虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)

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1、第五章 虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ) 目 錄 5.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的歷史發(fā)展 5.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念 5.3 虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù) 5.4 虛擬現(xiàn)實(shí)的制作與應(yīng)用 5.5 虛擬現(xiàn)實(shí)的主要設(shè)備與產(chǎn)品 5.6 虛擬現(xiàn)實(shí)的主要應(yīng)用 5.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念5.1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的定義5.1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的特征5.1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)的類(lèi)型返回5.1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的定義涉及涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、圖像處理與模式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、圖像處理與模式識(shí)別、多傳感器技術(shù)、語(yǔ)音處理與音響技術(shù)、網(wǎng)識(shí)別、多傳感器技術(shù)、語(yǔ)音處理與音響技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、人絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、人

2、工智能技術(shù)工智能技術(shù).需要需要計(jì)算機(jī)專(zhuān)家、人類(lèi)工程學(xué)計(jì)算機(jī)專(zhuān)家、人類(lèi)工程學(xué)(Ergonomics) 專(zhuān)家專(zhuān)家、 心理學(xué)專(zhuān)家等共同開(kāi)發(fā)研究。心理學(xué)專(zhuān)家等共同開(kāi)發(fā)研究。5.1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的特征沉浸感（沉浸感（Immersion）: 能給人們以真實(shí)世界的感能給人們以真實(shí)世界的感 覺(jué)，讓人感覺(jué)全方位地沉浸在這個(gè)虛幻的世界中，覺(jué)，讓人感覺(jué)全方位地沉浸在這個(gè)虛幻的世界中， 難以分辨真假。難以分辨真假。交互性（交互性（Interaction）: 虛擬現(xiàn)實(shí)與通常虛擬現(xiàn)實(shí)與通常CADCAD系統(tǒng)所產(chǎn)系統(tǒng)所產(chǎn) 生的模型是不一樣的，它不是一個(gè)靜態(tài)的世界，而生的模型是不一樣的，它不是一個(gè)靜態(tài)的世界，而 是可以對(duì)使用者

3、的輸入作出反應(yīng)。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境可是可以對(duì)使用者的輸入作出反應(yīng)。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境可 以通過(guò)控制與監(jiān)視裝置影響或被使用者影響。以通過(guò)控制與監(jiān)視裝置影響或被使用者影響。想象想象 （Imagination）: : 它的應(yīng)用能解決在工程、醫(yī)它的應(yīng)用能解決在工程、醫(yī) 學(xué)、軍事等方面的一些問(wèn)題學(xué)、軍事等方面的一些問(wèn)題, ,這些應(yīng)用是與設(shè)這些應(yīng)用是與設(shè) 計(jì)者并行操作計(jì)者并行操作, ,為發(fā)揮它們的創(chuàng)造性而設(shè)計(jì)的為發(fā)揮它們的創(chuàng)造性而設(shè)計(jì)的, ,這極這極 大地依賴(lài)于人類(lèi)的想象力。大地依賴(lài)于人類(lèi)的想象力。Immersion沉浸Interaction交互Imagination想象I I3 35.1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)的類(lèi)型(1)(

4、1)桌面級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)桌面級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)：成本低，應(yīng)用面比較廣，但缺乏完全投入 基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：將連續(xù)拍攝的圖像和視頻在計(jì)算機(jī)中拼接以建立的實(shí)景化虛擬空間。 VRML（虛擬（虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言）現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言）：采用描述性的文本語(yǔ)言描述基本的三維物體的造型，通過(guò)一定的控制，將這些基本的三維造型組合成虛擬場(chǎng)景，當(dāng)瀏覽器瀏覽這些文本描述信息時(shí)，在本地進(jìn)行解釋執(zhí)行，生成虛擬的三維場(chǎng)景。 （2 2）投入的虛擬現(xiàn)實(shí)）投入的虛擬現(xiàn)實(shí)：完全投入，利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其它感覺(jué)封閉起來(lái)，并提供一個(gè)新的、虛擬的感覺(jué)空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸

5、入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中、并能全心投入和沉浸其中的感覺(jué)。 常用的有基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)。 （3 3）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)：模擬現(xiàn)實(shí)世界、仿真現(xiàn)實(shí)世界，增強(qiáng)參與者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，例如,戰(zhàn)機(jī)飛行員的平視顯示器。（4 4）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)：多個(gè)用戶同時(shí)參與一個(gè)虛擬空間。利用計(jì)算機(jī)構(gòu)造的一個(gè)真實(shí)世界的模擬，地理上分布的用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享該環(huán)境，并與周?chē)沫h(huán)境以及在相互之間進(jìn)行交互。共享虛擬環(huán)境涉及到虛擬現(xiàn)實(shí)、分布對(duì)象、網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)交互、智能代理等領(lǐng)域。因特網(wǎng)技術(shù)的廣泛使用: Internet已經(jīng)成為娛樂(lè)、商

6、業(yè)等的重要媒體硬件基礎(chǔ)：網(wǎng)絡(luò)帶寬的提高（寬帶網(wǎng)的逐漸普及），個(gè)人計(jì)算機(jī)圖形處理能力的增強(qiáng)軟件基礎(chǔ)： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合日益復(fù)雜的數(shù)據(jù)使得原來(lái)的界面不能滿足需要，人們希望更加直觀的表達(dá)信息，使用更加自然的方式進(jìn)行人機(jī)交互以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)人與人之間實(shí)時(shí)、形象的交流各用戶具有共享的虛擬工作空間；偽實(shí)體的行為真實(shí)感；支持實(shí)時(shí)交互，共享時(shí)鐘；多個(gè)用戶可以各自不同的方式相互通信；資源信息共享以及允許用戶自然操縱虛擬世界中的對(duì)象。 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)軍事訓(xùn)練 美國(guó) SIMNET系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)議與遠(yuǎn)程協(xié)作 Sony公司基于DIVE的一個(gè)系統(tǒng)娛樂(lè)和虛擬社區(qū) Cybertown (使用

7、Blaxxun）電子商務(wù) VR commerce of IBM軍隊(duì)被布置在與實(shí)際車(chē)輛和指揮中心相同的位置，他們可以看到一個(gè)有山、樹(shù)、云彩、硝煙、道路、建筑以及由其他部隊(duì)操縱的車(chē)輛的模擬現(xiàn)場(chǎng)。這些由實(shí)際人員操縱的車(chē)輛可以相互射擊，系統(tǒng)利用無(wú)線電通訊和聲音效果來(lái)加強(qiáng)真實(shí)感。系統(tǒng)的每個(gè)用戶可以通過(guò)環(huán)境視點(diǎn)來(lái)觀察別人的舉動(dòng)。炮火的顯示極為逼真，用戶可以看到被攻擊部隊(duì)被炸毀的情況。從直升機(jī)上看到的場(chǎng)景也非常逼真。SIMNET系統(tǒng)可將多大1000個(gè)部隊(duì)用網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，因此可以訓(xùn)練作戰(zhàn)部隊(duì)的戰(zhàn)斗以及試驗(yàn)新的戰(zhàn)術(shù)思想。SIMNET被稱(chēng)為第一個(gè)廉價(jià)而又實(shí)用的模擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它可以用來(lái)訓(xùn)練坦克、直升機(jī)以及戰(zhàn)斗演習(xí)，

8、并訓(xùn)練部隊(duì)之間的協(xié)同作戰(zhàn)能力。虛擬現(xiàn)實(shí)和其他技術(shù)一樣，也是在前人大量工作的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的：(1).立體電影，立體聲技術(shù)(2).飛行模擬器，最早實(shí)際使用的仿真技術(shù)(3).“星際旅行”,“宇宙飛船”的演示(4).機(jī)械手、機(jī)器人 危險(xiǎn)場(chǎng)合進(jìn)行各類(lèi) “遙控操作”(5).游戲,駕駛汽車(chē)、潛艇航行5.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的歷史發(fā)展1962年，美國(guó)電影攝影師Morton Heilig研制出一套稱(chēng)為Sensorama的立體電影系統(tǒng)。這套系統(tǒng)供一個(gè)人觀看，具有多種感官刺激的立體顯示設(shè)備。1965年，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的奠基人美國(guó)科學(xué)家Ivan Sutherland首次提出了一種全新的、富有挑戰(zhàn)性的圖形顯示技術(shù)，即能不通過(guò)計(jì)

9、算機(jī)屏幕這個(gè)窗口來(lái)觀看虛擬世界，而是觀察者可以直接沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界中。隨著觀察者隨意地轉(zhuǎn)動(dòng)頭部或身體，他所看到的場(chǎng)景就會(huì)隨之發(fā)生變化。同時(shí)，觀察者還可以用手、腳等部位以自然的方式與虛擬世界進(jìn)行交互，虛擬世界會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)，從而使觀察者有一種身臨其境的感覺(jué)。因此，也稱(chēng)Ivan Sutherland為“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”之父。1968年，Ivan Sutherland在麻省理工學(xué)院研制出了第一個(gè)頭盔式顯示器，并發(fā)表了“A Head-Mounted 3D Display”的論文，對(duì)頭盔式顯示器裝置的設(shè)計(jì)要求、構(gòu)造原理進(jìn)行了深入的分析，并描繪出這個(gè)裝置的設(shè)計(jì)原型，成為三維立體顯示技術(shù)的奠基性成

10、果。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)的VPL公司的創(chuàng)始人Jaron Lanier正式提出了“Virtual Reality”一詞。 1985年，Krueger正式發(fā)表無(wú)障礙的人工現(xiàn)實(shí)。1984年，美國(guó)宇航局Ames研究中心虛擬行星探測(cè)實(shí)驗(yàn)室的M. McGreevy和J.Humphries組織開(kāi)發(fā)了用于火星探測(cè)的虛擬世界視覺(jué)顯示器，將火星探測(cè)器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬世界。在隨后的虛擬交互世界工作站（VIEW）項(xiàng)目中，他們又開(kāi)發(fā)了通用多傳感器和遙控設(shè)備。1993年11月，宇航員利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的訓(xùn)練成功地完成了從航天飛機(jī)的運(yùn)輸艙內(nèi)取出新的望遠(yuǎn)鏡面板的工作。1996年1

11、0月31日，世界第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)博覽會(huì)在倫敦開(kāi)幕。1996年12月，世界上第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)球網(wǎng)在英國(guó)投入運(yùn)行。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究在中國(guó)開(kāi)始迅速發(fā)展，在國(guó)家高科技“八六三”計(jì)劃的支持下，有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究取得了巨大的成就，開(kāi)始在不同領(lǐng)域得到了應(yīng)用。5.3 虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)5.3.1 視覺(jué)技術(shù)5.3.2 聽(tīng)覺(jué)技術(shù)5.3.3 觸覺(jué)技術(shù)返回大規(guī)模數(shù)據(jù)的場(chǎng)景建模技術(shù)；動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的立體視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等生成技術(shù);三維定位、方向跟蹤、觸覺(jué)反饋等傳感技術(shù)和設(shè)備；符合人類(lèi)認(rèn)知心理的三維自然交互技術(shù);三維交互軟件及系統(tǒng)集成技術(shù)。5.3.1 視覺(jué)技術(shù)影響（沉浸感）立體 視覺(jué)因素寬視野（）立體顯示彩

12、色高分辨率頭部跟蹤紅藍(lán)濾色眼鏡液晶開(kāi)關(guān)的體視眼鏡三維頭盔顯示器（HMD）雙筒全方位監(jiān)視器（BOOM）墻式顯示屏自動(dòng)聲象虛擬環(huán)境（CAVE）類(lèi)型： 透明/不透明；佩戴/不佩戴；液晶/CRT/LED/投影5.3.2 聽(tīng)覺(jué)技術(shù)聽(tīng)覺(jué)： 3D & Stereo聲源定位：強(qiáng)度（高頻）和時(shí)差（低頻）問(wèn)題：聲音從頭里發(fā)出，隨強(qiáng)度差而偏左或偏右原因：與耳朵形狀有關(guān)解決：Convolvotron($15,000) 耳內(nèi)錄音 + 計(jì)算5.3.3 觸覺(jué)技術(shù)觸覺(jué)（Haptic)Haptic: 機(jī)械感受器（壓力與紋理）與本體感受器(proprioceptor)（重量、形狀、大小）機(jī)械臂，空氣囊，記憶金屬，小馬達(dá)，小探針。

13、Sandpaper (Minsky,1990) 將小馬達(dá)連到游戲桿；攪動(dòng) 適當(dāng)?shù)模ê?jiǎn)單的）觸覺(jué)和/或聽(tīng)覺(jué)提示與反饋能極大地改善人機(jī)交互質(zhì)量?jī)蓚€(gè)基本的性能指標(biāo):幀 頻16fps ， 響應(yīng)時(shí)間 0.1s5.4 虛擬現(xiàn)實(shí)的制作與應(yīng)用5.4.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的制作方法5.4.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的制作工具返回5.4.1虛擬現(xiàn)實(shí)的制作方法第一步是選擇世界的外表、聲音和感覺(jué)， 建立模型；第二步是使用軟件工具制作虛擬現(xiàn)實(shí)的表達(dá)；第三步是將軟件系統(tǒng)與硬件（虛擬現(xiàn)實(shí)的各種 裝置）結(jié)合，實(shí)現(xiàn)最終的虛擬世界。5.4.2虛擬現(xiàn)實(shí)的制作工具Virtual Reality Modeling Language (VRML)World

14、Tool Kit (WTK)Java 3DVirtual Reality Modeling Language (VRML) 這是一種用于描述三維造型與交互環(huán)境的簡(jiǎn)單的文本語(yǔ)言,是在Internet上建立3D多媒體和共享虛擬世界的一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。 它的優(yōu)點(diǎn)是：與平臺(tái)無(wú)關(guān)：無(wú)論你的平臺(tái)是PC還是SGI，都可以瀏覽VRML世界 基于Web，能夠建立三維可視化服務(wù)器大量的可用資源：越來(lái)越多的Internet站點(diǎn)含有與VRML有關(guān)的內(nèi)容 它的缺點(diǎn)是：渲染速度較慢沒(méi)有底層控制有限的界面World Tool Kit (WTK) WTK是在20世紀(jì)90年代初開(kāi)發(fā)的，是用來(lái)創(chuàng)建虛擬世界的工具包。它是一個(gè)用于開(kāi)發(fā)可

15、實(shí)時(shí)交互的三維圖形程序的，跨平臺(tái)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括1000多個(gè)C語(yǔ)言函數(shù)的函數(shù)庫(kù)，用函數(shù)庫(kù)中的這些函數(shù)我們可以方便的創(chuàng)建虛擬世界。由于它支持大多數(shù)商業(yè)I/O商業(yè)（例如跟蹤器、立體眼鏡、傳感手套等），具有多平臺(tái)的可移植性（從運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)的PC機(jī)，到運(yùn)行某種版本Unix的SGI，HP和Sun平臺(tái)），包含豐富的代碼實(shí)例，可以很方便地建立一個(gè)新仿真程序，因此在虛擬現(xiàn)實(shí)非常普及。盡管許多早期的工具包都已經(jīng)消失了，但是WTK無(wú)論從功能還是大小都得到了很大發(fā)展。（從1994年的400個(gè)函數(shù)發(fā)展到最新版本的1000多個(gè)函數(shù)）。WTK函數(shù)使用面向?qū)ο蟮拿麘T例，并且被組織成類(lèi)。Java 3D Jav

16、a是由Sun Microsystems公司在20世紀(jì)90年代中期開(kāi)發(fā)的，目前已成為一種開(kāi)發(fā)與平臺(tái)無(wú)關(guān)的分布式應(yīng)用程序的編程環(huán)境。Java 3D是Java API中的一種，用于開(kāi)發(fā)面向?qū)ο蟮慕换ナ饺S圖形應(yīng)用程序。與WTK類(lèi)似，Java 3D在實(shí)現(xiàn)中也使用了OpenGL和Direct3D底層圖形庫(kù)函數(shù)以及圖形加速卡。但是，與WTK不同的是，Java 3D 1.3可以從網(wǎng)上免費(fèi)下載。5.5.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的主要設(shè)備5.5.2 主要的市場(chǎng)產(chǎn)品 返回5.5 虛擬現(xiàn)實(shí)的主要設(shè)備與產(chǎn)品 5.5.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的主要設(shè)備數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套 VPL公司采用三維定位裝置Polhemus的數(shù)據(jù)手套最早數(shù)據(jù)手套由美國(guó)VP

17、L公司開(kāi)發(fā)，看來(lái)簡(jiǎn)單，但制作技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜。手套由很輕的彈性材料構(gòu)成，緊貼在手上。這個(gè)系統(tǒng)包括位置、方向傳感器和沿著每個(gè)手指背部安裝的一組有保護(hù)套的光導(dǎo)纖維，他們用于檢測(cè)手指和手的運(yùn)動(dòng)。作為傳感器的光纖可測(cè)量每個(gè)手指的彎曲和伸展。每條光纖從控制器的線路板引出，經(jīng)過(guò)一段由柔韌織物構(gòu)成的管子，到達(dá)手套上的腕部固定器。光纖從這里延伸到手上，經(jīng)過(guò)手指關(guān)節(jié)，然后回到腕部固定器和控制器。在控制器內(nèi)部，每根光纖的一端配備一只發(fā)光二極管，另一斷連接一個(gè)光電傳感器，將接受到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。當(dāng)你戴了手套，彎曲手指時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光纖彎曲部分時(shí)，會(huì)發(fā)生光的彎曲損耗（泄漏），關(guān)節(jié)越是彎曲，光損耗越多，達(dá)

18、到光電傳感器的光越少。光的多少就反映了手指的彎曲程度。計(jì)算機(jī)根據(jù)光電信號(hào)數(shù)據(jù)算出哪個(gè)手指和關(guān)節(jié)在彎曲以及它們彎曲的程度怎樣。每個(gè)手指最少有兩條光纖，一條檢測(cè)指前部的關(guān)節(jié)，一條檢測(cè)中間關(guān)節(jié)。為了增加準(zhǔn)確性，也可在多加幾條光纖。數(shù)據(jù)手套中的光纖傳感器只能測(cè)量手指所做的活動(dòng)。而絕對(duì)的位置（X、Y、Z坐標(biāo)）和三個(gè)轉(zhuǎn)角方向（轉(zhuǎn)動(dòng)、俯仰、搖擺）需要用另外的一種測(cè)量?jī)x器來(lái)實(shí)現(xiàn)。Polhemus磁跟蹤器位置和方向磁跟蹤器工作原理：交流電流通過(guò)線圈產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，如果把一個(gè)線圈放在這個(gè)磁場(chǎng)中，線圈會(huì)產(chǎn)生感生電流，感生電流的強(qiáng)弱將由這兩個(gè)線圈的距離以及他們之間的角度來(lái)確定。在磁跟蹤器中，三個(gè)互相垂直的線圈組成了發(fā)

19、射器（藍(lán)色）。另外三個(gè)相互垂直的線圈組成接收器（紅色）。通過(guò)計(jì)算機(jī)比較接收器三個(gè)線圈中的電流，可以確定接收器與發(fā)射器之間的相對(duì)位置和方向。成本比數(shù)據(jù)收到低，最早用于游戲機(jī)系統(tǒng)作為控制器。依靠超聲波測(cè)距原理來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。這種傳感器的精度很高，遠(yuǎn)比數(shù)據(jù)手套和動(dòng)力手套高。采用機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置測(cè)量手指關(guān)節(jié)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。裝在每個(gè)指關(guān)節(jié)處的裝置為霍爾效應(yīng)傳感器。這種傳感器的高精度對(duì)于控制機(jī)器人的手指極為有用。對(duì)于需要準(zhǔn)確控制的應(yīng)用場(chǎng)合，比如訓(xùn)練機(jī)器人的手去拾取和安裝某物，或準(zhǔn)確地與虛擬物體相互作用。自由彎曲的帶有彈性的帶子 每隔6厘米 共分布了32個(gè)傳感器 帶子(實(shí)物)和自由曲線(虛擬對(duì)象)的連接 ,帶子的形狀直

20、接映射為曲線的形狀 數(shù)據(jù)手套跟蹤手部運(yùn)動(dòng) 精確 操作液晶開(kāi)關(guān)的體視眼鏡SEGA LCD Glasses, StereoGraphics CrystalEyes, Toshiba 3D Scope LCD Glasses三維頭盔顯示器（HMD）LEEP Systems Cyberface 2/3Polhemus Laboratories Looking GlassRPI HMSI(Head - Mounted Sensory Interface)Virtual Reality Group HMDVirtual Research Flight Helmet5.5.2 主要的市場(chǎng)產(chǎn)品 控制和接口設(shè)備

21、:VPL Data Glove（數(shù)據(jù)手套）Mattel Power Glove （動(dòng)力手套）Global 3D controller (三維定位器） Logitech 3D Mouse and Head Tracker（三維鼠標(biāo)、頭部跟蹤器）ISCAN Head - Mounted Eye Imaging System （視線跟蹤器）SENSible Technologies PHANToM（觸覺(jué)反饋設(shè)備）SGI公司虛擬現(xiàn)實(shí)中心 (Reality Center) CAVE仿真工作室 (Reality Studio) Onyx2 (8 CPU)仿真工作站 (Reality Station) On

22、yx2桌上型 仿真工作站(Reality Desktop)Octane 320 NT 工作站 SGI IRIS Performer 仿真開(kāi)發(fā)環(huán)境 SGI OpenGL Optimizer (Open Inventor) 仿真開(kāi)發(fā)環(huán)境 (中、低檔） SGI Fahrenheit (沸點(diǎn)）三維圖形接口庫(kù)( for Windows NT) MultiGen , Paradigm/ Vega 三維應(yīng)用建模軟件Anote AB公司公司專(zhuān)利技術(shù)專(zhuān)利技術(shù) 瑞典Anote AB公司在年代末開(kāi)發(fā)出了使用數(shù)碼筆的電腦輸入專(zhuān)利技術(shù) Anote 數(shù)碼紙和Anote 數(shù)碼筆。Anote 數(shù)碼紙 (一般紙) 紙上印刷了A

23、note 專(zhuān)利的核心技術(shù)Anote 微細(xì)點(diǎn)狀形坐標(biāo)。Anote 數(shù)碼筆 (普通的圓珠筆) 微型攝相頭：讀入筆尖高速書(shū)寫(xiě)的筆跡和Anote 數(shù)碼紙的微點(diǎn)坐標(biāo)； 微處理器：分析處理后通過(guò)蘭牙無(wú)線或USB等方法轉(zhuǎn)送到電腦或攜帶手機(jī)之中。 Anote 技術(shù)必將帶來(lái)新世紀(jì)的革命 人們只需用Anote 數(shù)碼筆在Anote 數(shù)碼紙上與平常一樣書(shū)寫(xiě)與記錄、就可以將信息簡(jiǎn)便的輸入電腦。這將給辦公室自動(dòng)化及信息產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新一輪的革命。軍 事航空航天計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 返回科學(xué)研究和計(jì)算的可視化 遠(yuǎn)程控制 在醫(yī)療上的應(yīng)用 教育、藝術(shù)以及娛樂(lè) 5.6 虛擬現(xiàn)實(shí)的主要應(yīng)用在軍事上，由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的軍事仿真已經(jīng)成為軍事訓(xùn)練

24、的主要手段，正如美國(guó)國(guó)防部和軍方所認(rèn)為的那樣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在武器系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)、武器操縱訓(xùn)練及指揮大規(guī)模軍事演習(xí)三方面發(fā)揮重大作用。為此，世界上許多國(guó)家制定有戰(zhàn)爭(zhēng)綜合演示計(jì)劃、防務(wù)仿真交互網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃、綜合戰(zhàn)役橋計(jì)劃、及虛擬座艙、衛(wèi)星塑造者等應(yīng)用環(huán)境，并在核武器試驗(yàn)及許多局部戰(zhàn)爭(zhēng)中進(jìn)行了應(yīng)用，不僅節(jié)省了大量的軍事費(fèi)用，更重要的是提高了現(xiàn)代化作戰(zhàn)指揮方面能力。如果更加具體的講，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以用于單兵訓(xùn)練、指揮員的訓(xùn)練、艦船、飛機(jī)、坦克等大型武器的操作訓(xùn)練等。軍 事在航空航天方面，美國(guó)宇航局是研究虛擬現(xiàn)實(shí)最早的單位和應(yīng)用者。宇宙飛船及各類(lèi)航空器是需耗費(fèi)巨資的現(xiàn)代化工具，而進(jìn)入宇宙有大量未知、危險(xiǎn)的因

25、素，因而模擬各種航空器可能遇到的環(huán)境，不僅可節(jié)省大量費(fèi)用，而且是十分必要的。虛擬風(fēng)洞就是一例。另外，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以進(jìn)行宇航員的各種訓(xùn)練，不僅可以提高訓(xùn)練水平，而且節(jié)省了大量經(jīng)費(fèi)。航空航天虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的重要手段之一。例如，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以設(shè)計(jì)出虛擬樣機(jī)、虛擬建筑物等，更加直觀有效地幫助修改和提供設(shè)計(jì)方案。在工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，往往需要反復(fù)構(gòu)思和設(shè)計(jì)，但用戶如果仍不滿意，可否在設(shè)計(jì)早期就給用戶一個(gè)逼真的產(chǎn)品樣機(jī)？ 例如，對(duì)于汽車(chē)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，裝配質(zhì)量是至關(guān)重要的。那么在實(shí)際裝配之前，人們可以在虛擬汽車(chē)上先進(jìn)行各種試驗(yàn)和訓(xùn)練，從而保證裝配質(zhì)量。美國(guó)波音公司為了提高飛機(jī)的設(shè)計(jì)水平

26、，曾由Butler設(shè)計(jì)了一個(gè)稱(chēng)為VS-X的虛擬飛機(jī)，它可使設(shè)計(jì)人員有身臨其境觀察飛機(jī)外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及布局的效果。另外，建筑設(shè)計(jì)師可在蓋樓前通過(guò)虛擬建筑物，讓用戶自己來(lái)觀察外形和內(nèi)部房間部位，也便于設(shè)計(jì)師修改設(shè)計(jì)，從而代替以前單純依靠圖紙或花費(fèi)大量資金進(jìn)行實(shí)物仿真工作。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 在醫(yī)學(xué)上，外科醫(yī)生的培訓(xùn)是一項(xiàng)投資大、時(shí)間長(zhǎng)的工作，這是因?yàn)椴荒茈S便讓實(shí)習(xí)醫(yī)生在病人身上動(dòng)手術(shù)?？墒遣挥H自動(dòng)手，又如何學(xué)會(huì)手術(shù)呢？虛擬手術(shù)臺(tái)已能部分模仿外科醫(yī)生的現(xiàn)場(chǎng)。同樣，提供模擬的人體器官，可讓學(xué)生逼真地觀察器官內(nèi)部的構(gòu)造和病灶，具有極高的實(shí)驗(yàn)價(jià)值。另外，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，還可以幫助醫(yī)生學(xué)習(xí)病人鑒別分類(lèi)和診斷、

27、應(yīng)對(duì)緊急情況下的病人救治。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還直接應(yīng)用到一些疾病的治療上，如前列腺觸診、內(nèi)窺鏡檢查、靜脈注射、開(kāi)放性手術(shù)、微創(chuàng)外科以及一些康復(fù)性治療。在醫(yī)療上的應(yīng)用 各種分子結(jié)構(gòu)模型、大壩應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果、地震石油勘探數(shù)據(jù)處理等，均十分需要三維（甚至多維）圖形可視化的顯示和交互瀏覽，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為科學(xué)研究探索微觀形態(tài)等提供了形象直觀的工具。用戶控制輸入設(shè)備，如跟蹤器、傳感手套等，指定要看的可視化數(shù)據(jù)和區(qū)域。這些輸入被送去進(jìn)行數(shù)據(jù)提取處理。數(shù)據(jù)提取處理把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖形，并發(fā)送到繪制硬件渲染著色，最后以可視的形式呈現(xiàn)給用戶?？傊?，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可視化，為科學(xué)研究和計(jì)算提供了巨大的便利條件?？茖W(xué)

28、研究和計(jì)算的可視化 虛擬現(xiàn)實(shí)可采用遙控手段，通過(guò)機(jī)械手、機(jī)器人對(duì)危險(xiǎn)或有毒環(huán)境進(jìn)行操作。當(dāng)遠(yuǎn)程控制一個(gè)機(jī)器人時(shí)，操作員在主臂上下達(dá)各種指令（位置、速度和力量）。這些命令被傳送到機(jī)器人，由機(jī)器人來(lái)完成操作并把信息反饋給操作員。如果這些指令可以實(shí)時(shí)傳輸，被機(jī)器人忠實(shí)地執(zhí)行，而且把來(lái)自遠(yuǎn)程任務(wù)的反饋信息正確地傳回給使用者，這個(gè)遙操作是透明的。一個(gè)具有豐富反饋信息（視頻反饋、聲音反饋和力反饋）的透明系統(tǒng)，可以讓用戶感覺(jué)似乎沉浸在遠(yuǎn)方的真實(shí)環(huán)境中，就像沉浸于虛擬環(huán)境中的感覺(jué)一樣。這也就是遠(yuǎn)程控制的重要作用。遠(yuǎn)程控制 這是向人們、尤其是青少年提供生動(dòng)的課堂和娛樂(lè)手段的好方法。它具有三維聲象效果、能進(jìn)行交互

29、操作的功能，因而已為商家們看好，紛紛開(kāi)發(fā)低檔虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品。在教育上，人們?cè)O(shè)計(jì)出虛擬教室、虛擬校園等。在藝術(shù)上，人們建造出虛擬博物館，使觀眾可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在家中就可以參觀博物館。另外，為了保護(hù)古代文化遺產(chǎn)，人們創(chuàng)建了虛擬文化遺產(chǎn)，用于文物的保護(hù)和研究。在娛樂(lè)行業(yè)中，人們利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)了大量的計(jì)算機(jī)游戲和主題公園，使娛樂(lè)方式更加逼真，更加吸引人。 教育、藝術(shù)以及娛樂(lè) 總 結(jié) 在虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中，人們主要考慮虛擬現(xiàn)實(shí)如下的適用特點(diǎn)：需要高成本制造的設(shè)備，如航天器，軍用設(shè)備等。對(duì)人有危險(xiǎn)的環(huán)境，如核試驗(yàn)、飛行訓(xùn)練等。受時(shí)間、空間的限制，人類(lèi)直接操縱比較困難，如顯微外科手術(shù)、遠(yuǎn)程教育等。目前尚未出現(xiàn)的環(huán)境，如建筑物、天體物理等。 本本 章章 總總 結(jié)結(jié) 本章重點(diǎn)介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念、發(fā)展歷史、關(guān)鍵技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)的制作方法、虛擬現(xiàn)實(shí)的主要設(shè)備和產(chǎn)品以及虛擬現(xiàn)實(shí)的主要應(yīng)用等，從而對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有一個(gè)全面的了解，為今后進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和研究打下基礎(chǔ)。本章所概述的內(nèi)容將在后續(xù)章節(jié)中將詳細(xì)講解有關(guān)內(nèi)容。