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1、1、人机接口形式的改进在虚拟现实系统中，用户可以利用自己的视觉、听觉、力觉、嗅觉等来感知环境2、人机交互内容的改进虚拟现实系统中，由计算机提供的不仅是“数据、信息”，而且还包括多种媒体信息的“环境”，以环境作为计算机处理的对象和人机交互的内容第1页/共67页3、人机接口效果的改进在虚拟现实系统中，用户通过基于自然的特殊设备进行交互，得到逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉等感知效果，使人产生身临其境的感觉第2页/共67页1.1.2虚拟现实技术的发展历程1.虚拟现实技术的探索阶段2.虚拟现实技术系统化阶段3.虚拟现实技术高速发展的阶段第3页/共67页1.1.3虚拟现实系统的组成第4页/共67页1、计算机
2、在虚拟现实系统中，计算机是系统的心脏，被称之为虚拟世界的发动机。2、输入与输出设备常用的设备有用于手势输入的数据手套、用于语音交互的三维声音系统、用于立体视觉输出的头盔式显示器等。第5页/共67页虚拟现实概述人机接口设备第6页/共67页3、虚拟现实系统的应用软件在虚拟现实系统中，应用软件完成的功能有：虚拟世界中物体的几何模型、物理模型、运动模型的建立；三维虚拟立体声的生成；模型管理技术及实时显示技术、虚拟世界数据库的建立与管理等。4、数据库虚拟世界数据库主要存放的是整个虚拟世界中所有物体的各方面信息。第7页/共67页1.1.4虚拟现实技术与其他技术1计算机图形学计算机图形学（ComputerG
3、raphics：CG）是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。它研究的基本内容是如何在计算机中表示图形，以及如何利用计算机进行图形的生成、处理和显示的相关原理与算法。第8页/共67页2多媒体技术所谓媒体（Media），通常认为包括着两种含义。一种是指信息的物理载体（即存储和传递信息的实体），如纸质的书、照片、磁盘、光盘、磁带以及相关的播放设备等；另一种含义是指信息的表现形式（或称传播形式），如文本、声音、图像、动画等第9页/共67页媒体分成5类：（1）感觉媒体（2）表示媒体（3）表现媒体（4）存储媒体（5）传输媒体第10页/共67页3系统仿真技术系统仿真技术是一种实验技术，它为一些
4、复杂系统创造了一种计算机实验环境，使系统的未来性能测试和长期动态特性能在相对极短的时间内在计算机上得到实现第11页/共67页4虚拟现实技术与计算机图形学、多媒体技术、仿真技术（1）虚拟现实技术与计算机图形学计算机图形学的任务是在计算机上生成看起来是真的，动起来像真的图像，而用户通过显示器(犹如一个窗户)观看计算机生成的图像所构造的景象。（2）虚拟现实技术与多媒体技术第12页/共67页（3）虚拟现实技术与系统仿真技术虚拟现实系统侧重于表现形式，而系统仿真则侧重于真实复杂世界的科学抽象。第13页/共67页5.虚拟现实技术与三维动画技术传统三维动画是依靠计算机预先处理好的含有某些场景或物体等的静态图
5、片连续播放形成，不具有任何交互性；而虚拟现实技术可以根据用户的需要把整个空间中所有的信息真实地提供给用户，用户可根据自己的路线行走.第14页/共67页1.1.5虚拟现实技术的实现意义与影响1在观念上，从“以计算机为主体”变成“以人为主体”2在哲学上使人进一步认识“虚”和“实”之间的辩证关系3引起了一系列的技术和手段的重大变革4促进了理论与技术的进步5促进了计算机学科的发展与交叉6为人类认识世界提供了全新的方法与手段，对人类的生活产生了重大的影响第15页/共67页德国卡尔斯鲁厄大学的虚拟腹腔镜手术第16页/共67页1.2虚拟现实技术的特性第17页/共67页1.2.1沉浸性(Immersion)1
6、、视觉沉浸视觉通道给人的视觉系统提供图形显示。2、听觉沉浸虚拟现实系统中，主要让用户感觉到的是三维虚拟声音3、触觉沉浸在虚拟现实系统中，可以借助于各种特殊的交互设备，使用户能体验抓、握等操作的感觉。第18页/共67页4、嗅觉沉浸只要把虚拟空间中的水果放到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处释放出水果的香味。5、身体感觉沉浸、味觉沉浸等第19页/共67页1.2.2交互性(Interactivity)虚拟现实技术的交互性具有以下特点：虚拟环境中人的参与与反馈人机交互的有效性人机交互的实时性第20页/共67页1.2.3想象性(Imagination)想象性指虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者
7、相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。第21页/共67页1.3虚拟现实系统分类1.3.1沉浸式系统（ImmersiveVR）沉浸式虚拟现实系统是一种高级的、较理想的虚拟现实系统，它提供一个完全沉浸的体验，使用户有一种仿佛置身于真实世界之中的感觉。第22页/共67页沉浸式虚拟现实系统具有以下五个特点：具有高度实时性能。具有高度的沉浸感。具有良好的系统集成度与整合性能。具有良好的开放性。能同时支持多种输入与输出设备并行工作。第23页/共67页1.3.2桌面式系统(DesktopVR)桌面式虚拟现实系统也称窗口虚拟现实，是利用个人计算机或初级图形工作站等设备，以计算机屏幕作为用户观察虚拟世界的一个
8、窗口，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，通过包括键盘、鼠标和力矩球等各种输入设备操纵虚拟世界，实现与虚拟世界的交互第24页/共67页桌面式虚拟现实系统主要具有以下三个特点：用户处于不完全沉浸的环境，缺少完全沉浸、身临其境的感觉，即使戴上立体眼镜，他仍然会受到周围现实世界的干扰。对硬件设备要求极低，有的简单型甚至只需要计算机，或是增加数据手套、空间跟踪设置等。由于桌面式虚拟现实系统实现成本相对较低，应用相对比较普遍，而且它也具备了沉浸性虚拟现实系统的一些技术要求。第25页/共67页1.3.3增强式VR系统(AugmentedVR)增强式虚拟现实系统(AVR)既可以允许用户
9、看到真实世界，同时也可以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组合在一起的一种系统第26页/共67页虚拟现实概述例如：战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。第27页/共67页增强式虚拟现实系统主要具有以下三个特点：真实世界和虚拟世界融为一体。具有实时人机交互功能。真实世界和虚拟世界是在三维空间中整合的。第28页/共67页1.3.4分布式虚拟现实系统（DistributedVR）虚拟现实系统运行在分布式系统下有两方面的原因：一方面是充分利用分布
10、式计算机系统提供的强大计算能力；另一方面是有些应用本身具有分布特性，如多人通过网络进行游戏和虚拟战争模拟等。第29页/共67页分布式虚拟现实系统有以下特点：各用户具有共享的虚拟工作空间。伪实体的行为真实感。支持实时交互，共享时钟。多个用户可以各自不同的方式相互通信。资源信息共享以及允许用户自然操纵虚拟世界中的对象。第30页/共67页1.4虚拟现实中人的因素1.4.1人的视觉1、人类的视觉模型第31页/共67页2、立体视觉人在现实世界中看到的物体是立体的，这样可以感觉出被看物体的远近。3、屈光度人的屈光度是可以变化的，这称为调节或聚焦。这保证对远近物体都能看到清晰的图像。4、瞳孔瞳孔是晶状体前的
11、孔，直径可变化。第32页/共67页5、分辨力分辨力是人眼区分两个点的能力。6、明暗适应人眼对亮度的变化感觉会自动进行调节，这是通过改变在视杆和视锥细胞中光敏化合物的浓度。7周围视觉和中央视觉视网膜不仅是被动的光敏表面，通过视杆和视锥细胞与神经细胞的连接，它还有一定的图像处理能力。第33页/共67页8视觉暂留人的眼睛具有保持视觉印象的特性。当光对视网膜所产生的视觉在光停止作用后，仍保留一段时间的现象，这就是视觉暂留。9视场视场（fieldofview:FOV）指人眼能够观察到的最大范围，通常以角度来表示，视场越大,观测范圉越大。第34页/共67页虚拟现实概述立体视觉的原理：当我们看现实世界或者是
12、3D电影时，一项称之为双眼差异（binocular disparity）的因素可以极大的影响我们的视觉。也许这个名次听上去有些抽象，不过我来简单的解释一下，你肯定能明白：第35页/共67页 先闭上右眼仅用左眼看一个物体，伸出你的一根指头放在你的眼睛和物体之间，并且保持指头和物体在一条直线；然后再闭上左眼仅用右眼看，我们会发现手指头和这个物体并不在一条直线上，而且我们会发现看到的物体会有所不同。这说明，我们的双眼是通过两个不同的位置来观察世界的双眼的一般距离是2.5英寸。我们的大脑通过把双眼得来的这两幅略有差异的图像进行处理，就可以在场景中相应的位置生成正确的三维图像。（如图示）第36页/共67
13、页虚拟现实概述图中表示两眼光轴平行的情况，相当于两眼注视远处。内瞳距（IPD）是两眼瞳孔之间的距离。两眼空间位置的不同，是产生立体视觉的原因。F是距离人眼较近的物体B上的一个固定点。第37页/共67页虚拟现实概述左面的两眼的视图说明，F点在视图中的位置不同。这种不同就是立体视差。人眼也可以利用这种视差，判断物体的远近，产生深度感。这就是人类的立体视觉，由此获得环境的三维信息。第38页/共67页 VR应用有两类主要的视觉显示光学系统：头盔显示和非头盔显示。立体液晶显示器抛物线投影仪第39页/共67页立体投影第40页/共67页4D-Vision 50 屏幕的外层有着特殊的光学涂料，这层涂料会针对通
14、过的波长加以过滤筛选。这层过滤的动作会将每个色彩的元素所发射出来的光线方向个别定义并且重组光线投射状态，也就是说，不同的色彩运动会在屏幕前方在不同的角度表现出来而因此成为一个3D立体的呈现。第41页/共67页更棒的是，这款屏幕使用了8个镜头，每一个镜头都可以追踪使用者在屏幕前的位置，使用者的视觉距离平均可以到6.5 cm(2.5)，如此一来，屏幕前所有的使用者无论在什么位置都可以欣赏到完美的3D立体影像。第42页/共67页1.4.2人的耳朵1、人类的听觉模型耳分为外耳、中耳、内耳。外耳、中耳是接受并传导声音的装置；内耳则是感受声音和初步分析声音的场所。所以，外耳、中耳合称为传音系统，而内耳及其
15、神经传导径路则称为感音神经系统.外耳包括耳廓和外耳道两部分。主要作用是收集及部分放大声音和参与声音方向的辨别。第43页/共67页中耳的结构比外耳复杂，有鼓室、咽鼓管、鼓窦及乳突4部分。鼓室又称中耳腔，容积约为2毫升。中耳腔内有一条通到鼻咽部的管道，叫做咽鼓管。咽鼓管使中耳与外界相通，起到调节鼓室压力的作用内耳构造非常精细，管道盘旋，好像迷宫一样，故称为迷路。内耳分为3部分，即半规管，前庭和耳蜗。半规管和前庭主要负责身体平衡，耳蜗则负责感受声音。外耳把声音引导进内耳，它也作为滤波器而改变声音。把手放在耳前面，就会感到声音变化。声音最终冲击耳膜，使之振动。耳膜振动再传到耳蜗，并且振动加大20倍。第
16、44页/共67页听觉的产生过程是一个复杂的生理过程，它包括3个基本过程：声波在耳朵内部的传递过程。声波在传递过程中由声波引起的机械振动转变为生物电能，同时通过化学递质的释放而产生神经冲动的过程。听觉中枢对传人信息进行综合加工处理的过程。第45页/共67页2、频率范围3、声音的定位4、头部有关的传递函数第46页/共67页1.4.3身体感觉1、体感深度感觉：内脏感觉：本体感觉：外感受感觉：2、痛感3、触觉4、体位感第47页/共67页1.4.4健康与安全问题1.5虚拟现实技术的研究1.5.1国外的研究状况1、美国虚拟现实技术诞生于美国，是全球研究最早，研究范围最广的国家，美国虚拟现实研究技术的水平基
17、本上就代表国际虚拟现实发展的水平。第48页/共67页2、欧洲欧洲的虚拟现实技术研究主要由欧共体(CEC)的许多计划支持，在英国、德国、瑞典、西班牙、荷兰等国家都积极进行了虚拟现实的开发与应用3.亚洲在亚洲，日本的虚拟现实研究发展十分迅速，同时韩国、新加坡等国家也在积极开展虚拟现实技术方面的研究工作。第49页/共67页1.5.2国内的研究状况我国虚拟现实技术研究始于20世纪90年代初，相对其它国家来说起步较晚，技术上有一定的差距，但已引起我国政府有关部门和科学家们的高度重视，并及时根据我国的国情，制定了开展虚拟现实技术的研究计划。第50页/共67页1.5.3目前存在的问题1、硬件设备方面(1)相
18、关设备普遍存在使用不方便，效果不佳(2)硬件设备品种有待进一步扩展(3)虚拟现实系统应用的相关设备价格也比较昂贵第51页/共67页现在大多数虚拟现实软件普遍存在语言专业性较强，通用性较差，易用性差。同时，由于硬件设备的诸多局限性，使得软件的开发费用也十分巨大，而且软件所能实现的效果受到时间和空间的影响较大。第52页/共67页3、实现效果方面（1）虚拟世界的表示侧重几何图形表示，缺乏逼真的物理、行为模型（2）虚拟世界的感知方面，有关视觉方面研究多，听觉、触觉（力觉）关注较少，真实性与实时性不足。（3）在与虚拟世界的交互中，自然交互性不够，基于自然的交互效果还远不能令人满意。4、应用方面第53页/
19、共67页1.5.4今后的研究方向1、人机交互接口2、感知研究领域3、高效的虚拟现实软件和算法4、廉价的虚拟现实硬件系统5、智能虚拟环境第54页/共67页1.6虚拟现实技术的应用1.6.1军事与航空航天1军事上的应用（1）军事训练方面虚拟战场环境。近战战术训练单兵模拟训练诸军兵种联合战略战术演习。第55页/共67页（2）在武器装备研究与新武器展示中的应用。在武器设计研制过程中，采用虚拟现实技术提供先期演示，检验设计方案，把先进设计思想融入武器装备研制的全过程，从而保证总体质量和效能研制者和用户利用虚拟现实技术，可以很方便介入系统建模和仿真试验的全过程，既能加快武器系统的研制周期，又能合理评估其作
20、战效能及其操作的合理性，使之更接近实战的要求。第56页/共67页采用虚拟现实技术对未来高技术战争的战场环境、武器装备的技术性能和使用效率等方面进行仿真，有利于选择重点发展的武器装备体系，改善其整体质量和作战效果。很多武器供应商借助于网络，采用虚拟现实系统来展示武器的各种性能。第57页/共67页2.航空航天方面的应用（1）NASA的虚拟现实训练（2）EVA的虚拟现实训练（3）英国空军的虚拟座舱第58页/共67页1.6.2教育与培训1虚拟校园虚拟校园是指从因特网、虚拟现实技术、网上虚拟社区和3S技术的发展角度，对现实大学三维景观和教学环境的虚拟化和数字化，是基于现实大学的一个三维虚拟环境，用于支持
21、对现实大学的资源管理、环境规划和学校发展。第59页/共67页2虚拟演示教学与实验利用虚拟现实技术在课堂上可对办公自动化设备三维展示，并模拟通电运行，特别对于有些学校缺乏相应的实验设备情况下十分恰当，一方面可大大提高教学效果，一方面可节省大量的实验投资。第60页/共67页3远程教育系统可以弥补远程教学条件的不足，彻底打破空间、时间的限制4特殊教育5技能培训将虚拟现实技术应用于技能培训可以使培训工作更加安全，并节约了成本。第61页/共67页1.6.3建筑设计与城市规划在城市规划、建筑工程设计领域，虚拟现实技术被作为必须的开发工具，由于城市规划的关联性和前瞻性要求较高，在城市规划中，虚拟现实系统正发
22、挥着巨大作用。采用虚拟现实技术系统，可以让建筑设计师看到和“摸”到设计成果，而且方便随时修改，大大加快了方案设计的速度和质量，节省了大量的资金,这是采用传统手段如沙盘、效果图、平面图等所不能达到的。第62页/共67页1.6.4娱乐、文化体育艺术1、娱乐2、艺术（1）虚拟博物馆与虚拟旅游（2）虚拟音乐（3）虚拟演播室（4）虚拟演员（5）虚拟世界遗产（6）电影拍摄第63页/共67页1.6.5商业领域采用虚拟现实技术来进行展示，全方位地对商品进行展览，展示商品的多种功能，另外还能模拟工作时的情景，包括声音、图像等效果，比单纯使用文字或图片宣传更加有吸引力。第64页/共67页1.6.6工业应用目前应用主要在以下几个方面：1、产品的外形设计2、产品的布局设计3、机械产品的运动仿真4、虚拟装配5、产品加工过程仿真6、虚拟样机第65页/共67页1.6.7医学领域应用范围包括从建立合成药物的分子结构模型到各种医学模拟，以及进行解剖和外科手术教育等。第66页/共67页感谢您的观看！第67页/共67页