文档介绍：虚拟现实技术
虚拟现实的特征及基本构成
虚拟现实技术的发展概况
位置跟踪通道
视觉通道
听觉通道
触觉、力反馈
虚拟场景的生成
虚拟现实的基本概念
1989年,美国VPL Research公司创始人Jaron Lanier提出了"Virtual Reality"(虚拟现实)的概念。在这里,"Reality"的含义是现实的世界,或现实的环境。所以,"Virtual Reality"(虚拟现实)的另一个名称是"Virtual Environment"(虚拟环境)。"Virtual"说明,这个世界或环境是虚拟的,不是真实的。这个世界或环境是人工构造的,是存在于计算机内部的。用户应该能够"进入"这个虚拟的环境中。所谓"进入"这个虚拟的环境中,是指用户以自然的方式与这个环境交互(包括感知环境并干预环境),从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感,身临其境的感觉。
"Virtual Reality"(虚拟现实)或"Virtual Environment"(虚拟环境)是人工构造的,存在于计算机内部的环境。用户应该能够以自然的方式与这个环境交互(包括感知环境并干预环境),从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感,沉浸感,身临其境的感觉。虚拟环境(Virtual Environment,VE)系统或虚拟现实(Virtual Reality,VR)系统包括人类操作者、人机接口和计算机。
虚拟现实系统应用最多的专用设备是头盔式立体显示器和数据手套。于是,有人以使用这些专用设备为虚拟现实系统的标志。这种观点是不准确的。上述的虚拟现实的概念,是在计算机应用和人机交互方面开创的全新的学科领域。这个新领域的发展,还有很多困难,有很多技术难点有待解决。当前,这一领域还只是走出了第一步。头盔式立体显示器和数据手套等设备,只是当前已经实现的一部分虚拟显示设备。它们还很不完善。例如,头盔的视场,分辨率,造成眩晕等问题还有待解决。听觉接口和力觉接口等设备还在研究,应用还不多。味觉,嗅觉,运动觉等技术,还缺乏研究。
虚拟现实技术
虚拟现实系统中的虚拟环境,可能有下列几种情况。
第一种情况是模仿真实世界中的环境。例如,建筑物,武器系统,或战场环境。这种真实环境,可能是已经存在的,也可能是已经设计好但还没有建成的。为了逼真地模仿真实世界中的环境,要求逼真地建立几何模型和物理模型。环境的动态应符合物理规律。这一类虚拟现实系统的功能,实际是系统仿真。
第二种情况是人类主观构造的环境。例如,用于影视制作或电子游戏的三维动画。环境是虚构的,几何模型和物理模型就可以完全虚构。这时,系统的动画技术常用插值方法。
第三种情况是模仿真实世界中的人类不可见的环境。例如,分子的结构,空气中速度、温度、压力的分布等。这种真实环境,是客观存在的,但是人类的视觉和听觉不能感觉到。对于分子结构这类微观环境,进行放大尺度的模仿,使人能看到。对于空气中速度这类不可见的物理量,可以用流线显示速度(流线方向表示速度方向,流线密度表示速度大小)。这一类虚拟现实系统的功能,实际是科学可视化。由此可见,虚拟现实技术可以用于系统仿真、科学可视化、三维动画等领域。
第一种情况
第二种情况
虚拟现实的特点
基于虚拟现实的基本概念,可以得到虚拟现实的下列三个特点。
“环境”, 不是“数据, 信息”。这改变了人机接口的内容。 ,听觉,力觉感知环境, 由自然的动作操作环境, 不是由屏幕,键盘,鼠标和计算机交互。这改变了人机接口的形式。 ,使人产生身临其境的感觉。这改变了人机接口的效果。
第一个特点体现了计算机应用的新方向。计算机的名称体现了,它的最早应用是计算。当时,计算机和用户交互的是计算有关的数值。此后,计算机扩大到处理数值,字符串,文本等各类数据。以后,计算机更扩大到处理图像,图形,声音,语言等多种媒体的信息。虚拟现实系统则以环境为计算机处理的对象和人机交互的内容。这开拓了计算机应用的新思路。
第二个特点体现了计算机人机接口的新方向。至今为止的计算机人机接口都是面向机器的。终端,键盘,鼠标,打印机等接口设备,都是适应计算机的专用设备。这些设备很好地完成了各类数据和多媒体信息的交互。虚拟现实中的人机接口,则是面向用户的。虚拟现实系统中,用户以自然的方式与虚拟环境交互。所谓自然的方式,是指用户通过视觉,听觉,触觉等感觉虚拟环境,使用户产生在真实环境中的幻觉。同时,用户通过在真实环境中的行为,去干预虚拟环境。于是,虚拟现实的人机接口设备,完全不同于现有计算机的人机接口设备。这也是虚拟现实技术中最有特色的内容。
第三个特点体现了计算机人机接口的新要求。用户通过