虛擬現(xiàn)實(shí)與VRML－第一章虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念.ppt

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山東理工大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室虛擬現(xiàn)實(shí)與VRML 虛擬現(xiàn)實(shí)與VRML 參考教材1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 申蔚北京希望電子出版社2002 參考教材2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 接口 應(yīng)用與設(shè)計(jì) 作者 舍曼譯者 魏迎梅電子工業(yè)出版社2004 參考教材3 虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)與VRML編程 高等教育出版社 參考教材4 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 科學(xué)出版社2001 參考教材5 虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真 韋有雙國防工業(yè)出版社2004 參考教材6 虛擬現(xiàn)實(shí)三維立體網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)語言VRML 第二代網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)語言 張金釗張金銳張金鏑清華大學(xué)出版社 北京交通大學(xué)出版社2004 上課要求 不要求做筆記對是否購買教材不做硬性規(guī)定有事可以隨時(shí)離開教室盡量關(guān)掉手機(jī)鈴聲如果鈴聲真的響了 請不要在課上接電話如果實(shí)在想接 goto3 課程的主要內(nèi)容 虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念和術(shù)語 虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)方法 虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的因素 虛擬現(xiàn)實(shí)的接口設(shè)備和計(jì)算機(jī)設(shè)備 虛擬現(xiàn)實(shí)的世界建模技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言 VRML 的基本介紹 虛擬場景的構(gòu)建方法 考核方式 大作業(yè)課程論文保證你的付出與成績成正比 第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念 1 1 1虛擬現(xiàn)實(shí) 先看幾個(gè)VRML例子 寶馬汽車綜合展示 船舶3D虛擬實(shí)境 虛擬小區(qū) 虛擬煤礦 大家也許都看過 黑客帝國 吧 影片展現(xiàn)給我們的是我們生活的真實(shí)環(huán)境已經(jīng)消亡 取而代之的是一個(gè)虛擬的世界 雖然細(xì)節(jié)有所不同 但是人們也許真希望有一天 可以通過電子或者虛擬的現(xiàn)實(shí)來擺脫沉重枯燥的日常生活 其實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)早在1994年就已經(jīng)達(dá)成了一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn) 但是由于網(wǎng)絡(luò)和電腦硬件的限制所以直到近些年它才得到迅猛地發(fā)展 1989年 美國VPLResearch公司創(chuàng)始人JaronLanier提出了 VirtualReality 虛擬現(xiàn)實(shí) 的概念 在這里 Reality 的含義是現(xiàn)實(shí)的世界 或現(xiàn)實(shí)的環(huán)境 所以 VirtualReality 虛擬現(xiàn)實(shí) 的另一個(gè)名稱是 VirtualEnvironment 虛擬環(huán)境 Virtual 說明 這個(gè)世界或環(huán)境是虛擬的 不是真實(shí)的 這個(gè)世界或環(huán)境是人工構(gòu)造的 是存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的 用戶應(yīng)該能夠 進(jìn)入 這個(gè)虛擬的環(huán)境中 所謂 進(jìn)入 這個(gè)虛擬的環(huán)境中 是指用戶以自然的方式與這個(gè)環(huán)境交互 包括感知環(huán)境并干預(yù)環(huán)境 從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的虛幻感 身臨其境的感覺 VirtualReality 虛擬現(xiàn)實(shí) 或 VirtualEnvironment 虛擬環(huán)境 是人工構(gòu)造的 存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的環(huán)境 用戶應(yīng)該能夠以自然的方式與這個(gè)環(huán)境交互 包括感知環(huán)境并干預(yù)環(huán)境 從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的虛幻感 沉浸感 身臨其境的感覺 虛擬現(xiàn)實(shí)已在娛樂 醫(yī)療 工程與建筑 教育與培訓(xùn) 軍事 科學(xué)和金融可視化等方面獲得了應(yīng)用 它將是21世紀(jì)廣泛應(yīng)用的一種新技術(shù) 日本松下公司用來招攬買主的 廚房世界 就是用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 讓顧客去品評廚房設(shè)備是否合自己的心意的一個(gè)嘗試 當(dāng)你走進(jìn)陳列室 只要戴上特殊的頭盔和一雙銀色的手套 叫數(shù)據(jù)手套 你在原地就可以去漫游 廚房世界 了 在頭盔的顯示器內(nèi) 你可以看到廚房及它的門 你伸出手去開門 門隨手而開 廚房內(nèi)所有的設(shè)備就會(huì)映入你的眼簾 你可以用手打開柜櫥的門和抽屜 查看里面的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量 可從碗架上拿下盤子看看 也可以打開水龍頭 立即看見水流出來 聽見流水聲 還可查看水池下面的排水是否流楊 也可查看照明是否亮堂 試試通水排氣是否正常 當(dāng)你拿下頭盔 摘下手套 這一切就都消失了 早在50年代 莫頓 海利希就考慮 看電影如何才能使人有身臨其境的感覺 他得到墨西哥教育部長的支持 研究制造出一臺機(jī)器 叫 傳感影院 但效果不佳 又由于教育部長在飛機(jī)失事中喪生 他失去了經(jīng)濟(jì)支持 幸好又有對此感興趣人提供投資 他才制成第二臺樣機(jī) 這是利用視覺 聽覺 運(yùn)動(dòng)覺 使用戶感到好像是騎在摩托車或自行車上進(jìn)旅行 欣賞周圍的自然景色 可惜的是 這種裝置只能為一個(gè)人服務(wù) 每次花費(fèi)驚人 所以沒有引起電影界的重視 美國人艾凡 薩瑟蘭 在1962年還是一個(gè)研究生時(shí) 在一次計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域研究人員會(huì)議上 向與會(huì)者說明了自己名為 寫生簿 的論文內(nèi)容 這一程序后來引起了工程設(shè)計(jì)的一場大變革 開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域 1965年 他發(fā)表了一篇題為 終極的顯示 的論文 后來被公認(rèn)為在虛擬環(huán)境領(lǐng)域中起著里程碑的作用 1966年 他在麻省理工學(xué)院開始了第一個(gè)頭盔的研制工作 參觀者戴上頭盔看虛擬環(huán)境 可以像身臨其境一樣 1967年 美國的北卡羅來納大學(xué)的弗雷德里克 布魯克斯研究了力反饋問題 使用戶能感到虛擬環(huán)境中計(jì)算機(jī)仿真物體和環(huán)境中的力的作用 1972年 諾蘭 布什內(nèi)爾開發(fā)出第一種交互式電子游戲 1969年4月 美國威斯康星大學(xué)的邁倫 克魯格與一個(gè)藝術(shù)家小組合作 建立了一個(gè)交互的演示系統(tǒng) 用戶一走進(jìn)一間屋子 就和計(jì)算機(jī)生成的圖像發(fā)生相互作用 到1975年 他們一共建立了三個(gè)這樣的系統(tǒng) 1981年 美國加州大學(xué)的博士研究生邁克爾 麥格里威為美國航空和航天局研究了晶體顯示頭盔顯示器 1986年 美國航空和航天局終于建立了一個(gè)虛擬環(huán)境 第一個(gè)計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境世界終于誕生了 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以幫助人進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì) 我們就叫它為虛擬設(shè)計(jì) 虛擬設(shè)計(jì) 就是設(shè)計(jì)人員用一個(gè)虛擬的產(chǎn)品來分析 研究 檢查所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是否合理 有毛病沒有 應(yīng)如何修改 在對虛擬產(chǎn)品品評和考查中 如發(fā)現(xiàn)問題 可再修改設(shè)計(jì) 使產(chǎn)品設(shè)計(jì)得更好 而不是在投產(chǎn)前先制造一個(gè)模型或樣品 例如 美國伊利諾斯州的科普利紀(jì)念醫(yī)院病房設(shè)計(jì)出來之后 請一大批殘疾的老戰(zhàn)士 坐在輪椅上 戴上有顯示器的頭盔和數(shù)據(jù)手套 進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)世界 對病房的設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查 評論 他們從頭盔中看到的是猶如真的病房 他們到處查看 結(jié)果發(fā)現(xiàn) 水池上方的水龍頭調(diào)節(jié)手柄距離地面太遠(yuǎn) 坐輪椅的人夠不著 用虛擬現(xiàn)實(shí)世界 查出設(shè)計(jì)中的毛病 就可以改進(jìn)設(shè)計(jì)了 虛擬設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)建筑物中 可以讓設(shè)計(jì)人員在虛擬建筑物內(nèi)漫游 獲得第一手材料 來驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的建筑物是不是合適 在建筑設(shè)計(jì)中 除要考慮結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度等問題外 還要考慮采光 聲音效果 通風(fēng)等許多問題 而這些問題要預(yù)先估計(jì)出來是比較困難的 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬出建筑物 讓設(shè)計(jì)人員到室內(nèi)考查 這就方便多了 對于講演廳 電影院的設(shè)計(jì) 則可用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來考查聲音效果 幫助設(shè)計(jì)人員改進(jìn)設(shè)計(jì) 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)是十分復(fù)雜的工作 最重要的一個(gè)問題是發(fā)動(dòng)機(jī)的拆裝 因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)零件多 很緊湊 設(shè)計(jì)出來的發(fā)動(dòng)機(jī) 常常在拆裝中發(fā)生困難 拆不下來 裝不上去 或工具伸不進(jìn)去 沒地方下手等等 用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī) 進(jìn)行拆裝 就可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的漏洞和毛病 以便加以修改 現(xiàn)在 汽車設(shè)計(jì) 艦船設(shè)計(jì)也都可以采用虛擬設(shè)計(jì) 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)度過休閑時(shí)光 到虛擬世界中去游玩一番 是別有風(fēng)趣的 但卻沒有一絲一毫的危險(xiǎn) 有一種賽車系統(tǒng) 是由計(jì)算機(jī)和一系列裝置構(gòu)成的 它能構(gòu)造出駕駛方程式賽車的虛擬環(huán)境 這個(gè)環(huán)境和真實(shí)的幾乎完全一樣 游戲有三條賽車道和三輛賽車 你可以選用初學(xué)者的賽車 也可選用58 8千瓦的高級賽車 啟動(dòng)后 你可以加速 自動(dòng)換擋 開出公路 揚(yáng)起灰塵 緊急調(diào)頭 自動(dòng)剎車 甚至使用平行滑動(dòng)等高難動(dòng)作 駕駛不好甚至發(fā)生翻車事故都沒有關(guān)系 是有驚無險(xiǎn) 你可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 坐在家里或坐在游戲廳內(nèi)去到旅游景點(diǎn)游覽一番 我國杭州大學(xué)開發(fā)了虛擬故宮游玩系統(tǒng) 只要你戴上特制的頭盔 騎上不動(dòng)的自行車 你從頭盔顯示器里就看見了形象逼真的天安門城樓 你用腳踏自行車的腳踏 你就會(huì)感到自己騎自行車來到了午門前的大道上 飛快地穿過午門 越過金水橋 越過大和門 來到太和殿廣場 由于你的自行車太快 一下子破墻而入 到了太和殿 金鑾殿內(nèi)盤龍的柱子 莊嚴(yán)的殿堂和真實(shí)的景象完全一樣 你又騎車來到了御花園 綠樹 紅亭 碧池 令你陶醉 好像身臨其境 但是 只要你摘下頭盔 你仍然是騎在一輛不動(dòng)的自行車上 眼前的一切都消失了 美國一家工程公司研制出一種打高爾夫球的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器 在很大的房間內(nèi) 懸掛一個(gè)有彈性的尼龍屏幕 你在室內(nèi)用標(biāo)準(zhǔn)的高爾夫球桿和真正的球 進(jìn)行打球活動(dòng) 只要你從球座上發(fā)球后 球飛出碰到屏幕便掉在你的房間地板上 這時(shí)屏幕上可以顯示出球在真實(shí)球場的上空飛行的狀況 這是因?yàn)?由傳感器 紅外線發(fā)射器 電子跟蹤系統(tǒng)確定出球的飛行情況 由計(jì)算機(jī)計(jì)算出球繼續(xù)飛行的路徑 并確定出是左曲球還是右曲球 于是在屏幕上顯示出球的飛行過程 這種虛擬的室內(nèi)打高爾夫球模擬器 可以模擬16個(gè)著名高爾夫球場的實(shí)況 打18個(gè)洞的高爾夫球 先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)娛樂就更有趣了 比如 美國芝加哥有一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)娛樂廳 叫 戰(zhàn)技中心 它是世界上第一個(gè)大規(guī)模虛擬現(xiàn)實(shí)娛樂系統(tǒng) 有一個(gè)座艙 前方有一個(gè)屏幕 可以從上面看到戰(zhàn)斗場景 下方有個(gè)副屏幕 從它的上面可看到損傷情況 主屏幕的兩側(cè)顯示武器的狀態(tài)和選擇 左邊的操縱桿控制武器動(dòng)作 右邊的調(diào)整開關(guān)可以控制速度 戰(zhàn)斗機(jī)器 是這個(gè)娛樂系統(tǒng)的 主要人物 是一個(gè)超級機(jī)器人 它是一場戰(zhàn)爭的發(fā)動(dòng)者 假設(shè)這場戰(zhàn)爭發(fā)生在一千多年以后 用腳去踏腳踏板 就使 戰(zhàn)斗機(jī)器模擬器 開始工作 于是模仿一千多年以后的戰(zhàn)爭就開始了 在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中學(xué)習(xí)和培訓(xùn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以用在教學(xué)中 美國懷俄明州的卡斯帕的一些中學(xué)生 有幸從1993年開始試驗(yàn)用這種技術(shù)進(jìn)行上課 每個(gè)學(xué)生都有一臺個(gè)人計(jì)算機(jī) 特殊的頭盔眼鏡 數(shù)據(jù)手套和操縱桿 學(xué)生可以用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在太陽系里飛行 也可以進(jìn)入人體內(nèi)的細(xì)胞里 可以學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 還可以沿尼羅河漂流而下 也可以建造一座早期的城堡 用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)習(xí)既生動(dòng)又有趣 世界著名的摩托羅拉公司 有一種為期3天的高級培訓(xùn)課程 這種課程是用來教會(huì)在世界各地的公司成員怎樣操縱機(jī)器人裝配線的 該公司只有三家工廠有這種實(shí)驗(yàn)設(shè)備 過去培訓(xùn) 公司成員必須長途跋涉去到這三家工廠的某一實(shí)驗(yàn)室接受訓(xùn)練 但從1994年開始 這個(gè)公司尋求用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制造裝配線的模型 這種虛擬模型是由硬件和軟件組成的 硬件包括計(jì)算機(jī) 各種傳感器 頭盔顯示器 鼠標(biāo)器等 軟件包括計(jì)算機(jī)控制程序 由實(shí)際裝配線拍攝下來的照片并變成計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的圖像資料 學(xué)員在啟動(dòng) 運(yùn)行 關(guān)閉裝配系統(tǒng)的虛擬模型中 可以聽到像從真實(shí)系統(tǒng)發(fā)出的響聲 從顯示器上可看見與真實(shí)系統(tǒng)一樣的動(dòng)作反應(yīng) 用裝配線的虛擬模型 就可對學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn) 虛擬現(xiàn)實(shí) 可以模擬一些特殊環(huán)境 用來訓(xùn)練飛行己汽車駕駛員 運(yùn)動(dòng)員等等 用虛擬現(xiàn)實(shí)駕車系統(tǒng) 可以虛擬出行車中出現(xiàn)的各種緊急情況 這些情況和真實(shí)駕車所遇到的情況完全一樣 十分逼真 若是學(xué)習(xí)駕駛的人處理不當(dāng) 也不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn) 只不過再多練幾遍而已 現(xiàn)在 在飛行仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中也越來越多地采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)造生物用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以 制造 出活生生的人和物 美國佐治亞理工學(xué)院開發(fā)出虛擬動(dòng)物園的大猩猩系統(tǒng) 游人戴上頭盔 看到立體景物 就像在一群大猩猩中走動(dòng) 如果游客大靠近雄性大猩猩 它會(huì)發(fā)出咳嗽聲 好像是在警告你 你若不去操縱控制桿 使自己離它遠(yuǎn)點(diǎn) 大猩猩就會(huì)虛張聲勢地?fù)溥^來 游客只好借助 后退鈕 向后退去 當(dāng)然這些都是虛擬的 日本富士通公司用計(jì)算機(jī)制造出一個(gè)小動(dòng)物 它一半像海豚 一半像鳥 這個(gè)由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)造的電子寵物叫 菲蘭克 它和人能進(jìn)行相互交流 它會(huì)記人的臉和聲音 當(dāng)主人呼喚它的時(shí)候 它會(huì)高興得又叫又跳 你用溫柔的聲音對它說話 它就會(huì)作出小鳥依人狀 如果你粗聲吼叫 它就會(huì)飛行得無影無蹤 它會(huì)唱歌 能學(xué)唱新歌 還會(huì)表演雜技 日本一家公司 由幾十位計(jì)算機(jī)圖像藝術(shù)家 花了兩年時(shí)間設(shè)計(jì)制造出一個(gè)虛擬世界中的歌手 叫伊達(dá)恭子 它不是真人 但勝似真人 伊達(dá)恭子 是16歲妙齡的少女 身材美妙 歌喉柔蜜略帶沙啞 動(dòng)作令人傾倒 它不會(huì)老 也不會(huì)發(fā)脾氣 隨意由人支使 可以連續(xù)唱數(shù)小時(shí)而不會(huì)累倒 它會(huì)講7種語言 伊達(dá)恭子的出現(xiàn) 使流行樂壇發(fā)生了變化 越來越多的人喜歡這個(gè)虛擬世界中的歌手 賓夕法尼亞大學(xué)研究制成虛擬現(xiàn)實(shí)人 叫杰克 它是由計(jì)算機(jī)生成的人 是一種模型 而不是把某人的形像拍攝下來再重放的人的形像 杰克在虛擬世界中 能模仿真正人的動(dòng)作 與環(huán)境中的人 物 機(jī)器進(jìn)行相互作用 用杰克可以研究一些問題 比如人與機(jī)器相互作用的好壞 也就是研究人與機(jī)器相互配合問題 人操縱機(jī)器的安全問題 人操縱機(jī)器的效率問題 在研究中 杰克代替真人去工作 比如讓它開汽車 在可能發(fā)生碰撞 翻車等情況中工作 用來考查汽車的設(shè)計(jì)好壞 對人的安全保護(hù)性能等 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用最多的專用設(shè)備是頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套 于是 有人以使用這些專用設(shè)備為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的標(biāo)志 這種觀點(diǎn)是不準(zhǔn)確的 上述的虛擬現(xiàn)實(shí)的概念 是在計(jì)算機(jī)應(yīng)用和人機(jī)交互方面開創(chuàng)的全新的學(xué)科領(lǐng)域 這個(gè)新領(lǐng)域的發(fā)展 還有很多困難 有很多技術(shù)難點(diǎn)有待解決 當(dāng)前 這一領(lǐng)域還只是走出了第一步 頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備 只是當(dāng)前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的一部分虛擬顯示設(shè)備 它們還很不完善 例如 頭盔的視場 分辨率 造成眩暈等問題還有待解決 聽覺接口和力覺接口等設(shè)備還在研究 應(yīng)用還不多 味覺 嗅覺 運(yùn)動(dòng)覺等技術(shù) 還缺乏研究 虛擬環(huán)境 VirtualEnvironment VE 系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實(shí) VirtualReality VR 系統(tǒng)包括人類操作者 人機(jī)接口和計(jì)算機(jī) 第一種情況是模仿真實(shí)世界中的環(huán)境 例如 建筑物 武器系統(tǒng) 或戰(zhàn)場環(huán)境 這種真實(shí)環(huán)境 可能是已經(jīng)存在的 也可能是已經(jīng)設(shè)計(jì)好但還沒有建成的 為了逼真地模仿真實(shí)世界中的環(huán)境 要求逼真地建立幾何模型和物理模型 環(huán)境的動(dòng)態(tài)應(yīng)符合物理規(guī)律 這一類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能 實(shí)際是系統(tǒng)仿真 第二種情況是人類主觀構(gòu)造的環(huán)境 例如 用于影視制作或電子游戲的三維動(dòng)畫 環(huán)境是虛構(gòu)的 幾何模型和物理模型就可以完全虛構(gòu) 這時(shí) 系統(tǒng)的動(dòng)畫技術(shù)常用插值方法 第三種情況是模仿真實(shí)世界中的人類不可見的環(huán)境 例如 分子的結(jié)構(gòu) 空氣中速度 溫度 壓力的分布等 這種真實(shí)環(huán)境 是客觀存在的 但是人類的視覺和聽覺不能感覺到 對于分子結(jié)構(gòu)這類微觀環(huán)境 進(jìn)行放大尺度的模仿 使人能看到 對于空氣中速度這類不可見的物理量 可以用流線顯示速度 流線方向表示速度方向 流線密度表示速度大小 這一類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能 實(shí)際是科學(xué)可視化 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境 可能有下列幾種情況 由此可見 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以用于系統(tǒng)仿真 科學(xué)可視化 三維動(dòng)畫等領(lǐng)域 和虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的幾個(gè)概念是遙操作 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) 以及合成現(xiàn)實(shí) 這些概念之間的區(qū)別在于與用戶交互的環(huán)境不同 對于遙操作系統(tǒng) 與用戶交互的環(huán)境實(shí)際是在遠(yuǎn)地的一個(gè)真實(shí)的環(huán)境 用戶通過類似虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的人機(jī)接口 與遠(yuǎn)處的真實(shí)環(huán)境交互 也就是看到真實(shí)環(huán)境的場景 聽到真實(shí)環(huán)境的聲音 感到與環(huán)境中物體的接觸 遙操作系統(tǒng)實(shí)際上是高級的遙控系統(tǒng) 是采用了先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遙控系統(tǒng) 虛擬環(huán)境 VirtualEnvironment VE 系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實(shí) VirtualReality VR 系統(tǒng)包括人類操作者 人機(jī)接口和計(jì)算機(jī) 遙操作 Teleoperator 系統(tǒng)包括人類操作者 人機(jī)接口和遙機(jī)器人 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) AugmentedReality 系統(tǒng)中 則組合了虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境 合成環(huán)境 SyntheticEnvironment SE 系統(tǒng) 是遙操作系統(tǒng) 虛擬環(huán)境系統(tǒng) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等的總稱 對于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 與用戶交互的環(huán)境實(shí)際是人工構(gòu)造的 存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的環(huán)境 這種虛擬的環(huán)境 可能是不同的環(huán)境 一種情況是真實(shí)環(huán)境的仿真 例如 仿真真實(shí)建筑物的虛擬建筑物 這種真實(shí)建筑物可能是已經(jīng)建成的 也可能是已經(jīng)設(shè)計(jì)好但尚未建成的 一種情況是完全虛擬的人造環(huán)境 例如在虛擬風(fēng)洞中 借助可視化技術(shù)構(gòu)造的虛擬風(fēng)洞環(huán)境 又如在三維動(dòng)畫中 人工構(gòu)造的虛擬環(huán)境 1 1 2虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn) 1 計(jì)算機(jī)提供 環(huán)境 不是 數(shù)據(jù) 信息 這改變了人機(jī)接口的內(nèi)容 2 操作者由視覺 聽覺 力覺感知環(huán)境 由自然的動(dòng)作操作環(huán)境 不是由屏幕 鍵盤 鼠標(biāo)和計(jì)算機(jī)交互 這改變了人機(jī)接口的形式 3 逼真的感知和自然的動(dòng)作 使人產(chǎn)生身臨其境的感覺 這改變了人機(jī)接口的效果 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念 可以得到虛擬現(xiàn)實(shí)的下列三個(gè)特點(diǎn) 第一個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新方向 計(jì)算機(jī)的名稱體現(xiàn)了 它的最早應(yīng)用是計(jì)算 當(dāng)時(shí) 計(jì)算機(jī)和用戶交互的是計(jì)算有關(guān)的數(shù)值 此后 計(jì)算機(jī)擴(kuò)大到處理數(shù)值 字符串 文本等各類數(shù)據(jù) 以后 計(jì)算機(jī)更擴(kuò)大到處理圖像 圖形 聲音 語言等多種媒體的信息 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)則以環(huán)境為計(jì)算機(jī)處理的對象和人機(jī)交互的內(nèi)容 這開拓了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新思路 第二個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)人機(jī)接口的新方向 至今為止的計(jì)算機(jī)人機(jī)接口都是面向機(jī)器的 終端 鍵盤 鼠標(biāo) 打印機(jī)等接口設(shè)備 都是適應(yīng)計(jì)算機(jī)的專用設(shè)備 這些設(shè)備很好地完成了各類數(shù)據(jù)和多媒體信息的交互 虛擬現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)接口 則是面向用戶的 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中 用戶以自然的方式與虛擬環(huán)境交互 所謂自然的方式 是指用戶通過視覺 聽覺 觸覺等感覺虛擬環(huán)境 使用戶產(chǎn)生在真實(shí)環(huán)境中的幻覺 同時(shí) 用戶通過在真實(shí)環(huán)境中的行為 去干預(yù)虛擬環(huán)境 于是 虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)接口設(shè)備 完全不同于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的人機(jī)接口設(shè)備 這也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最有特色的內(nèi)容 第三個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)人機(jī)接口的新要求 用戶通過人機(jī)接口與虛擬環(huán)境交互的結(jié)果 是使用戶產(chǎn)生身臨其境的虛幻感 沉浸感 有的文章中認(rèn)為 虛擬現(xiàn)實(shí)的概念中有三個(gè)I 1 Immersion 沉浸 是指逼真的 身臨其境的感覺 2 Interaction 交互 是指用戶感知與操作環(huán)境 3 Imagination 想象 是指創(chuàng)造性 1 1 3虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域 1 娛樂2 國防3 設(shè)計(jì) 制造和銷售4 醫(yī)療和健康5 危險(xiǎn)操作6 訓(xùn)練7 教育8 信息可視化9 遠(yuǎn)程交往與遠(yuǎn)程游歷 虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用范圍非常廣泛 本課在以后將做詳細(xì)介紹 1 1 4虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù) 1 VR的人機(jī)接口2 VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3 VR的建模和仿真 1 VR的人機(jī)接口 VR的人機(jī)接口有兩個(gè)作用 其一是給人類操作者提供環(huán)境信息 視覺 聽覺和觸覺 其二是感覺人類操作者的動(dòng)作和響應(yīng) 位置跟蹤和映射 前者包括 視覺通道 聽覺通道 觸覺通道 運(yùn)動(dòng)接口和其他接口 后者包括 位置跟蹤和映射 語音識別等 1 位置跟蹤和映射位置跟蹤和映射用于測量人體各部位的位置和姿態(tài) 分析判斷人面部的表情 它的目的是了解人的身體行為 這是為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互所必需的系統(tǒng)功能 VR系統(tǒng)由此了解人的行為 然后做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng) 實(shí)現(xiàn)交互 常用的技術(shù)包括 機(jī)械鏈接 磁傳感器 聲傳感器 光傳感器和慣性傳感器 基本目標(biāo)是精確完成位置和姿態(tài)的測量 三個(gè)主要的要求 大范圍的線性響應(yīng) 高帶寬 1kHz 以及允許頭和身體的運(yùn)動(dòng) 2 視覺通道視覺通道給人的視覺系統(tǒng)提供圖形顯示 為了提供身臨其境的逼真感覺 視覺通道應(yīng)該滿足一些要求 顯示的像素應(yīng)該足夠小 使人不至感覺到像素的不連續(xù) 顯示的頻率應(yīng)該足夠高 使人不至感覺到畫面的不連續(xù) 給兩眼提供具有雙目視差的圖形 形成立體視覺 應(yīng)該具有足夠大的視場 理想情況是顯示畫面充滿整個(gè)視場 視覺通道的顯示表面分為 基于CRT和基于LCD 視覺通道的光學(xué)系統(tǒng)分為 頭盔顯示 HMD 和非頭盔顯示 OHD 3 聽覺通道聽覺通道給人的聽覺系統(tǒng)提供聲音顯示 為了提供身臨其境的逼真感覺 聽覺通道應(yīng)該滿足一些要求 使人感覺置身于立體的聲場之中 能識別聲音的類型和強(qiáng)度 能判定聲源的位置 聽覺通道的關(guān)鍵技術(shù)包括 合成由接口提供的虛擬聲音信號 聲音在虛擬空間定位問題 以及發(fā)聲設(shè)備 4 觸覺通道觸覺通道給人體表面提供觸覺和力覺 當(dāng)人體在虛擬空間中運(yùn)動(dòng)時(shí) 如果接觸到虛擬物體 虛擬顯示系統(tǒng)應(yīng)該給人提供這種觸覺和力覺 觸覺通道涉及操作以及感覺 包括觸覺反饋和力覺反饋 觸覺通道的結(jié)構(gòu)分為 安在身體上和安在地面的設(shè)備 5 運(yùn)動(dòng)接口人體在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)包括 身體的被動(dòng)運(yùn)動(dòng) 被動(dòng)移動(dòng) 如在車上的運(yùn)動(dòng) 身體主動(dòng)運(yùn)動(dòng) 漫游 如散步 人在運(yùn)動(dòng)中 人體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)感覺器官可以感知運(yùn)動(dòng)信息 感知運(yùn)動(dòng)信息的器官包含 前庭系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) 視覺聽覺系統(tǒng) 本體感受 動(dòng)覺和觸覺 運(yùn)動(dòng)接口應(yīng)該給這些器官提供運(yùn)動(dòng)信息 6 其它類型接口其它類型接口包括 嗅覺 味覺通道 以及感覺熱 風(fēng)及濕度的接口 還包括語音通訊 語音識別與合成 以及直接心理感覺和控制 這些接口還缺乏研究 以下將不介紹 2 VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 硬件軟件網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)有的虛擬顯示系統(tǒng)主要考慮視覺通道 聽覺通道和觸覺通道還處于研究階段 所以 VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要考慮視覺通道的要求 1 硬件 視覺通道對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求 首先是要求維持足夠的圖形幀速率 于是要求在指定的時(shí)間內(nèi) 約為0 1秒 計(jì)算出兩眼的兩幅圖像 同時(shí)要求提供足夠好質(zhì)量的圖像 這一般體現(xiàn)在圖像中顯示的多邊形或三角形的樹木 因此 往往需要專用硬件 圖形硬件應(yīng)提供快速幾何變換 截取 消隱 多邊形填充和表面紋理 2 軟件 VR系統(tǒng)中的軟件主要包括下列幾種 交互軟件利用人機(jī)控制設(shè)備的輸出去修改VE 視覺漫游軟件控制用戶在VE中運(yùn)動(dòng)時(shí)看到的場景 建模軟件定義虛擬物體形狀 外觀和屬性的模型 操作系統(tǒng)支持VE的實(shí)時(shí)多模態(tài)要求 3 網(wǎng)絡(luò) 分布式交互仿真已經(jīng)成為現(xiàn)代仿真技術(shù) 特別是軍事仿真的潮流 通訊網(wǎng)絡(luò)可以把VE轉(zhuǎn)換成共享的分布式計(jì)算環(huán)境 3 VR的建模和仿真 1 建模建模包括 幾何建模和物理建模 一般的VR工具軟件都具有幾何建模功能 利用現(xiàn)有的CAD建模工具也是常用的方法 市場上已有商業(yè)模型庫出售 對實(shí)際物體的建模 則采用激光掃描等專用設(shè)備 物理建模是基于物理方程的建模 一般考慮剛體建模 鏈接物體的建模 以及非剛體的建模 智能體的建模不是基于物理方程 而是基于人為的物體智能 人工建模技術(shù)在圖形學(xué)和CAD領(lǐng)域 已有成熟的成果 自動(dòng)建模采用激光掃描建立幾何模型 也已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品 自動(dòng)建立物理模型的研究還不多 2 仿真仿真包括 圖形繪制和三維動(dòng)畫 圖形繪制是把三維環(huán)境 相對于虛擬攝像機(jī) 虛擬視點(diǎn) 投影 形成圖像的過程 為了提供連續(xù)運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)覺 幀速率必須大于每秒8到10幀 為了保持瞬間交互控制的錯(cuò)覺 響應(yīng)時(shí)間的延遲必須小于0 1秒 為了繪制人眼可分辨的所有細(xì)節(jié) 這要求有8千萬個(gè)多邊形 這是對于圖形繪制的要求 然而 用今天的硬件 每個(gè)畫面8千萬多邊形的系統(tǒng)對真正的實(shí)時(shí)交互是太慢了 于是存在真實(shí)圖像與實(shí)時(shí)交互間的折衷 某些應(yīng)用 如建筑和藝術(shù) 可能要求照片一樣真實(shí)的繪制 制造和醫(yī)療應(yīng)用要求更高層次的實(shí)時(shí)交互 三維動(dòng)畫可以用兩種途徑實(shí)現(xiàn) 基于物理模型的數(shù)值計(jì)算是一種方法 軍事和工業(yè)等應(yīng)用 往往要求這種滿足物理規(guī)律的仿真技術(shù) 數(shù)學(xué)插值則是另一種實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的方法 這種技術(shù)在三維動(dòng)畫電影中獲得了巨大的成功 下圖表示 虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)系統(tǒng)的方塊圖 用戶通過輸入輸出設(shè)備與輸入輸出軟件交互 輸入軟件通過形狀編輯器完成幾何建模 通過聲音編輯器完成虛擬聲音系統(tǒng)建模 然后 在世界編輯器完成虛擬環(huán)境的建模 其中的虛擬剪切器 用于模型的剪切 建立的模型 保存在虛擬世界中 整個(gè)工作在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中完成 小節(jié) 虛擬現(xiàn)實(shí)或虛擬環(huán)境是人工構(gòu)造的 存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的環(huán)境 用戶應(yīng)該能夠以自然的方式與這個(gè)環(huán)境交互 包括感知環(huán)境并干預(yù)環(huán)境 從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的虛幻感 沉浸感 身臨其境的感覺 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括人類操作者 人機(jī)接口和計(jì)算機(jī) 虛擬現(xiàn)實(shí)有下列三個(gè)特點(diǎn) 1 計(jì)算機(jī)提供 環(huán)境 不是 數(shù)據(jù) 信息 2 操作者由視覺 聽覺 力覺感知環(huán)境 由自然的動(dòng)作操作環(huán)境 3 逼真的感知和自然的動(dòng)作 使人產(chǎn)生身臨其境的感覺 第二節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的因素 計(jì)算機(jī) 接口和用戶是VR系統(tǒng)中的三個(gè)組成部分 接口設(shè)計(jì)必須考慮人的因素 人的因素與VR系統(tǒng)性能直接相關(guān) 下面介紹與VR系統(tǒng)直接相關(guān)的人的因素問題 1 2 1人眼1 視覺生理結(jié)構(gòu)2 立體視覺3 屈光度4 瞳孔5 分辨力6 明暗適應(yīng)7 周圍視覺和中央視覺8 視覺暫留9 視場現(xiàn)有的VR系統(tǒng)中 已經(jīng)考慮的因素包括 立體視覺 分辨力 視覺暫留 以及視場 其他因素還沒有充分考慮到 1 視覺生理結(jié)構(gòu) 大腦皮層 CerebralCortex 是大腦半球的最外層 它負(fù)責(zé)各種形式的感覺 視網(wǎng)膜 Retina 是在每只眼背部的神經(jīng)細(xì)胞的多層膜 它把光轉(zhuǎn)成電信號 并通過視神經(jīng)和管道傳給大腦 下圖表示 視網(wǎng)膜的解剖圖 圖中顯示了層 管道和神經(jīng) 光感受器 Photoreceptor 是每只眼睛視網(wǎng)膜中1 25億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞中的一部分 它在受到特定波長的光的刺激時(shí) 會(huì)發(fā)出電信號 視網(wǎng)膜是眼的光敏層 幾百微米厚 有10層 光線通過其中8層 被另外兩層的視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞的光接收器 Photoreceptor 吸收 每只眼的視網(wǎng)膜上有1 25億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞 脊椎動(dòng)物有兩種光感受器 視桿細(xì)胞 rods 負(fù)責(zé)低分辨率的 單色的 夜間的視覺 視錐細(xì)胞 cones 負(fù)責(zé)高分辨率的 彩色的 白天的視覺 它花費(fèi)25ms把光轉(zhuǎn)成電信號 再送給大腦 下圖表示 視網(wǎng)膜內(nèi)光感受器的解剖圖 圖中桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞在上部 通向大腦的視神經(jīng)纖維在下部 下圖表示 視覺系統(tǒng)的生理結(jié)構(gòu)圖 圖中鉛筆的反射光線通過眼睛晶狀體的透鏡 于是 鉛筆的倒置圖像直接投影在視網(wǎng)膜上 視網(wǎng)膜的桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞負(fù)責(zé)通過視神經(jīng)把信號傳給大腦 2 立體視覺 視覺的另一個(gè)重要因素是立體視覺能力 提供給人類視覺的圖像 必須使人感覺是立體的 這樣 觀看者的視覺系統(tǒng)就可以計(jì)算出被看物體的遠(yuǎn)近 對同一個(gè)場景 兩眼得到稍有差別的視圖 左視區(qū)的信息 送到兩眼視網(wǎng)膜的右側(cè) 在視交叉處 左眼的一半神經(jīng)纖維交叉到大腦的右半球 左眼的另一半神經(jīng)纖維不交叉 直接到大腦的左半球 這樣 兩眼得到的左視區(qū)的所有信息 都送到右半球 人類立體視覺的原理圖 HMD 頭虧顯示器 提供兩個(gè)顯示 不但應(yīng)保持雙目視差 而且應(yīng)該重疊 實(shí)際上 由于兩眼有6 5cm的瞳距 所以兩者視場總有些差別 有不重疊的區(qū)域 對中央凹區(qū)域 深度感在150m時(shí)減弱 對周圍視覺 深度感在100m減弱 而在這個(gè)距離上 雙目視差不是最有用的 運(yùn)動(dòng)視差和透視可能更有用 3 屈光度 與眼的光學(xué)部分有關(guān)的一個(gè)度量是 屈光度 dioptre 有1個(gè)屈光度的鏡頭 可以聚焦平行光線在1米距離 人眼的聚焦能力約60屈光度 這表明聚焦平行光在17mm距離 這就是眼球尺寸 是晶狀體和視網(wǎng)膜的距離 年青人可以連續(xù)改變14個(gè)屈光度 這稱為調(diào)節(jié)或聚焦 這保證對遠(yuǎn)近物體都能看到清晰的圖像 年長后調(diào)節(jié)能力減弱 50歲時(shí)調(diào)節(jié)能力2個(gè)屈光度 70歲時(shí)調(diào)節(jié)能力0個(gè)屈光度 在注視運(yùn)動(dòng)物體時(shí) 自動(dòng)調(diào)節(jié)屈光度 調(diào)節(jié)作用保證某個(gè)距離的物體清晰 而其它距離物體模糊 這起了濾波器的作用 使人集中關(guān)注視場中部分區(qū)域 在HMD中沒有調(diào)節(jié) 2個(gè)圖像都是聚焦在2到3米距離 4 瞳孔 瞳孔是晶狀體前的孔 直徑可變化 由1 5mm到8mm 面積之比1 30 瞳孔作用有三個(gè) a 放大時(shí)可增加眼的敏感 b 縮小時(shí)可增加近視覺的視距 c 縮小時(shí)可限制入射光在光學(xué)效果最好的中心區(qū) 5 分辨力 分辨力是人眼區(qū)分兩個(gè)點(diǎn)的能力 限于10m距離上約1 5 2mm 例如在2m的距離觀看寬度400mm的電視 人眼區(qū)分兩個(gè)點(diǎn)的能力 在2m距離上約0 4mm 則寬度400mm上應(yīng)該由1000個(gè)0 4mm大小的像素 計(jì)算機(jī)監(jiān)視器和高清晰度電視機(jī) 都達(dá)到了這樣的分辨率 6 明暗適應(yīng) 眼對亮度的感覺可以自動(dòng)調(diào)節(jié) 這是通過改變在視桿和視錐細(xì)菌中光敏化合物的濃度 例如從亮處進(jìn)入暗室時(shí)的現(xiàn)象 稱為暗適應(yīng) 花費(fèi)約40分 亮適應(yīng)是從暗室進(jìn)入陽光下時(shí)的現(xiàn)象 這種適應(yīng)的強(qiáng)度變化在25000倍 視桿細(xì)胞適應(yīng)時(shí)間約1小時(shí) 視錐細(xì)胞適應(yīng)時(shí)間約幾分鐘 7 周圍視覺和中央視覺 視網(wǎng)膜不僅是被動(dòng)的光敏表面 通過視桿和視錐細(xì)胞與神經(jīng)細(xì)胞的連接 它還有一定的圖像處理 中央凹是視網(wǎng)膜中央部分 在光軸與視網(wǎng)膜焦點(diǎn)附近 直徑約1mm 有高密度視錐細(xì)胞 中央凹區(qū)域的視覺稱為中央視覺 中央視覺是高分辨率部分 有彩色的 白天的視覺 視網(wǎng)膜周圍區(qū)域包含視桿和視錐細(xì)胞 視網(wǎng)膜周圍區(qū)域的視覺稱為中央視覺 這些神經(jīng)細(xì)胞對光強(qiáng)的變化敏感 它幫助我們注意運(yùn)動(dòng)物體 周圍視覺雖然分辨率低 是單色的 夜間的視覺 但敏感運(yùn)動(dòng)物體 8 視覺暫留 視覺暫留是視網(wǎng)膜的電化學(xué)現(xiàn)象造成視覺的反應(yīng)時(shí)間 當(dāng)觀看很短的光脈沖時(shí) 視桿細(xì)胞得到約0 25s的峰 視錐細(xì)胞快4倍 得到約0 04s的峰 這種現(xiàn)象造成視覺暫留 這是電影 電視 VR顯示的基礎(chǔ) 臨界熔合頻率 CriticalFusionFrequency CFF 效果會(huì)產(chǎn)生把離散圖像序列組合成連續(xù)視覺的能力 CFF最低20Hz 并取決于圖像尺寸和亮度 英國電視幀頻25Hz 美國電視幀頻30Hz 電影幀頻24Hz 眼對閃爍的敏感正比于亮度 所以若白天的圖像更新率為60Hz 則夜間只要30Hz 9 視場 雙目的視場約為水平 1000 垂直 600 而水平的雙目重疊視場1200 實(shí)際的全景顯示可能產(chǎn)生水平 1000 垂直 300視場 這已經(jīng)有強(qiáng)的沉浸感 1 2 2人耳 1 聲音2 聲音感覺3 頻率范圍4 聲強(qiáng)5 聲音方向6 聲音舞臺7 頭部有關(guān)的傳遞函數(shù) 現(xiàn)有的VR系統(tǒng)中 已經(jīng)考慮的因素包括 聲音方向 聲音舞臺 以及頭部有關(guān)的傳遞函數(shù) 其他因素還沒有充分考慮到 1 聲音 音速在空氣中 0 時(shí)331m s 20 時(shí)344m s 在海水中 1 時(shí)音速1453m s 在鑄鐵棒中 音速3500m s 耳聽到的頻率范圍約20Hz到20kHz 隨年歲增加 頻率范圍縮小 特別是高頻段 考慮音速344m s 20Hz的波長17 2m 1kHz的波長34 4cm 10kHz的波長3 44cm 人耳的尺寸約7cm 這是5kHz的波長 這說明耳會(huì)影響這種頻率聲音的收集 人的身體也會(huì)與聲波交互 這也會(huì)影響聲音的質(zhì)量 這類似音樂廳中的音響效果 2 聲音感覺 耳分為外耳 中耳 內(nèi)耳 外耳把聲音引導(dǎo)進(jìn)內(nèi)耳 它也作為濾波器而改變聲音 把手放在耳前面 就會(huì)感到聲音變化 聲音最終沖擊耳膜 使之振動(dòng) 耳膜振動(dòng)再傳到耳蝸 并且振動(dòng)加大20倍 3 頻率范圍 耳蝸有3個(gè)螺旋管 被2個(gè)膜片分開 Reissner膜和耳底膜 振動(dòng)會(huì)刺激耳底膜上的2萬到3萬個(gè)硬毛 并產(chǎn)生電信號傳給大腦 耳底膜有識別頻率的機(jī)制 高頻振動(dòng)刺激膜的開始部分 中頻振動(dòng)刺激膜的中間部分 低頻振動(dòng)刺激膜的遠(yuǎn)端部分 4 聲強(qiáng)聲強(qiáng)影響到耳底膜的振幅 直接轉(zhuǎn)成毛細(xì)胞的刺激 5 聲音方向一般認(rèn)為 人腦識別聲源位置 是利用兩耳收到的聲音的時(shí)間差和聲音幅度差 當(dāng)人面對聲源時(shí) 兩耳的聲強(qiáng)和路徑相等 當(dāng)人向左轉(zhuǎn)以后 右耳聲音比左耳強(qiáng) 且更早聽到 若兩耳路徑之差為20cm 則時(shí)間差0 6ms 6 聲音舞臺如果用一對麥克風(fēng)記錄立體聲音 就可以重現(xiàn)聲音舞臺 它有寬度和深度 7 頭部有關(guān)的傳遞函數(shù) 在聽耳機(jī)時(shí) 每個(gè)耳只聽一個(gè)發(fā)聲器的聲音 當(dāng)然一個(gè)耳中的聲音 也會(huì)經(jīng)頭部傳給另一耳 在聽揚(yáng)聲器時(shí) 每個(gè)耳都分別聽到兩個(gè)揚(yáng)聲器的聲音 1974年P(guān)lenge認(rèn)為 進(jìn)入耳的聲音的形式 會(huì)產(chǎn)生外部的聲音舞臺的感覺 對于耳機(jī) 特別是插入式耳塞 感覺的聲音舞臺是內(nèi)部的 如果驅(qū)動(dòng)耳機(jī)的左右通道可以由電子設(shè)備構(gòu)成聲音 則人會(huì)感覺聲音有外部的真實(shí)性 為此要求知道聲音的形狀 或由聲源到耳內(nèi)部的傳遞函數(shù) 這個(gè)由聲源到耳內(nèi)部的傳遞函數(shù)稱為 頭部有關(guān)的傳遞函數(shù) Head relatedtransferfunctions HRTF 它反映頭和耳對傳聲的影響 不同的人有不同的HRTF HRTF的測量方法如下 對空間每個(gè)位置的聲源 安放在耳中接近耳膜的小麥克風(fēng)測量收到的信號 信號經(jīng)過處理 補(bǔ)償非線性頻率響應(yīng) 由此得到HRTF 1 2 3身體感覺 這涉及到感覺表面粗糙 振動(dòng) 運(yùn)動(dòng) 位置 壓力 疼痛和溫度 按身體不同部位 可分四類 a 深部感覺 b 內(nèi)臟感覺 c 本體感覺 d 外感受感覺 現(xiàn)有的VR系統(tǒng)中 已經(jīng)考慮了觸覺和力覺顯示 但是有關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)還沒有充分考慮到 a 深部感覺 它提供關(guān)節(jié) 骨 腱 肌肉和其它組織的信息 涉及壓力 疼痛和振動(dòng) b 內(nèi)臟感覺 它提供胸腹腔中的內(nèi)臟的狀況 主要是疼痛 c 本體感覺 它提供身體的位置 平衡和肌肉感覺 也涉及與其它物體的接觸 如站在地上 躺在床上 本體感覺接受器位于關(guān)節(jié) 肌肉和深部組織 d 外感受感覺 它是身體表面的接觸感覺 平衡是在飛行仿真和運(yùn)動(dòng)眩暈中的問題 眩暈的原因很多 但往往來自視覺和前庭器官信息的沖突 例如在固定座艙的飛行仿真中 視覺接收人體運(yùn)動(dòng)感覺 前庭器官不感覺人體運(yùn)動(dòng) 又如在乘車旅行中 前庭器官感覺人體與車同時(shí)的運(yùn)動(dòng) 視覺沒有或較少接收人體運(yùn)動(dòng)感覺 下圖表示 人體皮膚的內(nèi)部結(jié)構(gòu) VR的觸覺接口直接刺激皮膚 產(chǎn)生接觸感 人體具有約20種不同的神經(jīng)末梢 它們?nèi)o大腦發(fā)送信息 但是 最普通的感知器是熱感知器 冷感知器 疼痛感知器 以及壓力 或接觸 感知器 VR的觸覺接口可以提供高頻震動(dòng) 小范圍的形狀或壓力分布 以及熱特性 由此來刺激這些感知器 圖中 綠色的ColdReceptor是冷感知器 黃色的HeatReceptor是熱感知器 紅色的PainReceptor是疼痛感知器 紫色的PressureReceptor是壓力感知器 此外 Dermis是真皮 Epidermis是表皮 Hair是毛發(fā) 在VR中 某些人的因素明顯被考慮 如HMD中考慮瞳距 另外一些人的因素未明顯考慮 如運(yùn)動(dòng)眩暈 DefenceResearchAgency研究了沉浸感顯示的副作用 有些人認(rèn)為用HMD看不同遠(yuǎn)處物體時(shí) 不能用會(huì)聚和調(diào)節(jié) 使人不適應(yīng) 有人認(rèn)為HMD與內(nèi)瞳距不匹配也使眼疲勞 有人認(rèn)為眼不是會(huì)聚 而是在發(fā)散 有些用戶很敏感運(yùn)動(dòng)刺激 如汽車 船 飛機(jī) 火車等 有人實(shí)驗(yàn)研究了VR引起運(yùn)動(dòng)眩暈問題 在150個(gè)實(shí)驗(yàn)者中 有8人產(chǎn)生強(qiáng)烈眩暈 其它實(shí)驗(yàn)者經(jīng)歷了20分鐘沉浸環(huán)境 5分后有22 的人眩暈 10分后有32 人眩暈 15分后有40 人眩暈 20分后有45 人眩暈 在沉浸經(jīng)歷以后5分鐘 還有36 的人眩暈 10分鐘后還有27 的人眩暈 在VR中 具有圖像生成的延遲 視覺和前庭器官信息的時(shí)間不同步也造成感覺 視覺與本體感覺 的沖突 快速處理和予測算法有可能緩解這種不同步 第一章到此結(jié)束