第一章 虚拟现实技术概论_虚拟现实(virtual reality),简称____技术,也称____。利用____或____创-程序员宅基地

技术标签: 虚拟现实与增强现实技术概论  增强现实  虚拟现实  

1.1 虚拟现实技术的基本概念

1.1.1 虚拟现实技术定义

VR:虚拟现实(Virtual Reality),简称VR技术,也称人工环境。利用电脑或其他智能计算设备模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让用户如同身历其境一般。

AR:增强现实技术(Augmented Reality,简称 AR),是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术,这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。

狭义:把虚拟现实看成一种具有人机交互特征的人机界面(人机交互方式),即可以称之为“自然人机界面”。

广义:把虚拟现实看成对虚拟想象(三维可视化)或真实三维世界的模拟。

1.1.2 虚拟现实技术的特征

沉浸感、交互性、想象力

1. 沉浸感: 沉浸感是虚拟现实最终实现的目标,其他两者是实现这一目标的基础,三者之间是过程和结果的关系。

2. 交互性:虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互,使用者不仅可以利用计算机键盘、鼠标进行交互,而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。

3. 想象力:由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置,因此,使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知,从而达到身临其境的感受。

虚拟现实的四要素包括:虚拟世界、沉浸(身体和精神沉浸)、感觉反馈和交互性。

1.1.3 虚拟现实系统的组成

观察者、传感器、效果产生器及实景仿真器。

1. 效果产生器:效果产生器 (Effects Generator)完成人与虚拟境界硬件交互的接口装置,包括能产生沉浸感的各类输出装置,以及能测定视线方向和手指动作的输入装置。输入设备是虚拟现实系统的输入接口,其功能是检测用户输入信号,并通过传感器输入到计算机。输出设备是虚拟现实系统的输出接口,是对输入的反馈,其功能是由计算机生产信息通过传感器发送给输出设备。

2. 实景仿真器:实景仿真器(Visual Emulator)是虚拟现实系统的核心部分,是VR的引擎,由计算机软件、硬件系统、软件配套硬件(如图形加速卡和声卡等)组成,接收(发出)效果产生器所产生(接受)的信号。

3. 应用系统:应用系统(Application)是面向具体问题的软件部分,用以描述仿真的具体内容,包括仿真的动态逻辑、结构及仿真对象之间和仿真对象与用户之间的交互关系。

4. 几何构造系统:几何构造系统(Geometrical Structural System)提供了描述仿真对象的物理特性(外形、颜色、位置)的信息。

1.1.4 虚拟现实的关键技术

实物虚化、虚物实化、高性能计算处理技术

虚拟现实主要基于以下几种技术实现:

  • 基本模型构建技术。
  • 空间跟踪技术。
  • 声音跟踪技术。
  • 视觉跟踪与视点感应技术。
  • 计算处理技术。

虚拟现实的核心技术主要包括以下几个方面:

  • 环境建模技术。
  • 人机交互技术。
  • 立体显示和传感器技术。
  • 应用系统开发工具。
  • 系统集成技术 。

1.2 虚拟现实系统的分类

沉浸式虚拟现实系统、增强现实型的虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。

1. 沉浸式虚拟现实系统

沉浸式虚拟现实系统的特点 :(1)具有高度的实时性。 (2)高度沉浸感。 (3)具有强大的软硬件支持。 (4)并行处理能力。 (5)良好的系统整合性。

沉浸式虚拟现实系统的类型 (1)头盔式虚拟现实系统。 (2)洞穴式虚拟现实系统。 (3)座舱式虚拟现实系统。 (4)投影式虚拟现实系统。 (5)远程存在系统。

2.增强虚拟现实系统

常见的增强现实系统(Augmented VR)主要包括: (1)台式图形显示器系统。 (2)基于单眼显示器系统。 (3)基于光学透视式头盔显示器系统。 (4)基于视频透视式头盔显示器系统。

3.桌面式虚拟现实系统

常见桌面虚拟现实技术有: (1)基于静态图像的虚拟现实Quick Time VR。 (2)虚拟现实造型语言(Virtual Reality Modeling Language,VRML)等。

4. 分布式虚拟现实系统

分布式虚拟现实系统具有的特征 (1)共享的虚拟工作空间。 (2)伪实体的行为真实感。 (3)支持实时交互,共享时钟。 (4)多用户相互通信。 (5)资源共享并允许网络上的用户对环境中的对象进行自然操作和观察。

分布式虚拟现实系统的设计和实现应该考虑的因素 (1)网络宽带的发展和现状。 (2)先进的硬件和软件设备。 (3)分布机制。 (4)可靠性。

1.3 虚拟现实技术的主要研究对象

 虚拟现实的研究都是围绕以下5个基本问题展开:

  • 虚拟环境表示的准确性。
  • 虚拟环境感知信息合成的真实性。
  • 人与虚拟环境交互的自然性。
  • 实时显示问题。
  • 图形生成问题。

1.4 虚拟现实技术的应用

VR的应用范围很广,诸如国防、建筑设计、工业设计、培训、医学领域等。Helsel与Doherty早在1993年就对全世界范围内已经进行的805项VR研究项目做了统计,结果表明:VR技术在娱乐、教育及艺术方面的应用占据主流,达21.4%,其次是军事与航空方面达12.7%,医学方面达6.13%,机器人方面占6.21%,商业方面占4.96%;另外,在可视化计算、制造业等方面也有相当的比重。

1.5 虚拟现实技术的发展和现状

1.5.1 发展历程 

虚拟现实技术的发展和应用基本上可以分为3个阶段:

  • 第1阶段:20世纪50年代到70年代,属于准备阶段;
  • 第2阶段:20世纪80年代初到80年代,是虚拟现实技术走出实验室,进入实际应用阶段;
  • 第3阶段:从20世纪90年代初至今,是虚拟现实技术全面发展时期。

1.5.2 研究现状

VR技术领域几乎是所有发达国家都在大力研究的前沿领域,它的发展速度非常迅猛。基于VR技术的研究主要有VR技术与VR应用两大类。        

在国外,VR技术研究方面发展较好的有美国、德国、英国、日本、韩国等国家;        

在国内,浙江大学、北京航空航天大学等单位在VR方面的研究工作开展得比较早,成果也较多。

1.5.3 发展趋势

纵观VR的发展历程,未来VR技术的研究仍将延续“低成本、高性能”原则,从软件、硬件两方面展开,发展方向主要归纳如下:

  • 动态环境建模技术
  • 实时三维图形生成和显示技术
  • 新型交互设备的研制
  • 智能化语音虚拟现实建模
  • 分布式虚拟现实技术的展望
  • “屏幕”时代的终结

 

 

(读书笔记摘自《虚拟现实与增强现实技术概论》)

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