信息技术 ——江萍

第一讲 虚拟现实技术及应用概述 一、虚拟现实概述 虚拟现实 (virtual reality) 虚拟现实系统的技术特征 第一讲 虚拟现实技术及应用概述 一、虚拟现实概述 虚拟现实 (virtual reality) 虚拟现实 (virtual reality) 简称 VR， 是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟世界是全体虚拟环境或给定仿真对象的全体，虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听及触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真。 虚拟现实系统的技术特征 一个虚拟现实系统， 可以形象地用一个“ 3 I ”图加以描述。它们分别是 Immersion-Interaction-Imagination (沉浸 -交互 -构想 )的缩写。

Immersion Imagination Interaction 沉浸 （Immersion） VR系统的核心，表示用户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力，用户在虚拟场景中有身临其境之感。 交互性 （Interaction）用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力，它是人机和谐的关键性因素。交互性包含对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度，以及虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等。VR 是自主参考系，即以用户的视点变化进行虚拟交换。 构想 （Imagination） VR不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。因此 ，VR是启发人的创造性思维的活动。 Immersion Imagination Interaction 图1-1、虚拟现实特征—3I图

虚拟现实系统的分类 按显示方式的不同可以分为桌面式、大屏幕和头盔式等。 虚拟现实系统的分类 按显示方式的不同可以分为桌面式、大屏幕和头盔式等。 桌面式　以计算机显示器或其它台式显示器的屏幕为虚拟环境的显示装置 ,其特点是虚拟系统视野小 ,沉浸感差 ,但成本与制作要求低 ,易普及和实现。 大屏幕式　针对桌面式虚拟系统视野小和虚拟效果不甚理想的缺点 ,人们研制出大屏幕 VR系统 ,它包括弧形宽屏幕、360°环形屏幕甚至全封闭的半球形屏幕。这种大视野的虚拟环境较好地把观察者与现实环境隔离开来，使人和环境完全融合 ,虚拟效果接近完美。但是，该虚拟方式的实现技术非常复杂，开发和运行费用相当高，通常只为特殊用途而专门开发研制。 虚拟现实 系统 桌面式 虚拟系统 大屏幕 虚拟系统 头盔式 虚拟系统 图1-2、虚拟现实系统的分类

头盔式　是对上述 2种系统的折中。它将观察景物的屏幕接近到观察者眼前，这样便大大扩展了观察者的视角，而头盔又把观察者与周围的现实环境隔离开来，反过来增加了身临其境的效果。另外，在头盔上安装立体声和一些控制装置，更加增强它的沉浸感。目前，头盔式显示器是人们研究的最主要的虚拟环境显示系统。

虚拟现实系统的构成 用 户 控 制 虚拟世界 3D 模型 传 感 器 检测 反馈 现实世界 建模模块 无论哪种 VR系统，其系统构成都可以划分为以下 6个功能模块： 用 户 控 制 虚拟世界 3D 模型 传 感 器 检测 反馈 现实世界 建模模块 图1-3、虚拟现实系统的构成

检测模块 检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟 环境。 反馈模块 接受来自传感器模块的信息，为用户提供实时反馈。 传感器模块 一方面接受来自用户的操作命令，将其作用于虚拟环境，另一方面将操作后产生的结果以相应的反馈形式提供给用户。 控制模块 对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。 3 D模型库 现实世界各组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。 建模模块 获取现实世界各组成部分的三维数据，并建立它们的三维模型。

在虚拟现实系统中，为了使人与计算机能够融洽的交互，让人沉浸到计算机所创造的虚拟环境中去，必须配备相应的硬件设备。常用的交互设备包括： 二、虚拟现实系统的硬件 在虚拟现实系统中，为了使人与计算机能够融洽的交互，让人沉浸到计算机所创造的虚拟环境中去，必须配备相应的硬件设备。常用的交互设备包括： 跟踪系统 跟踪系统的任务是要实时检测出虚拟现实系统中人的头、身体和手的位置与指向，以便把这些数据反馈给控制系统，生成随视线变化的图象。 电磁跟踪　电磁跟踪系统由励磁源、磁接收器和计算模块组成。励磁源由 3个磁场方向相互垂直的交流电流产生的双极磁源构成，磁接收器由3套分别测试3个励磁源的方向上相互垂直的线圈组成，经3次测量，可以测得9个数据，由此可确定被测目标的6个参数，即空间坐标 x、y、z和旋转角α、β、γ。

发射 接收

声学跟踪　利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差及声压差，可以进行定位与跟踪。与电磁跟踪法相似，超声波式传感器也有发射器、接收器和电子部件组成。实现声音的位置跟踪，可以采用声波飞行时间测量法和相位相干测量法。 光学跟踪　光学跟踪系统使用从普通的视频摄像机到 x-y平面光敏二极管的阵列，利用周围光或者由位置器控制的光源发出的光在图象投影平面不同时刻或不同位置上的投影，计算得到被跟踪对象的方位。光学跟踪系统可以被描述为固定的传感器或者图象处理器。 触觉（力觉）系统 在虚拟现实系统中，产生“沉浸”效果的关键因素是用户能用手或身体的其他能动部分去操作虚拟物体，并在操作同时能够感觉到虚拟物体的反作用力。力学反馈手套是最常用的触觉系统，它使用 2只手套，在第一只手套的下部安装20个压敏元件，当戴上手套时，用户感觉到压敏元件随着手的用力产生的阻力 ,压敏元件输出经模数转换后 ,传送给主机处理。第二只手套有20个空气室，由20个空气泵来控制膨胀和收缩，从而对用户施加力感。

在 VR环境中，图象生成和显示系统的工作主要包括 3个步骤 : 音频系统 听觉系统由语音与音响合成设备、识别设备和声源定位设备所构成，通过听觉通道提供的辅助信息可以加强用户对环境的感知。为了能产生逼真的环境音，人们已开始尝试使用 4声道系统，采用空间声音合成方法，通过由不同方向到达左、右耳道的声音测试得到响应。 图象生成和显示系统 在 VR环境中，图象生成和显示系统的工作主要包括 3个步骤 : 计算生成真实感的图形 ,其图形具有颜色、光照、立体感和运动感。 计算生成或直接从图象库中取得已经压缩且有真实感的背景图象。 经过扫描变换将图形和背景图象统一安排在同一坐标系中。