单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章,虚 拟 现 实 概 论,第一章 虚 拟 现 实 概 论,1,第,1,章 虚拟现实概论,-,大纲,1.1,虚拟现实技术的概念,1.2,虚拟现实技术的发展史,1.3,虚拟现实,系统简介,1.4,虚拟现实技术的特征,1.5,虚拟现实,与动画和游戏的区别,1.6,虚拟现实系统的分类,1.7,虚拟现实技术的应用领域,1.8,虚拟现实技术的研究现状,第1章 虚拟现实概论-大纲1.1 虚拟现实技术的概念,2,1.1,虚拟现实（,Virtual Reality,）基本概念,虚拟现实,是一种逼真的视、听、触觉一体化的计算机生成环境，用户可以借助必要的装备以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响，从而获得亲临等同真实环境的感受和体验。,虚拟现实,=,V,irtual +,R,eality,虚拟现实是虚拟化的、数字化的现实环境，它忠于现实，更可以超越现实！,1.1 虚拟现实（Virtual Reality）基本概念,3,1.2,虚拟现实技术的发展史,虚拟现实技术（,Virtual Reality,）简称,VR,技术，是,20,世纪末逐渐兴起的一门综合性信息技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体、传感器、网络以及并行处理等多个信息技术分支的最新发展成果。,1.2 虚拟现实技术的发展史 虚拟现实,4,1.2,虚拟现实技术的发展史,1929,年，,Edward Link,设计出用于训练飞行员的模拟器,1956,年，,Morton Heilig,开发出多通道仿真体验系统,Sensorama,1.2虚拟现实技术的发展史1929年，Edward Lin,5,1.2,虚拟现实技术的发展史,1965,年，,Ivan Sutherland,发表论文“,Ultimate Display”,（终极的显示）,1968,年，,Ivan Sutherland,研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器（,Head Mounted Display,，,HMD,）,1.2 虚拟现实技术的发展史1965年，Ivan Suth,6,1.2,虚拟现实技术的发展史,1972,年，,Nolan Bushnell,开发出第一个交互式电子游戏,Pong,1977,年，,Dan Sandin、Tom DeFanti和Rich Sayre研制出第一个数据手套,Sayre Glove,20,世纪,80,年代，美国国家航空航天局（,NASA,）组织了一系列有关,VR,技术的研究：,1984,年，,NASA Ames,研究中心的,M.McGreevy,和,J.Humphries,开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器；,1987,年，,Jim Humphries,设计了双目全方位监视器（,BOOM,）的最早原型。,1.2 虚拟现实技术的发展史1972年，Nolan Bus,7,1.2,虚拟现实技术的发展史,1990,年，在美国达拉斯召开的,SIGGRAPH,会议上为,VR,技术的发展确定了,研究方向,，明确提出,VR,技术研究的主要内容包括,:,实时三维图形生成技术、,多传感器交互技术、,高分辨率显示技术。,从,20,世纪,90,年代开始，,VR,技术的研究热潮也开始向,民间的高科技企业转移,。著名的,VPL,公司开发出第一套传感手套命名为,“,DataGloves,”,，第一套,HMD,命名为,“,EyePhones,”,。,进入,21,世纪后，,VR,技术更是进入软件高速发展的时期，一些有代表性的,VR,软件开发系统不断在发展完善，如,MultiGen Vega,、,OpenSceneGraph,、,Virtools,等。,1.2 虚拟现实技术的发展史1990年，在美国达拉斯召开的,8,1.3,虚拟现实系统简介,典型的,VR,系统主要由：,计算机软件系统,VR,软件,VR,环境数据库,计算机硬件系统,VR,输入设备,VR,输出设备,1.3 虚拟现实系统简介 典型的VR系统主要由：,9,1.4,虚拟现实的特征,传统的三个特,征（,3,个,I,）,沉浸感,(Immersion),参与者全身心地沉浸于计算机所生成的三维虚拟环境，并产生,身临其境,的感觉。,交互性,(Interaction),参与者可以利用各种感官功能及人类自然技能,对,虚拟环境进行交互考察与操作,。,构想性,(Imagination),参与者借助,VR,系统给出的逼真视听触觉信号而产生的对虚拟空间的想象,1.4 虚拟现实的特征传统的三个特征（3个I）,10,1.4,虚拟现实技术的特征,-,沉浸感,VR,技术的沉浸感：,又称临场感，是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。,VR,技术最主要的特征。,影响沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、三维图像中的深度信息、画面的视野、实现跟踪的时间或空间响应及交互设备的约束程度等。,1.4虚拟现实技术的特征-沉浸感VR技术的沉浸感：,11,1.4,虚拟现实技术的特征,-,交互性,VR,技术的交互性：,指用户对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度（包括实时性）。,主要借助于各种专用设备（如头盔显示器、数据手套等）产生，从而使用户以自然方式如手势、体势、语言等技能，如同在真实世界中一样操作虚拟环境中的对象。,1.4虚拟现实技术的特征-交互性VR技术的交互性：,12,1.4,虚拟现实技术的特征,想象力,VR技术的想象力,：,指用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未来进展进行想象的能力。,对适当的应用对象加上虚拟现实的创意和想象力，可以大幅度提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。,1.4 虚拟现实技术的特征想象力VR技术的想象力：,13,1.5,虚拟现实与三维动画的,区别,（,1,）,真实性,三维动画,场景画面由动画制作人员根据材料或想象直接画制而成，与真实的环境和数据有较大的差距，属于演示类艺术作品。,虚拟现实,虚拟环境由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求，属于科学仿真系统。操纵者亲身体验虚拟三维空间，身临其境。,交互性,三维动画,只能如电影一样单向演示，场景变化，浏览路径，需要预先指定，无法改变。画面需要事先制作生成，耗时、费力、成本较高。没有互动性。,虚拟现实,操纵者可以实时感受运动带来的场景变化，步移景异，并可亲自布置场景，具有双向互动的功能。,1.5 虚拟现实与三维动画的区别（1）真实性,14,1.5,虚拟现实与三维动画的,区别,（,2,）,时间性,三维动画受动画制作时间限制，无法详尽展示，性价比低。,虚拟现实没有时间限制，可真实详尽地展示，并可以在虚拟现实基础上导出动画视频文件，同样可以用于多媒体资料制作和宣传，性价比高。,应用性,三维动画只适合简单的演示功能。,虚拟现实在实时三维环境中，支持方案调整、评估、管理、信息查询等功能，适合较大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理等需要，同时又具有更真实和直观的多媒体演示功能。,1.5 虚拟现实与三维动画的区别（2）时间性,15,1.5,分布式虚拟现实与网络游戏的,区别,网络游戏一般是基于,C/S,需要安装客户端,客户端通常很大（对客户端的配置有要求）,以娱乐为目的,用户通常有耐心等待下载和安装,（,Web,）,VR,不需要安装客户端,Down-and-Play,下载即观看,以宣传和展示为目的,用户没有耐心等待下载和安装,如果,2,分钟内还看不到东西就放弃了,1.5 分布式虚拟现实与网络游戏的区别网络游戏一般是基于C/,16,1.6,虚拟现实系统的分类,桌面式,VR,系统（,Desktop VR,）,沉浸式,VR,系统（,Immersive VR,）,增强式,VR,系统（,Augmented VR,）,分布式,VR,系统（,Distributed VR,）,基于网页的,VR,系统（,WebVR,）,1.6 虚拟现实系统的分类 桌面式VR系统（Desktop,17,1.6,虚拟现实系统的分类,桌面式,VR,系统,使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互场景。,用户会受到周围现实环境的干扰而不能获得完全的沉浸感，但由于其成本相对较低桌面式,VR,系统仍然比较,普及,。,1.6 虚拟现实系统的分类 桌面式VR系统使用个人计算机和,18,1.6,虚拟现实系统的分类,沉浸式,VR,系统,利用头盔显示器、洞穴式显示设备和数据手套等交互设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为,VR,系统内部的一个参与者，产生一种身临其境、全心投入并沉浸其中的体验。,与桌面式,VR,系统相比，沉浸式,VR,系统的,主要特点,在于,高度的实时性和沉浸感,。,1.6 虚拟现实系统的分类 沉浸式VR系统利用头盔显示器、,19,1.6,虚拟现实系统的分类,增强式,VR,系统,(,Augmented Reality,AR,),允许用户对现实世界进行观察的同时，将虚拟图像叠加在真实物理对象之上。,为用户提供与所看到的真实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强用户对真实环境的感受，又被称为叠加式或补充现实式,VR,系统。,可以使用光学技术,/,视频技术,/,传感器技术来实现。,实中有虚，使实更实！,增强虚拟,混合现实,1.6 虚拟现实系统的分类 增强式VR系统(Augmente,20,1.6,虚拟现实系统的分类,分布式,VR,系统,(DVR),指基于网络构建的虚拟环境，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。,主要被应用于远程虚拟会议、虚拟医学会诊、多人网络游戏、虚拟战争演习等领域。,1.6 虚拟现实系统的分类 分布式VR系统(DVR)指基于网,21,1.6,分布式虚拟现实,Distributed Virtual Reality,概念,在互联网上构建一个逼真而互动的三维虚拟空间,特点,分布于不同地理位置的多台计算机通过网络互联,允许多用户之间进行实时互动,1.6 分布式虚拟现实 Distributed,22,1.6,分布式虚拟现实的特点,我扩充的,DVR,的新,3,个,I,智能性,(,I,ntelligence),虚拟人,H-Anim,（国际标准）,Digital Storytelling,AIML,、,ICML,（讲故事、多人聊天、人机对话）,集成性,(,I,ntegration),图形、图像、音频、视频、文本、,GIS,、遥感影像等,互联网,(,I,nternet)-,基于,Web,的,VR,WebVR,基于,Web Graphics,虚拟城市虚拟社区,Second Life,Google Earth,Virtual Earth,1.6 分布式虚拟现实的特点我扩充的DVR的新3个I,23,1.7,虚拟现实技术的应用领域,教育与训练,设计与规划,科学计算可视化,商业领域,艺术与娱乐,1.7 虚拟现实技术的应用领域 教育与训练,24,1.7,虚拟现实技术的应用领域,教育与训练,虚拟现实技术能使学习者能直接、自然地与虚拟对象进行交互，以各种形式参与事件的发展变化过程，并获得最大的控制和操作整个环境的自由度。,1,、仿真教学与实验,2,、特殊教育,3,、多种专业训练,4,、应急演练和军事演习,1.7 虚拟现实技术的应用领域教育与训练 虚拟现实,25,1.7,虚拟现实技术的应用领域,设计与规划,虚拟现实已被看作是设计领域中唯一的开发工具。它可以避免传统方式在原型制造、设计和生产过程中的重复工作，有效的降低成本，应用领域包括汽车制造业、城市规划、建筑设计等。,1.7 虚拟现实技术的应用领域设计与规划 虚拟现实,26,1.7,虚拟现实技术的应用