【文章內容簡介】 。 167 構造空間平面集合造型 168 設置虛擬造型的外觀 170 設置虛擬對象的外觀和材質 170 為幾何體添加紋理 173 紋理的變換 175 虛擬造型群節(jié)點的使用 175 編組節(jié)點的使用 175 空間坐標變換節(jié)點的使用 177 構建虛擬現實的環(huán)境 179 給虛擬場景添加背景 179 給虛擬場景添加光照 182 虛擬對象的動畫效果191 時間傳感器節(jié)點的使用191 利用插補器構造動畫192 虛擬對象交互功能的實現197 檢測器的基本功能197 各類檢測器的基本作用與使用197 3DSMAX 與VRML 207 3DSMAX 的場景導出207 在3DSMAX 中插入VRML節(jié)點207 VRML 文件的壓縮 211本章小結 211習題與思考題212附錄 A VRML 的關鍵字213附錄B VRML 的域參考216參考文獻219第1 章概 論學習目標：?? 掌握 VR 技術的基本概念?? 掌握 VR 技術的分類、特性?? 了解 VR 技術的應用?? 了解 VR 技術在國內外的研究狀況?? 了解 VR 技術中目前存在的問題曾幾何時，科幻小說家為我們描繪著一個夢想，人們可以通過電子或虛擬的方式來豐富我們的生活，夢想有一天，人類可以進入一個虛擬的世界，在那里可以通過替身（化身）在三維空間中進行探險、娛樂、工作以及與人交往。隨著計算機技術、網絡技術、多媒體技術、三維圖形技術等技術的發(fā)展，人類的這一夢想將變?yōu)楝F實，這就是虛擬現實技術。虛擬現實是從英文Virtual Reality 一詞翻譯過來的，Virtual 是虛假的意思，Reality 是真實的意思，合并起來就是虛擬現實（以下正文中簡稱VR），也就是說本來沒有的事物和環(huán)境，通過各種技術虛擬出來，讓你感覺就如同置身于真實世界中一樣。VR 技術，又稱虛擬實境或靈境技術，這項技術原本是美國軍方開發(fā)研究出來的一項計算機技術。到20 世紀80 年代末才逐漸為各界所關注，它以計算機技術為主，利用并綜合三維圖形技術、多媒體技術、仿真技術、傳感技術、顯示技術、伺服技術等多種高科技的最新發(fā)展成果，利用計算機等設備來產生一個逼真的三維視覺、觸覺、嗅覺等多種感官體驗的虛擬世界，從而使處于虛擬世界中的人產生一種身臨其境的感覺。在這個虛擬世界中，人們可直接觀察周圍世界及物體的內在變化，與其中的物體之間進行自然的交互，并能實時產生與真實世界相同的感覺，使人與計算機融為一體。與傳統(tǒng)的模擬技術相比，VR 技術的主要特征是：用戶能夠進入到一個由計算機系統(tǒng)生成的交互式的三維虛擬環(huán)境中，可以與之進行交互。通過參與者與仿真環(huán)境的相互作用，并利用人類本身對所接觸事物的感知和認知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維，全方位地獲取事物的各種空間信息和邏輯信息。隨著計算機技術及相關技術的發(fā)展，在PC 機上實現VR 技術已成為可能。VR 技術、理論分析、科學實驗已成為人類探索客觀世界規(guī)律的三大手段。VR 技術的發(fā)展與普及，改變了過去人與計算機之間枯燥、生硬、被動的交流方式，使人機之間的交互變得更人性化，也同時改變了人們的工作方式和生活方式，改變了人的思想觀念。VR 技術將深入到我們的生活中，成為一門藝術、一種文化。據有關權威人士斷言，到21 世紀，人類將進入VR 的科技新時代，VR 技術將是2 第1章概論信息技術的代表。 虛擬現實技術概述 VR 技術的發(fā)展過程關于 VR，其實在很久以前就有人提出這一構想。早在20 世紀50 年代中期，計算機剛在美國、英國的一些大學出現，電子技術還處于以真空電子管為基礎的時候，美國的莫頓海利希就成功地利用電影技術，通過“拱廓體驗”讓觀眾經歷了一次美國曼哈頓的想像之旅。但由于當時各方面的條件制約，如缺乏相應的技術支持、沒有合適的傳播載體、硬件處理設備缺乏等原因，VR 技術并沒有得到很大的發(fā)展，直到20 世紀80 年代末，隨著計算機技術的高速發(fā)展及互聯網技術的普及，才使得VR 技術得到廣泛的應用。VR 技術的發(fā)展大致分為3 個階段：20 世紀50 年代到70 年代，是VR 技術的探索階段；20世紀80 年代初期到80 年代中期，是VR 技術系統(tǒng)化、從實驗室走向實用的階段；20 世紀80 年代末期到21 世紀初，是VR 技術高速發(fā)展的階段。第一套具有VR 思想的裝置是莫頓海利希在1962 年研制的稱為Sensorama 的具有多種感官刺激的立體電影系統(tǒng)，它是一套只能供個人觀看立體電影的設備，采用模擬電子技術與娛樂技術相結合的全新技術，能產生立體聲音效果，并能有不同的氣味，座位也能根據劇情的變化搖擺或振動，觀看時還能感覺到有風在吹動。在當時，這套設備非常先進，但觀眾只能觀看，而不能改變所看到的和所感受到的世界，也就是說無交互操作功能。1965 年，計算機圖形學的奠基者美國科學家艾凡薩瑟蘭在一篇名為《終極的顯示》的論文中，首次提出了一種假設，觀察者不是通過屏幕窗口來觀看計算機生成的虛擬世界，而是生成一種直接使觀察者沉浸并能互動的環(huán)境。這一理論后來被公認為在VR 技術中起著里程碑的作用，所以我們稱他既是“計算機圖形學”之父，也是“虛擬現實技術”之父。在隨后幾年中，艾凡薩瑟蘭在麻省理工學院開始頭盔式顯示器的研制工作，人們戴上這個頭盔式顯示器，就會產生身臨其境的感覺。在1968 年，艾凡薩瑟蘭使用兩個可以戴在眼睛上的陰極射線管（CRT）研制出了第一個頭盔式顯示器（HMD），并發(fā)表了《A HeadMounted 3DDisplay》的論文，他對頭盔式顯示器裝置的設計要求、構造原理進行了深入的分析，并描繪出這個裝置的設計原型，此舉成為三維立體顯示技術的奠基性成果。在第一個HMD 的樣機完成后不久，研制者們又反復研究，在此基礎上把能夠模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個系統(tǒng)中，并于1970 年研制出了第一個功能較齊全的HMD 系統(tǒng)?；?20 世紀60 年代以來所取得的一系列成就，美國的Jaron Lanier 在20 世紀80 年代初正式提出了“Virtual Reality”一詞。20 世紀80 年代，美國國家航空航天局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關VR 技術的研究，并取得了令人矚目的研究成果，從而引起了人們對VR 技術的廣泛關注。1984 年，NASAAmes 博士組織開發(fā)了用于火星探測的虛擬世界視覺顯示器，將火星探測器發(fā)回的數據輸入計算機，為地面研究人員構造了火星表面的三維虛擬世界。在隨后的虛擬交互世界工作站（VIEW）項目中，他們又開發(fā)了通用多傳感個人仿真器和遙控設備。進入 20 世紀90 年代后，迅速發(fā)展的計算機硬件技術與不斷改進的計算機軟件系統(tǒng)相匹配，使得基于大型數據集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為可能，人機交互系統(tǒng)的設計不斷創(chuàng)新，新穎、實用的輸入輸出設備不斷地涌入市場，而這些都為VR 系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎。在應用方面，1993 年11 月，宇航員通過VR 系統(tǒng)的訓練，成功地完成了從航天飛機的運輸艙內取出新的望遠鏡面板的工作，而用VR 技術設計的波音777 飛機是虛擬制造的典型應用實例，這是飛機設計史上第一次在設計過程中沒有采用實物模型。波音777 飛機由300 萬個零件組成，所有的設計在一個由數百臺工作站組成的虛擬世界中進行。設計師戴上頭盔式顯示器后，可以穿行于設計的虛擬“飛機”之中，審視“飛機”的各項設計指標。正是由于 VR 技術產生的具有交互作用的虛擬世界，使得人機交互界面更加形象和逼真，越來越激發(fā)了人們對VR 技術的興趣。近十年來，國內外對此項技術的應用更加廣泛，在軍事、航空航天、科技開發(fā)、商業(yè)、醫(yī)療、教育、娛樂等多個領域得到越來越廣泛的應用，并取得了巨大的經濟效益和社會效益。正因為VR 技術是一個發(fā)展前景非常廣闊的新技術，因此，人們對它的應用前景充滿了憧憬。 VR 技術的概念與構成VR 技術是采用以計算機技術為核心的現代高科技技術，生成逼真的視、聽、觸覺等一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬世界中的物體進行交互，相互影響，從而產生親臨真實環(huán)境的感受和體驗。典型的 VR 系統(tǒng)主要由計算機、應用軟件系統(tǒng)、輸入輸出設備、用戶和數據庫等組成，如圖11 所示。圖11 VR 系統(tǒng)1．計算機在 VR 系統(tǒng)中，計算機負責虛擬世界的生成和人機交互的實現。由于虛擬世界本身具有高度復雜性，尤其在某些應用中，如航空航天世界的模擬、大型建筑物的立體顯示、復雜場景的建模等，使得生成虛擬世界所需的計算量極為巨大，因此對VR 系統(tǒng)中計算機的配置提出了極高的要求。目前，低檔的VR 系統(tǒng)的配置是以PC 機為基礎并配置3D 圖形加速卡；中檔的VR 系統(tǒng)一般采用SUN 或SGI 等公司的可視化工作站；高檔的VR 系統(tǒng)則采用分布式的計算機系統(tǒng)，即由幾臺計算機協同工作。由此可見，計算機是VR 系統(tǒng)的心臟。2．輸入輸出設備在 VR 系統(tǒng)中，為了實現人與虛擬世界的自然交互，必須采用特殊的輸入輸出設備，以識別用4 第1章概論戶各種形式的輸入，并實時生成相應的反饋信息。常用的方式為數據手套加空間位置跟蹤定位設備，它可以感知運動物體的位置及旋轉方向的變化，通過頭盔式顯示器等立體顯示設備產生相應的圖像和聲音。通常頭盔式顯示器中配有空間位置跟蹤定位設備，當用戶頭部的位置發(fā)生變化時，空間位置跟蹤定位設備檢測到位置發(fā)生的相應變化，從而通過計算機得到物體運動位置等參數，并輸出相應的具有深度信息及寬視野的三維立體圖像和生成三維虛擬立體聲音。3．VR 的應用軟件系統(tǒng)及數據庫VR 的應用軟件系統(tǒng)可完成的功能包括：虛擬世界中物體的幾何模型、物理模型、行為模型的建立，三維虛擬立體聲的生成，模型管理技術及實時顯示技術，虛擬世界數據庫的建立與管理等幾部分。虛擬世界數據庫主要用于存放整個虛擬世界中所有物體的各個方面的信息。圖 12 所示的是基于頭盔式顯示器的VR 系統(tǒng)，它由計算機、頭盔式顯示器、數據手套、力反饋裝置、話筒、耳機等設備組成。該系統(tǒng)首先由計算機生成一個虛擬世界，由頭盔式顯示器輸出一個立體的顯示，用戶可以通過頭的轉動、手的移動、語音等與虛擬世界進行自然交互，計算機能根據用戶輸入的各種信息實時進行計算，即刻對交互行為進行反饋，由頭盔式顯示器更新相應的場景顯示，由耳機輸出虛擬立體聲音、由力反饋裝置產生觸覺（力覺）反饋。__ VR 技術的特征及意義VR 技術有3 個主要特性：沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和想像性（Imagination），如圖13