10.3D虚拟现实技术简介(1)=创新教育基础与实践=大连理工大学

多媒体技术

3D虚拟现实技术简介

大连理工大学创新实验学院

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虚拟现实技术 概况 虚拟现实(简称VR),又称灵境技 术，是以沉浸性、交互性和构想性为基 本特征的计算机高级人机界面。他综合 利用了计算机图形学、仿真技术、多媒 体技术、人工智能技术、计算机网络技 术、并行处理技术和多传感器技术，模 拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功 能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟 境界中，并能够通过语言、手势等自然 的方式与之进行实时交互，创建了一种 适人化的多维信息空间。使用者不仅能 够通过虚拟现实系统感受到在客观物理 世界中所经历的“身临其境”的逼真性 ，而且能够突破空间、时间以及其他客 观限制，感受到真实世界中无法亲身经 历的体验。2

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虚拟现实技术 虚拟现实是在计算机中构造出一个形象逼真的模型。人与该模型可以 进行交互，并产生与真实世界中相同的反馈信息，使人们获得和真实 世界中一样的感受。 当人们需要构造当前不存在的环境(合理虚拟现)、人类不可能达到 的环境(夸张虚拟现实)或构造纯粹虚构的环境(虚幻虚拟现实)以 取代需要耗资巨大的真实环境时，就可以利用虚拟现实技术。 虚拟现实技术的应用前景十分广阔。它始于军事和航空航天领域的需 求，但近年来，虚拟现实技术的应用已大步走进工业、建筑设计、教 育培训、文化娱乐等方面。它正在改变着我们的生活。

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虚拟现实技术—关键外设 图像显示设备是用于产生立体视觉效 果的关键外设，目前常见的产品包括 光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器 等。 其中高档的头盔显示器在屏蔽 现实世界的同时，提供高分辨率、大 视场角的虚拟场景，并带有立体声耳 机，可以使人产生强烈的浸没感。 其他外设主要用于实现与虚拟现实的 交互功能，包括数据手套、三维鼠标 、运动跟踪器、力反馈装置、语音识 别与合成系统等等。

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虚拟现实技术—关键外设 数据手套——虚拟现实应用的主要交互设备，它作为一只虚 拟的手或控件用于3DVR场景的模拟交互，可进行物体抓 取、移动、装配、操纵、控制，有有线和无线、左手和右 手之分，可用于WTK、Vega等3D VR或视景仿真软件 环境中。

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虚拟现实技术—关键外设 三维空间交互球——虚拟现实应用中的另一重要的交互设备，用于 六个自由度VR场景的模拟交互，可从不同的角度和方位 对三维物体观察、浏览、操纵；也可作为3D Mouse来 使用；并可与数据手套或立体眼镜结合使用，作为跟踪定 位器。也可单独用于CAD/CAM,(Pro/E、UG)。

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虚拟现实技术—关键外设

运动跟踪器——三维空间跟踪定位器是VR系统中用于空间跟 踪定位的装置，一般与其他VR设备结合使用，如：数据 头盔、立体眼镜、数据手套等，使参与者在空间上能够自 由移动、旋转，不局限于固定的空间位置，操作更加灵活 、自如、随意。产品有六个自由度和三个自由之度。

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虚拟现实技术—关键外设 力反馈装置——力反馈器是VR研究中的一种重要的设备，该 设备能使参与者实现虚拟环境中除视觉、听觉之外的第三 感觉——触觉和力感，进一步增强虚拟环境的交互性，从 而真正体会到虚拟世界中的交互真实感，该设备广泛应用 于虚拟医疗、虚拟装配等诸多领域。

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虚拟现实技术—关键外设 三维模型数字化仪——又称三维扫描仪或三维数 字化仪，是一种先进的三维模型建立 设备，该设备利用CCD成像、激光扫 描等手段实现物体模型的取样，同时 通过配套的矢量华软件对三维模型数 据进行数字化，从而实现计算机系统 对数字模型的控制。特别适合于建立一些不规则三 维物体模型的工作中，如人体器官和 骨骼模型的建立、出土的三千年前文 物三维数字模型的建立等等，在医疗 、动植物研究、文物保护等VR应用 领域有广阔的应用前景。9

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虚拟现实技术—关键外设 立体显示器——立体显示器摆脱以往技术 需求，不需要任何编程开发，只要 您有三维模型，就可以实现三维模 型的立体显示，只要用肉眼即观察 到突出的立体显示效果，不需要带 任何立体眼镜设备；同时，它也可 以实现视频图像(如立体电影)的 立体显示和立体观察，同样也无须 戴任何立体眼镜。

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虚拟现实技术案例

广西容县明代风情商业街规划

室内设计 二层豪华别墅

卢浮宫11

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虚拟现实技术 虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义，把这两个词放在一 起，似乎没有意义，但是科学技术的发展却赋予了它新的 含义。 虚拟现实的明确定义不太好说，按最早提出虚拟现实概念 的学者niar的说法，虚拟现实，又称假想现实，意 味着“用电子计算机合成的人工世界”。

可以清楚地看到，这个领域与计算机有着不可分离的密切 关系，信息科学是合成虚拟现实的基本前提。

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虚拟现实技术 生成虚拟现实需要解决以下三个主要问题： ①以假乱真的存在技术。即，怎样合成对观察者的感 官器官来说与实际存在相一致的输入信息，也就是如何可 以产生与现实环境一样的视觉，触觉，嗅觉等。 ②相互作用。观察者怎样积极和能动地操作虚拟现实 ，以实现不同的视点景象和更高层次的感觉信息。实际上 也就是怎么可以看得更像，听得更

真等等。 ③自律性现实。感觉者如何在不意识到自己动作、行 为的条件下得到栩栩如生的现实感。在这里，观察者、传 感器、计算机仿真系统与显示系统构成了一个相互作用的 闭环流程。13

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虚拟现实技术—关键技术和研究内容1、环境建模技术 即虚拟环境的建立，目的是获取实际三维环境的三维数据，并 根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。 2、立体声合成和立体显示技术 在虚拟现实系统中消除声音的方向与用户头部运动的相关性， 同时在复杂的场景中实时生成立体图形。 3、触觉反馈技术 在虚拟现实系统中让用户能够直接操作虚拟物体并感觉到虚拟 物体的反作用力，从而产生身临其境的感觉。

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虚拟现实技术—关键技术和研究内容4、交互技术 虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式，利 用数字头盔、数字手套等复杂的传感器设备，三维交互技术与语音识 别、语音输入技术成为重要的人机交互手段。5、系统集成技术 由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统的 集成技术为重中之重：包括信息同步技术、模型标定技术、数据转换 技术、识别和合成技术等等。

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虚拟现实技术 在虚拟现实中和通常图像显示不同的是： 1.要求显示的图像要随观察者眼睛位置的变化而变化。

2.要求能快速生成图像以获和实时感。例如，制作动画 时不要求实时，为了保证质量每幅画面需要多长时间生成 不受限制。而虚拟现实时生成的画面通常为30帧/秒。 有 了这样的图像生成能力，再配以适当的音响效果，就可以 使人有身临其境的感受。

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虚拟现实技术的发展和应用 早在20世纪70年代便开始将虚拟现实用于培 训宇航员。由于这是一种省钱、安全、有效 的培 训方法，现在已被推广到各行各业的培训中。目 前，虚拟现实已被推广到不同领域中，得到广泛 应用。

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虚拟现实技术的发展和应用 在科技开发上，虚拟现实可缩 短开发周期，减少费用。例如克莱 斯勒公司1998年初便利用虚拟现 实技术，在设计某两种新型车上取 得突破，首次使设计的新车直接从 计算机屏幕投入生产线，也就是说 完全省略了中间的试生产。 由于利用了卓越的虚拟现实技 术，使克莱斯勒避免了1500项设 计差错，节约了8个月的开发时间 和8000万美元费用。利用虚拟现 实技术还可以进行汽车冲撞试验， 不必使用真的汽车便可显示出不同 条件下的冲撞后果。

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虚拟现实技术的发展和应用 商业上，虚拟现实常被用于推销。 例如建筑工程投标时，把设计 的方案用虚拟现实技术表现出来，

便可把业主带入未来的建筑物里参 观，如门的高度、窗户朝向、采光 多少、屋内装饰等，都可以感同身 受。 它同样可用于旅游景点以及功 能众多、用途多样的商品推销。 用虚拟现实技术展现这类商品 的魅力，比单用文字或图片宣传更 加有吸引力。19

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虚拟现实技术的发展和应用 医疗上 虚拟现实应用大致上有两类：

一是虚拟人体，也就是数字化人 体，这样的人体模型医生更容易了 解人体的构造和功能另一是虚拟手术系统，可用于指导 手术的进行。

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虚拟现实技术的发展和应用 军事上，利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的 多快好省的研究战争、培训指挥员的方法。也是由于虚拟 现实技术达到很高水平，所以尽管不进行核试验，也能不 断改进核武器。战争实验室在检验预定方案用于实战方面 也能起巨大作用。1991年海湾战争开始前，美军便把海 湾地区各种自然环境和伊拉克军队的各种数据输入计算机 内，进行各种作战方案模拟后才定下初步作战方案。后来 实际作战的发展和模拟实验结果相当一致。

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