统(Augmented Reality,AR),允许用户对现实世界进行观察的同时，将虚拟图像叠加在真实物理对象之上。为用户提供与所看到的真实环境有关的、存储在
11、计算机中的信息，从而增强用户对真实环境的感受，又被称为叠加式或补充现实式VR系统。可以使用光学技术/视频技术/传感器技术来实现。实中有虚，使实更实！增强虚拟混合现实,1.6 虚拟现实系统的分类,分布式VR系统(DVR),指基于网络构建的虚拟环境，将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连接并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。主要被应用于远程虚拟会议、虚拟医学会诊、多人网络游戏、虚拟战争演习等领域。,1.6 分布式虚拟现实 Distributed Virtual Reality,概念在互联网上构建一个逼真而互动的三维虚拟空间特点分布于不同地理位置的多台计算机通过网络互
12、联允许多用户之间进行实时互动,1.6 分布式虚拟现实的特点,我扩充的DVR的新3个I智能性(Intelligence)虚拟人 H-Anim（国际标准）Digital StorytellingAIML、ICML（讲故事、多人聊天、人机对话）集成性(Integration)图形、图像、音频、视频、文本、GIS、遥感影像等互联网(Internet)-基于Web的VRWebVR基于Web Graphics虚拟城市虚拟社区Second Life,Google Earth,Virtual Earth,1.7 虚拟现实技术的应用领域,教育与训练 设计与规划 科学计算可视化 商业领域 艺术与娱乐,1.7 虚拟
13、现实技术的应用领域,教育与训练,虚拟现实技术能使学习者能直接、自然地与虚拟对象进行交互，以各种形式参与事件的发展变化过程，并获得最大的控制和操作整个环境的自由度。,1、仿真教学与实验2、特殊教育3、多种专业训练4、应急演练和军事演习,1.7 虚拟现实技术的应用领域,设计与规划,虚拟现实已被看作是设计领域中唯一的开发工具。它可以避免传统方式在原型制造、设计和生产过程中的重复工作，有效的降低成本，应用领域包括汽车制造业、城市规划、建筑设计等。,1.7 虚拟现实技术的应用领域,科学计算可视化,科学可视化的功能就是将大量字母、数字数据转换成比原始数据更容易理解的各种图像，并允许参与者借助各种虚拟现实输
14、入设备检查这些“可见的”数据。它通常被用于建立分子结构、地震以及地球环境等模型。,1.7 虚拟现实技术的应用领域,商业领域,VR技术被逐步应用于网上销售、客户服务、电传会议及虚拟购物中心等商业领域。它可以使客户在购买前先看到产品的外貌与内在，甚至在虚拟世界中使用它，因此对产品的推广和销售都很有帮助。,1.7 虚拟现实技术的应用领域,艺术与娱乐,VR技术所具有的身临其境感及实时交互性还能将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的形式，使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术，包括虚拟画廊、虚拟音乐厅、文物保护等方面。娱乐是VR系统的另一个重要应用领域，市场上已经推出了多款VR环境下的电脑游戏，带给游戏者
15、强烈的感官刺激。,1.8 虚拟现实技术的研究现状,国外的研究现状简介,美国是VR技术的发源地，有美国宇航局（NASA）、麻省理工学院（MIT）媒体实验室、华盛顿大学人机界面技术实验室（HIT Lab）等许多知名的研究机构。美国在虚拟现实领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。,1.8 虚拟现实技术的研究现状,国外的研究现状,英国主要有四个从事VR技术研究的中心，包括Windustries公司、British Aerospace公司、Dimension International公司、Divison LTD公司等。日本主要致力于建立大规模VR知识库和人机接口方面的研究项目
16、上，在VR游戏方面的研究也处于领先地位。此外，国外还研制出多个用于开发应用程序的VR软件开发平台，例如美国Sense8公司的WorldToolKit（WTK），爱荷华州立大学虚拟现实应用中心的VR Juggler，Deneb Robotics公司的ENVISION，英国Superscape公司的VRT，Division 公司的dVISE等。,1.8 虚拟现实技术的研究现状,国内的研究现状,我国从20世纪80年代起开始研究VR技术。虽然起步较晚，但近年来政府有关部门非常重视，制定了开展VR技术的研究计划，并将其列入国家重点研究项目。国内的一些科学家和重点院校也已积极投入了对这一领域的研究。北京航
17、空航天大学是国内最早进行VR技术研究、最有权威的单位之一。它于2000年8月成立了虚拟现实新技术教育部重点实验室。2008年又升级为国家VR重点实验室。,1.8 虚拟现实技术的研究现状,国内的研究现状,清华大学对虚拟现实及其临场感等方面进行了大量研究，比如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施及深度感实验测试等。浙江大学的CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术立体显示技术进行了研究，提出一种基于JPEG标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压缩速度。,1.8 虚拟现实技术的研究现状,北京理工大学在增强现实的关键技术-头盔显示器、位置方位跟踪器、光学数据手套等样机，三维环境注册定位算法、透视式融合显示、立体显示图形生成等增强现实关键技术，完成了国内第一个实时增强现实试验系统，正在积极探讨其在军事、文化、医疗等领域的应用。同济大学软件学院在WebVR方面的工作简介,国内的研究现状,
