可视化显示设备为了生成一个具有沉浸感的虚拟现实环境.ppt

可视化显示设备 为了生成一个具有沉浸感的虚拟现实环境，必须集成上述 4种技术。头盔式显示器 HMD(Head Mounted Display)是该项技术的结晶，它不仅综合了上述技术的精华，而且还结合人类对视觉感知的生理特点。其显示屏幕被设置在一个特制头盔的前部，把计算机生成的图象分别送到头盔显示器的2个屏幕，以产生一幅立体图象，且当人的头或身体转动时，计算机图象生成系统送出相应的图象也跟着发生变化。,三、虚拟现实系统软件,一个较为成功的 VR环境是极其复杂的 ,必须是面向对象和实时的，具有内在的灵活性和可移植性，对软件开发环境提出较高的要求。 虚拟环境软件开发环境 桌面虚拟环境系统 VRT 桌面虚拟环境系统 VRT主要包括 3个功能模块，即形状编辑器、世界编辑器和可视化器。形状编辑器用于生成虚拟环境中的对象，世界编辑器用于将这些对象与在虚拟环境中的运动和行为联系起来，可视化器用于形成一个应用的运行系统。 VPL的 RB2系统 RB2 ( reality built for two ) 是一套完备的虚拟环境原型系统，利用它可以快速构建评测用的虚拟环境，它是第一个实用的 VR环境系统。 SGI的 VR开发平台 该平台是 SGI公司研制的一系列适于虚拟环境的图形平台，它将虚拟世界产生系统与各种外围设备集成在一起。其中 SGI的 Sky Writer和现实引擎 ( reality engine ) 支持 “ 窗口输出 ” 、Unix 计算和高级图形操作，支持数据库开发、任务规划、任务预演和映象。,虚拟现实环境的编程软件 目前有关虚拟现实环境的编程软件很多，其中具有代表性的包括 : Open GL(open graphics library) 使用专用图形处理硬件的软件接口，它有几百个过程与函数组成，支持用户使用高质量三维对象的图形和图象。 VRML(Virtual Reality Modeling Language) 虚拟现实建模语言，是超文本语言 (HTML)的三维模拟，它使用 VRML浏览器能读懂 ASCII文本格式来描述世界和链接。 VRML不仅可以用来建立真实世界场景的模型，也可以建立虚构的二维和三维世界，VRML是建立和体验一个虚拟新世界的通信媒介 。,四、虚拟现实理论及实现,虚拟现实是计算机科学和信息科学的交叉和融合，建立一个虚拟现实系统需要包括计算机图形学、图象处理和模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、多信息融合技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等学科的理论。 虚拟现实技术实现目标 VR技术的目标就是要在人和计算机之间建立一个适人化的多维信息空间，在该空间中，信息处理工具是虚拟现实环境 (系统 )，人与虚拟现实系统是通过各种先进的传感器和作用器发生联系，人们可以按照自己习惯的方式与虚拟环境自由交互，人们以往的经验和体验 (全部的感性知识和理性知识 )都是理解问题、寻求解答和提出新概念的基础。 虚拟环境及对象构造 虚拟现实系统的最大特点是要用户具有沉浸感、交互感以及能产生构想，构造一个虚拟现实系统必须考虑人们对虚拟环境的感知，即视觉感知、听觉感知、记忆及认知等。,视觉感知和视景生成 人类视觉感知系统是由眼睛和视觉神经构成，眼睛结构和照相机相似，作用像光电转换器和信息编码器。视觉神经系统作用像信息网络，人的视觉感知由视网膜图像差、运动视差及色彩感知等部分组成。虚拟现实系统中视景生成有基于图形和图像的虚拟现实环境生成技术。 听觉感知与听觉生成 对听觉感知研究表明，人的听觉系统由外耳、中耳和内耳组成。外耳负责定向收集声波，中耳负责保护内耳，并将外耳收集到的声音传送给内耳，内耳负责保护放大、滤波和提取声音特征，然后传送给大脑。为了产生虚拟现实环境中的声音，人们采用了空间声音合成方法，即利用对应被测试耳廓的冲击响应滤波器的声音信号的直接卷积。 记忆与认知 人的记忆由短期和长期记忆构成，短期记忆容量为 5 9个存储单位，若不及时更新，短期记忆的信息会在 2 0 ms内消失，必须不断刷新。长期记忆几乎有无限容量，人的认知过程，是一个优化安排短期记忆存储器的使用和有效检索长期记忆的过程。,虚拟环境系统设计方法 虚拟环境是一个相当复杂的系统，只能采用当今最为先进的面向对象技术和面向智能体技术作为虚拟环境的系统设计方法，才能满足开发虚拟环境的要求。 面向对象技术 面向对象的技术领域已涉及面向对象设计 ( OOD ) 、面向对象语言 ( OOL ) 、面向对象数据库 ( OODB ) 、面向对象智能程序设计 ( OOIP )和面向对象的体系结构 ( OOA ) 。在面向对象系统观中，构成系统的基本部分是对象。 面向智能体技术 在面向智能体的方法中，人们使目前的“对象”能够进化得更聪明些，即 “ 聪明的对象(Agent) ” = “ 知识表示结构 +处理方法 ” 。面向智能体程序设计 ( AOP ) 是一种以计算的社会观为基础的新型程序设计风范，它以 Agent的设计与构造作为程序设计核心。,五、虚拟现实技术应用,虚拟现实的概念从提出到现在仅 3 0多年，但它在许多领域取得了举世瞩目的成果。 航天领域应用 航天员训练器 利用虚拟训练系统对航天员进行失重心理训练，使其建立失重环境下空间方位感。其次，通过构造航天器虚拟座舱模型，训练航天员熟悉舱内布局、界面和位置关系，演练飞行程序和操作技能等。特别当航天器某些关键设备在轨运行期间发生故障时，可以通过 VR技术，在地面或空间站对其进行修理培训。 1 993年，哈勃望远镜的修复成功就是一例。 交会对接人工控制 VR技术 利用 VR技术，将交会对接时航天器的动力学模型存入计算机系统，通过计算机仿真，实时解出 2个航天器间的相对距离和姿态角参量，再通过计算机生成图像，在头盔显示器里实时显示 2个航天器虚拟环境，从而达到训练目的。,军事应用 早在 2 0世纪 80年代初，美国的 DARPA 就开始为坦克编队典型作战训练开发一个实用的虚拟战场，其主要目的是为了降低作战训练费用，同时也为了确保安全和减低对环境的影响。最后形成了一个由美国及德国的 2 0 0个坦克训练器互联网络 SIMNET系统。SIMNET通过分布网络形成一个虚拟战场环境，在训练经费紧缩、战术训练质量和数量提高以及作为新武器概念试验台的应用等方面得到广泛认可。NATO(北大西洋公约组织 )计划将逐步把各个国家的兵力汇入 SIMENT而成为一个虚拟战场，进一步的工作是把空战仿真系统 (AWSIMS)和海战仿真系统 (NWSIMS)与 SIMNET相联。,机械制造业应用 支持并行工程 传统生产过程为：设计工艺规划工装设计零件制造装配，VR技术可实现各阶段交叉进行过程。在网络环境下，可由不同终端处理不同过程，最后通过服务器进行数据管理与通讯。 完成动态联盟的建立 网络环境中，一个工程项目的完成可依赖于多个用户，这些用户只是网络的一个节点。利用宽带网传输设计加工数据，可以实现异地生产。 虚拟制造 VR技术应用最重要的领域，如波音 777客机。波音公司开发的 VR系统可将虚拟环境叠加于真实环境之上，如把虚拟的模板显示在正加工的工件上，工人根据此模板控制待加工尺寸，简化了加工过程，使波音 777客机一次装配成功。,机器人技术应用 遥操作界面 遥现可以定义为人的感觉器官在远端的延伸，人的感官能通过虚拟现实的 I/ O设备得到增强，同时虚拟现实的三维图形数据适于低带宽及大延时的网络通讯。 三维场景表达和自动建模 虚拟现实的另外一个快速发展的研究领域是机器视觉领域，也正是国际上 VR技术研究热点。视觉处理一般分低层视觉处理、中层视觉处理及高层视觉处理 3个层次 ,VR技术可以看成是视觉的高层处理的场景表达。,医学应用 虚拟人体 早在 1985 年，美国国立医学图书馆 ( NLM ) 就开始人体解剖图像数字化研究，并利用虚拟人体开展虚拟解剖学、虚拟放射学及虚拟内窥镜学等学科的计算机辅助教学。 遥控外科手术 将备有基于 VR技术的远程控制操作设备遥控手术中心与边远地区建立起远程医疗 VR系统，医生只需对虚拟病人模型进行手术，并通过高速宽带网络将医生动作传送到网络另一端的手术机器人，由机器人对病人进行手术。手术实际进展的图像也可通过机器人摄像机实时传给医生的头盔立体显示器，并将其与虚拟病人叠加，以便医生实时掌握手术情况并发出手术指令。,