1、人機接口形式的改進

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，用戶可以利用自己的視覺、聽覺、力覺、嗅覺等來感知環(huán)境2、人機交互內(nèi)容的改進 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，由計算機提供的不僅是“數(shù)據(jù)、信息”，而且還包括多種媒體信息的“環(huán)境”，以環(huán)境作為計算機處理的對象和人機交互的內(nèi)容第1頁/共67頁第一頁，共68頁。 3、人機接口效果的改進

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，用戶通過基于自然的特殊設(shè)備進行交互，得到逼真的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感知效果，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺第2頁/共67頁第二頁，共68頁。1.1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展歷程1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的探索階段2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)化階段3.虛擬現(xiàn)實技術(shù)高速發(fā)展的階段第3頁/共67頁第三頁，共68頁。1.1.3虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成第4頁/共67頁第四頁，共68頁。1、計算機

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，計算機是系統(tǒng)的心臟，被稱之為虛擬世界的發(fā)動機。2、輸入與輸出設(shè)備 常用的設(shè)備有用于手勢輸入的數(shù)據(jù)手套、用于語音交互的三維聲音系統(tǒng)、用于立體視覺輸出的頭盔式顯示器等。第5頁/共67頁第五頁，共68頁。虛擬現(xiàn)實概述人機接口設(shè)備第6頁/共67頁第六頁，共68頁。3、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用軟件 在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件完成的功能有：虛擬世界中物體的幾何模型、物理模型、運動模型的建立；三維虛擬立體聲的生成；模型管理技術(shù)及實時顯示技術(shù)、虛擬世界數(shù)據(jù)庫的建立與管理等。4、數(shù)據(jù)庫

虛擬世界數(shù)據(jù)庫主要存放的是整個虛擬世界中所有物體的各方面信息。第7頁/共67頁第七頁，共68頁。1.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)與其他技術(shù)1．計算機圖形學

計算機圖形學（ComputerGraphics：CG）是利用計算機研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學科。它研究的基本內(nèi)容是如何在計算機中表示圖形，以及如何利用計算機進行圖形的生成、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。第8頁/共67頁第八頁，共68頁。

2．多媒體技術(shù)所謂媒體（Media），通常認為包括著兩種含義。一種是指信息的物理載體（即存儲和傳遞信息的實體），如紙質(zhì)的書、照片、磁盤、光盤、磁帶以及相關(guān)的播放設(shè)備等；另一種含義是指信息的表現(xiàn)形式（或稱傳播形式），如文本、聲音、圖像、動畫等第9頁/共67頁第九頁，共68頁。媒體分成5類：（1）感覺媒體（2）表示媒體（3）表現(xiàn)媒體（4）存儲媒體（5）傳輸媒體第10頁/共67頁第十頁，共68頁。3．系統(tǒng)仿真技術(shù)

系統(tǒng)仿真技術(shù)是一種實驗技術(shù)，它為一些復(fù)雜系統(tǒng)創(chuàng)造了一種計算機實驗環(huán)境，使系統(tǒng)的未來性能測試和長期動態(tài)特性能在相對極短的時間內(nèi)在計算機上得到實現(xiàn)第11頁/共67頁第十一頁，共68頁。4．虛擬現(xiàn)實技術(shù)與計算機圖形學、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)（1）虛擬現(xiàn)實技術(shù)與計算機圖形學計算機圖形學的任務(wù)是在計算機上生成看起來是真的，動起來像真的圖像，而用戶通過顯示器(猶如一個窗戶)觀看計算機生成的圖像所構(gòu)造的景象。（2）虛擬現(xiàn)實技術(shù)與多媒體技術(shù)

第12頁/共67頁第十二頁，共68頁。（3）虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)仿真技術(shù)

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)側(cè)重于表現(xiàn)形式，而系統(tǒng)仿真則側(cè)重于真實復(fù)雜世界的科學抽象。第13頁/共67頁第十三頁，共68頁。5.虛擬現(xiàn)實技術(shù)與三維動畫技術(shù)

傳統(tǒng)三維動畫是依靠計算機預(yù)先處理好的含有某些場景或物體等的靜態(tài)圖片連續(xù)播放形成，不具有任何交互性；而虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以根據(jù)用戶的需要把整個空間中所有的信息真實地提供給用戶，用戶可根據(jù)自己的路線行走.第14頁/共67頁第十四頁，共68頁。1.1.5虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)意義與影響1．在觀念上，從“以計算機為主體”變成“以人為主體”2．在哲學上使人進一步認識“虛”和“實”之間的辯證關(guān)系3．引起了一系列的技術(shù)和手段的重大變革4．促進了理論與技術(shù)的進步5．促進了計算機學科的發(fā)展與交叉6．為人類認識世界提供了全新的方法與手段，對人類的生活產(chǎn)生了重大的影響

第15頁/共67頁第十五頁，共68頁。德國卡爾斯魯厄大學的虛擬腹腔鏡手術(shù)第16頁/共67頁第十六頁，共68頁。1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特性第17頁/共67頁第十七頁，共68頁。1.2.1

沉浸性(Immersion)1、視覺沉浸視覺通道給人的視覺系統(tǒng)提供圖形顯示。2、聽覺沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，主要讓用戶感覺到的是三維虛擬聲音3、觸覺沉浸在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，可以借助于各種特殊的交互設(shè)備，使用戶能體驗抓、握等操作的感覺。第18頁/共67頁第十八頁，共68頁。4、嗅覺沉浸 只要把虛擬空間中的水果放到鼻尖上一聞，裝置就會在鼻尖處釋放出水果的香味。5、身體感覺沉浸、味覺沉浸等

第19頁/共67頁第十九頁，共68頁。1.2.2

交互性(Interactivity)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互性具有以下特點： ①虛擬環(huán)境中人的參與與反饋 ②人機交互的有效性 ③人機交互的實時性

第20頁/共67頁第二十頁，共68頁。1.2.3

想象性(Imagination

)

想象性指虛擬的環(huán)境是人想象出來的，同時這種想象體現(xiàn)出設(shè)計者相應(yīng)的思想，因而可以用來實現(xiàn)一定的目標。第21頁/共67頁第二十一頁，共68頁。1.3虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類1.3.1沉浸式ＶＲ系統(tǒng)（ImmersiveVR）

沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一種高級的、較理想的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它提供一個完全沉浸的體驗，使用戶有一種仿佛置身于真實世界之中的感覺。第22頁/共67頁第二十二頁，共68頁。沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有以下五個特點：①具有高度實時性能。②具有高度的沉浸感。③具有良好的系統(tǒng)集成度與整合性能。④具有良好的開放性。⑤能同時支持多種輸入與輸出設(shè)備并行工作。

第23頁/共67頁第二十三頁，共68頁。1.3.2桌面式ＶＲ系統(tǒng)(DesktopVR)

桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)也稱窗口虛擬現(xiàn)實，是利用個人計算機或初級圖形工作站等設(shè)備，以計算機屏幕作為用戶觀察虛擬世界的一個窗口，采用立體圖形、自然交互等技術(shù)，產(chǎn)生三維立體空間的交互場景，通過包括鍵盤、鼠標和力矩球等各種輸入設(shè)備操縱虛擬世界，實現(xiàn)與虛擬世界的交互第24頁/共67頁第二十四頁，共68頁。 桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要具有以下三個特點： ①用戶處于不完全沉浸的環(huán)境，缺少完全沉浸、身臨其境的感覺，即使戴上立體眼鏡，他仍然會受到周圍現(xiàn)實世界的干擾。 ②對硬件設(shè)備要求極低，有的簡單型甚至只需要計算機，或是增加數(shù)據(jù)手套、空間跟蹤設(shè)置等。 ③由于桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)成本相對較低，應(yīng)用相對比較普遍，而且它也具備了沉浸性虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一些技術(shù)要求。第25頁/共67頁第二十五頁，共68頁。1.3.3增強式VR系統(tǒng)(AugmentedVR)

增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(AVR)既可以允許用戶看到真實世界，同時也可以看到疊加在真實世界上的虛擬對象，它是把真實環(huán)境和虛擬環(huán)境組合在一起的一種系統(tǒng)第26頁/共67頁第二十六頁，共68頁。虛擬現(xiàn)實概述例如：戰(zhàn)機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數(shù)和武器瞄準數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而可集中精力盯著敵人的飛機或?qū)Ш狡?。?7頁/共67頁第二十七頁，共68頁。 增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要具有以下三個特點： ①真實世界和虛擬世界融為一體。 ②具有實時人機交互功能。 ③真實世界和虛擬世界是在三維空間中整合的。第28頁/共67頁第二十八頁，共68頁。1.3.4分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（DistributedVR） 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)運行在分布式系統(tǒng)下有兩方面的原因：一方面是充分利用分布式計算機系統(tǒng)提供的強大計算能力；另一方面是有些應(yīng)用本身具有分布特性，如多人通過網(wǎng)絡(luò)進行游戲和虛擬戰(zhàn)爭模擬等。

第29頁/共67頁第二十九頁，共68頁。

分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)有以下特點： ①各用戶具有共享的虛擬工作空間。 ②偽實體的行為真實感。 ③支持實時交互，共享時鐘。 ④多個用戶可以各自不同的方式相互通信。 ⑤資源信息共享以及允許用戶自然操縱虛擬世界中的對象。第30頁/共67頁第三十頁，共68頁。1.4虛擬現(xiàn)實中人的因素1.4.1人的視覺1、人類的視覺模型第31頁/共67頁第三十一頁，共68頁。2、立體視覺

人在現(xiàn)實世界中看到的物體是立體的，這樣可以感覺出被看物體的遠近。3、屈光度 人的屈光度是可以變化的，這稱為調(diào)節(jié)或聚\焦。這保證對遠近物體都能看到清晰的圖像。4、瞳孔瞳孔是晶狀體前的孔，直徑可變化。

第32頁/共67頁第三十二頁，共68頁。5、分辨力分辨力是人眼區(qū)分兩個點的能力。6、明暗適應(yīng)人眼對亮度的變化感覺會自動進行調(diào)節(jié)，這是通過改變在視桿和視錐細胞中光敏化合物的濃度。7．周圍視覺和中央視覺視網(wǎng)膜不僅是被動的光敏表面，通過視桿和視錐細胞與神經(jīng)細胞的連接，它還有一定的圖像處理能力。

第33頁/共67頁第三十三頁，共68頁。8．視覺暫留

人的眼睛具有保持視覺印象的特性。當光對視網(wǎng)膜所產(chǎn)生的視覺在光停止作用后，仍保留一段時間的現(xiàn)象，這就是視覺暫留。

9．視場視場（fieldofview:FOV）指人眼能夠觀察到的最大范圍，通常以角度來表示，視場越大,觀測范圉越大。

第34頁/共67頁第三十四頁，共68頁。虛擬現(xiàn)實概述立體視覺的原理：當我們看現(xiàn)實世界或者是3D電影時，一項稱之為雙眼差異（binoculardisparity）的因素可以極大的影響我們的視覺。也許這個名次聽上去有些抽象，不過我來簡單的解釋一下，你肯定能明白：第35頁/共67頁第三十五頁，共68頁。先閉上右眼僅用左眼看一個物體，伸出你的一根指頭放在你的眼睛和物體之間，并且保持指頭和物體在一條直線；然后再閉上左眼僅用右眼看，我們會發(fā)現(xiàn)手指頭和這個物體并不在一條直線上，而且我們會發(fā)現(xiàn)看到的物體會有所不同。這說明，我們的雙眼是通過兩個不同的位置來觀察世界的——雙眼的一般距離是2.5英寸。我們的大腦通過把雙眼得來的這兩幅略有差異的圖像進行處理，就可以在場景中相應(yīng)的位置生成正確的三維圖像。（如圖示）第36頁/共67頁第三十六頁，共68頁。虛擬現(xiàn)實概述圖中表示兩眼光軸平行的情況，相當于兩眼注視遠處。內(nèi)瞳距（IPD）是兩眼瞳孔之間的距離。兩眼空間位置的不同，是產(chǎn)生立體視覺的原因。F是距離人眼較近的物體B上的一個固定點。第37頁/共67頁第三十七頁，共68頁。虛擬現(xiàn)實概述左面的兩眼的視圖說明，F(xiàn)點在視圖中的位置不同。這種不同就是立體視差。人眼也可以利用這種視差，判斷物體的遠近，產(chǎn)生深度感。這就是人類的立體視覺，由此獲得環(huán)境的三維信息。第38頁/共67頁第三十八頁，共68頁。VR應(yīng)用有兩類主要的視覺顯示光學系統(tǒng)：頭盔顯示和非頭盔顯示。立體液晶顯示器拋物線投影儀第39頁/共67頁第三十九頁，共68頁。立體投影第40頁/共67頁第四十頁，共68頁。4D-Vision50屏幕的外層有著特殊的光學涂料，這層涂料會針對通過的波長加以過濾篩選。這層過濾的動作會將每個色彩的元素所發(fā)射出來的光線方向個別定義并且重組光線投射狀態(tài)，也就是說，不同的色彩運動會在屏幕前方在不同的角度表現(xiàn)出來而因此成為一個3D立體的呈現(xiàn)。第41頁/共67頁第四十一頁，共68頁。更棒的是，這款屏幕使用了8個鏡頭，每一個鏡頭都可以追蹤使用者在屏幕前的位置，使用者的視覺距離平均可以到6.5cm(2.5")，如此一來，屏幕前所有的使用者無論在什么位置都可以欣賞到完美的3D立體影像。第42頁/共67頁第四十二頁，共68頁。1.4.2人的耳朵1、人類的聽覺模型 耳分為外耳、中耳、內(nèi)耳。外耳、中耳是接受并傳導(dǎo)聲音的裝置；內(nèi)耳則是感受聲音和初步分析聲音的場所。所以，外耳、中耳合稱為傳音系統(tǒng)，而內(nèi)耳及其神經(jīng)傳導(dǎo)徑路則稱為感音神經(jīng)系統(tǒng).外耳包括耳廓和外耳道兩部分。主要作用是收集及部分放大聲音和參與聲音方向的辨別。

第43頁/共67頁第四十三頁，共68頁。

中耳的結(jié)構(gòu)比外耳復(fù)雜，有鼓室、咽鼓管、鼓竇及乳突4部分。鼓室又稱中耳腔，容積約為2毫升。中耳腔內(nèi)有一條通到鼻咽部的管道，叫做咽鼓管。咽鼓管使中耳與外界相通，起到調(diào)節(jié)鼓室壓力的作用

內(nèi)耳構(gòu)造非常精細，管道盤旋，好像迷宮一樣，故稱為迷路。內(nèi)耳分為3部分，即半規(guī)管，前庭和耳蝸。半規(guī)管和前庭主要負責身體平衡，耳蝸則負責感受聲音。外耳把聲音引導(dǎo)進內(nèi)耳，它也作為濾波器而改變聲音。把手放在耳前面，就會感到聲音變化。聲音最終沖擊耳膜，使之振動。耳膜振動再傳到耳蝸，并且振動加大20倍。第44頁/共67頁第四十四頁，共68頁。 聽覺的產(chǎn)生過程是一個復(fù)雜的生理過程，它包括3個基本過程： ①聲波在耳朵內(nèi)部的傳遞過程。

②聲波在傳遞過程中由聲波引起的機械振動轉(zhuǎn)變?yōu)樯镫娔埽瑫r通過化學遞質(zhì)的釋放而產(chǎn)生神經(jīng)沖動的過程。

③聽覺中樞對傳人信息進行綜合加工處理的過程。第45頁/共67頁第四十五頁，共68頁。2、頻率范圍3、聲音的定位4、頭部有關(guān)的傳遞函數(shù)第46頁/共67頁第四十六頁，共68頁。1.4.3身體感覺1、體感①深度感覺：②內(nèi)臟感覺：③本體感覺：④外感受感覺：2、痛感3、觸覺4、體位感

第47頁/共67頁第四十七頁，共68頁。1.4.4健康與安全問題1.5虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究1.5.1國外的研究狀況1、美國

虛擬現(xiàn)實技術(shù)誕生于美國，是全球研究最早，研究范圍最廣的國家，美國虛擬現(xiàn)實研究技術(shù)的水平基本上就代表國際虛擬現(xiàn)實發(fā)展的水平。 第48頁/共67頁第四十八頁，共68頁。2、歐洲歐洲的虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究主要由歐共體(CEC)的許多計劃支持，在英國、德國、瑞典、西班牙、荷蘭等國家都積極進行了虛擬現(xiàn)實的開發(fā)與應(yīng)用3.亞洲 在亞洲，日本的虛擬現(xiàn)實研究發(fā)展十分迅速，同時韓國、新加坡等國家也在積極開展虛擬現(xiàn)實技術(shù)方面的研究工作。第49頁/共67頁第四十九頁，共68頁。1.5.2國內(nèi)的研究狀況

我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究始于20世紀90年代初，相對其它國家來說起步較晚，技術(shù)上有一定的差距，但已引起我國政府有關(guān)部門和科學家們的高度重視，并及時根據(jù)我國的國情，制定了開展虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究計劃。第50頁/共67頁第五十頁，共68頁。1.5.3目前存在的問題 1、硬件設(shè)備方面(1)相關(guān)設(shè)備普遍存在使用不方便，效果不佳(2)硬件設(shè)備品種有待進一步擴展(3)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)設(shè)備價格也比較昂貴第51頁/共67頁第五十一頁，共68頁。

現(xiàn)在大多數(shù)虛擬現(xiàn)實軟件普遍存在語言專業(yè)性較強，通用性較差，易用性差。同時，由于硬件設(shè)備的諸多局限性，使得軟件的開發(fā)費用也十分巨大，而且軟件所能實現(xiàn)的效果受到時間和空間的影響較大。第52頁/共67頁第五十二頁，共68頁。3、實現(xiàn)效果方面（1）虛擬世界的表示側(cè)重幾何圖形表示，缺乏逼真的物理、行為模型（2）虛擬世界的感知方面，有關(guān)視覺方面研究多，聽覺、觸覺（力覺）關(guān)注較少，真實性與實時性不足。（3）在與虛擬世界的交互中，自然交互性不夠，基于自然的交互效果還遠不能令人滿意。

4、應(yīng)用方面

第53頁/共67頁第五十三頁，共68頁。1.5.4今后的研究方向1、人機交互接口2、感知研究領(lǐng)域3、高效的虛擬現(xiàn)實軟件和算法4、廉價的虛擬現(xiàn)實硬件系統(tǒng)5、智能虛擬環(huán)境

第54頁/共67頁第五十四頁，共68頁。1.6虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用1.6.1軍事與航空航天1．軍事上的應(yīng)用（1）軍事訓練方面①虛擬戰(zhàn)場環(huán)境。②近戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓練③單兵模擬訓練④諸軍兵種聯(lián)合戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)演習。第55頁/共67頁第五十五頁，共68頁。（2）在武器裝備研究與新武器展示中的應(yīng)用。①在武器設(shè)計研制過程中，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供先期演示，檢驗設(shè)計方案，把先進設(shè)計思想融入武器裝備研制的全過程，從而保證總體質(zhì)量和效能②研制者和用戶利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以很方便介入系統(tǒng)建模和仿真試驗的全過程，既能加快武器系統(tǒng)的研制周期，又能合理評估其作戰(zhàn)效能及其操作的合理性，使之更接近實戰(zhàn)的要求。第56頁/共67頁第五十六頁，共68頁。③采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對未來高技術(shù)戰(zhàn)爭的戰(zhàn)場環(huán)境、武器裝備的技術(shù)性能和使用效率等方面進行仿真，有利于選擇重點發(fā)展的武器裝備體系，改善其整體質(zhì)量和作戰(zhàn)效果。④很多武器供應(yīng)商借助于網(wǎng)絡(luò)，采用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)來展示武器的各種性能。

第57頁/共67頁第五十七頁，共68頁。2.航空航天方面的應(yīng)用（1）NASA的虛擬現(xiàn)實訓練（2）EVA的虛擬現(xiàn)實訓練（3）英國空軍的虛擬座艙

第58頁/共67頁第五十八頁，共68頁。1.6.2教育與培訓

1．虛擬校園 虛擬校園是指從因特網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)上虛擬社區(qū)和3S技術(shù)的發(fā)展角度，對現(xiàn)實大學三維景觀和教學環(huán)境的虛擬化和數(shù)字化，是基于現(xiàn)實大學的一個三維虛擬環(huán)境，用于支持對現(xiàn)實大學的資源管理、環(huán)境規(guī)劃和學校發(fā)展。第59頁/共67頁第五十九頁，共68頁。2．虛擬演示教學與實驗

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在課堂上可對辦公自動化設(shè)備三維展示，并模擬通電運行，特別對于有些學校缺乏相應(yīng)的實驗設(shè)備情況下十分恰當，一方面可大大提高教學效果，一方面可節(jié)省大量的實驗投資。第60頁/共67頁第六十頁，共68頁。3遠程教育系統(tǒng) 可以彌補遠程教學條件的不足，徹底打破空間、時間的限制4特殊教育5技能培訓

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于技能培訓可以使培訓工作更加安全，并節(jié)約了成本。

第61頁/共67頁第六十一頁，共68頁。1.6.3建筑設(shè)計與城市規(guī)劃

在城市規(guī)劃、建筑工程設(shè)計領(lǐng)域，