虛擬現(xiàn)實技術第1章虛擬現(xiàn)實技術概論1.1 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展史1.2 虛擬現(xiàn)實技術的概念1.3 虛擬現(xiàn)實技術的特征1.4 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類1.5 虛擬現(xiàn)實技術的應用領域1.6 虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀1.1 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展史虛擬現(xiàn)實技術（VirtualReality）簡稱VR技術，這一名詞是由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾(JaronLanier)在80年代初提出的，但在二十世紀末才興起的綜合性信息技術。VR技術融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學、人工智能、多媒體、傳感器、網(wǎng)絡以及并行處理等多個信息技術分支的最新發(fā)展成果。1.1 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展史1989年，美國VPLResearch公司創(chuàng)始人JaronLanier提出了“VirtualReality”（虛擬現(xiàn)實）的概念?！癛eality”的含義是現(xiàn)實的世界，或現(xiàn)實的環(huán)境?！癡irtualReality”（虛擬現(xiàn)實）=“VirtualEnvironment”（虛擬環(huán)境）“Virtual”說明，世界或環(huán)境是虛擬的，不是真實的。這個世界或環(huán)境是人工構造的，是存在于計算機內部的。用戶應該能夠“進入”這個虛擬的環(huán)境中。"進入"這個虛擬的環(huán)境中，是指用戶以自然的方式與這個環(huán)境交互（包括感知環(huán)境并干預環(huán)境），從而產生置身于相應的真實環(huán)境中的虛幻感，身臨其境的感覺。1.1 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展史1929年，EdwardLink設計出用于訓練飛行員的模擬器1956年，MortonHeilig開發(fā)出多通道仿真體驗系統(tǒng)Sensorama1.1 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展史1965年，IvanSutherland發(fā)表論文“UltimateDisplay”（終極的顯示）1968年，IvanSutherland研制成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器（HeadMountedDisplay，HMD）1.1 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展史1972年，NolanBushnell開發(fā)出第一個交互式電子游戲Pong1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第一個數(shù)據(jù)手套——SayreGlove20世紀80年代，美國國家航空航天局（NASA）組織了一系列有關VR技術的研究：1984年，NASAAmes研究中心的M.McGreevy和J.Humphries開發(fā)出用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器；1987年，JimHumphries設計了雙目全方位監(jiān)視器（BOOM）的最早原型。1.1 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展史1990年，在美國達拉斯召開的Siggraph會議上，明確提出VR技術研究的主要內容包括實時三維圖形生成技術、多傳感器交互技術和高分辨率顯示技術，為VR技術的發(fā)展確定了研究方向。從20世紀90年代開始，VR技術的研究熱潮也開始向民間的高科技企業(yè)轉移。著名的VPL公司開發(fā)出第一套傳感手套命名為“DataGloves”，第一套HMD命名為“EyePhones”。進入21世紀后，VR技術更是進入軟件高速發(fā)展的時期，

一些有代表性的VR軟件開發(fā)系統(tǒng)不斷在發(fā)展完善，如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。1.2 虛擬現(xiàn)實的概念概念：

“VirtualReality”（虛擬現(xiàn)實）或“VirtualEnvironment”（虛擬環(huán)境）是人工構造的，存在于計算機內部的環(huán)境。用戶應該能夠以自然的方式與這個環(huán)境交互（包括感知環(huán)境并干預環(huán)境），從而產生置身于相應的真實環(huán)境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。

要點：1.環(huán)境：人造的，計算機內部的。2.自然的方式交互：人類感知周圍環(huán)境的聽覺，視覺，觸覺等方式來感知環(huán)境。人以自然的不停的身體運動來干預環(huán)境。3.效果：虛假的，沉浸的，身臨其境的感覺。

1.2 虛擬現(xiàn)實的概念虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的“虛擬環(huán)境”，可能有下列幾種情況：第一種情況是完全對真實世界中的環(huán)境進行再現(xiàn)。如虛擬小區(qū)對現(xiàn)實小區(qū)的虛擬再現(xiàn)、軍隊中的虛擬戰(zhàn)場、虛擬實驗室中的各種儀器等，這種真實環(huán)境，可能已經(jīng)存在（如右圖所示），也可能是已經(jīng)設計好但是尚未建成，也可能是原來完好，現(xiàn)在被破壞。1.2 虛擬現(xiàn)實的概念虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境，可能有下列幾種情況。第二種情況是完全虛擬的，人類主觀構造的環(huán)境。如影視制作或電子游戲中，三維動畫設計的虛擬世界。此環(huán)境完全是虛構的，用戶也可以參與，并與之進行交互的非真實世界。但它的交互性和參與性不是很明顯，1.2虛擬現(xiàn)實的概念虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境，可能有下列幾種情況。第三種情況是對真實世界中人類不可見的現(xiàn)象或環(huán)境進行仿真。如分子結構、各種物理現(xiàn)象等。這種環(huán)境是真實環(huán)境，客觀存在的，但是受到人類視覺、聽覺器官的限制不能感應到。一般情況是以特殊的方式（如放大尺度的形式）進行模仿和仿真，使人能夠看到，聽到，或者感受到，體現(xiàn)科學可視化。虛擬現(xiàn)實概念包含三層含義：1．環(huán)境虛擬現(xiàn)實強調環(huán)境，而不是數(shù)據(jù)和信息。2．主動式交互虛擬現(xiàn)實強調的交互方式是通過專業(yè)的傳感設備來實現(xiàn)的，改進了傳統(tǒng)的人機接口形式。虛擬現(xiàn)實人機接口是完全面向用戶來設計，用戶可以通過在真實世界中的行為干預虛擬環(huán)境。3．沉浸感通過相關的設備，采用逼真的感知和自然的動作，使人仿佛置身于真實世界，消除了人的枯燥、生硬和被動的感覺，大大提高工作效率。1.2虛擬現(xiàn)實的概念虛擬現(xiàn)實的概念中有三個：

（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。1.2虛擬現(xiàn)實的概念I31.3 虛擬現(xiàn)實技術的特征交互性：指用戶對虛擬環(huán)境中對象的可操作程度和從虛擬環(huán)境中得到反饋的自然程度（包括實時性）。主要借助于各種專用設備（如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等）產生，從而使用戶以自然方式如手勢、體勢、語言等技能，如同在真實世界中一樣操作虛擬環(huán)境中的對象。1.3 虛擬現(xiàn)實技術的特征沉浸感：又稱臨場感，是指用戶感到作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實程度。VR技術最主要的特征。影響沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、三維圖像中的深度信息、畫面的視野、實現(xiàn)跟蹤的時間或空間響應及交互設備的約束程度等。1.3 虛擬現(xiàn)實技術的特征想象力：指用戶在虛擬世界中根據(jù)所獲取的多種信息和自身在系統(tǒng)中的行為，通過邏輯判斷、推理和聯(lián)想等思維過程，隨著系統(tǒng)的運行狀態(tài)變化而對其未來進展進行想象的能力。對適當?shù)膽脤ο蠹由咸摂M現(xiàn)實的創(chuàng)意和想象力，可以大幅度提高生產效率、減輕勞動強度、提高產品開發(fā)質量。1.3 虛擬現(xiàn)實的特征

典型的VR系統(tǒng)主要由計算機軟、硬件系統(tǒng)（包括VR軟件和VR環(huán)境數(shù)據(jù)庫）和VR輸入、輸出設備等組成。一般的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要由專業(yè)圖形處理計算機、應用軟件系統(tǒng)、輸入輸出設備和數(shù)據(jù)庫來組成。1.3虛擬現(xiàn)實的特征

Computer專業(yè)圖形處理計算機InputDevices輸入設備OutputDevices輸出設備SoftwareSystem應用軟件系統(tǒng)Database數(shù)據(jù)庫User用戶計算機：是系統(tǒng)的心臟，也稱之為虛擬世界的發(fā)動機。負責虛擬世界的生成、人與虛擬世界的自然交互等功能的實現(xiàn)。由于其復雜性，計算量極大，對計算機的配置提出了極高的要求。輸入與輸出設備(接口)：特殊的設備，用以識別用戶各種形式的輸入，并實時生成相應反饋信息。常用的設備有用于手勢輸入的數(shù)據(jù)手套，用于語音交互的三維聲音系統(tǒng)等。應用軟件：虛擬世界中物體的幾何模型、物理模型、運動模型的建立；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(shù)據(jù)庫的建立與管理等。數(shù)據(jù)庫：存放整個虛擬世界中所有物體的各方面信息。1.3虛擬現(xiàn)實的特征1.4 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

1.4.1 桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）1.4.2 沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）1.4.3 增強式VR系統(tǒng)（AugmentedVR）1.4.4 分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR）1.4 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

1.4.1 桌面式VR系統(tǒng)使用個人計算機和低級工作站來產生三維空間的交互場景。用戶會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾而不能獲得完全的沉浸感，但由于其成本相對較低桌面式VR系統(tǒng)仍然比較普及。1.4.1 桌面式VR系統(tǒng)1.4.1 桌面式VR系統(tǒng)1.4 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

1.4.2 沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器、洞穴式顯示設備和數(shù)據(jù)手套等交互設備把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，而使用戶真正成為VR系統(tǒng)內部的一個參與者，產生一種身臨其境、全心投入并沉浸其中的體驗。與桌面式VR系統(tǒng)相比，沉浸式VR系統(tǒng)的主要特點在于高度的實時性和沉浸感。1.4.2 沉浸式VR系統(tǒng)1.4 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

1.4.3 增強式VR系統(tǒng)允許用戶對現(xiàn)實世界進行觀察的同時，將虛擬圖像疊加在真實物理對象之上。為用戶提供與所看到的真實環(huán)境有關的、存儲在計算機中的信息，從而增強用戶對真實環(huán)境的感受，又被稱為疊加式或補充現(xiàn)實式VR系統(tǒng)?？梢允褂霉鈱W技術或視頻技術實現(xiàn)。1.4.3增強式VR系統(tǒng)增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：既可以允許用戶看到真實世界，同時也可以看到疊加在真實世界上的虛擬對象，它是把真實環(huán)境和虛擬環(huán)境組合在一起的一種系統(tǒng)，既可減少構成復雜真實環(huán)境的計算，又可對實際物體進行操作，真正達到了亦真亦幻的境界。其特點：

1)真實世界和虛擬世界融為一體；

2)具有實時人機交互功能；

3)真實世界和虛擬世界在三維空間中整合。常見的增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)有：1)基于臺式圖形顯示器系統(tǒng)；2)基于單眼顯示器的系統(tǒng)；3)基于光學透視式頭盔顯示器的系統(tǒng)；4)基于視頻透視式頭盔顯示器的系統(tǒng)。使用場所：

醫(yī)學可視化、軍用飛機導航、設備維護與維修、娛樂、文物古跡的復原等。1.4 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

1.4.4 分布式VR系統(tǒng)指基于網(wǎng)絡構建的虛擬環(huán)境，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)絡相連接并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達到一個更高的境界。主要被應用于遠程虛擬會議、虛擬醫(yī)學會診、多人網(wǎng)絡游戲、虛擬戰(zhàn)爭演習等領域。1.5 虛擬現(xiàn)實技術的應用領域

1.5.1 教育與訓練1.5.2 設計與規(guī)劃1.5.3 科學計算可視化1.5.4 商業(yè)領域1.5.5 藝術與娛樂1.5 虛擬現(xiàn)實技術的應用領域1.5.1 教育與訓練

虛擬現(xiàn)實技術能使學習者能直接、自然地與虛擬對象進行交互，以各種形式參與事件的發(fā)展變化過程，并獲得最大的控制和操作整個環(huán)境的自由度。1、仿真教學與實驗2、特殊教育3、多種專業(yè)訓練4、應急演練和軍事演習例：VR用于教育領域

虛擬現(xiàn)實應用于教育是教育技術發(fā)展的一個飛躍。它實現(xiàn)了建構主義、情景學習的思想，營造了“自主學習”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學”的學習方式代之為學習者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式。主要應用于教學、培訓領域發(fā)揮其重要作用。日本東京大學虛擬校園一角

思科公司籃球館VR用于教育領域虛擬的零件安裝培訓洞穴式虛擬工程模型漫游例：VR用于軍事訓練或演習

軍事領域研究是推動虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展的原動力，目前依然是主要的應用領域。虛擬現(xiàn)實技術主要在軍事訓練和演習、武器研究這兩個方面廣泛應用。虛擬戰(zhàn)場虛擬航母虛擬戰(zhàn)場1.5 虛擬現(xiàn)實技術的應用領域1.5.2 設計與規(guī)劃

虛擬現(xiàn)實已被看作是設計領域中唯一的開發(fā)工具。它可以避免傳統(tǒng)方式在原型制造、設計和生產過程中的重復工作，有效的降低成本，應用領域包括汽車制造業(yè)、城市規(guī)劃、建筑設計等。1.5 虛擬現(xiàn)實技術的應用領域1.5.3 科學計算可視化

科學可視化的功能就是將大量字母、數(shù)字數(shù)據(jù)轉換成比原始數(shù)據(jù)更容易理解的各種圖像，并允許參與者借助各種虛擬現(xiàn)實輸入設備檢查這些“可見的”數(shù)據(jù)。它通常被用于建立分子結構、地震以及地球環(huán)境等模型。1.5 虛擬現(xiàn)實技術的應用領域1.5.4 商業(yè)領域

VR技術被逐步應用于網(wǎng)上銷售、客戶服務、電傳會議及虛擬購物中心等商業(yè)領域。它可以使客戶在購買前先看到產品的外貌與內在，甚至在虛擬世界中使用它，因此對產品的推廣和銷售都很有幫助。1.5 虛擬現(xiàn)實技術的應用領域1.5.5 藝術與娛樂VR技術所具有的身臨其境感及實時交互性還能將靜態(tài)的藝術（如油畫、雕刻等）轉化為動態(tài)的形式，使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術，包括虛擬畫廊、虛擬音樂廳、文物保護等方面。娛樂是VR系統(tǒng)的另一個重要應用領域，市場上已經(jīng)推出了多款VR環(huán)境下的電腦游戲，帶給游戲者強烈的感官刺激。文化藝術領域1.名勝古跡、虛擬游戲以及影視3個方面。虛擬現(xiàn)實展現(xiàn)名勝古跡的景觀，形象逼真。結合網(wǎng)絡技術，可以將藝術創(chuàng)作、文物展示和保護提高一個嶄新的階段。讓身體不適或者遠在異地等人，不必長途跋涉就可以通過互聯(lián)網(wǎng)，在家中很舒適地選擇任意路徑遨游各個景點，樂趣無窮。(a)原始圖片(b)重建初步結果虛擬西洋景區(qū)文化藝術領域2.虛擬游戲《魔獸世界》游戲畫面文化藝術領域3.影視：三維立體電影是虛擬現(xiàn)實技術的應用之一，是結合虛擬現(xiàn)實技術拍攝的電影。拍攝時，首先根據(jù)拍攝前期，立體攝影師結合故事情節(jié)創(chuàng)作一個“深度腳本”。深度腳本是立體電影創(chuàng)作意圖的展示手段，是拍攝的依據(jù)。它決定了每個場景的立體景深，對于制作舒適、清晰的立體畫面、鏡頭和幀序列起到很重要的作用。拍攝時，通常使用用于拍攝立體圖像的3D攝像機和用于虛實結合的虛擬攝像機，不僅實現(xiàn)動作和表情實時捕捉，為場景增加整體動感，而且降低拍攝成本。其拍攝原理廣泛采用偏光眼鏡法。文化藝術領域《阿凡達》場景制造業(yè)制造業(yè)展示產品從概念階段到實際生產和銷售的轉變過程。消費者需要物美價廉、品種豐富的產品。各個公司竭盡腦汁想在提高生產的靈活性、縮短產品的開發(fā)時間并節(jié)約成本。虛擬現(xiàn)實的自然的多模態(tài)交互、適應性、遠程共享訪問等特點，對制造商具有很強的吸引力。商業(yè)二維平面圖像，交互性較差，已經(jīng)不能滿足人的視覺需要。虛擬現(xiàn)實技術的到來，三維立體的表現(xiàn)形式，全方位展示產品，得到更多企業(yè)和商家的青睞。虛擬試衣間商業(yè)虛擬樣板房中的客廳商業(yè)虛擬樣板房中的餐廳近幾年流行的3D街畫也是一種虛擬現(xiàn)實。3D街畫是使用彩色粉筆或者蠟筆來作畫，所以又稱作粉筆畫。3D街畫被國家地理雜志譽為一種全新的藝術形式。下圖為3D街畫大師KurtWenner的作品。1.6 虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀

1.6.1 國外的研究現(xiàn)狀美國是VR技術的發(fā)源地，有美國宇航局（NASA）、麻省理工學院（MIT）媒體實驗室、華盛頓大學人機界面技術實驗室（HITLab）等許多知名的研究機構。美國在虛擬現(xiàn)實領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。1.6 虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀

1.6.1 國外的研究現(xiàn)狀英國主要有四個從事VR技術研究的中心，包括Windustries公司、BritishAerospace公司、DimensionInternational公司、DivisonLTD公司等。日本主要致力于建立大規(guī)模VR知識庫和人機接口方面的研究項目上，在VR游戲方面的研究也處于領先地位。此外，國外還研制出多個用于開發(fā)應用程序的VR軟件開發(fā)平臺，例如美國Sense8公司的WorldToolKit（WTK），愛荷華州立大學虛擬現(xiàn)實應用中心的VRJuggler，DenebRobotics公司的ENVISION，英國Superscape公司的VRT，Division公司的dVISE等。1.6 虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀

1.6.2 國內的研究現(xiàn)狀我國從20世紀80年代起開始研究VR技術。雖然起步較晚，但近年來政府有關部門非常重視，制定了開展VR技術的研究計劃，并將其列入國家重點研究項目。國內的一些科學家和重點院校也已積極投入了對這一領域的研究。北京航空航天大學是國內最早進行VR技術研究、最有權威的單位之一。它于2000年8月成立了虛擬現(xiàn)實新技術教育部重點實驗室。1.6.2國內的研究現(xiàn)狀

北京航空航天大學計算機系是國內最早進行VR研究、最有權威的單位之一，其虛擬實現(xiàn)與可視化新技術研究室集成了分布式虛擬環(huán)境，可以提供實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實演示環(huán)境、用于飛行員訓練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)的開發(fā)平臺等，并著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現(xiàn)實中的視覺接口方面開發(fā)出部分硬件，并提出有關算法及實現(xiàn)方法等。清華大學國家光盤工程研究中心所作的“布達拉宮”，采用了QuickTime技術，實現(xiàn)大全景VR制。浙江大學CAD＆CG國家重點實驗室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)，還研制出了在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進網(wǎng)格的快速生成算法。哈爾濱工業(yè)大學計算機系已經(jīng)成功地合成了人的高級行為中的特定人臉圖像，解決了表情的合成和唇動合成技術問題，并正在研究人說話時手勢和頭勢的動作、語音和語調的同步等。武漢理工大學智能制造與控制研究所主要研究使用虛擬現(xiàn)實技術進行機械的虛擬制造，包括虛擬布局、虛擬裝配、產品原型快速生成等。1.6.2 國內的研究現(xiàn)狀

中視典數(shù)字科技有限公司，總部注冊于深圳高新技術園區(qū)，成立于2002年，北京分公司成立于2005年1月。是從事虛擬現(xiàn)實與仿真、多媒體技術、三維動畫研究與開發(fā)的專業(yè)機構，是國際領先的虛擬現(xiàn)實技術（virtualrealityTech