(1)概述 虚拟现实(Virtual Reality,VR)是20世纪末发展起来的一种涉及众多学科的高新实用技术,又称“灵境”、“幻境”。它是一种全新的人机交互系统,集成了先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术于一体,利用计算机生成虚拟环境,它能对介入者产生各种感官刺激,如视觉、听觉、触觉、嗅觉等,给人以身临其境的感觉,并且人还可以以自然的方式与环境进行交互,强调了人在虚拟环境的主导作用。
1)定义。虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境(如飞机驾驶舱、操作现场等),通过各种传感设备使用户“沉浸”到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。在这里,模拟环境是指计算机生成的具有表面色彩的立体图形,它可以是现实世界的真实体现,也可以是纯粹构想的世界;传感设备是指包括立体头盔、数据手套、数据衣等装置和设置于现实环境中的传感装置;自然交互是指用日常使用方式对环境内物体进行操作。
2)VR的基本特征
①沉浸感。不同于传统计算机接口技术,使用者使用自然的方式交互,完全沉浸于计算机所营造的虚拟环境中。
②交互性。与传统三维动画特征的区别,是使用者不再是被动地接受信息或者是旁观,而是使用交互输入设备操纵虚拟物体,改变虚拟世界。
③构想。使用者利用VR得到感性和理性的认识,从而深化概念和萌发新意。
3)虚拟现实与计算机仿真、视景仿真的关系。VR虽是多学科的综合体,但它是以仿真技术为核心的,所以也可以把它看做一种类型的仿真系统,在仿真中VR可视为三维仿真模型的高级界面。仿真的目的是决策问题。决策分为宏观决策和微观决策。目前的VR系统的应用属于微观决策一类,虽然有些VR系统规模很大,但涉及的却都是局部决策。
①视景仿真是计算机仿真的重要分支,它着重于达到非常逼真的三维仿真效果。
②视景仿真是VR的重要表现形式,使用了很多的VR技术,VR在某种意义上是视景仿真的延伸,是三维视景的高级阶段。
③视景仿真目前更侧重于视觉和听觉的身临其境,VR向全方位的身临其境发展,有触觉、嗅觉等其他感官反应。VR是更先进的计算机接口技术。
VR与视景仿真、计算机仿真的关系如图13-4所示。
(2)虚拟现实技术 虚拟现实是计算机仿真技术的一个重要部分。与前面提到的仿真技术不同的是,它主要不是建立模型并进行计算,而强调用计算机生成一种特殊环境。为了产生这种环境,需要用三维计算机图形技术,采用多种功能传感器的交互接口,同时应具有高清晰度显示装置。
1)虚拟现实的关键技术(www.xing528.com)
①实时三维计算机图形技术。用计算机模型去产生图形形象,关键是实时。例如在飞行模拟系统中,图像的刷新要求每秒25~30帧。也就是说,基于有高质量的图像显示,又要求高速度和复杂的虚拟环境。在硬件方面,要有高质量的工作站;在软件方面,要研究好计算机算法,以快速生成图像。虚拟现实编程需要多方面的知识,包括实时系统、面对对象的语言、网络、物理建模以及多任务协调等。同时,还应有可扩展的、面向对象的功能库,使用者可根据需要加入适当的模块。
②视觉、听觉及触觉技术。视觉技术包括立体视觉及视觉显示。所谓立体视觉就是深度(距离)线索,包括:静态图像的深度线索,如明暗变化、阴影及重叠等;运动深度线索,近的物体动得快(或动得多),远处的物体动得慢(或动得少);双目体视线索,即利用双目的视差来造成立体感。利用这些线索,并把显示器、专用光学系统以及位置、方向的跟踪系统组合在一起,就构成了视觉显示。为了产生虚拟触觉,研究人员开发了触觉和力反馈装置。虽然它们的样式不同,但所做的事情大致相同。若在手指上装上压力传感器,手臂的动作就能把机械或动力信号记录下来。再将得到的触觉信号传给操作人员,就可以产生力反馈。
③虚拟现实系统的输入。虚拟现实系统的输入包括:数据手套、数据衣和三维鼠标、语音输入等。数据手套的原理是通过测量手指的弯曲和伸展,来获取数据。可以在手套内装入光纤,当手指弯曲时,部分光从光纤内逸出,根据逸出光的多少,确定手指弯曲的程度。数据衣的原理和数据手套的原理差不多,只是测量的环节更多。在一个空心球内装入三个传感器,球上有一个小开关,用以选择输出参数。球握在手中,球的运动被转换成虚拟空间中的物体运动或光标的运动。这种三维系统用于短时间的导航或操作是非常有效的。
图13-4 VR与视景仿真、计算机仿真的关系
2)虚拟现实的应用。飞行仿真是虚拟现实的一个应用实例。飞行仿真系统由以下四部分组成:
①飞行员的操作系统。
②显示外部图像的视觉系统。
③产生运动感的运动系统。
④计算和控制飞行运动的计算机系统。
操作舱模拟实际驾驶舱,其速度表、温度表、以及各种显示器由计算机控制。当飞行员操作驾驶杆时,系统产生响应的电信号输入计算机,通过油压、电动机等作用于各种操作装置,使得飞行员感受到同实际飞行一样的力反馈。视觉显示系统向飞行员提供有真实感的图像。运动系统向飞行员提供一种身临其境的感觉。虚拟驾驶舱是具有六个自由度的运动系统,可使飞行员感觉到:起飞、着陆的加速度;飞行中由于机体运动产生的线加速度和角加速度;在乱气流中飞行时的机体振动;失速时的机体振动;滑行时的轮胎振动和着陆时的擦地振动等。
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