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网络虚拟现实简介

2021年04月05日 20:27  点击:[]


网络虚拟现实其实就是虚拟现实技术在网络上的应用,它是虚拟现实技术与网络技术相互发展的产物。网络的发展有效促进了各个领域飞速进步,也有效推动了虚拟现实技术在各个领域的应用与普及。

一.计算机图形学、2D/3D图形学与图形软件

1.计算机图形学

计算机图形学是研究计算机图形对象的建模、处理与渲染等内容的理论和技术。它的主要任务就是使用计算机构建出图形对象的虚拟模型,并通过特定的算法和程序将这些虚拟模型在显示设备上按照特定的视角绘制(渲染)出来。所以图形学系统一般包含建模(module)和绘制(Render)两部分。

2、2D/3D图形学

最初的计算机图形学构造出的都是二维图形,也就是常说的2D图形学。但随着计算机性能的不断提高,软、硬件技术的进一步发展,尤其是消隐和图形之间布尔运算等方法以及专业的三维图形绘制软件的出现使3D计算机图形学成为可能,这样就由2D图形学发展到了3D图形学。与2D图形学相比3D图形学能完美模拟真实的三维现实世界中的各类物体及各种复杂的效果,但是,它的实现要远远比2D图形学复杂。

3.图形软件

图形软件就是指各类图形、图像的制作、处理软件。目前,市面上有许多图形软件,主要分2D和3D类。比如PhotoShop、CorelDraw、Flash等就是非常著名的2D的图形、图像、制作软件;而3ds Max、Maya、AutoCAD等就是专业的3D的图形、图像制作软件,它们都是计算机图形学不断发展的产物,同时也对计算机图形技术的发展和应用起到了不可估量的推动作用。

二.网络虚拟现实概念

1.虚拟现实(Virtual Reality,VR)

虚拟现实是计算机技术、计算机图形学、仿真技术、立体显示技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成得智慧结晶。顾名思义,虚拟现实就是能模拟真实的现实世界,当然,使用的工具就是主要是计算机及相关的软、硬件设备。所以,虚拟现实系统其实是一套可创建和体验虚拟世界的计算机系统。

一个完整的虚拟现实系统一般由虚拟环境;虚拟环境处理器以及视觉、听觉、味觉、反馈系统组成。虚拟环境可以通过图形软件进行模拟创建;虚拟环境处理器一般由高性能计算机为核心;视觉系统往往包含立体眼镜、头盔显示器、3D立体显示器、立体投影仪、多通道环幕(立体)投影系统等;听觉系统包含语音识别、声音合成与声音定位等;同时,以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备和以及能感知味觉、嗅觉、触觉与力觉得设备组成了反馈系统。

前面讲到的虚拟现实设备往往比较昂贵,甚至有一些还只是处于试验阶段,所以它们对于普通大众来说往往遥不可及。但是,并不是只有使用前面那些设备才能实现虚拟,现在,甚至只使用一台普通的个人计算机也能够实现较简单的虚拟现实所要求的功能。

虚拟现实系统一般可以分为四类:一是桌面虚拟现实,它主要在计算机上实现,成本较低、功能也最简单,主要用于CAD、CAM、建筑设计、桌面游戏等领域,它是靠彩色显示器、三维立体眼镜增加身临其境感觉,以六自由度鼠标器或三维操纵杆来增加交互性;二是沉浸虚拟现实,它主要使用头盔显示器、多通道环幕(立体)投影系统等专业的设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来,产生一种身在虚拟环境中的错觉;三是分布式虚拟现实,它是一个基于网络的可供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境,在这个环境中,多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作,以达到协同工作的目的;四是增强现实或混合现实系统,它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统,既可减少构成复杂真实环境的开销,又可对实际物体进行操作,真正达到了亦真亦幻的境界,是今后的发展方向之一。

无论哪种虚拟现实都同时具3I特点:沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和构想性(Imagination)。它能使人沉浸其中、参与其间,并且能出入自然,从而身临其境体味虚拟世界的真实境界。

2.网络虚拟现实(WEB3D

随着网络技术的飞速发展、3D图形技术的日臻成熟以及虚拟现实技术的广泛应用,人们越来越不满足WEB上仅仅局限于二维空间的交互性,而是进一步希望在网络上创建三维立体空间(WEB3D)。这样就催生了三维立体虚拟现实在网络上的应用,这就是网络虚拟现实。随着网络的飞速发展及网络越来越成为人们工作、生活中不可或缺的一部分,虚拟现实的应用越来越趋于网络化。

三.虚拟现实技术的基本特征

虚拟现实基本特征就是具有3I(沉浸性[Immersion]、交互性[Interaction]和构想性[Imagination])要素。正因如此,它才能给用户带来高逼真的、身临其境的“沉浸感”,赋予用户以第一人称的感觉和实时任意活动的自由,使用户能忘记自我,完全溶身于虚拟境界,仿佛置身于真实的境界。

四.虚拟现实技术的分类

说到虚拟现实,大部分人都会联想到三维立体的虚拟场景,并按照用户参与的不同形式以及沉浸程度的不同,把虚拟现实技术划分四类:桌面式VR系统(Desktop VR)、增强式VR系统(Augmented VR)、沉浸式VR系统(Immersive VR)和分布式VR系统(Distributed VR,DVR)。但,其实还有一种是不依赖于三维立体模型,而是依赖于图像的虚拟现实。

1、基于几何建模与绘制(Geometry Based Modeling & Rendering,GBR)的虚拟现实技术

一般情况下,虚拟现实主要是指基于几何建模与绘制(Geometry Based Modeling & Rendering,GBR)的虚拟现实技术,GBR利用几何建模,将现实存在的场景或构想的场景在计算机中完美模拟出来,并通过计算机高速渲染呈献给用户,让用户真实体味三维虚拟境界。

GBR的优势包括高逼真地场景再现能力和高灵活、自由的用户参与能力。但是,GBR也并不是完美无缺——当GBR场景越大、逼真度越高时,就会对计算机的性能和网络传输带宽提出了更高的要求,而当达到计算机或网络的承受极限时,GBR就会失败。

目前VRML、X3D、Java3D、Atmosphere、Blaxxun3D、Cult3D、Fluid3D、Java3D、Viewpoint、Pulse3D、Shout3D、Superscape、ShockWave3D、Vecta3D等都是基于GBR的网络虚拟现实技术,他们占据了网络虚拟现实的主体部分。

2、基于图像处理(Image Based Modeling & Rendering,IBR)的虚拟现实技术

为了有效克服GBR对计算机性能和网络带宽的要求,一种基于图像处理(Image Based Modeling & Rendering,IBR)的网络虚拟现实技术逐渐兴起。IBR是基于预先生成的图像(环境映图)来实现虚拟场景的不同视点的,因而它不仅对计算机的性能要求不高,并且还能达到照片级别的逼真效果。这就很好弥补了GBR建模逼真度与绘制实时性的矛盾;但是,与GBR相比,IBR的交互性确实不值一提。所以,目前的网络虚拟现实还是以GBR为主,而IBR只是有益的补充。

Panorama(全景图)是IBR的典型代表。它的实现是通过使用专业的全景摄像装备(如全景云台、单反数码相机、鱼眼镜头等)在固定地点全视角(水平360度、垂直180度)范围内拍摄图像序列;然后,再通过专门的图像缝合软件(如Autodesk Stitcher、PTGUI)对图像序列进行缝合,并导出为柱形全景图或立方全景图或球形全景图;最后,再用专用的全景播放器(如TourWeaver)播放生成的全景图像,从而完美地模拟出摄制地点三维立体空间真实的、照片级的现实效果。

注:目前市面上有一种基于图像的建模技术(如Photo3D,PhotoModeler,ImageModeler等),但是,它们其实是借助于图像实现三维立体模型的一种手段,它们最终实现的还是三维立体模型,所以它们的依旧都是BGR的范畴。

五.网络虚拟现实的发展与应用现状

随着网络的发展与普及,虚拟现实的网络应用已逐渐成为虚拟现实技术中最热门的一个研究领域,目前,几乎所有的虚拟现实应用都与网络相关或完全依托于网络——网络虚拟现实越来越体现出其无穷的魅力。

现在,网络虚拟现实已经被广泛应用于规划设计(诸如城市规划、房地产、室内设计等);地理、旅游、导航(如地形地貌展示、旅游景区展示、三维虚拟地图等);休闲娱乐(如虚拟社区、游戏、虚拟旅游等);文物保护(如历史古迹复原、虚拟漫游现存名胜古迹等);文化教育(如虚拟校园、虚拟试验等);军事与航天(如虚拟战场环境、虚拟多兵种联合演习、航天员虚拟训练系统等);工业(如工业园模拟、机床模拟操作、虚拟装配、工控仿真等);远程可视化等众多领域。



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