十六讲虚拟现实.ppt

虚拟现实〔VR〕;1961年，美国科学家海里戈提出了构建虚拟布鲁克林城的设想，他希望观众可以通过他设计的系统体验漫步在布鲁克林城市街道上的感受。是最早看到虚拟现实技术前景的人。;虚拟现实的概念来自萨瑟兰的“终极显示”。

1965年，萨瑟兰在一篇论文中提出了“终极显示”的概念：认为可以把计算机显示器作为通往虚拟世界的窗口。

对于这个概念，他是这样描述的：“通过这个窗口，人们可以看到一个虚拟的世界，富有挑战性的工作是怎样使那个虚拟世界看起来更加真实，在其中行动真实，听起来真实，感觉就像真实世界一样。”萨瑟兰的设想是计算机构建一个虚拟的物理世界，观众可以与其进行交互。;后来到哈佛大学继续进行虚拟显示技术研究。1966年，他和他的学生鲍勃.斯普劳尔为波奇公司开发了世界上第一台数据头盔显示器。在这中双目并用的头盔上，图片被直接安装在眼睛前面的显示器上，当观众从这个头盔显示器中看到从楼顶上拍摄的地面照片时，显示了恐惧和惊慌。这个实验证明了仅利用双眼就可以实现沉浸的效应。;20世纪80年代以后，虚拟显示技术得到了长足的开展，加州大学伯克利分校的麦克.利威在萨瑟兰创造的3D虚拟空间的根底上继续创新，利用精巧的液晶显示器取代了笨重的阴极射线管显示器，同时它还创造了精确的头部定位装置。;更加重要的创造出现在1984年，美国国家航空航天局艾米斯研究中心的科学家们利用晶体管集成电路系统设计了可携带的小型立体眼镜，“艾米斯虚拟工作站”方案将这一新创造的立体眼镜连接在高性能的计算机上，这样观众就可以通过它进入虚拟世界。;同时，斯坦福医学院的学生汤姆.奇摩尔曼创造了一种可以精确跟踪并反响手部动作的“数据手套”，他在手套的关节处放上了小型的感应器，当移动手指时，计算机便可以获取手指动作的信息。和数据头盔相比，数据手套显示了较高的准确性和灵活性。;20世纪80年代，美国VPL公司创立人亚伦.拉尼尔提出。

虚拟现实技术通常是指利用计算机建模技术、空间、声音、视觉跟踪技术等综合技术生成的集视、听、触觉为一体的交互式虚拟环境。

在这样的虚拟空??中，参与者可借助数据头盔显示器、数据手套、数据衣等设备与计算机进行交互，得到和真实世界极其相近的体验。;〔1〕虚拟世界生成设备

虚拟世界生成设备无疑可以是一台或多台高性能计算机。通常又可分为基于高性能个人计算机、基于高性能图形工作站和基于分布式异构计算机的虚拟现实系统三大类。

后两类用于沉浸式虚拟现实系统，而基于PC机的虚拟现实系统通常为非沉浸式系统。

虚拟现实所用的计算机是带有图形加速器和多条图形输出流水线的所谓高性能图形计算机。这是因为三维高真实感场景的生成与显示在虚拟现实系统中具有头等重要的地位。;虚拟世界生成设备的主要功能包括：

①视觉通道信号生成与显示——三维高真实感图形建模与实时绘制。

②听觉通道信号生成与显示——三维真实感声音生成与播放。所谓三维真实感声音是具有动态方位感、距离感和三维空间效应的声音。

③触觉与力觉通信信号与显示——皮肤感知的触摸，温度、压力、纹理信号以及肌肉、失节、腱等感知的力信号的建模与反响。

④支持实时人机交互操作的功能——三维空间定位、碰撞检测、语音识别以及人机实时对话功能。;〔2〕感知设备

感知设备是指将虚拟世界各类感知模型转变为人能接受的多通道刺激信号的设备。感知包括视、听、触〔力〕、嗅、味觉等多种通道。然而，成熟和相对成熟的感知信息产生和检测的技术，仅有视觉、听觉和力觉三种通道。

①视觉感知设备——立体宽视场图形显示器。立体宽视场图形显示器可分为沉浸式和非沉浸式两大类。

②听觉感知设备——三维真实感声音的播放设备。常用的有耳机式、双扬声器组和多扬声器组三种。通常由专用声卡将单通道声源信号处理成具有双耳效应的真实感声音。

③触觉〔力觉〕感知设备——触觉〔力觉〕反响装置。触觉和力觉实际是两种不同的感知。触觉包含的感知内容更丰富一些，例如应包含一般的接触感〔类似于“摸到了一个面”的感觉〕，进一步应包含感知材料的质感〔布料、海绵、橡胶、木材、金属、石料等等〕，纹理感〔平滑、粗糙程度等〕以及温度感等。力觉感知设备要求能反响力的大小和方向，与触觉反响装置相比，力反响装置相对较成熟一些。;〔3〕跟踪设备

跟踪设备是跟踪并检测位置和方位的装置，用于虚拟现实系统中基于自然方式的人机交互操作。目前，先进的跟踪定位系统可用于动态记录人体运动。

最常用的跟踪设备有基于机械臂原理、磁传感器原理、超声传感器原理和光传感器原理四种。

除机械臂式定位跟踪器以外，其它三种跟踪器都由一个〔或多个〕信号发射器以及数个接收器组成，发射器安装在虚拟现实系统中某个固定位置，接收器安装在被跟踪的部位。如安装在头部，通