虚拟现实技术名校课件.pptVIP

8．3虚拟现实技术 8.3.1虚拟现实技术的基本概念 近十余年来，计算机技术的发展进入了虚拟世界的领域，虚拟现实(Virtual Reality)技术又是发展最快的一项多学科综合技术，“虚拟现实是在计算机技术支持下的一种人工环境，是人类与计算机和极其复杂的数据进行交互的一种技术”，它综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感技术、显示技术等多种学科技术。虚拟现实系统具有向用户提供视觉、听觉和触觉、味觉和嗅觉等感知功能的能力，人们能够在这个虚拟环境中观察、聆听、触摸、漫游、闻赏、并与虚拟环境中的实体进行交互，从而使用户亲身体验沉浸虚拟空间中的感受。 虚拟现实通常是指头盔显示器和传感手套等一系列新型交互设备构造出的一种计算机软硬件环境，人们通过这些设施以自然的技能、听觉及触觉等多种感官的反馈。 8.3.1虚拟现实技术的基本概念 现阶段，虚拟现实技术已不仅仅是哪些戴着头盔显示器和传感手套的技术，而且还应包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法。它要创建一个酷似客观环境又超越客观时空、能沉浸其中又能驾驭其上的和谐人机环境，也就是一个由多维信息所构成的可操纵的空间。它的最重要的目标就是真实的体验和方便自然的人机交互，能够达到或部分达到这样目标的系统就称为虚拟现实系统。 从概念上讲，任何一个虚拟现实系统都可以用三个“I”来描述其特性，这就是沉浸“(Immersion)”“交互(Interaction)”“想象(Imagination)”。如图8.3.1所示。 8.3.1虚拟现实技术的基本概念 这三个“I”反映了虚拟现实系统的关键特性，就是虚拟现实系统中人的主导作用，其表现是： (1)人能够沉浸到计算机系统所创建的环境中，而不是仅从计算机系统的外部去观测计算处理的结果； (2)人能够用多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用，而不是仅通过键盘、鼠标与计算环境中的单维数字化信息发生交互作用； (3)人可从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识从而深化概念和萌发新意，而不仅从以定量计算为主的结果中得到启发和对事物的认识。 图8.3.1 三I图 8.3.1虚拟现实技术的基本概念 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、5×5的RGBA图像。 (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)跟踪定位系统。为了与三维虚拟世界交互，必须感知参与者的视线，即跟踪其头部的位置和方向，这需要在头盔上安装头部跟踪传感器。为了在虚拟世界中移动物体或移动参与者的身体，必须跟踪观察者的手位和手势，甚至于全身的各肢体的位置，此时参与者需要穿戴数手套和数据服装。另外，也可使用三维或六维鼠标和空间球等装置与虚拟世界进行交互。 8.3.1虚拟现实技术的基本概念 (4)立体声音响和三维空间定位装置系统。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。 (5)触觉/力量反馈装置。触觉反馈装置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；力量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。 8.3.1虚拟现实技术的基本概念 在软件方面，虚拟现实系统除一般所需的软件支撑环境之外，主要是需要提供一个产生虚拟环境的工具集或产生虚拟环境的外壳。它至少具有以下的功能: ? 能够接受各种高性能传感器的信息，如头盔的跟踪信息； ? 能生成立体的显示图形； ? 能把各种数据库(如地形地貌数据库、物体形象数据库等)、各种CAD软件进行调用和互联的集成环境。 具有典型代表性的虚拟现实系统软件有:虚拟世界工具箱WorldToolKit(WTK)、MultiGen Creator、Vega、Maya、IRIS Performer、VTree、Open GVS等等。 8.3.1虚拟现实技术的基本概念 典型的虚拟现实系统由效果产生器、实景仿真器、应用系统和几何构造系统组成。 (1)效果产生器。效果产生器是完成人与虚拟环境交互的硬件接口装置，包括能产生沉浸