虚拟现实技术29

虚拟现实技术佛山科学技术学院教育科学学院第1章虚虚拟现实实技术概概论1.1虚拟现实实技术的的发展史史1.2虚拟现实实技术的的概念1.3虚拟现实实技术的的特征1.4虚拟现实实系统的的分类1.5虚拟现实实技术的的应用领领域1.6虚拟现实实技术的的研究现现状1.1虚虚拟现现实技术术的发展展史虚拟现实实技术（（VirtualReality）简称VR技术，是是20世纪末逐逐渐兴起起的一门门综合性性信息技技术，融融合了数数字图像像处理、、计算机机图形学学、人工工智能、、多媒体体、传感感器、网网络以及及并行处处理等多多个信息息技术分分支的最最新发展展成果。。1.1虚虚拟现现实技术术的发展展史1929年，EdwardLink设计出用用于训练练飞行员员的模拟拟器1956年，MortonHeilig开发出多多通道仿仿真体验验系统Sensorama1.1虚虚拟现现实技术术的发展展史1965年，IvanSutherland发表论文文“UltimateDisplay”（终极的的显示））1968年，IvanSutherland研制成功功了带跟跟踪器的的头盔式式立体显显示器（（HeadMountedDisplay，HMD）1.1虚虚拟现现实技术术的发展展史1972年，NolanBushnell开发出第第一个交交互式电电子游戏戏Pong1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第第一个数数据手套套——SayreGlove20世纪80年代，美美国国家家航空航航天局（（NASA）组织了了一系列列有关VR技术的研研究：：1984年，NASAAmes研究中心心的M.McGreevy和J.Humphries开发出用用于火星星探测的的虚拟环环境视觉觉显示器器；1987年，JimHumphries设计了双双目全方方位监视视器（BOOM）的最早早原型。。1.1虚虚拟现现实技术术的发展展史1990年，在美美国达拉拉斯召开开的Siggraph会议上，，明确提提出VR技术研究究的主要要内容包包括实时时三维图图形生成成技术、、多传感感器交互互技术和和高分辨辨率显示示技术，，为VR技术的发发展确定定了研究究方向。。从20世纪90年代开始始，VR技术的研研究热潮潮也开始始向民间间的高科科技企业业转移。。著名的的VPL公司开发发出第一一套传感感手套命命名为““DataGloves”，第一套套HMD命名为““EyePhones””。进入21世纪后，，VR技术更是是进入软软件高速速发展的的时期，，一些有代代表性的的VR软件开发发系统不不断在发发展完善善，如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。1.2虚拟现实实技术的的概念虚拟现实实技术是是指利用用计算机机生成一一种模拟拟环境，，并通过过多种专专用设备备使用户户“投入入”到该该环境中中，实现现用户与与该环境境直接进进行自然然交互的的技术。。1.2虚拟现实实技术的的概念典型的VR系统主要要由计算算机软、、硬件系系统（包包括VR软件和VR环境数据据库）和和VR输入、输输出设备备等组成成。1.3虚拟现实实技术的的特征VR技术的三三角形交互性（（Interactivity）沉浸感（Immersion）想象力（（Imagination）1.3虚拟现实实技术的的特征VR技术的交交互性：：指用户对对虚拟环环境中对对象的可可操作程程度和从从虚拟环环境中得得到反馈馈的自然然程度（（包括实实时性））。主要借助助于各种种专用设设备（如如头盔显显示器、、数据手手套等））产生，，从而使使用户以以自然方方式如手手势、体体势、语语言等技技能，如如同在真真实世界界中一样样操作虚虚拟环境境中的对对象。1.3虚拟现实实技术的的特征VR技术的沉沉浸感：：又称临场场感，是是指用户户感到作作为主角角存在于于虚拟环环境中的的真实程程度。VR技术最主主要的特特征。影响沉浸浸感的主主要因素素包括多多感知性性、自主主性、三三维图像像中的深深度信息息、画面面的视野野、实现现跟踪的的时间或或空间响响应及交交互设备备的约束束程度等等。1.3虚拟现实实技术的的特征VR技术术的想象象力：指用户在在虚拟世世界中根根据所获获取的多多种信息息和自身身在系统统中的行行为，通通过逻辑辑判断、、推理和和联想等等思维过过程，随随着系统统的运行行状态变变化而对对其未来来进展进进行想象象的能力力。对适当的的应用对对象加上上虚拟现现实的创创意和想想象力，，可以大大幅度提提高生产产效率、、减轻劳劳动强度度、提高高产品开开发质量量。1.4虚拟现实实系统的的分类1.4..1桌面式VR系统（DesktopVR）1.4..2沉浸式VR系统（ImmersiveVR）1.4..3增强式VR系统（AugmentedVR）1.4..4分布式VR系统（DistributedVR）1.4虚拟现实实系统的的分类1.4..1桌桌面式式VR系系统使用个人人计算机机和低级级工作站站来产生生三维空空间的交交互场景景。用户会受受到周围围现实环环境的干干扰而不不能获得得完全的的沉浸感感，但由由于其成成本相对对较低桌桌面式VR系统仍然然比较普普及。1.4虚拟现实实系统的的分类1.4..2沉沉浸式式VR系系统利用头盔盔显示器器、洞穴穴式显示示设备和和数据手手套等交交互设备备把用户户的视觉觉、听觉觉和其他他感觉封封闭起来来，而使使用户真真正成为为VR系统内部部的一个个参与者者，产生生一种身身临其境境、全心心投入并并沉浸其其中的体体验。与桌面式式VR系统相比比，沉浸浸式VR系统的主主要特点点在于高高度的实实时性和和沉浸感感。1.4虚拟现实实系统的的分类1.4..3增增强式式VR系系统允许用户户对现实实世界进进行观察察的同时时，将虚虚拟图像像叠加在在真实物物理对象象之上。。为用户提提供与所所看到的的真实环环境有关关的、存存储在计计算机中中的信息息，从而而增强用用户对真真实环境境的感受受，又被被称为叠叠加式或或补充现现实式VR系统。可以使用用光学技技术或视视频技术术实现。。1.4虚拟现实实系统的的分类1.4..4分分布式式VR系系统指基于网网络构建建的虚拟拟环境，，将位于于不同物物理位置置的多个个用户或或多个虚虚拟环境境通过网网络相连连接并共共享信息息，从而而使用户户的协同同工作达达到一个个更高的的境界。。主要被应应用于远远程虚拟拟会议、、虚拟医医学会诊诊、多人人网络游游戏、虚虚拟战争争演习等等领域。。1.5虚拟现实实技术的的应用领领域1.5..1教育与训训练1.5..2设计与规规划1.5..3科学计算算可视化化1.5..4商业领域域1.5..5艺术与娱娱乐1.5虚拟现实实技术的的应用领领域1.5..1教教育与训训练虚拟现实实技术能能使学习习者能直直接、自自然地与与虚拟对对象进行行交互，，以各种种形式参参与事件件的发展展变化过过程，并并获得最最大的控控制和操操作整个个环境的的自由度度。1、仿真教教学与实实验2、特殊教教育3、多种专专业训练练4、应急演演练和军军事演习习1.5虚拟现实实技术的的应用领领域1.5..2设设计与规规划虚拟现实实已被看看作是设设计领域域中唯一一的开发发工具。。它可以以避免传传统方式式在原型型制造、、设计和和生产过过程中的的重复工工作，有有效的降降低成本本，应用用领域包包括汽车车制造业业、城市市规划、、建筑设设计等。。1.5虚拟现实实技术的的应用领领域1.5..3科科学计算算可视化化科学可视视化的功功能就是是将大量量字母、、数字数数据转换换成比原原始数据据更容易易理解的的各种图图像，并并允许参参与者借借助各种种虚拟现现实输入入设备检检查这些些“可见见的”数数据。它通常被被用于建建立分子子结构、、地震以以及地球球环境等等模型。。1.5虚拟现实实技术的的应用领领域1.5..4商商业领域域VR技术被逐逐步应用用于网上上销售、、客户服服务、电电传会议议及虚拟拟购物中中心等商商业领域域。它可可以使客客户在购购买前先先看到产产品的外外貌与内内在，甚甚至在虚虚拟世界界中使用用它，因因此对产产品的推推广和销销售都很很有帮助助。1.5虚拟现实实技术的的应用领领域1.5..5艺艺术与娱娱乐VR技术所具具有的身身临其境境感及实实时交互互性还能能将静态态的艺术术（如油油画、雕雕刻等））转化为为动态的的形式，，使观赏赏者更好好地欣赏赏作者的的思想艺艺术，包括虚虚拟画廊廊、虚拟拟音乐厅厅、文物物保护等等方面。。娱乐是VR系统的另另一个重重要应用用领域，，市场上上已经推推出了多多款VR环境下的的电脑游游戏，带带给游戏戏者强烈烈的感官官刺激。。1.6虚拟现实实技术的的研究现现状1.6..1国国外外的研究究现状美国是VR技术的发发源地，，有美国国宇航局局（NASA）、麻省省理工学学院（MIT）媒体实实验室、、华盛顿顿大学人人机界面面技术实实验室（（HITLab）等许多多知名的的研究机机构。美国在虚虚拟现实实领域的的基础研研究主要要集中在在感知、、用户界界面、后后台软件件和硬件件四个方方面。1.6虚拟现实实技术的的研究现现状1.6..1国国外外的研究究现状英国主要要有四个个从事VR技术研究究的中心心，包括括Windustries公司、BritishAerospace公司、DimensionInternational公司、DivisonLTD公司等。。日本主要要致力于于建立大大规模VR知识库和和人机接接口方面面的研究究项目上上，在VR游戏方面面的研究究也处于于领先地地位。此外，国国外还研研制出多多个用于于开发应应用程序序的VR软件开发发平台，，例如美美国Sense8公司的WorldToolKit（WTK），爱荷荷华州立立大学虚虚拟现实实应用中中心的VRJuggler，DenebRobotics公司的ENVISION，英国Superscape公司的VRT，Division公司的dVISE等。1.6虚拟现实实技术的的研究现现状1.6..2国国内内的研究究现状我国从20世纪80年代起开开始研究究VR技术。虽虽然起步步较晚，，但近年年来政府府有关部部门非常常重视，，制定了了开展VR技术的研研究计划划，并将