一章 虚拟现实技术概述

虚拟现实技术与应用任课教师:郑德华1.什么么叫虚拟拟现实技技术虚拟现实实技术（（VirtualReality简称称VR))是一一种模拟拟人类视视觉、听听觉、力力觉、触触觉等感感知行为为的高度度逼真的的人机交交互技术术，是在在数字图图像处理理、计算算机图形形学、多多媒体技技术、人人—机接接口技术术、计算算机仿真真技术及及传感器器技术等等许多信信息技术术基础上上发展起起来的一一门多学学科的交交叉技术术。第一章虚虚拟现现实技术术概述与传统的的模拟技技术相比比，VR技术的的主要特特征是：：用户能能够进入入到一个个由计算算机系统统生成的的交互式式的三维维虚拟环环境中，，可以与与之进行行交互。。2.虚拟拟现实技技术与三三维动画画技术的的异同VR技术术和三维维动画技技术有本本质上的的区别,,可以说说交互性性是两者者最大的的不同。。可见下下表:比较项目VR技术三维动画技术科学性及场景的选择性虚拟世界基于真实数据建立的模型组合而成，属于科学仿真系统。操纵者亲身体验三维空间，可自由选择观察路径，有身临其境的感觉场景画面根据材料或想像直接绘制而与真实的世界和数据有较大的差距，属于演示类艺术作品。只能按预先假定的观察路径观看。实时交互性操纵者可以实时感受到运动带来的场景变化，具有双向互动的功能只能单向演示，场景变化的画面需要事先制作生成空间立体感支持立体显示和三维立体声，具有三维空间真实感不支持演示时间没有时间限制，可真实详尽的展示，性价比高受动画制作时间限制，无法详尽展示，性价比低方案应用的灵活性支持方案调整、评估、管理、信息查询等功能，同时又具有更真实直观的演示功能只具有简单的演示功能VR技术术与三维维动画技技术的比比较3.虚拟拟现实技技术的发发展简史史VR技术术的发展展大致分分为3个个阶段：：20世纪纪50年年代到70年代代末，是是VR技技术的的探索阶阶段；20世纪纪80年年代初期期到80年代中中期，是是VR技技术系统统化、从从实验室室走向实实用的阶阶段；20世纪纪80年年代末期期到达21世纪纪初，是是VR技技术高速速发展的的阶段。。4.虚拟拟现实系系统的构构成典型的虚虚拟现实实系统主主要是由由计算机机、应用用软件系系统、输输入输出出设备、、用户和和数据库库等组成成。如图图：计算机输入输出出设备应用软件件系统数据库用户典型虚拟拟现实系系统的结结构框图图5.虚拟拟现实技技术的特特征虚拟现实实技术有有3个主主要特征征：沉浸浸性（Immersion））、交互互性（Interactivity）和想想像性（（Imagination））。(1)沉沉浸性沉浸性（（Immersion）又称称临场感感，指用用户感到到作为主主角存在在于模拟拟环境中中的真实实程度。。(2)交交互性性交互性（（Interactivity）的的产生，，主要借借助于VR系统统中的特特殊硬件件设备（（如数据据手套、、力反馈馈装置等等），使使用户能能通过自自然的方方式，产产生同在在真实世世界中一一样的感感觉。(3)想想像性性想像性（（Imagination））指虚拟拟的环境境是人想想像出来来的，同同时这种种想像体体现出设设计者相相应的思思想，因因而可以以用来实实现一定定的目标标。6.虚拟拟现实系系统的分分类在实际应应用中，，根据虚虚拟现实实技术对对沉浸程程度的高高低和交交互程度度的不同同，将虚虚拟现实实系统划划分为以以下4种种类型::(1)桌桌面式式VR系系统它是利用用个人计计算机或或图形工工作站等等设备，，采用立立体图形形、自然然交互等等技术，，产生三三维立体体空间的的交互场场景，利利用计算算机的屏屏幕作为为观察虚虚拟世界界的一个个窗口，，通过各各种输入入设备实实现与虚虚拟世界界的交互互。立体眼镜镜桌面式VR系统统具有以以下主要要特点：：①缺少完完全沉浸浸感，参参与者不不完全沉沉浸，因因为即使使戴上立立体眼镜镜，仍然然会受到到周围现现实世界界的干扰扰。②对硬件件要求极极低③应用比比较普遍遍，因为为它的成成本相对对较低(2)沉沉浸式式VR系系统它利用头头盔式显显示器或或其它设设备，把把参与者者的视觉觉、听觉觉和其它它感觉封封闭起来来，并提提供一个个新的、、虚拟的的感觉空空间，并并利用位位置跟踪踪器、数数据手套套、其它它手控输输入设备备、声音音等使得得参与者者产生一一种身在在虚拟环环境中、、并能全全心投入入和沉浸浸其中的的感觉。。常见的的沉浸式式系统有有：①基于头头盔式显显示器的的系统②投影式式虚拟现现实系统统③远程存存在系统统沉浸式VR系统统的特点点①高度度的沉浸浸感。②高度度实时性性。利用头盔盔显示器器和数据据手套等交互设设备进行行的飞机机战斗游游戏(3)增增强式式VR系系统它既允许许用户看看到真实实世界，，同时也也能看到到叠加在在真实世世界上的的虚拟对对象，它它是把真真实环境境和虚拟拟环境结结合起来来的一种种系统。。常见的的增强式式VR系系统有：：①基于台台式图形形显示器器的系统统。②基于单单眼显示示器的系系统（一一个眼睛睛看到显显示屏上上的虚拟拟世界，，另一只只眼睛看看到的是是真实世世界）。。③基于透透视式头头盔显示示器的系系统。增强式VR系统统有以下下3个特特点：①真实实世界和和虚拟世世界融为为一体。。②具有有实时人人机交互互功能。。③真实实世界和和虚拟世世界是在在三维空空间中整整合的。。在房间原原有的基基础上进进行虚拟拟设计（4）分分布式VR系统统它在沉浸浸式VR系统的的基础上上，将位位于不同同物理位位置的多多个用户户或多个个虚拟环环境通过过网络相相连接，，并共享享信息，，从而使使用户的的协同工工作达到到一个更更高的境境界。分布式VR系统统具有以以下5个个特点：：①各用用户具有有共享的的虚拟工工作空间间。②伪实实体的行行为真实实感。③支持持实时交交互，共共享时钟钟。④多个个用户可可用各自自不同的的方式相相互通信信。⑤资源源信息共共享以及及允许用用户自然然操纵虚虚拟世界界中的对对象。虚拟战场场8.虚拟拟现实技技术的研研究现状状及研究究方向(1)国国外研研究现状状①美国是是VR技技术的发发源地。。美国VR研究究技术的的水平基基本上就就代表国国际VR技术发发展的水水平。目目前美国国在该领领域的基基础研究究主要集集中在感感知、用用户界面面、后台台软件和和硬件四四个方面面。②英国在在VR技技术的研研究与开开发的某某些方面面，如分分布式并并行处理理、辅助助设备（（触觉反反聩设备备等）设设计、应应用研究究等方面面，在欧欧洲是领领先的。。③在德国国，主要要从事虚虚拟世界界的感知知、虚拟拟环境的的控制和和显示、、机器人人远程控控制、VR在空空间领域域的应用用、宇航航员的训训练、分分子结构构的模拟拟研究等等。④日本主主要致力力于建立立大规模模VR知知识库的的研究，，另外在在VR游游戏方面面的研究究也做了了很多的的工作。。(2)国国内研研究现状状①清华大大学对虚虚拟现实实及其临临场感等等方面进进行了大大量的研研究。②北京科科技大学学成功开开发出了了纯交互互式汽车车模拟驾驾驶培训训系统。。③北京航航空航天天大学开开发了直直升飞机机虚拟仿仿真器、、坦克虚虚拟住仿仿真器、、虚拟战战场环境境观察器器、计算算机兵力力生成器器。国内还有有浙江大大学、西西安交通通大学、、南京大大学、国国防科技技大学、、天津大大学、北北京理工工大学、、西北大大学、山山东大学学、大连连海事大大学和香香港中文