哈尔滨工业大学《系统建模与仿真》第9章 VR技术简介.docVIP

第9章、虚拟现实技术简介 （Virtual Reality-VR 灵境） 9.1 VR的概念 VR是一种新的人-机界面形式： 提供了一种临境和多感觉通道的体验 试图寻求一种最佳的人-机通讯方式 多维信息交互 VR也称为： 人工环境（artifical environment） 电脑空间(cyberspace)、虚拟环境（VE） 人工合成环境 (synthetic environment) 89年开始出现VR一词，钱学森译为灵境 VR技术三角形： VR的三个重要特点：三“I” 临境、交互、想象 三者密切相关 VR是计算机图形学和人机交互技术的产物； 但从更广泛的意义上讲，VR是人与技术系统完美的结合。 在未来的VR系统中，目的： 使由计算机及其传感器组成的信息处理系统去尽量“满足”人的需要； 而不是强迫人去“凑合”那些不很亲切的计算机系统。 VR的技术基础： 计算机图形学 图像处理与模式识别 智能接口技术 人工智能技术 多传感器技术 语音处理与音响技术 网络技术 并行处理技术和高性能计算机系统等 ——所有这些技术都是信息技术的分支。 9.2 VR系统的构成 构造一个VR系统的基本手段和目标就是利用并集成高性能计算机软-硬件及各类先进的传感器，去创造一个使参与者处于一个具有身临其境的沉浸感、具有完美的交互作用能力、能帮助和启发构思的信息环境。 构造VR系统的根本目的、应克服的主要技术“瓶颈”和所需的基本计算机软硬件支撑技术： 为了构建这样一个VR系统硬件方面需要以下设备： 跟踪系统：以确定参与者的头、手和身躯的位置 触觉系统：提供力与压力的反馈（温、湿度等） 音频系统：提供立体声源和判定空间位置 图像生成和显示系统：产生视觉图像和立体显示 高性能计算处理系统：具有高处理速度、大存储容量、强联网特性 在软件方面，除了一般的软件支撑外，主要提供一个产生虚拟环境的工具集或产生VE的“外壳”，至少应具有以下的功能： 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 9.3 VR系统的类型 ① 桌面VR系统： 利用个人计算机和低级工作站进行VR实现 计算机的CRT作为参与者观察虚拟境界的一个窗口 各种外部设备一般用来驾驭该虚拟境界 并且有助于操纵在虚拟情景中的各种物体 外部设备可以是：mouse、跟踪球、力矩球等、立体眼镜 特点： 缺乏HMD显示器的投入功能 比较普及、成本相对低一些 一般用于CAD、建筑、医疗 ② 临境VR系统： 利用HMD、单人座舱、组合座舱（多人）等 把用户的视觉、听觉和其它感觉封闭起来 产生一种身在虚拟环境中的错觉 ③ 分布式VR系统： 在临境VR系统的基础上 将不同用户（参与者）联结在一起 共享同一个虚拟空间 使用户达到一个更高的境界、在虚拟空间中协同工作 基础是DIS 9.4 VR的应用 ① 医学： 解剖虚拟尸体 观看血液细胞通过心脏的全过程 可以使用从实际病人身上收集来的数据进行仿真，对手术或其它过程进行周密的规划 远程医疗（能到何种程度） ② 建筑及工程领域： 建筑师用CAD对建筑物进行设计、建模，然后将产生的数据库变成一个VR系统 客户可以利用头盔或6DOF设备进入该建筑物的虚拟模型中，实时修改颜色、家具位置、门窗的位置等 工程中的虚拟制造、虚拟样机 ③ 军用： 飞行仿真、车辆仿真 虚拟战场 星际探测 ④ 数据可视化： “一张纸片抵得上一千句话” 将计算机模型获取的大量数字和分析数据压缩成图形，供专家进行观察、研究，直观、高效率 ⑤ 娱乐： 各种游戏 ！！增强现实技术 虚拟人 数字化城市 数字地球 Google Earth 中国虚拟人“女一号”： 2003年诞生，中国自己的虚拟人，美、韩后第三个国家，广州一军医大（首都医科大学等） 原型：19岁广西女孩、毒蘑菇（155cm、46kg）、家属捐献 零下70摄氏度冷冻横向切成8556片，每片厚度为0.2600万像素的数码相机拍照年2月7日，上万个数据汇集到北京，首都医科大学的师生们昼夜奋战，将这些数据在计算机里进行重建广西女孩在计算机里再生成了“女1号”，恢复了皮肤、外观、骨骼、盆腔、卵巢，血管正在中科院计算机所制作将肌肉、五脏六腑等主要器官用途十分广泛临床实验、仿真手术、汽车防撞模拟、核辐射模拟等危险的人体试验汽车防撞试验、宇航服装制作任何恶劣环境下的模拟试验火灾、核辐射下，人体的哪些组织会受到伤害等，而以前科学家们只能用圆球加圆柱代替人体四肢医学领域里仿真尸体供学生和医生们解剖，“一刀切下去后，你可以看到虚拟人的肌肉如何变形、里面有什么人体组织，甚至连切到骨头的声音都能听到中医针灸经络研究，比如针扎进某个穴位后，会立即在哪些功能区发生反