1、1教師：陸艷洪教師：陸艷洪 聯系方式：聯系方式： TEL:TEL: 88493458 88493458 轉轉921921 EMAIL:EMAIL: 辦公室：辦公室：實驗大樓實驗大樓A913A9132現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 章節安排章節安排第一章第一章 概述概述第二章第二章 系統的數學模型系統的數學模型第三章第三章 連續系統的數字仿真連續系統的數字仿真第四章第四章 離散事件系統仿真離散事件系統仿真第六章第六章 分布式交互仿真分布式交互仿真第七章第七章 可視化、多媒體、虛擬現實仿真可視化、多媒體、虛擬現實仿真3n 背景知識背景知識包括：包括： 計算機原理與系統結構，操作系統，計算機網

2、絡，軟件工程，程序計算機原理與系統結構，操作系統，計算機網絡，軟件工程，程序設計，數據結構，電子學，圖形學與設計，數據結構，電子學，圖形學與CAD，系統分析，人工智能等。，系統分析，人工智能等。n 內容內容包括虛擬現實與系統仿真的基本概念和術語，虛擬現實與系統包括虛擬現實與系統仿真的基本概念和術語，虛擬現實與系統仿真的基礎方法，虛擬現實有關的人的因素，虛擬現實的接口設備仿真的基礎方法，虛擬現實有關的人的因素，虛擬現實的接口設備和計算機設備，虛擬現實的世界建模技術，虛擬現實的應用。和計算機設備，虛擬現實的世界建模技術，虛擬現實的應用。 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第七章虛

3、擬現實4 知識結構知識結構 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第七章虛擬現實5重點難點重點難點l 虛擬現實的基本概念虛擬現實的基本概念l 人的視覺系統和虛擬現實的視覺顯示技術人的視覺系統和虛擬現實的視覺顯示技術l 各類位姿跟蹤系統的技術各類位姿跟蹤系統的技術l 力覺和觸覺反饋技術力覺和觸覺反饋技術l 虛擬現實用計算機系統虛擬現實用計算機系統l 虛擬現實的工具軟件系統虛擬現實的工具軟件系統l 分布式虛擬現實系統。分布式虛擬現實系統。 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第七章虛擬現實6要求要求l 首先要求掌握虛擬現實與系統仿真的基本概念和術語，以及虛首先要求掌握

4、虛擬現實與系統仿真的基本概念和術語，以及虛擬現實有關的人的因素，明確虛擬對現實要求。擬現實有關的人的因素，明確虛擬對現實要求。l 其次要求掌握虛擬現實與系統仿真的基礎方法，虛擬現實的接其次要求掌握虛擬現實與系統仿真的基礎方法，虛擬現實的接口設備和計算機設備，虛擬現實的世界建模技術，了解實現要口設備和計算機設備，虛擬現實的世界建模技術，了解實現要求的技術。求的技術。l 最后要求掌握虛擬現實的應用。最后要求掌握虛擬現實的應用。 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第七章虛擬現實7參考資料參考資料1.虛擬現實與系統仿真虛擬現實與系統仿真 韋有雙；國防工業出版社；韋有雙；國防工業出版社

5、；2004年年2.虛擬現實的技術及其應用虛擬現實的技術及其應用曾建超，俞志和；清華大學出版社；曾建超，俞志和；清華大學出版社；19963.靈境（虛擬現實）技術的理論，實現及應用靈境（虛擬現實）技術的理論，實現及應用汪成為，高文，王行仁；清華大學出版社，廣西科學技術出版社；汪成為，高文，王行仁；清華大學出版社，廣西科學技術出版社；19964.Virtual Reality TechnologyGrigore Burdea，Phillippe Coiffet；John Wiley & Sons,INC.；19945.Virtual Reality SystemsJohn Vince；Add

6、ison-Wesley Pnblishing Company；1995 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第七章虛擬現實8l 虛擬現實概述虛擬現實概述l 虛擬現實的接口技術虛擬現實的接口技術 l 虛擬現實的計算機技術虛擬現實的計算機技術l 虛擬現實的建模和仿真技術虛擬現實的建模和仿真技術 l 分布式虛擬現實技術分布式虛擬現實技術l 系統仿真與虛擬現實的結合機制系統仿真與虛擬現實的結合機制l 虛擬現實的應用虛擬現實的應用 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第七章虛擬現實內容內容9l課前思考課前思考l學習目標學習目標 l難重點難重點 現代仿真技術與應用現代仿真技

7、術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述1什么是虛擬現實？什么是虛擬現實？2虛擬現實與人有什麼關系？虛擬現實與人有什麼關系？1注意理解幾個概念。注意理解幾個概念。2注意理解幾個特點。注意理解幾個特點。3注意理解注意理解VR設計中考慮的視覺問題。設計中考慮的視覺問題。 1了解了解VR的概念和特點。的概念和特點。2了解了解VR有關的人的因素。有關的人的因素。 101、 虛擬現實系統的三個部分是虛擬現實系統的三個部分是 。2、 遙操作系統的三個部分是遙操作系統的三個部分是 。3、 增強顯示系統是增強顯示系統是 。4、 合成顯示系統是合成顯示系統是 。5、 虛擬現實系統的三個特點

8、是虛擬現實系統的三個特點是 。6、 虛擬現實系統的三個虛擬現實系統的三個I是是 。7、 虛擬現實系統的三個主要技術領域虛擬現實系統的三個主要技術領域 。8、 確定電影和電視的幀頻應該考慮人眼的確定電影和電視的幀頻應該考慮人眼的 現象。現象。 9、 人耳的人耳的HRTF的中文名稱是的中文名稱是 。 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述11l 主要內容主要內容 本章主要介紹虛擬現實的基本概念和有關人的概念。本章主要介紹虛擬現實的基本概念和有關人的概念。 虛擬現實或虛擬環境是人工構造的存在于計算機系統內部而非現實虛擬現實或虛擬環境是人工構造的存在

9、于計算機系統內部而非現實世界中的一種環境。該環境包括：環境的人類操作者、人機接口和世界中的一種環境。該環境包括：環境的人類操作者、人機接口和計算機，人的視覺和聽覺問題，都是和虛擬現實有關的人的因素。計算機，人的視覺和聽覺問題，都是和虛擬現實有關的人的因素。l 本章內容包括：本章內容包括： 1 虛擬現實的基本概念虛擬現實的基本概念 2 虛擬現實的特點虛擬現實的特點 3 虛擬現實的應用領域虛擬現實的應用領域 4 虛擬現實技術簡介虛擬現實技術簡介 5 虛擬現實中有關人的因素虛擬現實中有關人的因素 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述12第一章的知

10、識點第一章的知識點 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述13虛擬現實的發展史虛擬現實的發展史1) 1) 19651965年，年，SutherlandSutherland在篇名為在篇名為的論文中首次提出了的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現實系統包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現實系統的基本思想，從此，人們正式開始了對虛擬現實系統的研究探索歷的基本思想，從此，人們正式開始了對虛擬現實系統的研究探索歷程。程。2) 2) 19661966年，美國年，美國MITMIT的林肯實驗室正式開始了頭盔式顯

11、示器的研制工作。的林肯實驗室正式開始了頭盔式顯示器的研制工作。3) 3) 19891989年，美國年，美國VPL Research VPL Research 公司創始人公司創始人Jaron Lanier Jaron Lanier 提出了提出了“Virtual Reality”Virtual Reality”（虛擬現實）的概念。（虛擬現實）的概念。4) 4) 19941994年，美國年，美國SGISGI公司和比利時的公司和比利時的BARCOBARCO投影機制造公司，在英國建投影機制造公司，在英國建設了世界上第一個虛擬現實系統。設了世界上第一個虛擬現實系統。 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用

12、第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述14基本概念基本概念 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述l “Reality”Reality”的含義是現實的世界或現實的環境。所以，的含義是現實的世界或現實的環境。所以，“Virtual Reality”Virtual Reality”（虛擬現實）的另一個名稱是（虛擬現實）的另一個名稱是“Virtual Virtual Environment”Environment”（虛擬環境）。（虛擬環境）。l “Virtual”Virtual”說明這個世界或環境是虛擬的，不是真實的，是人說明這個世界

13、或環境是虛擬的，不是真實的，是人工構造的，存在于計算機內部的，用戶應該能夠工構造的，存在于計算機內部的，用戶應該能夠“進入進入”這個虛這個虛擬的環境中。擬的環境中。 l 所謂所謂“進入進入”這個虛擬的環境中，是指用戶以自然的方式與這個這個虛擬的環境中，是指用戶以自然的方式與這個環境交互（包括感知環境并干預環境），從而產生置身于相應的環境交互（包括感知環境并干預環境），從而產生置身于相應的真實環境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。真實環境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。 15l “Virtual Reality”(“Virtual Reality”(虛擬現實）虛擬現實）或或“Virtual

14、 Environment”Virtual Environment”（虛擬環境）（虛擬環境）是人工構造的，存在于計算機內部的環是人工構造的，存在于計算機內部的環境。境。l 用戶應該能夠以自然的方式與這個環境用戶應該能夠以自然的方式與這個環境交互（包括感知環境并干預環境），從交互（包括感知環境并干預環境），從而產生置身于相應的真實環境中的虛幻而產生置身于相應的真實環境中的虛幻感，沉浸感受，身臨其境的感覺。感，沉浸感受，身臨其境的感覺。l 虛擬環境（虛擬環境（Virtual Environment ,VEVirtual Environment ,VE）系統系統或虛擬現實（或虛擬現實（Virtual

15、Reality , Virtual Reality , VRVR）系統包括人類操作者、人機接口和）系統包括人類操作者、人機接口和計算機。計算機。 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述基本概念基本概念 161 1）虛擬現實系統應用最多的專用設備是虛擬現實系統應用最多的專用設備是頭盔式立體顯示器和數據手套頭盔式立體顯示器和數據手套。于是，有人以使用這些專用設備為虛擬現實系統的標志，這種觀點是不于是，有人以使用這些專用設備為虛擬現實系統的標志，這種觀點是不準確的，它們只是當前已經實現的一部分虛擬現實接口設備。準確的，它們只是當前已經實現的一部分虛

16、擬現實接口設備。 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述基本概念基本概念 17 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述基本概念基本概念 2 2）虛擬現實技術，是在計算機應用和人機交互方面開創的全新的學科虛擬現實技術，是在計算機應用和人機交互方面開創的全新的學科領域。這個新領域的發展，還有很多困難，有很多技術難點有待解決，領域。這個新領域的發展，還有很多困難，有很多技術難點有待解決，當前，這一領域還只是走出了第一步。當前，這一領域還只是走出了第一步。3 3）以接口設備為例，頭盔式立體顯示器和數

17、據手套等設備很不完善。以接口設備為例，頭盔式立體顯示器和數據手套等設備很不完善。例如，頭盔的視場，分辨率，造成眩暈等問題還有待解決。聽覺接口和例如，頭盔的視場，分辨率，造成眩暈等問題還有待解決。聽覺接口和力覺接口等設備還在研究，應用還不多。味覺，嗅覺，運動覺等技術，力覺接口等設備還在研究，應用還不多。味覺，嗅覺，運動覺等技術，還缺乏研究。還缺乏研究。18虛擬現實系統構成虛擬現實系統構成 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述l檢測模塊：檢測模塊：檢測用戶的操作命令，并通過傳感器模塊作用于虛擬環境。檢測用戶的操作命令，并通過傳感器模塊作用于虛擬

18、環境。 l反饋模塊：反饋模塊：接受來自傳感器模塊信息，為用戶提供實時反饋。接受來自傳感器模塊信息，為用戶提供實時反饋。 l傳感器模塊：傳感器模塊：一方面接受來自用戶的操作命令，并將其作用于虛擬環境；另一一方面接受來自用戶的操作命令，并將其作用于虛擬環境；另一方面方面 將操作后產生的結果以各種反饋的形式提供給用戶。將操作后產生的結果以各種反饋的形式提供給用戶。l控制模塊：控制模塊：對傳感器進行控制，使其對用戶、虛擬環境和現實世界產生作用。對傳感器進行控制，使其對用戶、虛擬環境和現實世界產生作用。 l建模模塊：建模模塊：獲取現實世界組成部分的三維表示，并由此構成對應的虛擬環境。獲取現實世界組成部分

19、的三維表示，并由此構成對應的虛擬環境。 構成虛擬現實系統的五大模塊構成虛擬現實系統的五大模塊19一、模仿真實世界中的環境一、模仿真實世界中的環境：建筑物，武器系統，或戰場環境：建筑物，武器系統，或戰場環境l特點與功能：特點與功能：這種真實環境，可能是已經存在的，也可能是已經設計好但還沒有建成這種真實環境，可能是已經存在的，也可能是已經設計好但還沒有建成的，這一類虛擬現實系統的功能實際上是系統仿真。的，這一類虛擬現實系統的功能實際上是系統仿真。l要求：要求：為了逼真地模仿真實世界中的環境，逼真地建立幾何模型和物理模型，環境的為了逼真地模仿真實世界中的環境，逼真地建立幾何模型和物理模型，環境的動態

20、應符合物理規律。動態應符合物理規律。二、人類主觀構造的環境：二、人類主觀構造的環境：用于影視制作或電子游戲的三維動畫。用于影視制作或電子游戲的三維動畫。l特點特點：環境是虛構的，幾何模型和物理模型就可以完全虛構。：環境是虛構的，幾何模型和物理模型就可以完全虛構。l實現實現：常用插值方法來實現系統的動畫技術：常用插值方法來實現系統的動畫技術三、模仿真實世界中的人類不可見的環境：三、模仿真實世界中的人類不可見的環境：分子的結構，空氣中的速度、溫度、壓力的分分子的結構，空氣中的速度、溫度、壓力的分布等。布等。l特點與功能特點與功能：這種真實環境，是客觀存在的，但是人類的視覺和聽覺不能感覺到。其：這種

21、真實環境，是客觀存在的，但是人類的視覺和聽覺不能感覺到。其功能，實際是科學可視化。功能，實際是科學可視化。l實現：實現：對于分子結構這類微觀環境，進行放大尺度的模仿，使人能看到。對于空氣中對于分子結構這類微觀環境，進行放大尺度的模仿，使人能看到。對于空氣中的速度這類不可見的物理量，可以用流線顯示速度（流線方向表示速度方向，流線密的速度這類不可見的物理量，可以用流線顯示速度（流線方向表示速度方向，流線密度表示速度大小）。度表示速度大小）。虛擬現實的虛擬環境分類虛擬現實的虛擬環境分類 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述電影動畫的例子電影動畫的

22、例子居室環境的仿真和漫游例子居室環境的仿真和漫游例子 由此可見，虛擬現實技術可以用于由此可見，虛擬現實技術可以用于系統系統仿真、科學可視化、三維動畫仿真、科學可視化、三維動畫等領域。等領域。 20與虛擬現實系統有關的幾個系統是遙操作系統，增強現實系統以及合成現實系統。與虛擬現實系統有關的幾個系統是遙操作系統，增強現實系統以及合成現實系統。l 遙操作遙操作(Tele operator)(Tele operator)系統系統由人類操作者、人機接口和遙機器人組成。由人類操作者、人機接口和遙機器人組成。l 增強現實（增強現實（Augmented RealityAugmented Reality）系統）

23、系統是將虛擬環境和真實環境組合在一起。是將虛擬環境和真實環境組合在一起。l 合成環境（合成環境（Synthetic Environment, SESynthetic Environment, SE）系統）系統，是遙操作系統，虛擬環境系，是遙操作系統，虛擬環境系統，增強現實系統等的總稱。統，增強現實系統等的總稱。其他相關系統概念其他相關系統概念 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述虛擬環境虛擬環境(Virtual Environment(Virtual Environment，VE)VE)系統或系統或虛擬現實虛擬現實(Virtual Real

24、ity(Virtual Reality，VR)VR)系統系統由人類操作者、人機接口和計算機組成。由人類操作者、人機接口和計算機組成。21l對于對于虛擬現實系統虛擬現實系統，與用戶交互的環境實際是人工構造的，存在于計算機內部的環境。，與用戶交互的環境實際是人工構造的，存在于計算機內部的環境。l對于對于遙操作系統遙操作系統，與用戶交互的環境實際是在，與用戶交互的環境實際是在遠地的一個真實的機器人工作環境遠地的一個真實的機器人工作環境。l增強現實系統增強現實系統，是虛擬環境，是虛擬環境(VE)與真實環境與真實環境(RE)的組合，與人類交互的既有的組合，與人類交互的既有VE也有也有RE。如虛擬演播室，

25、背景是如虛擬演播室，背景是VE，前景是真實的人，前景是真實的人其他相關系統概念其他相關系統概念 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述 虛擬現實系統、遙操作系統、增強現實系統虛擬現實系統、遙操作系統、增強現實系統之間的區別在于與之間的區別在于與用戶交互的環境不同。用戶交互的環境不同。遙控機器人代替了計算機，環境實際上是遠離操作者或操作者無法到達的遠程真實環境遙控機器人代替了計算機，環境實際上是遠離操作者或操作者無法到達的遠程真實環境（如深海、深空、核爆環境等），用戶通過類似虛擬現實系統的人機接口，操作或感受（如深海、深空、核爆環境等），用戶通

26、過類似虛擬現實系統的人機接口，操作或感受遠處的真實環境。也就是看到真實環境的場景，聽到真實環境的聲音，感到與環境中物遠處的真實環境。也就是看到真實環境的場景，聽到真實環境的聲音，感到與環境中物體的接觸。體的接觸。22 1）全景（）全景（Panorama） 2）物體（）物體（Object） 3）場景（）場景（Scenes）虛擬現實的三種表現方式虛擬現實的三種表現方式 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述 在全景（在全景（Panorama）模式下，物體是相對固定而鏡頭位置是相對移動）模式下，物體是相對固定而鏡頭位置是相對移動（原地（原地360度

27、轉動）的，例如在建筑的頂樓平臺環顧四周度轉動）的，例如在建筑的頂樓平臺環顧四周360度的景觀。度的景觀。 在場景（在場景（Scenes）模式下，物體和鏡頭都可以運動，比如客戶在看房時，）模式下，物體和鏡頭都可以運動，比如客戶在看房時，從一個房間走到另外一個房間。這時，鏡頭（眼睛）在運動，從一從一個房間走到另外一個房間。這時，鏡頭（眼睛）在運動，從一 個節點個節點（房間一）移動到另外一個節點（房間二）。簡單的說，這是全景和物體模（房間一）移動到另外一個節點（房間二）。簡單的說，這是全景和物體模式的綜合。式的綜合。 在物體（在物體（Object）模式下，物體運動而鏡頭相對固定，比如玩手機時，）模式

28、下，物體運動而鏡頭相對固定，比如玩手機時，物體（手機）運動，而鏡頭（眼睛）固定。物體（手機）運動，而鏡頭（眼睛）固定。 23虛擬現實的特點虛擬現實的特點計算機提供計算機提供“環境環境”，不是，不是“數據，信息數據，信息” 操作者由視覺、聽覺、力覺感知環境，由自然的動作操作環境，不是由屏幕、鍵操作者由視覺、聽覺、力覺感知環境，由自然的動作操作環境，不是由屏幕、鍵盤、鼠標和計算機交互盤、鼠標和計算機交互;逼真的感知和自然的動作，使人產生身臨其境的感覺逼真的感知和自然的動作，使人產生身臨其境的感覺; 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述 該特點該

29、特點改變了人機接口的內容，改變了人機接口的內容，體現了計算機體現了計算機應用的新方向。應用的新方向。以以環境為環境為計算機處理的對象和人機交互的內容計算機處理的對象和人機交互的內容。 l 該特點改變了該特點改變了人機接口的形式，人機接口的形式，體現了計算機人機體現了計算機人機接口的新方向。接口的新方向。l 一般計算機系統的人機接口都是一般計算機系統的人機接口都是面向機器的面向機器的，終端，鍵盤，鼠標，打印機等接口設備。，終端，鍵盤，鼠標，打印機等接口設備。它們能很好地完成了各類數據和多媒體信息的交互。它們能很好地完成了各類數據和多媒體信息的交互。l 虛擬現實中的人機接口，則是虛擬現實中的人機接

30、口，則是面向用戶的面向用戶的。虛擬現實系統中，用戶以。虛擬現實系統中，用戶以自然的方式自然的方式與虛擬與虛擬環境交互。環境交互。l該特點改變了該特點改變了人機接口的效果人機接口的效果，體現了計算機，體現了計算機人機接口的新要求人機接口的新要求。l 用戶通過人機接口與虛擬環境交互的結果，是使用戶產生身臨其境的虛幻感，沉浸感。用戶通過人機接口與虛擬環境交互的結果，是使用戶產生身臨其境的虛幻感，沉浸感。虛擬現實的概念中有虛擬現實的概念中有三個三個I：（1 1）Immersion(Immersion(沉浸沉浸) )，是指逼真的，身臨其境的感覺。，是指逼真的，身臨其境的感覺。（2 2）Interacti

31、on(Interaction(交互交互) )，是指用戶感知與操作環境。，是指用戶感知與操作環境。（3 3）Imagination(Imagination(想象想象) )，是指創造性。，是指創造性。 24虛擬現實的應用領域虛擬現實的應用領域l 娛樂娛樂l 國防國防l 設計、制造和銷售設計、制造和銷售l 醫療和健康醫療和健康l 危險操作危險操作l 訓練訓練l 教育教育l 信息可視化信息可視化l 遠程交往與遠程游歷遠程交往與遠程游歷 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述25 把分布式虛擬現實系統用于建造人體模型、電腦太空旅游、化合物分子結構把分布

32、式虛擬現實系統用于建造人體模型、電腦太空旅游、化合物分子結構顯示等領域，由于數據更加逼真，大大提高了人們的想象力、激發了受教育者的顯示等領域，由于數據更加逼真，大大提高了人們的想象力、激發了受教育者的學習興趣，學習效果十分顯著。同時，隨著計算機技術、心理學、教育學等多種學習興趣，學習效果十分顯著。同時，隨著計算機技術、心理學、教育學等多種學科的相互結合、促進和發展，系統因此能夠提供更加協調的人機對話方式，學科的相互結合、促進和發展，系統因此能夠提供更加協調的人機對話方式， 虛擬現實的應用領域虛擬現實的應用領域 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部

33、分概述l教育應用教育應用 l工程應用工程應用 當前的工程很大程度上要依賴于圖形工具，以便直觀地顯示各種產品，目當前的工程很大程度上要依賴于圖形工具，以便直觀地顯示各種產品，目前，前，CAD/CAMCAD/CAM已經成為機械、建筑等領域必不可少的軟件工具。分布式虛擬現實已經成為機械、建筑等領域必不可少的軟件工具。分布式虛擬現實系統的應用將使工程人員能通過全球網或局域網按協作方式進行三維模型的設系統的應用將使工程人員能通過全球網或局域網按協作方式進行三維模型的設計、交流和發布，從而進一步提高生產效率并削減成本。計、交流和發布，從而進一步提高生產效率并削減成本。 26 對于那些期望與顧客建立直接聯系

34、的公司，尤其是那些在他們的主對于那些期望與顧客建立直接聯系的公司，尤其是那些在他們的主頁上向客戶發送電子廣告的公司，頁上向客戶發送電子廣告的公司，Internet具有特別的吸引力。分布具有特別的吸引力。分布式虛擬系統的應用有可能大幅度改善顧客購買商品的經歷。例如，顧式虛擬系統的應用有可能大幅度改善顧客購買商品的經歷。例如，顧客可以訪問虛擬世界中的商店，在那里挑選商品，然后通過客可以訪問虛擬世界中的商店，在那里挑選商品，然后通過Internet辦理付款手續，商店則及時把商品送到顧客手中。辦理付款手續，商店則及時把商品送到顧客手中。 虛擬現實的應用領域虛擬現實的應用領域 現代仿真技術與應用現代仿真

35、技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述l商業應用商業應用 l娛樂應用娛樂應用 娛樂領域是分布式虛擬現實系統的一個重要應用娛樂領域是分布式虛擬現實系統的一個重要應用領域。它能夠提供更為逼真的虛擬環境，從而使領域。它能夠提供更為逼真的虛擬環境，從而使人們能夠享受其中的樂趣，帶來更好的娛樂感人們能夠享受其中的樂趣，帶來更好的娛樂感覺。覺。 27虛擬現實技術簡介虛擬現實技術簡介1VR的人機接口的人機接口2VR的計算機系統的計算機系統3VR的建模和仿真的建模和仿真 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述l 給人類操作者提供環境

36、信息；包括位置跟蹤和反饋、視覺通道、聽覺通給人類操作者提供環境信息；包括位置跟蹤和反饋、視覺通道、聽覺通道、觸覺通道、運動接口和其他接口。道、觸覺通道、運動接口和其他接口。l 感覺人類操作者的動作和響應；包括位置跟蹤和映射，語音識別等。感覺人類操作者的動作和響應；包括位置跟蹤和映射，語音識別等。現有的虛擬系統主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研現有的虛擬系統主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研究階段。所以，究階段。所以，VR的計算機系統主要考慮視覺通道的要求的計算機系統主要考慮視覺通道的要求。l 建模包括幾何建模和物理建模。建模包括幾何建模和物理建模。l 仿真包括圖形繪制、三維

37、動畫仿真包括圖形繪制、三維動畫28虛擬現實的接口設備虛擬現實的接口設備l位姿傳感器位姿傳感器 l視覺通道視覺通道l聽覺通道聽覺通道l觸覺通道觸覺通道l運動接口運動接口 l其他類型接口其他類型接口VRVR的人機接口的人機接口 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述29位姿傳感器位姿傳感器VRVR的人機接口的人機接口 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述l位置跟蹤和映射：位置跟蹤和映射：用于測量人體各部位的位用于測量人體各部位的位置和姿態，分析判斷人面部的表情。它的目置和姿態，分析判斷人面部的

38、表情。它的目的是了解人的身體行為。的是了解人的身體行為。l 這是為了實現人機交互所必需的系統功能，這是為了實現人機交互所必需的系統功能，VR系統由此了解人的行為，然后做出適當系統由此了解人的行為，然后做出適當的響應，實現交互。的響應，實現交互。l常用技術：常用技術：機械鏈接、磁傳感器、聲傳感器、機械鏈接、磁傳感器、聲傳感器、光傳感器和慣性傳感器。光傳感器和慣性傳感器。l 基本目標基本目標：精確完成位置和姿態的測量。：精確完成位置和姿態的測量。l 三個主要的要求三個主要的要求：大范圍的線性響應，高帶：大范圍的線性響應，高帶寬（寬（1kHz），以及允許頭和身體的運動。），以及允許頭和身體的運動。3

39、0各種位姿跟蹤器的比較各種位姿跟蹤器的比較 發射源發射源 便攜便攜 精度精度 價格價格 刷新率刷新率 延遲延遲 范圍范圍 干擾源干擾源 機械式機械式 無無差差很高很高較高較高高高很小很小很小很小無無 磁場式磁場式 有有好好較高較高較低較低較高較高較大較大單傳感器小單傳感器小多傳感器大多傳感器大 金屬及磁場金屬及磁場 超聲式超聲式 有有較好較好時間法低時間法低相位法高相位法高 很低很低時間法低時間法低相位法高相位法高 小小較大較大空氣流動，空氣流動，超聲噪聲超聲噪聲 光學式光學式 有有較好較好較高較高昂貴昂貴高高小小大大光反射，光反射，紅外光源紅外光源 慣性式慣性式 無無好好較低較低昂貴昂貴很高

40、很高隨時間和隨時間和溫度漂移溫度漂移 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述31給人的視覺系統提供圖形顯示。給人的視覺系統提供圖形顯示。要求要求：a) 顯示的像素應該足夠小，使人不至感覺顯示的像素應該足夠小，使人不至感覺到像素的不連續；到像素的不連續；b) 顯示的頻率應該足夠高，使人不至感覺顯示的頻率應該足夠高，使人不至感覺到畫面的不連續；到畫面的不連續；c) 給兩眼提供具有雙目視差的圖形，形成給兩眼提供具有雙目視差的圖形，形成立體視覺；立體視覺；d) 應該具有足夠大的視場，理想情況是顯應該具有足夠大的視場，理想情況是顯示畫面充滿整個視場。示

41、畫面充滿整個視場。VRVR的人機接口的人機接口 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述視覺接口通道視覺接口通道32l給人的聽覺系統提供聲音顯示。給人的聽覺系統提供聲音顯示。l要求：要求：能識別聲音的類型和強度，能判定聲源的位置。能識別聲音的類型和強度，能判定聲源的位置。l關鍵技術：關鍵技術：由接口提供的虛擬聲音信號合成，聲音在虛擬空間定位問題，以及發聲設備由接口提供的虛擬聲音信號合成，聲音在虛擬空間定位問題，以及發聲設備VRVR的人機接口的人機接口 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述聽覺

42、通道聽覺通道觸覺通道觸覺通道l觸覺通道：觸覺通道：給人體表面提供觸覺和力覺。當人體在虛擬空間中運動時，如果接觸到虛擬給人體表面提供觸覺和力覺。當人體在虛擬空間中運動時，如果接觸到虛擬物體，虛擬顯示系統應該給人提供這種觸覺和力覺。物體，虛擬顯示系統應該給人提供這種觸覺和力覺。l內容：內容：涉及操作以及感覺，包括觸覺反饋和力覺反饋。涉及操作以及感覺，包括觸覺反饋和力覺反饋。l結構：結構：包括安在身體上的和安在地面上的設備。包括安在身體上的和安在地面上的設備。l人體在環境中的運動包括：人體在環境中的運動包括：身體的被動運動（被動移動，如在車上的運動），身體主動身體的被動運動（被動移動，如在車上的運動

43、），身體主動運動（漫游，如散步）。人體內部的運動感覺器官可以感知運動信息。運動（漫游，如散步）。人體內部的運動感覺器官可以感知運動信息。l感知運動信息的器官包含：感知運動信息的器官包含：前庭系統、運動系統、視覺聽覺系統、本體感受、動覺和觸前庭系統、運動系統、視覺聽覺系統、本體感受、動覺和觸覺。覺。l 運動接口的作用即為這些器官提供運動信息。運動接口的作用即為這些器官提供運動信息。運動接口運動接口33 現有的虛擬系統主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研究階段。所以，現有的虛擬系統主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研究階段。所以，VRVR的計算機系統主要考慮視覺通道的要求的計算機系

44、統主要考慮視覺通道的要求。VRVR的計算機系統的計算機系統 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述 一、硬件一、硬件 視覺通道對計算機系統的要求：視覺通道對計算機系統的要求：l 首先是要求維持足夠的圖形幀速率l 其次要求在指定的時間內（約為0.1秒）計算出兩眼的兩幅圖像l 同時要求提供足夠好質量的圖像，體現在圖像中顯示的多邊形或三角形的數量上。 要滿足以上要求，往往需要專用硬件。圖形要滿足以上要求，往往需要專用硬件。圖形硬件能提供快速幾何變換、截取、消隱、硬件能提供快速幾何變換、截取、消隱、多邊形填充和表面紋理。多邊形填充和表面紋理。二、軟件

45、二、軟件 VRVR系統中的軟件主要包括：系統中的軟件主要包括：交互軟件交互軟件-利用人機控制設備的輸出去修改利用人機控制設備的輸出去修改VEVE；視覺漫游軟件視覺漫游軟件-控制用戶在控制用戶在VEVE中運動時看到的場景。中運動時看到的場景。建模軟件建模軟件-定義虛擬物體形狀、外觀和屬性的模型。定義虛擬物體形狀、外觀和屬性的模型。操作系統操作系統-支持支持VEVE的實時多模態要求。的實時多模態要求。 三、網絡三、網絡l 分布式交互仿真已經成為現代仿分布式交互仿真已經成為現代仿真技術，特別是軍事仿真的潮流。真技術，特別是軍事仿真的潮流。l 通訊網絡可以把通訊網絡可以把VEVE轉換成共享的轉換成共享

46、的分布式計算環境。分布式計算環境。34 一、建模一、建模 包括包括：幾何建模和物理建模。幾何建模和物理建模。 幾何建模方法幾何建模方法：a)a)一般的一般的VRVR工具軟件；工具軟件；b)b)利用現有的利用現有的CADCAD建模工具；建模工具；c) c) 對實際物體的建模，采用激光掃描等專用設備；對實際物體的建模，采用激光掃描等專用設備；d)d)購買市場上已有的購買市場上已有的商業模型庫。幾何建模技術在圖形學和商業模型庫。幾何建模技術在圖形學和CADCAD領域，已有成熟的成果。領域，已有成熟的成果。 物理建模物理建模：基于物理方程的建模基于物理方程的建模-剛體建模、鏈接物體的建模及非剛體建模、

47、鏈接物體的建模及非剛體建模。剛體建模。VRVR的建模和仿真的建模和仿真 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述35VRVR的建模和仿真的建模和仿真 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述二、仿真二、仿真 包括包括：圖形繪制、三維動畫。圖形繪制、三維動畫。 圖形繪制圖形繪制：把三維環境，相對于虛擬攝像機（虛擬視點）投影，形成圖像的過程。把三維環境，相對于虛擬攝像機（虛擬視點）投影，形成圖像的過程。 要求要求： 1 1）為了提供連續運動的錯覺，幀速率須大于每秒）為了提供連續運動的錯覺，幀速率須大

48、于每秒8 8到到1010幀；幀； 2 2）為保持瞬間交互控制的錯覺，響應時間的延遲須小于）為保持瞬間交互控制的錯覺，響應時間的延遲須小于0.10.1秒；秒； 3 3）為繪制可分辨的所有細節，要求有至少）為繪制可分辨的所有細節，要求有至少8 8千萬個多邊形。千萬個多邊形。 然而，用今天的硬件，每個畫面然而，用今天的硬件，每個畫面8 8千萬多邊形的系統千萬多邊形的系統 對真正的實時交互是太慢對真正的實時交互是太慢了，于是存在真實圖像與實時交互間的折衷。某些應用（如建筑和藝術）可能要了，于是存在真實圖像與實時交互間的折衷。某些應用（如建筑和藝術）可能要求照片一樣真實的繪制。制造和醫療應用要求更高層次

49、的實時交互。求照片一樣真實的繪制。制造和醫療應用要求更高層次的實時交互。三維動畫的實現途徑：三維動畫的實現途徑：1 1）基于物理模型的數值計算基于物理模型的數值計算-軍事和工業等應用，往往要求這種滿足物理規律的軍事和工業等應用，往往要求這種滿足物理規律的仿真技術；仿真技術；2 2）數學插值數學插值-三維動畫電影等。三維動畫電影等。36虛擬現實開發系統的框圖虛擬現實開發系統的框圖 用戶通過輸入輸出設備與輸入輸出軟件用戶通過輸入輸出設備與輸入輸出軟件交互。交互。l 輸入軟件通過形狀編輯器完成幾何建模，輸入軟件通過形狀編輯器完成幾何建模，通過聲音編輯器完成虛擬聲音系統建模。通過聲音編輯器完成虛擬聲音

50、系統建模。在世界編輯器完成虛擬環境的建模。其中在世界編輯器完成虛擬環境的建模。其中的虛擬剪切器，用于模型的剪切。的虛擬剪切器，用于模型的剪切。l 建立的模型，保存在虛擬世界中。建立的模型，保存在虛擬世界中。l 整個工作在計算機系統中完成。整個工作在計算機系統中完成。 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述37小結小結l 虛擬現實或虛擬環境是人工構造的，存在于計算機內部的環境。虛擬現實或虛擬環境是人工構造的，存在于計算機內部的環境。l 用戶應該能夠以自然的方式與這個環境交互（包括感知環境并干預用戶應該能夠以自然的方式與這個環境交互（包括感知環境

51、并干預環境），從而產生置身于相應的真實環境中的虛幻感，沉浸感，身臨其環境），從而產生置身于相應的真實環境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。境的感覺。l 虛擬現實系統包括虛擬現實系統包括人類操作者、人機接口和計算機。人類操作者、人機接口和計算機。 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述1 1計算機提供計算機提供“環境環境”, , 不是不是“數據數據, , 信息信息”。2 2操作者由視覺操作者由視覺, ,聽覺聽覺, ,力覺感知環境力覺感知環境, , 由自然的動作操作環境。由自然的動作操作環境。3 3逼真的感知和自然的動作，使人產生身臨其境的感覺

52、。逼真的感知和自然的動作，使人產生身臨其境的感覺。 虛擬現實有下列三個特點：虛擬現實有下列三個特點：38虛擬現實中有關人的因素虛擬現實中有關人的因素 計算機，接口和用戶是計算機，接口和用戶是VRVR系統中的三個組成部分。接口設計必系統中的三個組成部分。接口設計必須考慮人的因素，人的因素與須考慮人的因素，人的因素與VRVR系統性能直接相關。下面介紹與系統性能直接相關。下面介紹與VRVR系統直接相關的人的因素問題，包括：系統直接相關的人的因素問題，包括：l 人眼人眼l 人耳人耳l 身體感覺身體感覺 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述39o視覺

53、生理結構視覺生理結構o立體視覺立體視覺o屈光度屈光度o瞳孔瞳孔o分辨力分辨力o明暗適應明暗適應o周圍視覺和中央視覺周圍視覺和中央視覺o視覺暫留視覺暫留o視場視場 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實中有關人的因素虛擬現實中有關人的因素人眼人眼現有的現有的VR系統中，已經考慮的因素包括：系統中，已經考慮的因素包括：立體視覺，分辨立體視覺，分辨力，視覺暫留，力，視覺暫留，以及以及視場。視場。其他因素還沒有充分考慮到。其他因素還沒有充分考慮到。 視網膜解剖圖視網膜解剖圖光感受器解剖圖光感受器解剖圖40l 圖中鉛筆的反射光線通過眼睛晶狀圖中

54、鉛筆的反射光線通過眼睛晶狀體的透鏡。于是，鉛筆的倒置圖像體的透鏡。于是，鉛筆的倒置圖像直接投影在視網膜上。直接投影在視網膜上。l 視網膜的桿狀細胞和錐狀細胞負責視網膜的桿狀細胞和錐狀細胞負責通過視神經把信號傳給大腦。通過視神經把信號傳給大腦。視覺系統的生理結構圖視覺系統的生理結構圖 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實中有關人的因素虛擬現實中有關人的因素人眼人眼41立體視覺立體視覺人類立體視覺的原理圖人類立體視覺的原理圖 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實中有關人的因素

55、虛擬現實中有關人的因素人眼人眼 視覺的另一個重要因素是立體視覺能力。提供視覺的另一個重要因素是立體視覺能力。提供給人類視覺的圖像，必須使人感覺是立體的，能使給人類視覺的圖像，必須使人感覺是立體的，能使觀看者的視覺系統計算出被看物體的遠近。觀看者的視覺系統計算出被看物體的遠近。 對同一個場景，兩眼得到稍有差別的視圖。對同一個場景，兩眼得到稍有差別的視圖。l 左視區的信息，送到兩眼視網膜的右側。左視區的信息，送到兩眼視網膜的右側。l 在視交叉處，左眼的一半神經纖維交叉到大在視交叉處，左眼的一半神經纖維交叉到大腦的右半球，左眼的另一半神經纖維不交叉，腦的右半球，左眼的另一半神經纖維不交叉，直接到大腦

56、的左半球。直接到大腦的左半球。l 這樣，兩眼得到的左視區的所有信息，都送這樣，兩眼得到的左視區的所有信息，都送到右半球。到右半球。 42l分辨力是人眼區分兩個點的能力，限于分辨力是人眼區分兩個點的能力，限于10m10m距離上約距離上約1.5-2mm1.5-2mm。l人眼區分兩個點的能力，在人眼區分兩個點的能力，在2m2m距離上約距離上約0.4mm0.4mm。則寬度。則寬度400mm400mm上應該由上應該由10001000個個0.4mm0.4mm大小的像素。大小的像素。l計算機監視器和高清晰度電視機，都達到了這樣的分辨率。計算機監視器和高清晰度電視機，都達到了這樣的分辨率。分辨力分辨力 現代仿

57、真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實中有關人的因素虛擬現實中有關人的因素人眼人眼43l 視覺暫留視覺暫留是視網膜的是視網膜的電化學現象電化學現象造成視覺的反應時間。當觀看很短的光脈沖時，造成視覺的反應時間。當觀看很短的光脈沖時，視桿細胞得到約視桿細胞得到約0.25s 0.25s 的峰，視錐細胞快的峰，視錐細胞快4 4倍，得到約倍，得到約0.04s0.04s的峰。這種現象造成的峰。這種現象造成視覺暫留視覺暫留 。l 臨界熔合頻率（臨界熔合頻率（Critical Fusion Frequency, CFFCritical Fusion Fre

58、quency, CFF）效果）效果會產生把離散圖像序會產生把離散圖像序列組合成連續視覺的能力，列組合成連續視覺的能力，CFFCFF最低最低20Hz20Hz，并取決于圖像尺寸和亮度。英國電視，并取決于圖像尺寸和亮度。英國電視幀頻幀頻25Hz25Hz，美國電視幀頻，美國電視幀頻30Hz30Hz。電影幀頻。電影幀頻24Hz24Hz。眼對閃爍的敏感正比于亮度，所。眼對閃爍的敏感正比于亮度，所以若白天的圖像更新率為以若白天的圖像更新率為60Hz60Hz，則夜間只要，則夜間只要30Hz30Hz。視覺暫留視覺暫留 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述虛擬

59、現實中有關人的因素虛擬現實中有關人的因素人眼人眼視場視場雙目的視場約為水平雙目的視場約為水平10001000，垂直，垂直600600，而水平的雙目重疊視場，而水平的雙目重疊視場12001200。實際。實際的全景顯示可能產生水平的全景顯示可能產生水平10001000，垂直，垂直300300視場，這已經有強的沉浸感。視場，這已經有強的沉浸感。44l 聲音聲音l 聲音感覺聲音感覺l 頻率范圍頻率范圍l 聲強聲強l 聲音方向聲音方向l 聲音舞臺聲音舞臺l 頭部有關的傳遞函數頭部有關的傳遞函數 現代仿真技術與應用現代仿真技術與應用 第七章虛擬現實第一部分概述第七章虛擬現實第一部分概述虛擬現實中有關人的因

60、素虛擬現實中有關人的因素人耳人耳現有的現有的VRVR系統中，已經考慮的因素包括：聲音方向，聲音舞臺，系統中，已經考慮的因素包括：聲音方向，聲音舞臺，以及頭部有關的傳遞函數。其他因素還沒有充分考慮到。以及頭部有關的傳遞函數。其他因素還沒有充分考慮到。 45l音速在空氣中，音速在空氣中，00時時331m/s331m/s，2020時時344m/s344m/s。在海水中，。在海水中，11時音速時音速1453m/s1453m/s。在鑄鐵棒中，音速。在鑄鐵棒中，音速3500m/s3500m/s。 耳聽到的頻率范圍約耳聽到的頻率范圍約20Hz20Hz到到20kHz20kHz。隨年歲增加，頻率范圍縮小，。隨年歲增加