第8章

虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)

主要內(nèi)容：8.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述8.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)8.3虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的技術(shù)特點8.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用及展望第8章虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)主要內(nèi)容：18.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述8.1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)基本概念8.1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展8.1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀8.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征8.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類8.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述8.1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)基本概念28.1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)基本概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality，簡稱VR）是指利用計算機生成一種模擬環(huán)境，并通過多種專用設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的技術(shù)；VR技術(shù)可以讓用戶使用人的自然技能對虛擬世界中的物體進(jìn)行考察或操作，同時提供視、聽、摸等多種直觀而又自然的實時感知。虛擬現(xiàn)實的概念包括：（1）虛擬環(huán)境：是由計算機生成的環(huán)境，它具有雙視點的實時動態(tài)三維立體的逼真模型，并可通過聽覺、觸覺、嗅覺參與其中；模擬的環(huán)境可以是某一特定現(xiàn)實世界的虛擬實現(xiàn)，也可以是自由想象的虛擬世界。（2）感知：虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)具有人所具有的一切感知。（3）自然技能：包括人頭部、眼睛、手勢或其它的人體行為動作。計算機處理與用戶動作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對用戶的輸入做出實時反應(yīng)，反饋到用戶的五官。（4）傳感器：也就是三維交互設(shè)各。常用的有立體頭盔、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)衣等穿戴于用戶身上的裝置，以及許多置于環(huán)境中的裝置。8.1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)基本概念虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtu38.1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展

1929年，EdwinLink設(shè)計了一種競賽乘坐器，它使得乘坐者有一種在飛機中飛行的感覺。Link飛行模擬器是虛擬現(xiàn)實幾個先驅(qū)中的一個。1961年，美國Philoo公司首創(chuàng)了頭盔立體顯示器。1965年，美國人艾凡·薩瑟蘭發(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，艾凡·薩瑟蘭在麻省理工學(xué)院開始了他的第一個頭盔的研制工作。參觀者戴上頭盔看虛擬環(huán)境，可以如同身臨其境—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)境中計算機仿真物體和環(huán)境中力的作用。1972年，諾蘭·布什內(nèi)爾開發(fā)出了第一種交互式電子游戲，稱為Pong。它允許玩游戲的操作者在電視屏幕上操作一個彈跳的乒乓球。由于交互性是虛擬現(xiàn)實效術(shù)的一個關(guān)鍵，因而這個交互性游戲的開發(fā)具有重要的意義。8.1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展1929年，EdwinL48.1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)80年代，美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，并取得了令人矚目的研究成果，從而引起丁人們對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛關(guān)注。1984年，NASAAmes研究中心虛擬行星探測實驗室的M．McGreevy和J．Humphries博士組織開發(fā)了用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器，將火星探側(cè)器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計算機，為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。在隨后的虛擬交互環(huán)境工作站（VIEW）項目中，他們還開發(fā)了通用多傳感個人仿真器以及遙控設(shè)備等。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，迅速發(fā)展的計算機軟、硬件系統(tǒng)使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為可能，越來越多的新穎、實用的輸入輸出設(shè)備相繼進(jìn)入市場，而人機交互系統(tǒng)的設(shè)計也在不斷創(chuàng)新，這些都為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。其中，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計波音777獲得成功，是近年來又一件引起科技界矚目的偉大成果?？梢钥闯?，正是因為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)極其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，使得人門對它廣闊的發(fā)展前景充滿了憧憬與興趣。8.1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)80年代，美國宇航58.1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展基本上可分為三個階段：從20世紀(jì)50年代到70年代為第一階段，是虛擬現(xiàn)實的起源階段；從80年代初到80年代中期為第二階段，形成了虛擬現(xiàn)實的基本概念，并產(chǎn)生了一些實用系統(tǒng)；第三階段從80年代末期至今，這一階段中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到了較廣泛的應(yīng)用。80年代初，美國的DWA開始為坦克的編隊作戰(zhàn)訓(xùn)練開發(fā)了一個實用的虛擬戰(zhàn)場。DARP計劃進(jìn)一步擴大，逐步把不同國家的兵力“匯集入SIMNT而成為一個虛擬戰(zhàn)場”，其目的是將分布于不同地點的地面車輛模擬器用計算機網(wǎng)絡(luò)連接起來，進(jìn)行攻防對抗演習(xí)。SIMNET計劃最初是針對地面車輛等低速運動對象，后來在美國國防部的推動下，將飛機、水面艦艇和潛艇等作戰(zhàn)對象也引進(jìn)來，從而構(gòu)成陸、海、空三軍立體作戰(zhàn)逼真環(huán)境下的大規(guī)模實戰(zhàn)演習(xí)。該計劃的實施最終導(dǎo)致系統(tǒng)仿真的前沿技術(shù)——分布式交互仿真（DIS）技術(shù)的產(chǎn)生。美國海軍的反潛艇戰(zhàn)系統(tǒng)中，使用了頭盔顯示器和三維立體聲裝置，操作員可以通過手勢和聲音控制這個仿真器。美國的NASA和ESA（歐洲空間局）都在積極地將VR技術(shù)應(yīng)用在航天運載器外的空間活動的研究、空間站自由操縱研究和對哈勃空間維修的研究項目。8.1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展基本68.1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實設(shè)計波音777獲得了成功，它不僅節(jié)省了經(jīng)費，也縮短了研制周期，使最終的實際飛機與設(shè)計方案相比，偏差小于千分之一英寸，且實現(xiàn)了機翼和機身結(jié)合的一次成功，縮短了數(shù)千小時設(shè)計工作量。利用該系統(tǒng)還能自動產(chǎn)生設(shè)計文件，從圖庫取出部件模型并加以注釋。歐洲在虛擬現(xiàn)實技術(shù)方面也做了相當(dāng)多的工作。到1991年底，英國已有從事VR的六個主要中心，另外西班牙、荷蘭、德國和瑞典等國家也都積極開展虛擬現(xiàn)實的研究。提出了許多三維圖形標(biāo)準(zhǔn)和程序設(shè)計語音等，并且出現(xiàn)了數(shù)據(jù)手套、三維顯示頭盔、立體手控器、光學(xué)跟蹤器、模擬人的感覺（視、聽、觸）的模擬器等許多支持虛擬現(xiàn)實的設(shè)備。同時將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于更多領(lǐng)域內(nèi)。當(dāng)前虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，是在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)前進(jìn)基礎(chǔ)上，融合多種技術(shù)的結(jié)果。隨著網(wǎng)絡(luò)時代寬帶大規(guī)模應(yīng)用的到來，市場對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用越來越迫切。X3D、CULT3D、VIEWPOINT、360度環(huán)視等技術(shù)將逐步被廣泛應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國際互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，必將推動虛擬現(xiàn)實更加廣泛的應(yīng)用。8.1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實設(shè)計波音77778.1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀我國的仿真演示技術(shù)正處于起步和發(fā)展時期，取得了一些理論和軟件成果。國防科技大學(xué)和航天工業(yè)等部門相繼開展了有關(guān)的研究項目。國防科技大學(xué)研制的多媒體仿真環(huán)境SimStudiol.0，采用SGIIndy工作站，它采用MSP/AutoStudio建模仿真方法和對象Euler網(wǎng)建模方法，以圖形化的建模工具支持用戶建立多媒體仿真對象模型，并且支持將多媒體仿真表現(xiàn)腳本嵌入對象模型中，可以進(jìn)行連續(xù)——離散事件混合系統(tǒng)的多媒體仿真。空軍指揮學(xué)院進(jìn)行的“空戰(zhàn)可視化仿真系統(tǒng)”研究，為用戶提供了一個從多視點、多角度、多層次觀察空戰(zhàn)進(jìn)程的平臺和機制，其畫面造型逼真、形象生動，基本達(dá)到了實時性要求，取得了比良好的效果。北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實與可視化新技術(shù)研究室研制開發(fā)的分布式虛擬環(huán)境DEVNET，以多兵種戰(zhàn)術(shù)演練為背景，全面開展了VR技術(shù)的研究開發(fā)和綜合應(yīng)用，初步建成了一個可進(jìn)行多兵種異地協(xié)同與對抗戰(zhàn)術(shù)演練的分布式虛擬戰(zhàn)場環(huán)境。8.1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀我國的仿真演示技術(shù)正處88.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)就是一種先進(jìn)的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供諸如視、聽、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段、最大限度地方便用戶的操作，從而減輕用戶的負(fù)擔(dān)、提高整個系統(tǒng)的工作效率。美國科學(xué)家BurdeaG．和PhilippeCoiffet曾在1993年世界電子年會上發(fā)表的“VirtualRealitySystemsandApplications”一文中，提出—個“虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三角形”，它簡明地表示了虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有的3個最突出的特征：交互性（Interaction）、沉浸感（Immersion）和構(gòu)想性（Imagination），也就是人們熟稱的3個“I”特性，如圖8-1所示。8.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實系98.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征1．交互性（Interaction）交互性是指操作者與虛擬環(huán)境中所遇到的各種對象的相互作用的能力，它是人機和諧的關(guān)鍵性因素。交互性包括對象的可操作程度及用戶從環(huán)境中得到反饋的自然程度、虛擬場景中對象依據(jù)物理學(xué)定律運動的程度（包括實時性）。這種交互的產(chǎn)生，主要借助于各種專用的三維交互設(shè)備（如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等），它們使人類能夠利用自然技能，如同在真實的環(huán)境中一樣與虛擬環(huán)境中的對象發(fā)生交互關(guān)系。例如，在原杭州大學(xué)開發(fā)的虛擬故宮游玩系統(tǒng)中，用戶可以體驗到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的交互性帶來的全新感受：參觀者配帶著頭盔顯示器，由圖像發(fā)生器把立體圖像送到用戶的視場中，并隨著用戶頭都的運動，不斷將更新后的新視點場景實時地顯示給參觀音。用戶不但可以在虛擬故宮中任意行走，還可以用手（或虛擬手）去直接抓取虛擬環(huán)境中的物體。例如，當(dāng)你“拿起”一件珍寶玉器時，手會有握著東西的感覺，并能感覺到物體的重量，而被抓取的物體也將隨著手的移動、旋轉(zhuǎn)等動作而產(chǎn)生實時地、相應(yīng)地運動和改變，以便于用戶從任意角度欣賞它們。另外，在系統(tǒng)中用戶還可以直接控制對象的各種參數(shù)，如運動方向、速度等，而系統(tǒng)也可以向用戶反饋信息。8.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征1．交互性（Intera108.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征2．沉浸感（Immersion）沉浸感指計算機操作人員作為人機環(huán)境的主導(dǎo)者存在于虛擬環(huán)境中。多媒體技術(shù)雖然為人們提供豐富多彩的信息表示形式，人與計算機可以交往，但是在交往過程中，人們只能從計算機外部去觀察這些表現(xiàn)形式，人十分清晰地感覺到，自己獨立處于界面之外；對于虛擬現(xiàn)實，通過多維方式與計算機所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，能使參與者全身心地沉浸在計算機所生成的三維虛擬環(huán)境中，產(chǎn)生身臨其境的感覺，將人與環(huán)境溶為一體，使操作人員相信在虛擬境界中人也是確實存在的，而且在操作過程中他可以自始至終地發(fā)揮作用，就像在真正的客觀現(xiàn)實世界中一樣。沉浸感被認(rèn)為是VR系統(tǒng)的性能尺度，導(dǎo)致“沉浸感”的原因是用戶對計算機環(huán)境中的虛擬物體產(chǎn)生了類似于對現(xiàn)實物體的存在意識或幻覺，它需要以下諸多方面的特性：8.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征2．沉浸感（Immers118.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征（1）多感知性（Multi-Sensory）

多感知性是指除了一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實就應(yīng)該具有人所具有的多種感知功能。例如，虛擬場景應(yīng)能隨著人的視點作全方位的運動，有比現(xiàn)實更逼真的紋理、燈光、照明以及聲音和視頻等效果，用戶在操縱虛擬物體時能感受到虛擬物體的反作用力等。（2）自主性（Automony）虛擬物體在獨立活動、相互作用或與用戶的交互作用中，其動態(tài)都要有一定的表現(xiàn)，這些表現(xiàn)應(yīng)服從于自然規(guī)律或是設(shè)計者想象的規(guī)律。例如，當(dāng)受到力的推動時，物體會向力的方向移動、翻倒或從桌面落到地面等。自主性就是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度。除了上面兩點特性以外，影響沉浸感的主要因素還有圖像中的深度信息（是否與用戶的生活經(jīng)驗一致），畫面的視野（是否足夠大），實現(xiàn)跟蹤的時間或空間響應(yīng)（是否滯后或不準(zhǔn)確），以及交互設(shè)備的約束程度（能否為用戶適應(yīng)）等。8.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征（1）多感知性（M128.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征3．構(gòu)想性（Imagination）構(gòu)想性是虛擬現(xiàn)實通過與定性和定量的綜合集成環(huán)境結(jié)合，引導(dǎo)人們?nèi)ド罨拍詈兔劝l(fā)新意，抒發(fā)人們的創(chuàng)造力。所以虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個用戶與終端的接口，而且可使用戶沉浸于此環(huán)境中獲取新的知識，提高感性和理性認(rèn)識，從而產(chǎn)生新的構(gòu)思。這種構(gòu)思結(jié)果輸入到系統(tǒng)中去，系統(tǒng)會將處理后的狀態(tài)實時顯示或由傳感裝置反饋給用戶。這是一個學(xué)習(xí)——創(chuàng)造——再學(xué)習(xí)——再創(chuàng)造的過程。因而可以說，虛擬現(xiàn)實是啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維的活動。8.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征3．構(gòu)想性（Imagi138.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征人類在許多領(lǐng)域面臨著越來越多前所未有而又必須解決和突破的問題，例如，載人航天、核試驗、核反應(yīng)堆維護(hù)、包括新武器系統(tǒng)在內(nèi)的大型產(chǎn)品的設(shè)計研究、氣象及自然災(zāi)害預(yù)報、醫(yī)療手術(shù)的模擬與訓(xùn)練以及多兵種軍事聯(lián)合訓(xùn)練與演練等。如果按傳統(tǒng)的方法解決這些問題，必然要花費巨額資金，投入巨大的人力，消耗過長的時間，甚至要承擔(dān)人員傷亡的風(fēng)險。而VR技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，為解決和處理這些問題提供了新方法和新途徑。所以說，VR技術(shù)并不只是一種媒介或一個高層終端用戶界面，它的應(yīng)用能解決人類在工程、醫(yī)學(xué)、軍事等方面的很多需求。而我們所要考慮的關(guān)鍵問題是如何開發(fā)針對虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用并尋找合適的場合和對象，即如何發(fā)揮人類的創(chuàng)造力和想象力。適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對象加上充分的想象力可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動強度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。8.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征人類在許多領(lǐng)域面臨著越來148.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)出現(xiàn)了多樣化的發(fā)展趨勢，它不僅是指那些戴著頭盔和手套的技術(shù)，而且還應(yīng)該包括—切與之有關(guān)的具有自然模擬、逼真體驗的技術(shù)與方法。VR技術(shù)的根本目標(biāo)就是要達(dá)到真實體驗和基于自然技能的人機交互，因此，能夠達(dá)到或部分達(dá)到這樣目標(biāo)的系統(tǒng)就可以被稱為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有多種分類方法。按浸入程度來分，可分為非浸入式、部分浸入式和完全浸入式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；按用戶浸入方式分可分為視覺浸入、觸覺浸入、聽覺浸入和體感浸入等；按用戶參與的規(guī)?？煞譃閱斡脩羰?、集中多用戶式和大規(guī)模分布式系統(tǒng)等。目前常用的分類方法是按浸入程度和用戶規(guī)模進(jìn)行的分類，分為桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、疊加式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。8.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛158.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

1．桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）

桌面式VR系統(tǒng)僅使用個人計算機和低級工作站來產(chǎn)生三維空間的交互場景。它把計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬環(huán)境的一個窗口，參與者需要使用手拿輸入設(shè)備或位置跟蹤器來駕馭虛擬環(huán)境和操縱虛擬場景中的各種物體。在桌面VR系統(tǒng)中，參與者雖然坐在監(jiān)視器前面，但可以通過計算機屏幕觀察360°范圍內(nèi)的虛擬環(huán)境；可以通過交互操作，使虛擬環(huán)境的物體平移和旋轉(zhuǎn)，以便從各個方向觀看物體，也可以利用“throughwalk”進(jìn)入功能在虛擬環(huán)境中瀏覽。但參與者并沒有完全沉浸，他仍然會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾。桌面VR系統(tǒng)雖然缺乏完全的沉浸感，但它仍然比較普及，這主要是出于其成本相對來說較低。在桌面VR系統(tǒng)中，用戶借助三維眼鏡或安裝在計算機屏幕上方的立體觀察器、液晶顯示光學(xué)眼鏡等一些廉價的設(shè)備，就可以產(chǎn)生一種三維空間的幻覺來增加沉浸的感覺；而它采用的標(biāo)準(zhǔn)CRT顯示器和立體圖像顯示技術(shù)，又使得系統(tǒng)分辨率較高，價格也比較便宜；另外，聲卡和內(nèi)部信號處理電路也可以通過廉價的硬件產(chǎn)生真實性很強的聲音效果。桌面VR系統(tǒng)通常用于工程CAD、建筑設(shè)計、培訓(xùn)、教育及某些醫(yī)療應(yīng)用。8.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類1．桌面式VR系統(tǒng)（Des168.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

2．沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）

沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等各種交互設(shè)備把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，而使用戶真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部的一個參與者，并能利用這些交互設(shè)備操作和駕馭虛擬環(huán)境，產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺，一般用于娛樂、或驗證某一猜想假設(shè)、訓(xùn)練、模擬、預(yù)演、檢驗、體驗等。常見的沉浸式系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)等。沉浸式VR系統(tǒng)的基本組成如圖8-2所示。與桌面式VR系統(tǒng)相比，沉浸式VR系統(tǒng)的主要特點在于：（1）具有高度的實時性能。（2）具有高度的沉浸感。（3）能支持多種I/O交互設(shè)備并行。8.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類2．沉浸式VR系統(tǒng)（Imm178.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

3．疊加式VR系統(tǒng)

疊加式VR系統(tǒng)允許用戶對現(xiàn)實世界進(jìn)行觀察的同時，通過穿透型頭戴式顯示器將計算機虛擬圖像疊加在現(xiàn)實世界之上，為操作員提供與他所看到的現(xiàn)實環(huán)境有關(guān)的、存儲在計算機中的信息，從而增強操作員對真實環(huán)境的感受因此又被稱為補充現(xiàn)實系統(tǒng)。與其他各類VR系統(tǒng)相比，補充現(xiàn)實式的虛擬現(xiàn)實不僅是利用VR技術(shù)來模擬現(xiàn)實世界、仿真現(xiàn)實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環(huán)境的感受，也就是增強現(xiàn)實中無法感知或不方便的感受。人們可以按日常的工作方式對周圍的物體進(jìn)行操作或研究，但同時又可以從計算機生成的環(huán)境中得到同步的、有關(guān)活動的指導(dǎo)信息。目前，這樣的工作方式已經(jīng)有了一些實驗性的例子，如計算機指導(dǎo)的復(fù)印機修理；在菱形空間框架中安裝鋁構(gòu)件；電線束在安裝到飛機上之前的捆綁等。其中一個典型的實例是戰(zhàn)機飛行員的平視顯示器，它能將儀表讀數(shù)和武器瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而集中精力盯著敵人的飛機或?qū)Ш狡睢Ｋ墓ぷ髟硎牵涸谶@種頭戴式顯示器中，光源產(chǎn)生的圖像被光學(xué)系統(tǒng)引導(dǎo)到組合器，組合器是一種專用屏幕，它對于從真實環(huán)境進(jìn)來的光線呈現(xiàn)透明特性，但對準(zhǔn)它的光線卻被頭戴式顯示器的光學(xué)系統(tǒng)反射掉，這樣就使得操作員可以清晰地看到計算機圖形與其即時環(huán)境重合在—起的現(xiàn)實效果。8.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類3．疊加式VR系統(tǒng)188.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

4．分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR，DVR）

分布式VR系統(tǒng)是指基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境。它在沉浸式VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將位于不同物理位置的多個用戶或多個虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相連接，并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達(dá)到一個更高的境界。VR系統(tǒng)之所以運行在分布式環(huán)境，一方面是它可以充分利用分布式計算機系統(tǒng)提供的強大計算能力，另一方面是因為有些應(yīng)用本身具有分布特性。例如，許多VR應(yīng)用要求若干人能同時參與同一個虛擬環(huán)境，即協(xié)同工作的VR。這些人既可能在同一個地方，也可能在世界上各個不同的地方，彼此間只通過遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起。前面所述的那些VR技術(shù)雖然可以使動態(tài)的虛擬環(huán)境栩栩如生，但它們都無法解決資源共享的問題，應(yīng)用DVR系統(tǒng)就可以滿足這類需求。分布式VR系統(tǒng)最重要的特性是它們對于多用戶協(xié)作模擬的協(xié)調(diào)適應(yīng)能力，即操作系統(tǒng)必須能在不同計算機上處理不相似的虛擬世界，因此分布式VR系統(tǒng)需要使用專用的操作系統(tǒng)——分布式操作系統(tǒng)。另外，DVR系統(tǒng)在設(shè)計和實現(xiàn)時，還必須考慮很多網(wǎng)絡(luò)通信因素，如網(wǎng)絡(luò)帶寬、分布機制、網(wǎng)絡(luò)延遲以及通信可靠性等。分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品異地設(shè)計、遠(yuǎn)程醫(yī)療、大規(guī)模軍事訓(xùn)練、多用戶游戲等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。8.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類4．分布式VR系統(tǒng)（Dis198.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能由兩部分組成：一是創(chuàng)建虛擬世界，二是人與虛擬世界之間的人機交互操作。與虛擬世界交互的過程大致是：參與者首先激活頭盔、手套和話筒等輸入設(shè)備為計算機提供輸入信號，虛擬現(xiàn)實軟件收到由跟蹤器和傳感器送來的輸入信號后加以解釋，然后對虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫作必要的更新，調(diào)整當(dāng)前的虛擬環(huán)境場景，并將這一新視點下的三維視覺圖像以及其他（如聲音、觸覺、力反饋等）信息立即傳送給相應(yīng)的輸出設(shè)備（頭盔顯示器、耳機、數(shù)據(jù)手套等），以便參與者及時獲得多種感官上的虛擬效果。這一過程必須每秒發(fā)生許多次才能使參與者感受到連續(xù)的效果。8.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能由兩部分組成：一是208.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成8.2.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件和軟件8.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成218.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)又可分為沉浸式實現(xiàn)和非沉浸式實現(xiàn)；人機交互操作又可分為基于自然方式的人機交互操作和基于常規(guī)交互設(shè)備的人機交互操作。通常，沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采用自然方式的人機交互操作，而非沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通常允許采用常規(guī)人機交互設(shè)備進(jìn)行人機交互操作。概括地說，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由以下4大部分組成：虛擬世界生成設(shè)備、感知設(shè)備（生成多通道刺激信號的設(shè)備）、跟蹤設(shè)備（檢測人在虛擬世界中的位置和朝向）和基于自然方式的交互設(shè)備。這里所指的設(shè)備包含相應(yīng)的硬件和軟件。圖8-4所示為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的典型構(gòu)成。8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)又可分為沉浸式228.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成（1）虛擬世界生成設(shè)備虛擬世界生成設(shè)備無疑可以是一臺或多臺高性能計算機。通常又可分為基于高性能個人計算機、基于高性能圖形工作站和基于分布式異構(gòu)計算機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)三大類。后兩類用于沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，而基于PC機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通常為非沉浸式系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實所用的計算機是帶有圖形加速器和多條圖形輸出流水線的所謂高性能圖形計算機。這是因為三維高真實感場景的生成與顯示在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中具有頭等重要的地位。8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成（1）虛擬世界生成設(shè)備238.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬世界生成設(shè)備的主要功能包括：①

視覺通道信號生成與顯示——三維高真實感圖形建模與實時繪制。②

聽覺通道信號生成與顯示——三維真實感聲音生成與播放。所謂三維真實感聲音是具有動態(tài)方位感、距離感和三維空間效應(yīng)的聲音。③

觸覺與力覺通信信號與顯示——皮膚感知的觸摸，溫度、壓力、紋理信號以及肌肉、失節(jié)、腱等感知的力信號的建模與反饋。④

支持實時人機交互操作的功能——三維空間定位、碰撞檢測、語音識別以及人機實時對話功能。8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬世界生成設(shè)備的主要功能包248.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成（2）感知設(shè)備

感知設(shè)備是指將虛擬世界各類感知模型轉(zhuǎn)變?yōu)槿四芙邮艿亩嗤ǖ来碳ば盘柕脑O(shè)備。感知包括視、聽、觸（力）、嗅、味覺等多種通道。然而，成熟和相對成熟的感知信息產(chǎn)生和檢測的技術(shù)，僅有視覺、聽覺和力覺三種通道。①

視覺感知設(shè)備——立體寬視場圖形顯示器。立體寬視場圖形顯示器可分為沉浸式和非沉浸式兩大類。②

聽覺感知設(shè)備——三維真實感聲音的播放設(shè)備。常用的有耳機式、雙揚聲器組和多揚聲器組三種。通常由專用聲卡將單通道聲源信號處理成具有雙耳效應(yīng)的真實感聲音。③

觸覺（力覺）感知設(shè)備——觸覺（力覺）反饋裝置。觸覺和力覺實際是兩種不同的感知。觸覺包含的感知內(nèi)容更豐富一些，例如應(yīng)包含一般的接觸感（類似于“摸到了一個面”的感覺），進(jìn)一步應(yīng)包含感知材料的質(zhì)感（布料、海綿、橡膠、木材、金屬、石料等等），紋理感（平滑、粗糙程度等）以及溫度感等。力覺感知設(shè)備要求能反饋力的大小和方向，與觸覺反饋裝置相比，力反饋裝置相對較成熟一些。8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成（2）感知設(shè)備258.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成（3）跟蹤設(shè)備跟蹤設(shè)備是跟蹤并檢測位置和方位的裝置，用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中基于自然方式的人機交互操作。目前，先進(jìn)的跟蹤定位系統(tǒng)可用于動態(tài)記錄人體運動，如舞蹈、體育竟技運動動作等，在計算機動畫、計算機游戲設(shè)計和運動員動作分析等方面有著廣泛的應(yīng)用。最常用的跟蹤設(shè)備有基于機械臂原理、磁傳感器原理、超聲傳感器原理和光傳感器原理四種。除機械臂式定位跟蹤器以外，其它三種跟蹤器都由一個（或多個）信號發(fā)射器以及數(shù)個接收器組成，發(fā)射器安裝在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中某個固定位置，接收器安裝在被跟蹤的部位。如安裝在頭部，通常用來跟蹤視線方向；如安裝在手部，通常用來跟蹤交互設(shè)備數(shù)據(jù)手套的位置及其朝向；如果將多個接收器安裝在貼身衣服的各個關(guān)節(jié)部位上，則實時記錄人體各個活動關(guān)節(jié)的位置，經(jīng)過軟件處理可實時跟蹤顯示人的動作。8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成（3）跟蹤設(shè)備268.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成（4）人機交互設(shè)備應(yīng)用手勢、體勢、眼神以及自然語言的人機交互設(shè)備，常見的有數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服（帶傳感器的衣服）、眼球跟蹤器以及語音綜合和識別裝置。8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成（4）人機交互設(shè)備278.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件和軟件1．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件包括虛擬現(xiàn)實發(fā)生器以及輸入輸出設(shè)備。（1）虛擬現(xiàn)實發(fā)生器

虛擬現(xiàn)實發(fā)生器用來處理和產(chǎn)生虛擬境界，是任何虛擬系統(tǒng)的核心。它一般由計算機加圖形生成器或加速卡組成。計算機可以是個人計算機、工作站或者小型計算機。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的計算機主要完成三項任務(wù)：數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出、虛擬境界的管理和生成。系統(tǒng)中的計算機必須具有足夠高的處理能力，以確保參與者與虛擬境界的交互能實時進(jìn)行。8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件和軟件1．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬288.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件和軟件（2）虛擬現(xiàn)實輸入設(shè)備虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸入設(shè)備可以幫助參與者在虛擬現(xiàn)實仿真中改變自己的位置、觀察點和視野，并能對虛擬境界中的問題進(jìn)行一定的操作性作用。因為與虛擬境界交互的關(guān)鍵之一是跟蹤真實物體的位置，實現(xiàn)位置跟蹤和控制的理想技術(shù)應(yīng)該提供三個位置量（X，Y，Z）和三個方向參量（傾斜角，俯仰角，方位角）。常用的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸入設(shè)備分為位置跟蹤器和操作控制設(shè)備兩類，前者如超聲波傳感器、磁性跟蹤器、光學(xué)位置器等。后者一般要求為六自由度輸入設(shè)備，六自由度性能指標(biāo)是指輸入設(shè)備控制一個虛擬物體的位置和方向的能力，位置是沿著X、Y、Z軸運動的程度。常用的有3D鼠標(biāo)、跟蹤球、游戲桿、數(shù)據(jù)手套等。有兩類輸入傳感器分布用在交互設(shè)備和位置跟蹤設(shè)備中。交互設(shè)備允許參與者在虛擬環(huán)境中活動時去選擇和移動物體，位置跟蹤器可以感測到參與者的物理位置和取向，并把它們轉(zhuǎn)換成虛擬境界中的相應(yīng)圖像。8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件和軟件（2）虛擬現(xiàn)實輸入設(shè)298.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件和軟件（2）虛擬現(xiàn)實輸入設(shè)備（續(xù)）有兩類跟蹤系統(tǒng)，分別是有源跟蹤系統(tǒng)和無源系統(tǒng)。有源跟蹤系統(tǒng)使用兩路信號處理輸入數(shù)據(jù)，這種系統(tǒng)通過發(fā)射器和傳感器跟蹤參與者的位置和取向。無源跟蹤系統(tǒng)使用一路信號處理輸入數(shù)據(jù)，只有一個傳感器用來跟蹤位置和方向。（3）虛擬現(xiàn)實輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸出設(shè)備用于將電子信號轉(zhuǎn)變成各種人體感宮可以感覺到的刺激。常用的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)輸出設(shè)備有頭戴式顯示器和聲音發(fā)生器。8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件和軟件（2）虛擬現(xiàn)實輸入設(shè)308.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件和軟件2．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件用來進(jìn)行境界構(gòu)造，包括建模和繪制對象，給這些對象指定行為，提供交互性和編程。虛擬現(xiàn)實軟件可分為工具包和創(chuàng)作工具。工具包即程序庫，一般用C或C＋＋等編制，利用它所提供的函數(shù)集合，熟練的程序員可以生成具體的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用。VRML就是這樣一個程序庫。創(chuàng)作工具是帶有圖形用戶界面的完整軟件，通過創(chuàng)作工具只需簡單編程就可生成虛擬境界。程序庫一般比創(chuàng)作工具更靈活，繪制速度更快，但需要豐富的編程經(jīng)驗。由于軟件的方法對硬件的依賴性不高，相對來說容易實現(xiàn)，而且其適用的范圍很廣，因此目前發(fā)展很快，很多公司紛紛推出軟件開發(fā)包，以及其它一些工具。8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件和軟件2．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟318.3虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的技術(shù)特點8.3.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)8.3.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)與類似技術(shù)的比較8.3虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的技術(shù)特點8.3.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)328.3.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)（1）動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心內(nèi)容。動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù)（有規(guī)則的環(huán)境），而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術(shù)，兩者的有機結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。（2）實時三維圖形生成技術(shù)三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其關(guān)鍵是如何實現(xiàn)“實時”生成。為了達(dá)到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15幀／秒，最好是高于30幀／秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的前提下，提高刷新頻率。這里，圖形生成的硬件體系結(jié)構(gòu)以及在虛擬現(xiàn)實的真實感圖形生成中用于加速的各種有效技術(shù)是關(guān)鍵所在。8.3.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)（1）動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)338.3.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)（3）立體顯示和傳感器技術(shù)虛擬現(xiàn)實依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，立體顯示技術(shù)涉及到人眼的生理原理以及在計算機上如何產(chǎn)生深度線索的技術(shù)。現(xiàn)有的硬件系統(tǒng)如頭盔顯示器、單目鏡及可移動視覺顯示器有待進(jìn)一步研究，光學(xué)顯示還存在許多局限性；傳感器技術(shù)中需解決設(shè)備的可靠性、可重復(fù)性、精確性及安全性等問題，各種類型傳感器的性能急需提高。（4）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對象可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動強度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。為了達(dá)到這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具。（5）系統(tǒng)集成技術(shù)由子虛擬現(xiàn)實中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識別和合成技術(shù)等。8.3.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)（3）立體顯示和傳感器技348.3.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)與類似技術(shù)的比較1．VR與計算機仿真比較虛擬現(xiàn)實和計算機仿真都是對現(xiàn)實世界的模擬，其根本區(qū)別在于計算機仿真是使用計算機來模擬和分析現(xiàn)實世界中系統(tǒng)的行為，而虛擬現(xiàn)實則是對現(xiàn)實世界的創(chuàng)建和體驗。具體的區(qū)別為：（1）仿真的目標(biāo)是為了得到一些性能參數(shù)，主要對運動原理、力學(xué)原理等進(jìn)行模擬，以獲得仿真對象的定量反饋，對于場景的真實程度要求不高。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)則要求較高的真實度，要求達(dá)到或接近人們對現(xiàn)實世界的認(rèn)識水平，為了實現(xiàn)虛擬環(huán)境中的實時交互，常以犧牲對于量的要求為代價；（2）理想的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)該能夠提供人類所具有的所有感知，但是仿真系統(tǒng)一般只能提供視覺感知；（3）計算機仿真是利用計算機軟件模擬真實環(huán)境進(jìn)行科學(xué)實驗的技術(shù)，采用用戶輸入?yún)?shù)，系統(tǒng)顯示處理結(jié)果的對話方式。而虛擬現(xiàn)實是一種人在循環(huán)的仿真，用戶“沉浸”于虛擬空間中，可以從虛擬空間的內(nèi)部向外觀察；甚至可以把用戶暫時與外部環(huán)境隔離開來，使他融合到虛擬現(xiàn)實中去，可以更逼真地觀察所研究的對象，更自然、更真實地與它進(jìn)行交互。這是計算機仿真無法實現(xiàn)的?？偠灾?，虛擬現(xiàn)實可以看作是更高層次的計算機仿真，在一定程度上是對計算機仿真的擴充和加強，是計算機仿真發(fā)展的新方向。8.3.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)與類似技術(shù)的比較1．VR與計算機仿真358.3.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)與類似技術(shù)的比較2．VR與三維動畫比較表面看來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)和三維動畫似乎差別不大。其實不然，二者有本質(zhì)上的區(qū)別。（1）三維動畫是依靠計算機預(yù)先處理好的路徑上所能看見景物的靜止照片連續(xù)播放形成，不具有任何交互性，用戶只能按照設(shè)計師預(yù)先固定好的路徑反復(fù)去觀看某些場景，只適合簡單的演示，只能給用戶提供較少的信息；虛擬現(xiàn)實技術(shù)則截然不同，它是通過計算機實時計算場景，它可以根據(jù)用戶的需要把整個空間中所有的信息真實地提供給用戶，真正做到“想得到，就看得到”。（2）虛擬現(xiàn)實沒有時間限制，可真實詳盡地展示，并可以在虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)上按照某種路徑導(dǎo)出動畫文件，同樣可以用于多媒體資料制作和宣傳，性價比高。而動畫受制作時間限制，無法詳盡展示，性價比低。（3）在虛擬環(huán)境中，支持方案調(diào)整、評估、管理和信息查詢等功能，適合較大型復(fù)雜工程項目的規(guī)劃、設(shè)計、投標(biāo)、報批、管理等需要，同時又具有更真實和直觀的多媒體演示功能。動畫一般只能做簡單的演示功能。從某種角度來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)源于人們對三維動畫的自由交互的渴望，甚至已經(jīng)有人捉出，它最終將是三維動畫的掘墓人。8.3.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)與類似技術(shù)的比較2．VR與三維動畫比368.3.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)與類似技術(shù)的比較3．VR與3D游戲比較虛擬現(xiàn)實技術(shù)與3D游戲的主要區(qū)別為：在游戲中，操作者和游戲角色是分離的，操作者用鼠標(biāo)鍵盤等控制游戲中的角色，虛擬現(xiàn)實則是一種人在循環(huán)中的仿真；游戲中的動作和情景是固定的，是預(yù)先設(shè)定和定義好的動作，而在虛擬現(xiàn)實中，系統(tǒng)應(yīng)該能夠跟蹤觀察者的位置和姿勢。但是，虛擬現(xiàn)實技術(shù)和3D游戲之間的區(qū)別如今越來越模糊，一些游戲己經(jīng)逐漸開始采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)（尤其是Web3D），而虛擬現(xiàn)實中的一些技術(shù)同樣來自游戲，二者之間的關(guān)系用“虛擬現(xiàn)實正向游戲走來”來描述再恰當(dāng)不過。美國國家超級計算應(yīng)用中心（NSCA）的PaulRajlich設(shè)計的CAVE環(huán)境下的QuakeII演示游戲DeathMatch，游戲界的傳奇人物EdBoon竟然在一個虛擬的大坑前跪倒了下來，竟然意外地“掉了下去”，而實際上他是站在地板上的。8.3.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)與類似技術(shù)的比較3．VR與3D游戲比378.3.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)與類似技術(shù)的比較4．VR與多媒體、多通道人機界面技術(shù)比較（1）研究目的的不同：虛擬現(xiàn)實依靠立體視覺、身體跟蹤和立體音響等技術(shù)來模擬現(xiàn)實世界，旨在使用戶獲得一種沉浸式的多種感知通道的體驗。VR中計算機生成的視聽幻想（Audio-VisualIllusion）涉及人腦固有的感覺-效應(yīng)通道的協(xié)調(diào)機制。多通道研究則力求詳盡地探索人體感知和控制行為中的各種并行和協(xié)作特性，允許用戶利用多個交互通道以并行、非精確方式與計算機系統(tǒng)進(jìn)行交互，旨在提高人機交互的自然性和高效性。（2）從交互行為的研究上來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與多通道研究之間存在交集，但它更側(cè)重于應(yīng)用系統(tǒng)。8.3.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)與類似技術(shù)的比較4．VR與多媒體、多388.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用及展望8.4.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域8.4.2下—代人機交互技術(shù)的展望8.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用及展望8.4.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)398.4.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實的特性極大地擴展了人類感知、認(rèn)識世界的能力，使人類可以不受時空的限制，去經(jīng)歷和體驗世界上早已發(fā)生或尚未發(fā)生的事件，觀察和研究同一事件在各種假想條件下的發(fā)生和發(fā)展過程；可以深人到人類生理活動難以到達(dá)的宏觀或微觀世界去進(jìn)行研究和探索，從而為人類認(rèn)識世界和改造世界提供了全新的方法和手段；可以提供自然、高效的人機交互界面，更好地協(xié)助人類從事需要復(fù)雜操作的活動；通過虛擬環(huán)境所保證的真實性，用戶可以根據(jù)其在虛擬環(huán)境中的體驗，對所關(guān)注的客觀世界中發(fā)生的事件做出判斷和決策。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的這些性質(zhì)使得它在我國國民經(jīng)濟建設(shè)、國防安全和文化教育等領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用前景。目前，虛擬現(xiàn)實的主要應(yīng)用領(lǐng)域主要涉及到以下幾個方面。8.4.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實的特性極大地擴展408.4.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域1．自然、文化遺產(chǎn)的保護(hù)和弘揚

2．虛擬人機工程學(xué)

3．教育與培訓(xùn)

4．科學(xué)計算可視化

5．醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

6．軍事及航空航天的應(yīng)用

7．制造工業(yè)中的應(yīng)用

8．設(shè)計與規(guī)劃

9．商業(yè)領(lǐng)域

10．藝術(shù)與娛樂

11．遙現(xiàn)與遙作

8.4.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域1．自然、文化遺產(chǎn)的保護(hù)418.4.2下—代人機交互技術(shù)的展望（1）就用戶界面的具體形式而言，過去經(jīng)歷了批處理、聯(lián)機終端（命令接口）、菜單（文本）等階段，目前正處于以圖形用戶界面和多媒體用戶界面為主流的階段；未來的發(fā)展趨勢是多通道／多媒體用戶界面和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，并且最終將進(jìn)入“人機和諧”的最高形式。（2）就用戶界面中信息載體的類型而言，經(jīng)歷了以文本為主的字符用戶界面、以二維圖形為主的圖形用戶界面和多媒體用戶界面，計算機與用戶之間的通信“帶寬”正在不斷提高。（3）就計算機輸出信息的形式而言，經(jīng)歷了以符號為主的字符命令語言、以視覺感知為主的圖形用戶界面、兼顧聽覺感知的多媒體用戶界面和綜合運用各種感官的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。（4）就人機界面中的信息維度而言，經(jīng)歷了一維信息（主要指文本流，如早期電傳式終端）、二維信息（主要指二維圖形技術(shù)，并利用了色彩、形狀、紋理等維度信息）、三維信息（主要指三維圖形技術(shù)，但顯示技術(shù)仍以二維平面為主）和多維信息空間。8.4.2下—代人機交互技術(shù)的展望（1）就用戶界面的具428.4.2下—代人機交互技術(shù)的展望綜上所述，未來人機交互技術(shù)的發(fā)展趨勢是追求所謂“人機和諧”的、“適人化”的多維信息空間和“基于自然交互方式”的人機交互風(fēng)格。不論從何種角度看，虛擬現(xiàn)實技術(shù)都將是下一代人機交互系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。它體現(xiàn)了對人的因素的不斷重視，使人機交互更接近于自然的形式，使用戶能夠利用日常生活中的自然技能，無須經(jīng)過特別的努力和學(xué)習(xí)，從而有效地降低認(rèn)知負(fù)荷，提高工作效率。相信這種“以人為中心”的思想將在未來的VR技術(shù)研究中得以更好的認(rèn)識和體現(xiàn)。8.4.2下—代人機交互技術(shù)的展望綜上所述，未來人機交43第8章

虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)

主要內(nèi)容：8.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述8.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)8.3虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的技術(shù)特點8.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用及展望第8章虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)主要內(nèi)容：448.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述8.1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)基本概念8.1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展8.1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀8.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征8.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類8.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述8.1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)基本概念458.1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)基本概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality，簡稱VR）是指利用計算機生成一種模擬環(huán)境，并通過多種專用設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的技術(shù)；VR技術(shù)可以讓用戶使用人的自然技能對虛擬世界中的物體進(jìn)行考察或操作，同時提供視、聽、摸等多種直觀而又自然的實時感知。虛擬現(xiàn)實的概念包括：（1）虛擬環(huán)境：是由計算機生成的環(huán)境，它具有雙視點的實時動態(tài)三維立體的逼真模型，并可通過聽覺、觸覺、嗅覺參與其中；模擬的環(huán)境可以是某一特定現(xiàn)實世界的虛擬實現(xiàn)，也可以是自由想象的虛擬世界。（2）感知：虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)具有人所具有的一切感知。（3）自然技能：包括人頭部、眼睛、手勢或其它的人體行為動作。計算機處理與用戶動作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對用戶的輸入做出實時反應(yīng)，反饋到用戶的五官。（4）傳感器：也就是三維交互設(shè)各。常用的有立體頭盔、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)衣等穿戴于用戶身上的裝置，以及許多置于環(huán)境中的裝置。8.1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)基本概念虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtu468.1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展

1929年，EdwinLink設(shè)計了一種競賽乘坐器，它使得乘坐者有一種在飛機中飛行的感覺。Link飛行模擬器是虛擬現(xiàn)實幾個先驅(qū)中的一個。1961年，美國Philoo公司首創(chuàng)了頭盔立體顯示器。1965年，美國人艾凡·薩瑟蘭發(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，艾凡·薩瑟蘭在麻省理工學(xué)院開始了他的第一個頭盔的研制工作。參觀者戴上頭盔看虛擬環(huán)境，可以如同身臨其境—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)境中計算機仿真物體和環(huán)境中力的作用。1972年，諾蘭·布什內(nèi)爾開發(fā)出了第一種交互式電子游戲，稱為Pong。它允許玩游戲的操作者在電視屏幕上操作一個彈跳的乒乓球。由于交互性是虛擬現(xiàn)實效術(shù)的一個關(guān)鍵，因而這個交互性游戲的開發(fā)具有重要的意義。8.1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展1929年，EdwinL478.1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)80年代，美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，并取得了令人矚目的研究成果，從而引起丁人們對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛關(guān)注。1984年，NASAAmes研究中心虛擬行星探測實驗室的M．McGreevy和J．Humphries博士組織開發(fā)了用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器，將火星探側(cè)器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計算機，為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。在隨后的虛擬交互環(huán)境工作站（VIEW）項目中，他們還開發(fā)了通用多傳感個人仿真器以及遙控設(shè)備等。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，迅速發(fā)展的計算機軟、硬件系統(tǒng)使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為可能，越來越多的新穎、實用的輸入輸出設(shè)備相繼進(jìn)入市場，而人機交互系統(tǒng)的設(shè)計也在不斷創(chuàng)新，這些都為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。其中，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計波音777獲得成功，是近年來又一件引起科技界矚目的偉大成果。可以看出，正是因為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)極其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，使得人門對它廣闊的發(fā)展前景充滿了憧憬與興趣。8.1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)80年代，美國宇航488.1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展基本上可分為三個階段：從20世紀(jì)50年代到70年代為第一階段，是虛擬現(xiàn)實的起源階段；從80年代初到80年代中期為第二階段，形成了虛擬現(xiàn)實的基本概念，并產(chǎn)生了一些實用系統(tǒng)；第三階段從80年代末期至今，這一階段中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到了較廣泛的應(yīng)用。80年代初，美國的DWA開始為坦克的編隊作戰(zhàn)訓(xùn)練開發(fā)了一個實用的虛擬戰(zhàn)場。DARP計劃進(jìn)一步擴大，逐步把不同國家的兵力“匯集入SIMNT而成為一個虛擬戰(zhàn)場”，其目的是將分布于不同地點的地面車輛模擬器用計算機網(wǎng)絡(luò)連接起來，進(jìn)行攻防對抗演習(xí)。SIMNET計劃最初是針對地面車輛等低速運動對象，后來在美國國防部的推動下，將飛機、水面艦艇和潛艇等作戰(zhàn)對象也引進(jìn)來，從而構(gòu)成陸、海、空三軍立體作戰(zhàn)逼真環(huán)境下的大規(guī)模實戰(zhàn)演習(xí)。該計劃的實施最終導(dǎo)致系統(tǒng)仿真的前沿技術(shù)——分布式交互仿真（DIS）技術(shù)的產(chǎn)生。美國海軍的反潛艇戰(zhàn)系統(tǒng)中，使用了頭盔顯示器和三維立體聲裝置，操作員可以通過手勢和聲音控制這個仿真器。美國的NASA和ESA（歐洲空間局）都在積極地將VR技術(shù)應(yīng)用在航天運載器外的空間活動的研究、空間站自由操縱研究和對哈勃空間維修的研究項目。8.1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展基本498.1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實設(shè)計波音777獲得了成功，它不僅節(jié)省了經(jīng)費，也縮短了研制周期，使最終的實際飛機與設(shè)計方案相比，偏差小于千分之一英寸，且實現(xiàn)了機翼和機身結(jié)合的一次成功，縮短了數(shù)千小時設(shè)計工作量。利用該系統(tǒng)還能自動產(chǎn)生設(shè)計文件，從圖庫取出部件模型并加以注釋。歐洲在虛擬現(xiàn)實技術(shù)方面也做了相當(dāng)多的工作。到1991年底，英國已有從事VR的六個主要中心，另外西班牙、荷蘭、德國和瑞典等國家也都積極開展虛擬現(xiàn)實的研究。提出了許多三維圖形標(biāo)準(zhǔn)和程序設(shè)計語音等，并且出現(xiàn)了數(shù)據(jù)手套、三維顯示頭盔、立體手控器、光學(xué)跟蹤器、模擬人的感覺（視、聽、觸）的模擬器等許多支持虛擬現(xiàn)實的設(shè)備。同時將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于更多領(lǐng)域內(nèi)。當(dāng)前虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，是在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)前進(jìn)基礎(chǔ)上，融合多種技術(shù)的結(jié)果。隨著網(wǎng)絡(luò)時代寬帶大規(guī)模應(yīng)用的到來，市場對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用越來越迫切。X3D、CULT3D、VIEWPOINT、360度環(huán)視等技術(shù)將逐步被廣泛應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國際互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，必將推動虛擬現(xiàn)實更加廣泛的應(yīng)用。8.1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實設(shè)計波音777508.1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀我國的仿真演示技術(shù)正處于起步和發(fā)展時期，取得了一些理論和軟件成果。國防科技大學(xué)和航天工業(yè)等部門相繼開展了有關(guān)的研究項目。國防科技大學(xué)研制的多媒體仿真環(huán)境SimStudiol.0，采用SGIIndy工作站，它采用MSP/AutoStudio建模仿真方法和對象Euler網(wǎng)建模方法，以圖形化的建模工具支持用戶建立多媒體仿真對象模型，并且支持將多媒體仿真表現(xiàn)腳本嵌入對象模型中，可以進(jìn)行連續(xù)——離散事件混合系統(tǒng)的多媒體仿真?？哲娭笓]學(xué)院進(jìn)行的“空戰(zhàn)可視化仿真系統(tǒng)”研究，為用戶提供了一個從多視點、多角度、多層次觀察空戰(zhàn)進(jìn)程的平臺和機制，其畫面造型逼真、形象生動，基本達(dá)到了實時性要求，取得了比良好的效果。北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實與可視化新技術(shù)研究室研制開發(fā)的分布式虛擬環(huán)境DEVNET，以多兵種戰(zhàn)術(shù)演練為背景，全面開展了VR技術(shù)的研究開發(fā)和綜合應(yīng)用，初步建成了一個可進(jìn)行多兵種異地協(xié)同與對抗戰(zhàn)術(shù)演練的分布式虛擬戰(zhàn)場環(huán)境。8.1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀我國的仿真演示技術(shù)正處518.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)就是一種先進(jìn)的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供諸如視、聽、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段、最大限度地方便用戶的操作，從而減輕用戶的負(fù)擔(dān)、提高整個系統(tǒng)的工作效率。美國科學(xué)家BurdeaG．和PhilippeCoiffet曾在1993年世界電子年會上發(fā)表的“VirtualRealitySystemsandApplications”一文中，提出—個“虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三角形”，它簡明地表示了虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有的3個最突出的特征：交互性（Interaction）、沉浸感（Immersion）和構(gòu)想性（Imagination），也就是人們熟稱的3個“I”特性，如圖8-1所示。8.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實系528.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征1．交互性（Interaction）交互性是指操作者與虛擬環(huán)境中所遇到的各種對象的相互作用的能力，它是人機和諧的關(guān)鍵性因素。交互性包括對象的可操作程度及用戶從環(huán)境中得到反饋的自然程度、虛擬場景中對象依據(jù)物理學(xué)定律運動的程度（包括實時性）。這種交互的產(chǎn)生，主要借助于各種專用的三維交互設(shè)備（如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等），它們使人類能夠利用自然技能，如同在真實的環(huán)境中一樣與虛擬環(huán)境中的對象發(fā)生交互關(guān)系。例如，在原杭州大學(xué)開發(fā)的虛擬故宮游玩系統(tǒng)中，用戶可以體驗到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的交互性帶來的全新感受：參觀者配帶著頭盔顯示器，由圖像發(fā)生器把立體圖像送到用戶的視場中，并隨著用戶頭都的運動，不斷將更新后的新視點場景實時地顯示給參觀音。用戶不但可以在虛擬故宮中任意行走，還可以用手（或虛擬手）去直接抓取虛擬環(huán)境中的物體。例如，當(dāng)你“拿起”一件珍寶玉器時，手會有握著東西的感覺，并能感覺到物體的重量，而被抓取的物體也將隨著手的移動、旋轉(zhuǎn)等動作而產(chǎn)生實時地、相應(yīng)地運動和改變，以便于用戶從任意角度欣賞它們。另外，在系統(tǒng)中用戶還可以直接控制對象的各種參數(shù)，如運動方向、速度等，而系統(tǒng)也可以向用戶反饋信息。8.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征1．交互性（Intera538.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征2．沉浸感（Immersion）沉浸感指計算機操作人員作為人機環(huán)境的主導(dǎo)者存在于虛擬環(huán)境中。多媒體技術(shù)雖然為人們提供豐富多彩的信息表示形式，人與計算機可以交往，但是在交往過程中，人們只能從計算機外部去觀察這些表現(xiàn)形式，人十分清晰地感覺到，自己獨立處于界面之外；對于虛擬現(xiàn)實，通過多維方式與計算機所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，能使參與者全身心地沉浸在計算機所生成的三維虛擬環(huán)境中，產(chǎn)生身臨其境的感覺，將人與環(huán)境溶為一體，使操作人員相信在虛擬境界中人也是確實存在的，而且在操作過程中他可以自始至終地發(fā)揮作用，就像在真正的客觀現(xiàn)實世界中一樣。沉浸感被認(rèn)為是VR系統(tǒng)的性能尺度，導(dǎo)致“沉浸感”的原因是用戶對計算機環(huán)境中的虛擬物體產(chǎn)生了類似于對現(xiàn)實物體的存在意識或幻覺，它需要以下諸多方面的特性：8.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征2．沉浸感（Immers548.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征（1）多感知性（Multi-Sensory）

多感知性是指除了一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實就應(yīng)該具有人所具有的多種感知功能。例如，虛擬場景應(yīng)能隨著人的視點作全方位的運動，有比現(xiàn)實更逼真的紋理、燈光、照明以及聲音和視頻等效果，用戶在操縱虛擬物體時能感受到虛擬物體的反作用力等。（2）自主性（Automony）虛擬物體在獨立活動、相互作用或與用戶的交互作用中，其動態(tài)都要有一定的表現(xiàn)，這些表現(xiàn)應(yīng)服從于自然規(guī)律或是設(shè)計者想象的規(guī)律。例如，當(dāng)受到力的推動時，物體會向力的方向移動、翻倒或從桌面落到地面等。自主性就是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度。除了上面兩點特性以外，影響沉浸感的主要因素還有圖像中的深度信息（是否與用戶的生活經(jīng)驗一致），畫面的視野（是否足夠大），實現(xiàn)跟蹤的時間或空間響應(yīng)（是否滯后或不準(zhǔn)確），以及交互設(shè)備的約束程度（能否為用戶適應(yīng)）等。8.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征（1）多感知性（M558.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征3．構(gòu)想性（Imagination）構(gòu)想性是虛擬現(xiàn)實通過與定性和定量的綜合集成環(huán)境結(jié)合，引導(dǎo)人們?nèi)ド罨拍詈兔劝l(fā)新意，抒發(fā)人們的創(chuàng)造力。所以虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個用戶與終端的接口，而且可使用戶沉浸于此環(huán)境中獲取新的知識，提高感性和理性認(rèn)識，從而產(chǎn)生新的構(gòu)思。這種構(gòu)思結(jié)果輸入到系統(tǒng)中去，系統(tǒng)會將處理后的狀態(tài)實時顯示或由傳感裝置反饋給用戶。這是一個學(xué)習(xí)——創(chuàng)造——再學(xué)習(xí)——再創(chuàng)造的過程。因而可以說，虛擬現(xiàn)實是啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維的活動。8.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征3．構(gòu)想性（Imagi568.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征人類在許多領(lǐng)域面臨著越來越多前所未有而又必須解決和突破的問題，例如，載人航天、核試驗、核反應(yīng)堆維護(hù)、包括新武器系統(tǒng)在內(nèi)的大型產(chǎn)品的設(shè)計研究、氣象及自然災(zāi)害預(yù)報、醫(yī)療手術(shù)的模擬與訓(xùn)練以及多兵種軍事聯(lián)合訓(xùn)練與演練等。如果按傳統(tǒng)的方法解決這些問題，必然要花費巨額資金，投入巨大的人力，消耗過長的時間，甚至要承擔(dān)人員傷亡的風(fēng)險。而VR技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，為解決和處理這些問題提供了新方法和新途徑。所以說，VR技術(shù)并不只是一種媒介或一個高層終端用戶界面，它的應(yīng)用能解決人類在工程、醫(yī)學(xué)、軍事等方面的很多需求。而我們所要考慮的關(guān)鍵問題是如何開發(fā)針對虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用并尋找合適的場合和對象，即如何發(fā)揮人類的創(chuàng)造力和想象力。適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對象加上充分的想象力可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動強度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。8.1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征人類在許多領(lǐng)域面臨著越來578.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)出現(xiàn)了多樣化的發(fā)展趨勢，它不僅是指那些戴著頭盔和手套的技術(shù)，而且還應(yīng)該包括—切與之有關(guān)的具有自然模擬、逼真體驗的技術(shù)與方法。VR技術(shù)的根本目標(biāo)就是要達(dá)到真實體驗和基于自然技能的人機交互，因此，能夠達(dá)到或部分達(dá)到這樣目標(biāo)的系統(tǒng)就可以被稱為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有多種分類方法。按浸入程度來分，可分為非浸入式、部分浸入式和完全浸入式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；按用戶浸入方式分可分為視覺浸入、觸覺浸入、聽覺浸入和體感浸入等；按用戶參與的規(guī)?？煞譃閱斡脩羰健⒓卸嘤脩羰胶痛笠?guī)模分布式系統(tǒng)等。目前常用的分類方法是按浸入程度和用戶規(guī)模進(jìn)行的分類，分為桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、疊加式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。8.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛588.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

1．桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）

桌面式VR系統(tǒng)僅使用個人計算機和低級工作站來產(chǎn)生三維空間的交互場景。它把計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬環(huán)境的一個窗口，參與者需要使用手拿輸入設(shè)備或位置跟蹤器來駕馭虛擬環(huán)境和操縱虛擬場景中的各種物體。在桌面VR系統(tǒng)中，參與者雖然坐在監(jiān)視器前面，但可以通過計算機屏幕觀察360°范圍內(nèi)的虛擬環(huán)境；可以通過交互操作，使虛擬環(huán)境的物體平移和旋轉(zhuǎn)，以便從各個方向觀看物體，也可以利用“throughwalk”進(jìn)入功能在虛擬環(huán)境中瀏覽。但參與者并沒有完全沉浸，他仍然會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾。桌面VR系統(tǒng)雖然缺乏完全的沉浸感，但它仍然比較普及，這主要是出于其成本相對來說較低。在桌面VR系統(tǒng)中，用戶借助三維眼鏡或安裝在計算機屏幕上方的立體觀察器、液晶顯示光學(xué)眼鏡等一些廉價的設(shè)備，就可以產(chǎn)生一種三維空間的幻覺來增加沉浸的感覺；而它采用的標(biāo)準(zhǔn)CRT顯示器和立體圖像顯示技術(shù)，又使得系統(tǒng)分辨率較高，價格也比較便宜；另外，聲卡和內(nèi)部信號處理電路也可以通過廉價的硬件產(chǎn)生真實性很強的聲音效果。桌面VR系統(tǒng)通常用于工程CAD、建筑設(shè)計、培訓(xùn)、教育及某些醫(yī)療應(yīng)用。8.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類1．桌面式VR系統(tǒng)（Des598.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

2．沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）

沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等各種交互設(shè)備把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，而使用戶真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部的一個參與者，并能利用這些交互設(shè)備操作和駕馭虛擬環(huán)境，產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺，一般用于娛樂、或驗證某一猜想假設(shè)、訓(xùn)練、模擬、預(yù)演、檢驗、體驗等。常見的沉浸式系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)等。沉浸式VR系統(tǒng)的基本組成如圖8-2所示。與桌面式VR系統(tǒng)相比，沉浸式VR系統(tǒng)的主要特點在于：（1）具有高度的實時性能。（2）具有高度的沉浸感。（3）能支持多種I/O交互設(shè)備并行。8.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類2．沉浸式VR系統(tǒng)（Imm608.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

3．疊加式VR系統(tǒng)

疊加式VR系統(tǒng)允許用戶對現(xiàn)實世界進(jìn)行觀察的同時，通過穿透型頭戴式顯示器將計算機虛擬圖像疊加在現(xiàn)實世界之上，為操作員提供與他所看到的現(xiàn)實環(huán)境有關(guān)的、存儲在計算機中的信息，從而增強操作員對真實環(huán)境的感受因此又被稱為補充現(xiàn)實系統(tǒng)。與其他各類VR系統(tǒng)相比，補充現(xiàn)實式的虛擬現(xiàn)實不僅是利用VR技術(shù)來模擬現(xiàn)實世界、仿真現(xiàn)實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環(huán)境的感受，也就是增強現(xiàn)實中無法感知或不方便的感受。人們可以按日常的工作方式對周圍的物體進(jìn)行操作或研究，但同時又可以從計算機生成的環(huán)境中得到同步的、有關(guān)活動的指導(dǎo)信息。目前，這樣的工作方式已經(jīng)有了一些實驗性的例子，如計算機指導(dǎo)的復(fù)印機修理；在菱形空間框架中安裝鋁構(gòu)件；電線束在安裝到飛機上之前的捆綁等。其中一個典型的實例是戰(zhàn)機飛行員的平視顯示器，它能將儀表讀數(shù)和武器瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而集中精力盯著敵人的飛機或?qū)Ш狡?。它的工作原理是：在這種頭戴式顯示器中，光源產(chǎn)生的圖像被光學(xué)系統(tǒng)引導(dǎo)到組合器，組合器是一種專用屏幕，它對于從真實環(huán)境進(jìn)來的光線呈現(xiàn)透明特性，但對準(zhǔn)它的光線卻被頭戴式顯示器的光學(xué)系統(tǒng)反射掉，這樣就使得操作員可以清晰地看到計算機圖形與其即時環(huán)境重合在—起的現(xiàn)實效果。8.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類3．疊加式VR系統(tǒng)618.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

4．分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR，DVR）

分布式VR系統(tǒng)是指基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境。它在沉浸式VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將位于不同物理位置的多個用戶或多個虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相連接，并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達(dá)到一個更高的境界。VR系統(tǒng)之所以運行在分布式環(huán)境，一方面是它可以充分利用分布式計算機系統(tǒng)提供的強大計算能力，另一方面是因為有些應(yīng)用本身具有分布特性。例如，許多VR應(yīng)用要求若干人能同時參與同一個虛擬環(huán)境，即協(xié)同工作的VR。這些人既可能在同一個地方，也可能在世界上各個不同的地方，彼此間只通過遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起。前面所述的那些VR技術(shù)雖然可以使動態(tài)的虛擬環(huán)境栩栩如生，但它們都無法解決資源共享的問題，應(yīng)用DVR系統(tǒng)就可以滿足這類需求。分布式VR系統(tǒng)最重要的特性是它們對于多用戶協(xié)作模擬的協(xié)調(diào)適應(yīng)能力，即操作系統(tǒng)必須能在不同計算機上處理不相似的虛擬世界，因此分布式VR系統(tǒng)需要使用專用的操作系統(tǒng)——分布式操作系統(tǒng)。另外，DVR系統(tǒng)在設(shè)計和實現(xiàn)時，還必須考慮很多網(wǎng)絡(luò)通信因素，如網(wǎng)絡(luò)帶寬、分布機制、網(wǎng)絡(luò)延遲以及通信可靠性等。分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品異地設(shè)計、遠(yuǎn)程醫(yī)療、大規(guī)模軍事訓(xùn)練、多用戶游戲等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。8.1.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類4．分布式VR系統(tǒng)（Dis628.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能由兩部分組成：一是創(chuàng)建虛擬世界，二是人與虛擬世界之間的人機交互操作。與虛擬世界交互的過程大致是：參與者首先激活頭盔、手套和話筒等輸入設(shè)備為計算機提供輸入信號，虛擬現(xiàn)實軟件收到由跟蹤器和傳感器送來的輸入信號后加以解釋，然后對虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫作必要的更新，調(diào)整當(dāng)前的虛擬環(huán)境場景，并將這一新視點下的三維視覺圖像以及其他（如聲音、觸覺、力反饋等）信息立即傳送給相應(yīng)的輸出設(shè)備（頭盔顯示器、耳機、數(shù)據(jù)手套等），以便參與者及時獲得多種感官上的虛擬效果。這一過程必須每秒發(fā)生許多次才能使參與者感受到連續(xù)的效果。8.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能由兩部分組成：一是638.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成8.2.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件和軟件8.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成648.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)又可分為沉浸式實現(xiàn)和非沉浸式實現(xiàn)；人機交互操作又可分為基于自然方式的人機交互操作和基于常規(guī)交互設(shè)備的人機交互操作。通常，沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采用自然方式的人機交互操作，而非沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通常允許采用常規(guī)人機交互設(shè)備進(jìn)行人機交互操作。概括地說，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由以下4大部分組成：虛擬世界生成設(shè)備、感知設(shè)備（生成多通道刺激信號的設(shè)備）、跟蹤設(shè)備（檢測人在虛擬世界中的位置和朝向）和基于自然方式的交互設(shè)備。這里所指的設(shè)備包含相應(yīng)的硬件和軟件。圖8-4所示為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的典型構(gòu)成。8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)又可分為沉浸式658.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成（1）虛擬世界生成設(shè)備虛擬世界生成設(shè)備無疑可以是一臺或多臺高性能計算機。通常又可分為基于高性能個人計算機、基于高性能圖形工作站和基于分布式異構(gòu)計算機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)三大類。后兩類用于沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，而基于PC機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通常為非沉浸式系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實所用的計算機是帶有圖形加速器和多條圖形輸出流水線的所謂高性能圖形計算機。這是因為三維高真實感場景的生成與顯示在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中具有頭等重要的地位。8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成（1）虛擬世界生成設(shè)備668.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬世界生成設(shè)備的主要功能包括：①

視覺通道信號生成與顯示——三維高真實感圖形建模與實時繪制。②

聽覺通道信號生成與顯示——三維真實感聲音生成與播放。所謂三維真實感聲音是具有動態(tài)方位感、距離感和三維空間效應(yīng)的聲音。③

觸覺與力覺通信信號與顯示——皮膚感知的觸摸，溫度、壓力、紋理信號以及肌肉、失節(jié)、腱等感知的力信號的建模與反饋。④

支持實時人機交互操作的功能——三維空間定位、碰撞檢測、語音識別以及人機實時對話功能。8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬世界生成設(shè)備的主要功能包678.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成（2）感知設(shè)備

感知設(shè)備是指將虛擬世界各類感知模型轉(zhuǎn)變?yōu)槿四芙邮艿亩嗤ǖ来碳ば盘柕脑O(shè)備。感知包括視、聽、觸（力）、嗅、味覺等多種通道。然而，成熟和相對成熟的感知信息產(chǎn)生和檢測的技術(shù)，僅有視覺、聽覺和力覺三種通道。①

視覺感知設(shè)備——立體寬視場圖形顯示器。立體寬視場圖形顯示器可分為沉浸式和非沉浸式兩大類。②

聽覺感知設(shè)備——三維真實感聲音的播放設(shè)備。常用的有耳機式、雙揚聲器組和多揚聲器組三種。通常由專用聲卡將單通道聲源信號處理成具有雙耳效應(yīng)的真實感聲音。③

觸覺（力覺）感知設(shè)備——觸覺（力覺）反饋裝置。觸覺和力覺實際是兩種不同的感知。觸覺包含的感知內(nèi)容更豐富一些，例如應(yīng)包含一般的接觸感（類似于“摸到了一個面”的感覺），進(jìn)一步應(yīng)包含感知材料的質(zhì)感（布料、海綿、橡膠、木材、金屬、石料等等），紋理感（平滑、粗糙程度等）以及溫度感等。力覺感知設(shè)備要求能反饋力的大小和方向，與觸覺反饋裝置相比，力反饋裝置相對較成熟一些。8.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成（2）感知設(shè)備688.2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成（3）跟蹤設(shè)備跟蹤設(shè)備是跟蹤并檢測位置和方位的裝置，用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中基于自然方式的人機交互操作。目前，先進(jìn)的跟蹤定位系統(tǒng)可用于動態(tài)記錄人體運動，如舞蹈、體育竟技運動動作等，在計算機動畫、計算機游戲設(shè)計和運動員動作分析等方面有著廣泛的應(yīng)用。最常用的跟蹤設(shè)備有基于機械臂原理、磁傳感器原理、超聲傳感器原理和光傳感器原理四種。除機械臂式定位跟蹤器以外，其它三種跟蹤器都由一個（或多個）信號發(fā)射器以及數(shù)個接收器組成，發(fā)射器安裝在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中某個固定位置，接收器安裝在被跟蹤的部位。如安裝在頭部，通常用來跟蹤視線方向；如安裝在手部，通常用來跟蹤交互設(shè)備數(shù)據(jù)手套的位置及其朝向；如果將多個接收器安裝在貼身衣服的各個關(guān)節(jié)部位上，則實時記錄人體各個活