《虛擬現(xiàn)實技術(shù)》PPT課件.ppt

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1、虛擬現(xiàn)實技術(shù),鄧海鷹,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特點及組成,1,發(fā)展歷程,2,立體視覺的生成與獲取,3,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,4,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類,5,增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù),6,目 錄,CONTENTS,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特點及組成,1,發(fā)展歷程,2,立體視覺的生成與獲取,3,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,4,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類,5,增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù),6,目 錄,CONTENTS,4,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特點及組成,虛擬現(xiàn)實技術(shù)綜合圖形、圖像、聲音、手勢、語音等要素，試圖給計算機(jī)使用者創(chuàng)造一種全新的感官體驗，使其具有置身于真實世界的感覺 “虛擬環(huán)境是使人們具有沉浸感的由計算機(jī)生成的、交互的、三維的環(huán)境” - Aukstakalnis S a

2、nd Blatner D.,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特點及組成,1計算機(jī)提供“環(huán)境“, 不是“數(shù)據(jù), 信息“。這改變了人機(jī)接口的內(nèi)容。 2操作者由視覺,聽覺,力覺感知環(huán)境, 由自然的動作操作環(huán)境, 不是由屏幕,鍵盤,鼠標(biāo)和計算機(jī)交互。這改變了人機(jī)接口的形式。 3逼真的感知和自然的動作，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺。這改變了人機(jī)接口的效果。,6,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特點及組成,主要特點 沉浸感 如同置身于真實環(huán)境中：三維、立體、多通道 高交互性 可采取現(xiàn)實生活中習(xí)以為常的方式來操縱虛擬環(huán)境中的物體 實時性 依視點位置和視線方向?qū)崟r地改變畫面，并實時產(chǎn)生聽覺、觸覺/力覺響應(yīng),虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)有5個關(guān)鍵成

3、分：虛擬世界、虛擬現(xiàn)實軟件、計算機(jī)、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。 虛擬世界是可交互的虛擬環(huán)境，它一般是一個包含三維模型或者環(huán)境所定義的數(shù)據(jù)庫。 虛擬現(xiàn)實軟件提供實時觀察和參與虛擬世界的能力。 輸入設(shè)備可用于觀察和構(gòu)造虛擬世界，包括鼠標(biāo)、游戲桿和定位跟蹤器等，輸出設(shè)備顯示當(dāng)前虛擬世界視圖，包括顯示器和頭盔等,8,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特點及組成,典型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成 計算機(jī)系統(tǒng) 用戶 虛擬環(huán)境人機(jī)界面,9,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特點及組成,基于HMD的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特點及組成,1,發(fā)展歷程,2,立體視覺的生成與獲取,3,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,4,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類,5,增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù),6,目 錄,CON

4、TENTS,發(fā)展歷程,1、1961年，Morton Heilig的設(shè)想-體驗劇場（Sensorama），以布魯克林街道為背景，模擬漫步的感受-先驅(qū)者 2、1965年，計算圖形學(xué)之父Ivan Sutherland發(fā)表論文“終極的顯示”，提出“應(yīng)將計算的顯示屏進(jìn)化為觀看虛擬世界的窗口” 3、次年，他開始研制第一個頭盔顯示器1970年，在猶他大學(xué)成功演示了它的功能。,4、70-80年代，美國軍方投巨資研究“飛行頭盔”和其他軍用仿真器，成為虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的主要推動力。 5、1981年，美國國家航空和宇宙航行（NASA）制作了當(dāng)時最先進(jìn)的液晶顯示器頭盔。 6、80年代中期，J.Zimmermn 和Ja

5、ron.Lanier發(fā)明了數(shù)據(jù)手套。 1989年組建VPL Research公司,發(fā)展歷程,發(fā)展歷程,7、同年Jaron Lanier在文章中正式使用虛擬現(xiàn)實這一術(shù)語。 8、其他成就：用計算機(jī)生成的圖形代替了攝制圖像，并開始設(shè)計場景生成器-圖形加速卡,發(fā)展歷程,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特點及組成,1,發(fā)展歷程,2,立體視覺的生成與獲取,3,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,4,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類,5,增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù),6,目 錄,CONTENTS,16,立體視覺的生成與獲取,產(chǎn)生沉浸感的至關(guān)重要的因素 立體圖像與觀察者視點和視線方向一致 實時生成 人類立體視覺的產(chǎn)生,立體視覺的生成與獲取,立體圖像生成的照相機(jī)模型 對稱透視

6、投影成像相機(jī)模型 位置 方向,17,立體視覺的生成與獲取,立體圖像生成的照相機(jī)模型 對稱透視投影成像相機(jī)模型 （cont.) 寬高比 視角,18,19,立體視覺的生成與獲取,立體圖像生成的照相機(jī)模型 對稱透視投影成像相機(jī)模型 （cont.) 近裁剪平面距離與遠(yuǎn)裁剪平面距離,20,立體視覺的生成與獲取,立體圖像生成的照相機(jī)模型 對稱透視投影成像相機(jī)模型 （cont.) 焦距,21,立體視覺的生成與獲取,立體圖像生成的照相機(jī)模型 對稱透視投影成像相機(jī)模型 （cont.) 左右眼視差（Parallax） 為生成立體圖像，計算機(jī)必須針對同一場景生成兩幅不同的圖像 分別按照觀察者左、右眼的位置實時繪制,

7、22,立體視覺的生成與獲取,立體視覺的捕獲 必須借助于一定的觀察設(shè)備，使計算機(jī)生成的左、右眼圖像分別為觀察者的左、右眼所接收 常用的立體視覺設(shè)備 HMD 立體眼鏡,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特點及組成,1,發(fā)展歷程,2,立體視覺的生成與獲取,3,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,4,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類,5,增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù),6,目 錄,CONTENTS,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,輸入設(shè)備： 常見的輸入設(shè)備有三維位置跟蹤器、傳感手套、三維鼠標(biāo)等,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,位置跟蹤器：許多應(yīng)用如機(jī)器人、建筑設(shè)計、CAD等要求實時獲知移動物體的位置和方向。在3D空間中移動對象共有三個平移參數(shù)和三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)，這些參數(shù)的測量結(jié)果組成了一個六維的數(shù)據(jù)集

8、，用于確定使用者的位置。 傳感手套：數(shù)據(jù)手套是虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的主要交互設(shè)備，作為虛擬的手或控件用于3D虛擬場景的模擬交互，可進(jìn)行物體抓取、移動、裝配、操縱、控制、具備有線和無線、左手和右手之分。,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,三維掃描儀：是一種先進(jìn)的三維模型建立設(shè)備，該設(shè)備利用CCD成像、激光掃描燈手段實現(xiàn)物體模型的取樣，同時通過配套的矢量化軟件對三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化從而實現(xiàn)計算機(jī)系統(tǒng)對數(shù)字模型的控制，特別適合于建立一些不規(guī)則三維物體模型的工作中。,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,三維鼠標(biāo)：用戶可用手持三維鼠標(biāo)操縱三維圖形界面。鼠標(biāo)有各種按鍵，系統(tǒng)不停地采用各按鍵的狀態(tài)，并向?qū)崟r操作系統(tǒng)發(fā)出信號，以控制虛擬環(huán)境的前、后

9、運動。,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,輸出設(shè)備： 常見的輸出設(shè)備有立體顯示設(shè)備、聲音生成設(shè)備及觸覺力反饋設(shè)備。立體顯示設(shè)備：頭盔顯示器、立體眼鏡、球面投影儀、3D顯示器,29,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,WIMP交互范式已不再適用 Windows，Icons，Menus，Pointing devices 用戶將通過一系列新的交互手段，與虛擬世界中的物體進(jìn)行直接的、三維的交互 三維鼠標(biāo) WAND 數(shù)據(jù)手套 麥克風(fēng) ,30,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,三維定位跟蹤設(shè)備 用于跟蹤用戶當(dāng)前方位的傳感器 大多數(shù)具有6自由度（6-DOF） 位置和方向各3自由度 佩戴于用戶身體的某些部位可對相應(yīng)部位進(jìn)行跟蹤 一般采用電磁技術(shù)、超聲技術(shù)、光

10、學(xué)技術(shù)，也有基于慣性的和純機(jī)械方式的,31,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,三維定位跟蹤設(shè)備 電磁式跟蹤器示例,32,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,三維定位跟蹤設(shè)備 Logitech超聲三維鼠標(biāo),33,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,三維定位跟蹤設(shè)備 光學(xué)跟蹤器,34,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,手持式交互設(shè)備 Wand/Wanda 美國Illonis大學(xué)EVL實驗室開發(fā) 主要用于CAVE、ImmersaDesk等虛擬環(huán)境中 類似于三維鼠標(biāo)，上有三個按鍵和一個操縱桿（Joystick）,35,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,手持式交互設(shè)備 Wii Remote 任天堂游戲主機(jī)Wii的主要控制器 外形及按鈕操作與電視遙控器類似 可握持在手中，特別適合于指向、

11、揮動等操作,36,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,數(shù)據(jù)手套 附有傳感器，分布在手掌和手指的關(guān)節(jié)處，以獲取用戶手形的準(zhǔn)確信息 傳感有電磁式、機(jī)械式或光學(xué)式 傳感器捕獲的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)，用于控制虛擬手的運動,37,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,數(shù)據(jù)手套傳感器的典型配置,22-dof,38,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,數(shù)據(jù)手套示例 Immersion數(shù)據(jù)手套產(chǎn)品 http:/ PinchGlove數(shù)據(jù)手套 http:/,40,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,數(shù)據(jù)手套示例 5DT數(shù)據(jù)手套 http:/ Phantom http:/ 硬件接口 標(biāo)準(zhǔn)的串行設(shè)備接口（即RS-232） 并行口 其它接口（如USB或無線通訊接口） 軟件接口 幾乎每一

12、種設(shè)備均未采用標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口 使用各自獨有的接口控制協(xié)議或命令指令集,43,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,交互設(shè)備的軟件支持 軟件供應(yīng)商必須為每一硬件供應(yīng)商的輸入設(shè)備單獨設(shè)計應(yīng)用接口驅(qū)動程序 虛擬現(xiàn)實軟件間的區(qū)別（就交互設(shè)備而言） 所能支持的輸入設(shè)備的多少 設(shè)備與各自系統(tǒng)的集成方式 是否有能力進(jìn)行擴(kuò)充以支持新的交互設(shè)備,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特點及組成,1,發(fā)展歷程,2,立體視覺的生成與獲取,3,虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備,4,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類,5,增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù),6,目 錄,CONTENTS,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類,VR系統(tǒng)的主要不同之處在于系統(tǒng)與用戶之間界面 基于系統(tǒng)與用戶界面劃分 桌面型VR系統(tǒng) 頭盔型VR系統(tǒng) 基于投影

13、顯示的VR系統(tǒng) 遙在系統(tǒng) ,45,46,桌面型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),采用計算機(jī)屏幕作為立體顯示載體 輔以一定的聲音輸出設(shè)備、三維交互設(shè)備和立體眼鏡等 傳統(tǒng)計算機(jī)圖形學(xué)的自然擴(kuò)展 具有好的性價比，但沉浸感略差,47,基于HMD的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),利用HMD等設(shè)備把用戶的視覺、聽覺對外界封閉起來 用戶完全投入到虛擬環(huán)境中 能提供好的沉浸感 阻斷了人與人間的交流,48,基于投影顯示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),利用大規(guī)模投影顯示設(shè)備讓用戶完全或部分融入虛擬環(huán)境 沉浸式 典型代表：CAVE 半沉浸式 典型代表：Workbench,49,基于投影顯示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),CAVE (沉浸式) 美國Illonis大學(xué)EVL實驗室首創(chuàng) 由

14、36個投影屏幕組成正方體形狀 計算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生立體圖像，經(jīng)投影儀分別投射到對應(yīng)的屏幕上 用戶戴著立體眼鏡站于CAVE的內(nèi)部 立體眼鏡上附有6-DOF跟蹤設(shè)備對用戶頭部運動進(jìn)行實時跟蹤 聲音系統(tǒng),50,基于投影顯示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),CAVE示意圖,51,基于投影顯示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),CAVE示例,52,基于投影顯示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),Virtual WorkbenchTM (半沉浸式),衛(wèi)星虛擬裝配,53,遙在系統(tǒng),將現(xiàn)實世界中遠(yuǎn)程場景與操作人員的感官直接連通，讓用戶感覺就像親臨現(xiàn)場一樣 利用計算機(jī)圖形、人機(jī)交互、傳感器、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù) 遠(yuǎn)程傳感器可安裝在機(jī)器人身上 機(jī)器人身上有小型攝像系統(tǒng) 需感知用戶位置、動作、語音等，將其傳送到遠(yuǎn)程操控遠(yuǎn)程對象 用戶與遠(yuǎn)程對象進(jìn)行信息雙向交流,54,遙在系統(tǒng),示例： Cisco遠(yuǎn)程電話會議系統(tǒng),http:/ 錄,CONTENTS,56,增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù),將計算機(jī)生成的圖形與用戶在真實物理世界獲取的視覺信息組合在一起 使用戶產(chǎn)生全新的體驗，提高對現(xiàn)實世界中的事物和物理現(xiàn)象的洞察力 終極目標(biāo)：用戶感覺不到現(xiàn)實世界中的真實物體與用于增強(qiáng)視覺信息的虛擬物體之間的差別,57,增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù),Milgrim的現(xiàn)實-虛擬連續(xù)流,