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1、无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布虚拟现实技术的研究与发展现状无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布主讲内容主讲内容技术概论技术概论相关技术相关技术建模语言建模语言发展历程发展历程技术概念技术概念系统特征系统特征简单介绍简单介绍VRML发展史发展史 系统分类系统分类发展与应发展与应用用系统组成系统组成VRML应用应用 研究现状研究现状发展趋势发展趋势应用应用 VRML基本特点基本特点 无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布虚拟现实技术概念虚拟现实技术概念虚拟现实(VirtualReality，简称VR)，又译为临境，灵境技术等。是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。通过视、听
2、、触等感知行为使得用户产生一种沉浸于虚拟环境的感觉，并与虚拟环境相互作用从而引起虚拟环境的实时变化，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间，具有广阔的应用前景 无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布发展历程发展历程1.20 世纪50 年代至70 年代,是VR 技术的准备阶段；2.80 年代初至80 年代中期,是VR 技术系统化、开始走出实验室进入实际应用的阶段；3.80 年代末至90 年代初,是VR 技术迅猛发展的阶段；无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布第一阶段第一阶段5070 年代,为虚拟现实的探索阶段。1965 年由美国的Morton Heileg
3、 开发了一个称做Sensorama 的摩托车仿真器,不仅具有三维视频及立体声效果,还能产生风吹的感觉和街道气味。1968年,美国计算机科学家I1E1Sutherland 在哈佛大学组织开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器HMD 及头部位置跟踪系统,成为VR 技术发展史上的一个重要里程碑,为虚拟现实的发展奠定了基础。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布第二阶段第二阶段80 年代初至80 年代中期,开始形成VR 技术的基本概念,开始由实验进入实用阶段,其重要标志是:1985 年在Michael Mc Greevy 领导下完成的VIEW 虚拟现实系统,装备了数据手套和头部跟踪器,提供了手势、语言等
4、交互手段,使VIEW 成为名副其实的虚拟现实系统,成为后来开发虚拟现实的体系结构。其他如VPL 公司开发了用于生成虚拟现实的RB2 软件和Data Glove 数据手套,为虚拟现实提供了开发工具。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布第三阶段80 年代末至90 年代初,为虚拟现实全面发展阶段。虚拟现实技术已经从实验室的试验阶段走向了市场的实用阶段,对虚拟现实技术的研究也从基本理论和系统构成的研究转向应用过程中所遇到的具体问题的探讨。在虚拟现实系统中只有各种交互设备还不够,还必须提供基本的软件支撑环境,用户能方便地构造虚拟环境并与虚拟环境进行高级交互。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布系统特征主
5、要借助于主要借助于VR 系统中的特殊硬系统中的特殊硬件设备、使用户件设备、使用户能通过自然的方能通过自然的方式，产生同在真式，产生同在真实世界中一样的实世界中一样的感觉。感觉。指用户感受到被指用户感受到被虚拟世界所包围，虚拟世界所包围，好像完全置身于好像完全置身于虚拟世界之中一虚拟世界之中一样。样。指虚拟的环境是指虚拟的环境是人想象出来的，人想象出来的，同时这种想象体同时这种想象体现出设计者相应现出设计者相应的思想，因而可的思想，因而可以用来实现一定以用来实现一定的目标。的目标。沉浸性交互性想象性无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布系统组成系统组成 计算机计算机 输入输出设备输入输出设备 应用
6、软件系统应用软件系统 数据库数据库 用户用户无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布系统分类系统分类VR系统增强式增强式桌面式桌面式沉浸式沉浸式 分布式分布式无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布沉浸式沉浸式VR 系统系统沉浸式 VR 系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种完全置身于虚拟世界之中的感觉。它通常把参与者的视觉、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。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布桌面式桌面式VR 系统系统桌面式 VR 系统也称窗口V
7、R，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。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布增强式增强式VR 系统系统增强式VR 系统简称增强现实（AR），它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，它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，既可减少构成复杂场景的开销，又可对实际物体进行操作，真正达到了亦真亦幻的境界。在增强式VR 系统中，虚拟对象所提供的信息往往是用户无法凭借其自身感觉器官直接感知的深层信息，用户可以利用虚拟对象所提供的信息来加
8、强对现实世界的认知，这就是增强式VR 系统。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布分布式分布式VR 系统系统分布式VR 系统（DVR）是一个较为典型的实例。DVR 系统是VR 技术和网络技术发展和结合的产物，是一个在网络的虚拟世界中，位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟世界，通过网络连接成共享信息的系统。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布环境建模环境建模 技术技术实时三维图实时三维图 形绘制技术形绘制技术三维虚拟声音三维虚拟声音的显示技术的显示技术自然交互与自然交互与传感技术传感技术碰撞检测碰撞检测技术技术虚拟现实技术的相关技术虚拟现实技术的相关技术无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布Titl
9、e物理建模技术物理建模技术几何建模技术几何建模技术行为建模技术行为建模技术环境建模技术环境建模技术无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布几何建模技术几何建模技术几何建模技术主要研究对象是对物体几何信息的表示与处理，它是涉及表示几何信息数据结构，以及相关的构造与操纵数据结构的算法建模方法。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布物理建模技术物理建模技术建模技术进一步发展的产物是物理建模，也就是在建模时要考虑对象的物理属性。典型的物理建模技术有分形技术和粒子系统。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布行为建模技术行为建模技术行为建模技术主要研究的是物体运动的处理和对其行为的描述，体现了虚拟环境中建模的特征
10、。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布基于几何图形的基于几何图形的实时绘制技术实时绘制技术 基于图像的实时绘制技术.实时三维图实时三维图 形绘制技术形绘制技术 无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布基于几何图形的实时绘制技术基于几何图形的实时绘制技术为了保证三维图形的显示能实现刷新频率不低于30 帧/秒，除了在硬件方面采用高性能的计算机外，还必须选择合适的算法来降低场景的复杂度（即降低图形系统处理的多边形数目）。目前，用于降低场景的复杂度，以提高三维场景的动态显示速度的常用方法有预测计算、脱机计算、场景分块、可见消隐、细节层次模型等，其中细节层次模型应用较为普遍 无忧无忧PPTPPT整理发布整理
11、发布1预测计算根据物体的各种运动规律，如手的移动，可在下一帧画面绘制之前用预测的方法推算出手的位置，从而减少由输入设备所带来的延迟。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布2脱机计算由于 VR 系统是一个较为复杂的系统，在实际应用中可以尽可能将一些可预先计算好的数据进行预先计算并存储在系统中，这样可加快需要运行时的速度。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布3场景分块将一个复杂的场景划分成若干个子场景，各个子场景间几乎不可见或完全不可见。这样，系统就能有效地减少在某一时刻所需要显示的多边形数目，从而有效降低了场景的复杂度。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布4可见消隐使用这种方法，系统仅显示用户当前
12、能“看见”的场景，当用户仅能看到整个场景中很小部分时，由于系统仅显示相应场景，此时可大大减少所需显示的多边形的数目。然而，当用户“看见”的场景较复杂时，这种方法就作用不大。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布5细节层次模型所谓细节层次模型（Level Of Detail，LOD），是对同一个场景或场景中的物体使用具有不同细节的描述方法得到的一组模型。在实时绘制时，对场景中不同的物体或物体的不同部分采用不同的细节描述方法。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布基于图像的实时绘制技术基于图像的实时绘制技术基于图像的绘制技术（Image Based Rendering，IBR）是采用一些预先生成的场景
13、画面，对接近于视点或视线方向的画面进行变换、插值与变形，从而快速得到当前视点处的场景画面。目前，基于图像的绘制技术主要有 两种 1全景技术 2图像的插值及视图变换技术无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布全景技术全景技术是指在一个场景中的一个观察点用相机每旋转一下角度拍摄得到一组照片，再在计算机采用各种工具软件拼接成一个全景图像。它所形成的数据较小，对计算机配置要求低，适用于桌面式VR 系统，建模速度快，但一般一个场景只有一个观察点，因此交互性较差。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布图像的插值及视图变换技术研究人员研究了根据在不同观察点所拍摄的图像，交互地给出或自动得到相邻两个图像之间对应点，
14、采用插值或视图变换的方法，求出对应于其他点的图像，生成新的视图，根据这个原理可实现多点漫游的要求无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布三维虚拟声音的显示技术三维虚拟声音的概念：VR系统中的三维虚拟声音，使听者能感觉到声音却是来自围绕听者双耳的一个球形空间中的任何地方，即声音可能来自于头的上方、后方或者前方。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布三维虚拟声音的特征：三维虚拟声音的特征：1全向三维定位特性2三维实时跟踪特性3沉浸感与交互性无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布语音识别与合成技术：语音识别与合成技术：语音识别技术（Automatic Speech Recognition，ASR），是指将人
15、说话的语音信号转换为可被计算机程序所识别的文字信息，从而识别出说话人的语音指令以及文字内容的技术。语音识别一般包括参数提取、参考模式建立、模式识别等过程。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布手势识别手势识别面部表情识别面部表情识别 眼动跟踪眼动跟踪触觉、力觉反馈传感技术触觉、力觉反馈传感技术自然交互与自然交互与传感技术传感技术无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布手势识别手势识别手势识别系统根据输入设备的不同，主要分为基于数据手套的识别和基于视觉（图像）的手语识别系统两种。基于数据手套的手势识别系统，就是利用数据手套和空间位置跟踪定位设备来捕捉手势在空间运动的轨迹和时序信息，对较为复杂的手的动作
16、进行检测，包括手的位置、方向和手指弯曲度等，并可根据这些信息对手势进行分类，因而较为实用。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布面部表情识别面部表情识别在 VR 系统中，人的面部表情的交互在目前来说，还是一种不太成熟的技术。一般人脸检测问题可以描述为：给定一幅静止图像或一段动态图像序列，从未知的图像背景中分割、提取并确认可能存在的人脸。如果检测到人脸，提取人脸特征。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布眼动跟踪眼动跟踪眼动跟踪技术的基本工作原理是利用图像处理技术，使用能锁定眼睛的特殊摄像机，通过摄入从人的眼角膜和瞳孔反射的红外线连续地记录视线变化，从而达到记录、分析视线追踪过程的目的。视线跟踪技术
17、可以弥补头部跟踪技术的不足之处，同时又可以简化传统交互过程中的步骤，使交互更为直接，因而，目前多被用于军事领域（如飞行员观察记录等），阅读以及帮助残疾人进行交互等领域。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布触觉、力觉反馈传感技术触觉、力觉反馈传感技术触觉、力觉反馈传感技术是运用先进的技术手段，将虚拟物体的空间运动转变成特殊设备的机械运动，在感觉到物体的表面纹理的同时，也使用户能够体验到真实的力度感和方向感，从而提供一个崭新的人机交互界面，即运用“作用力与反作用力”的原理来达到传递力度和方向信息的目的。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布碰撞检测技术碰撞检测技术1碰撞检测的要求为了保证虚拟世界的真
18、实性，碰撞检测必须有较高的实时性和精确性。所谓实时性，基于视觉显示的要求，碰撞检测的速度一般至少要达到24 次/秒，而基于触觉要求，碰撞检测的速度至少要达到300 次/秒才能维持触觉交互系统的稳定性，只有达到1 000 次/秒才能获得平滑的效果。而精确性的要求则取决于VR 系统在实际应用中的要求，比如对于小区漫游系统，只要近似模拟碰撞情况，此时，若两个物体之间的距离比较近，而不管是否实际有没有发生碰撞，都可以将其当做是发生了碰撞，并粗略计算其发生的碰撞位置。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布2碰撞检测的实现方法由于物体本身的模型可能很复杂，直接采用物体的原模型来检测两个物体的碰撞，计算量仍然
19、过大。对两物体间的精确碰撞检测的加速实现，现有的碰撞检测算法主要可划分为两大类：层次包围盒法和空间分解法。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布虚拟现实建模语言虚拟现实建模语言VRMLVRML的发展史：1994 年5 月，第一届Internet 国际会议上，有关专家发表的在Web 上运行三维立体世界的研究引起了广泛的讨论。短短的几个月后，在1994 年10 月，VRML1.0 规范正式发布。这以后，许多专家、企业积极投身于VRML 的推广和研究，特别是VRML 技术组（VAG）不懈的努力，使VRML 得到了迅速的发展。1996 年，VRML2.0 规范正式确定。1998 年1 月被ISO 正式确
20、定为国际标准的VRML 正是现在我们常说的VRML97。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布 VRML 的应用的应用VRML 融合了二维和三维图像技术、动画技术和多媒体技术，借助于网络的迅速发展，构建了一个交互的虚拟空间。VRML 技术和其他的计算机技术的结合，在Web 环境中创建虚拟城市、虚拟校园、虚拟图书馆以及虚拟商店已经不再是一种幻想。比如在电子购物中，用户在虚拟商店里感受到的是和真实商品一样实在的质地，而不再是简单的图片。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布VRML 文件的基本特点文件的基本特点1VRML VRML 文件的基本要素文件的基本要素节点节点（NodeNode）和域（）和域（
21、FieldField）VRML文件的扩展名为wrl，文件中最为重要的两个基本要素是节点（Node）和域（Field）。节点是VRML文档中基本的组成单元，VRML借助于节点来描述对象某一方面的特征，比如形状、材质和颜色等。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布2事件（Event）和路由（Route）在现实环境中，事物往往随着时间会有相应的变化，比如，物体的颜色随着时间发生变化。在VRML 中借助事件（Event）和路由（Route）的概念反映这种现实情况。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布3VRML的通用语法结构无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布4VRML 的空间坐标与计量单位在实际环境中，
22、构成场景的造型有大小的差别，物体间有不同的相对位置，并且造型还会有旋转、移动等运动，因此在VRML 中，采用空间直角坐标系确定造型的位置，并且用特定的计量单位定量表示长度。在VRML 场景中，空间直角坐标满足右手螺旋法则，就是说，右手四指从x 方向转到y 方向，则拇指的指向是z 方向。在默认情况下，x 坐标向右为正，y 坐标向上为正，而z 坐标指向观察者为正。在VRML 中，长度及坐标的计量单位采用VRML 单位计量，可以简称为单位。在本书中，为叙述简练而省去单位字样。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布虚拟现实技术的研究现状虚拟现实技术的研究现状计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具，并因
23、此导致了许多解决问题的新方法的产生。虚拟现实技术的产生与发展也同样如此，概括的国内外虚拟现实技术，它主要涉及到三个研究领域：通过计算图形方式建立实时的三维视觉效果；建立对虚拟世界的观察界面；使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布虚拟现实技术的研究现状虚拟现实技术的研究现状在美国的研究现状在美国的研究现状在欧洲的研究现状在欧洲的研究现状在日本的研究现状在日本的研究现状在国内研究现状在国内研究现状VRVR技术技术技术技术无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布虚拟现实技术的发展趋势虚拟现实技术的发展趋势随着虚拟现实技术在城市规划、军事等方面应用的不断深入
24、，在建模与绘制方法、交互方式和系统构建方法等方面，对虚拟现实技术都提出来更高的需求。为了满足这些新的需求，近年来，虚拟现实相关技术研究遵循“低成本、高性能”原则取得了快速发展，表现出一些新的特点和发展趋势。主要表现在以下方面：无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布动态环境动态环境建模技术建模技术实时三维实时三维图形生成和图形生成和显示技术显示技术适人化、智能适人化、智能化人机交互设化人机交互设备的研制备的研制TEXT虚拟环境的建立虚拟环境的建立是是VRVR技术的核心技术的核心内容，动态环境内容，动态环境建模技术的目的建模技术的目的是获取实际环境是获取实际环境的三维数据，并的三维数据，并根据需要建
25、立相根据需要建立相应的虚拟环境模应的虚拟环境模型型 三维图形的生成三维图形的生成技术已比较成熟，技术已比较成熟，而关键是如何而关键是如何“实时生成实时生成”，在，在不降低图形的质不降低图形的质量和复杂程度的量和复杂程度的前提下，如何提前提下，如何提高刷新频率将是高刷新频率将是今后重要的研究今后重要的研究内容。内容。采用人类最为自采用人类最为自然的视觉、听觉、然的视觉、听觉、触觉和自然语言触觉和自然语言等作为交互的方等作为交互的方式，会有效地提式，会有效地提高虚拟现实的交高虚拟现实的交互性效果。互性效果。网络虚拟现实是指多网络虚拟现实是指多个用户在一个基于网个用户在一个基于网络的计算机集和的虚络
26、的计算机集和的虚拟情景环境。分布式拟情景环境。分布式虚拟环境系统除了满虚拟环境系统除了满足复杂虚拟环境计算足复杂虚拟环境计算的需求外，还应满足的需求外，还应满足应用对共享虚拟环境应用对共享虚拟环境的自然需求。的自然需求。大型网络大型网络分布式虚分布式虚拟现实的拟现实的研究与应研究与应用用 无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布虚拟现实技术的应用虚拟现实技术的应用虚拟现实虚拟现实军事军事机械机械建筑建筑 医疗医疗文物古迹文物古迹房产开发房产开发 旅游教学旅游教学无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布虚拟现实技术在军事上的应用虚拟现实技术在军事上的应用无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布虚拟现实技术在机械制造上的应用虚拟现实技术在机械制造上的应用无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布 虚拟现实技术在城市规划中的应用虚拟现实技术在城市规划中的应用无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布虚拟现实技术在医疗上的应用虚拟现实技术在医疗上的应用无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布虚拟现实技术在旅游教学中的应用无忧无忧PPTPPT整理发布整理发布