十六讲虚拟现实课件

虚拟现实（VR）虚拟现实（VR）1961年，美国科学家海里戈提出了构建虚拟布鲁克林城的构想，他希望观众可以通过他设计的系统体验漫步在布鲁克林城市街道上的感受。是最早看到虚拟现实技术前景的人。一、虚拟现实技术的产生与发展1961年，美国科学家海里戈提出了构建虚拟布鲁克林城的构想，虚拟现实的概念来自萨瑟兰的“终极显示”。1965年，萨瑟兰在一篇论文中提出了“终极显示”的概念：认为可以把计算机显示器作为通往虚拟世界的窗口。对于这个概念，他是这样描述的：“通过这个窗口，人们可以看到一个虚拟的世界，富有挑战性的工作是怎样使那个虚拟世界看起来更加真实，在其中行动真实，听起来真实，感觉就像真实世界一样。”萨瑟兰的设想是计算机构建一个虚拟的物理世界，观众可以与其进行交互。虚拟现实的概念来自萨瑟兰的“终极显示”。后来到哈佛大学继续进行虚拟显示技术研究。1966年，他和他的学生鲍勃.斯普劳尔为波奇公司开发了世界上第一台数据头盔显示器。在这中双目并用的头盔上，图片被直接安装在眼睛前面的显示器上，当观众从这个头盔显示器中看到从楼顶上拍摄的地面照片时，显示了恐惧和惊慌。这个实验证明了仅利用双眼就可以实现沉浸的效应。不久，萨瑟兰用计算机图像取代了照片，虽然只是一个虚构的虚拟空间，但它的效果已远远地超过了照片。后来到哈佛大学继续进行虚拟显示技术研究。1966年，他和他的20世纪80年代以后，虚拟显示技术得到了长足的发展，加州大学伯克利分校的麦克.利威在萨瑟兰创造的3D虚拟空间的基础上继续创新，利用精巧的液晶显示器取代了笨重的阴极射线管显示器，同时它还发明了精确的头部定位装置。20世纪80年代以后，虚拟显示技术得到了长足的发展，加州大学更加重要的发明出现在1984年，美国国家航空航天局艾米斯研究中心的科学家们利用晶体管集成电路系统设计了可携带的小型立体眼镜，“艾米斯虚拟工作站”计划将这一新发明的立体眼镜连接在高性能的计算机上，这样观众就可以通过它进入虚拟世界。更加重要的发明出现在1984年，美国国家航空航天局艾米斯研究同时，斯坦福医学院的学生汤姆.奇摩尔曼发明了一种可以精确跟踪并反馈手部动作的“数据手套”，他在手套的关节处放上了小型的感应器，当移动手指时，计算机便可以获取手指动作的信息。和数据头盔相比，数据手套显示了较高的准确性和灵活性。同时，斯坦福医学院的学生汤姆.奇摩尔曼发明了一种可以精确跟踪20世纪80年代，美国VPL公司创建人亚伦.拉尼尔提出。虚拟现实技术通常是指利用计算机建模技术、空间、声音、视觉跟踪技术等综合技术生成的集视、听、触觉为一体的交互式虚拟环境。在这样的虚拟空间中，参与者可借助数据头盔显示器、数据手套、数据衣等设备与计算机进行交互，得到和真实世界极其相近的体验。20世纪80年代，美国VPL公司创建人亚伦.拉尼尔提出。（1）虚拟世界生成设备虚拟世界生成设备无疑可以是一台或多台高性能计算机。通常又可分为基于高性能个人计算机、基于高性能图形工作站和基于分布式异构计算机的虚拟现实系统三大类。后两类用于沉浸式虚拟现实系统，而基于PC机的虚拟现实系统通常为非沉浸式系统。虚拟现实所用的计算机是带有图形加速器和多条图形输出流水线的所谓高性能图形计算机。这是因为三维高真实感场景的生成与显示在虚拟现实系统中具有头等重要的地位。二、虚拟现实系统的构成（1）虚拟世界生成设备二、虚拟现实系统的构成虚拟世界生成设备的主要功能包括：①

视觉通道信号生成与显示——三维高真实感图形建模与实时绘制。②

听觉通道信号生成与显示——三维真实感声音生成与播放。所谓三维真实感声音是具有动态方位感、距离感和三维空间效应的声音。③

触觉与力觉通信信号与显示——皮肤感知的触摸，温度、压力、纹理信号以及肌肉、失节、腱等感知的力信号的建模与反馈。④

支持实时人机交互操作的功能——三维空间定位、碰撞检测、语音识别以及人机实时对话功能。虚拟世界生成设备的主要功能包括：（2）感知设备

感知设备是指将虚拟世界各类感知模型转变为人能接受的多通道刺激信号的设备。感知包括视、听、触（力）、嗅、味觉等多种通道。然而，成熟和相对成熟的感知信息产生和检测的技术，仅有视觉、听觉和力觉三种通道。①

视觉感知设备——立体宽视场图形显示器。立体宽视场图形显示器可分为沉浸式和非沉浸式两大类。②

听觉感知设备——三维真实感声音的播放设备。常用的有耳机式、双扬声器组和多扬声器组三种。通常由专用声卡将单通道声源信号处理成具有双耳效应的真实感声音。③

触觉（力觉）感知设备——触觉（力觉）反馈装置。触觉和力觉实际是两种不同的感知。触觉包含的感知内容更丰富一些，例如应包含一般的接触感（类似于“摸到了一个面”的感觉），进一步应包含感知材料的质感（布料、海绵、橡胶、木材、金属、石料等等），纹理感（平滑、粗糙程度等）以及温度感等。力觉感知设备要求能反馈力的大小和方向，与触觉反馈装置相比，力反馈装置相对较成熟一些。（2）感知设备（3）跟踪设备跟踪设备是跟踪并检测位置和方位的装置，用于虚拟现实系统中基于自然方式的人机交互操作。目前，先进的跟踪定位系统可用于动态记录人体运动。

最常用的跟踪设备有基于机械臂原理、磁传感器原理、超声传感器原理和光传感器原理四种。

除机械臂式定位跟踪器以外，其它三种跟踪器都由一个（或多个）信号发射器以及数个接收器组成，发射器安装在虚拟现实系统中某个固定位置，接收器安装在被跟踪的部位。如安装在头部，通常用来跟踪视线方向；如安装在手部，通常用来跟踪交互设备数据手套的位置及其朝向；如果将多个接收器安装在贴身衣服的各个关节部位上，则实时记录人体各个活动关节的位置，经过软件处理可实时跟踪显示人的动作。（3）跟踪设备（4）人机交互设备应用手势、体势、眼神以及自然语言的人机交互设备，常见的有数据手套、数据衣服（带传感器的衣服）、眼球跟踪器以及语音综合和识别装置。（4）人机交互设备三、虚拟现实系统的硬件和软件1．虚拟现实系统的硬件

虚拟现实系统的硬件包括虚拟现实发生器以及输入输出设备。（1）虚拟现实发生器

虚拟现实发生器用来处理和产生虚拟境界，是任何虚拟系统的核心。它一般由计算机加图形生成器或加速卡组成。计算机可以是个人计算机、工作站或者小型计算机。虚拟现实系统中的计算机主要完成三项任务：数据处理、数据输出、虚拟境界的管理和生成。系统中的计算机必须具有足够高的处理能力，以确保参与者与虚拟境界的交互能实时进行。三、虚拟现实系统的硬件和软件1．虚拟现实系统的硬件（2）虚拟现实输入设备有两类跟踪系统，分别是有源跟踪系统和无源系统。有源跟踪系统使用两路信号处理输入数据，这种系统通过发射器和传感器跟踪参与者的位置和取向。无源跟踪系统使用一路信号处理输入数据，只有一个传感器用来跟踪位置和方向。（3）虚拟现实输出设备虚拟现实系统的输出设备用于将电子信号转变成各种人体感宫可以感觉到的刺激。常用的虚拟现实系统输出设备有头戴式显示器和声音发生器。（2）虚拟现实输入设备2．虚拟现实系统的软件虚拟现实系统的软件用来进行境界构造，包括建模和绘制对象，给这些对象指定行为，提供交互性和编程。虚拟现实软件可分为工具包和创作工具。工具包即程序库，一般用C或C＋＋等编制，利用它所提供的函数集合，熟练的程序员可以生成具体的虚拟现实系统应用。VRML就是这样一个程序库。创作工具是带有图形用户界面的完整软件，通过创作工具只需简单编程就可生成虚拟境界。程序库一般比创作工具更灵活，绘制速度更快，但需要丰富的编程经验。由于软件的方法对硬件的依赖性不高，相对来说容易实现，而且其适用的范围很广，因此目前发展很快，很多公司纷纷推出软件开发包，以及其它一些工具。2．虚拟现实系统的软件 VRP软件简介

VRP是一款由中视典数字科技有限公司独立开发的具有完全自主知识产权的直接面向三维美工的一款虚拟现实软件，是目前中国虚拟现实领域，市场占有率最高的一款虚拟现实软件。VRP适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、所见即所得。VRP所有的操作都是以美工可以理解的方式进行，不需要程序员参与。 VRP软件简介VRP适用性强、操作简单、功能强大、高度1．菜单栏2．工具栏3．Flash窗口4．功能分类面板5．主功能区面板6．视图区7．属性面板8．信息栏9．状态栏1．菜单栏2．工具栏3．Flash窗口4．功能（1）用户首先激活头盔，手套和话筒等输

入设备，为计算机提供输入信号；（2）VR软件收到由跟踪器和传感器送来

的输入信号加以处理；（3）对虚拟环境数据库做必要的更新，调整当前的虚拟环境场景，并将这一新视点下的三维视觉图像以及其他（如声音、触觉、力反馈等）信息立即传送给相应的输出设备（头盔显示器、耳机、数据手套等），以便用户及时获得感官上的虚拟效果，这一过程必须每秒钟发生多次才能使用户感受到实时连续的效果。

典型的VR系统结构四、用户与虚拟世界交互的过程（1）用户首先激活头盔，手套和话筒等输典型的VR系统结构四、

进入20世纪90年代后，基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能，人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地涌入市场，这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。进入20世纪90年代后，基于大型数据集合的声音和图像五、虚拟现实技术的应用自然、文化遗产的保护和弘扬虚拟人机工程学军事与航天制造工业教育与训练医学领域商业领域影视娱乐规划与设计五、虚拟现实技术的应用自然、文化遗产的保护和弘扬教育与训练十六讲虚拟现实六、虚拟现实技术的特征

沉浸性

VR技术最主要的技术特征是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由观察者变成参与者，沉浸其中并参与虚拟世界的活动。

交互性

交互性（Interactivity）的产生，主要借助于VR系统中的特殊硬件设备（如数据手套、力反馈装置等），使用户能通过自然的方式，产生同在真实世界中一样的感觉。

想像性

想像性（Imagination）指虚拟的环境是人想像出来的，同时这种想像体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。六、虚拟现实技术的特征 沉浸性 交互性 想像性七、虚拟现实系统的关键技术（1）动态环境建模技术

虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。七、虚拟现实系统的关键技术（1）动态环境建模技术（2）实时三维图形生成技术三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧／秒，最好是高于30帧／秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，提高刷新频率。这里，图形生成的硬件体系结构以及在虚拟现实的真实感图形生成中用于加速的各种有效技术是关键所在。（2）实时三维图形生成技术（3）立体显示和传感器技术虚拟现实依赖于立体显示和传感器技术的发展，立体显示技术涉及到人眼的生理原理以及在计算机上如何产生深度线索的技术。现有的硬件系统如头盔显示器、单目镜及可移动视觉显示器有待进一步研究，光学显示还存在许多局限性；传感器技术中需解决设备的可靠性、可重复性、精确性及安全性等问题，各种类型传感器的性能急需提高。（3）立体显示和传感器技术（4）应用系统开发工具虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。（5）系统集成技术由子虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等。（4）应用系统开发工具（5）系统集成技术八、虚拟现实作品据构成虚拟现实系统的技术设备以及带给观众的不同体验，可以将虚拟现实的艺术作品分为桌面级、沉浸级、增强现实级和分布式四个层次。结合艺术家的作品，不同层次的虚拟显示系统可分为：桌面式虚拟现实；沉浸式虚拟现实；增强现实式虚拟显示；分布式虚拟现实。八、虚拟现实作品据构成虚拟现实系统的技术设备以及带给观众的不1．桌面式VR系统（DesktopVR）

桌面式VR系统仅使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互场景。它把计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的一个窗口，参与者需要使用手拿输入设备或位置跟踪器来驾驭虚拟环境和操纵虚拟场景中的各种物体。在桌面VR系统中，参与者虽然坐在监视器前面，但可以通过计算机屏幕观察360°范围内的虚拟环境；可以通过交互操作，使虚拟环境的物体平移和旋转，以便从各个方向观看物体，也可以利用“throughwalk”进入功能在虚拟环境中浏览。但参与者并没有完全沉浸，他仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面VR系统虽然缺乏完全的沉浸感，但它仍然比较普及，这主要是出于其成本相对来说较低。在桌面VR系统中，用户借助三维眼镜或安装在计算机屏幕上方的立体观察器、液晶显示光学眼镜等一些廉价的设备，就可以产生一种三维空间的幻觉来增加沉浸的感觉；而它采用的标准CRT显示器和立体图像显示技术，又使得系统分辨率较高，价格也比较便宜；另外，声卡和内部信号处理电路也可以通过廉价的硬件产生真实性很强的声音效果。桌面VR系统通常用于工程CAD、建筑设计、培训、教育及某些医疗应用。1．桌面式VR系统（DesktopVR）2．沉浸式VR系统（ImmersiveVR）

沉浸式VR系统利用头盔显示器和数据手套等各种交互设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为VR系统内部的一个参与者，并能利用这些交互设备操作和驾驭虚拟环境，产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉，一般用于娱乐、或验证某一猜想假设、训练、模拟、预演、检验、体验等。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统等。与桌面式VR系统相比，沉浸式VR系统的主要特点在于：（1）具有高度的实时性能。（2）具有高度的沉浸感。（3）能支持多种I/O交互设备并行。2．沉浸式VR系统（ImmersiveVR）3．增强式VR系统

增强式VR系统允许用户对现实世界进行观察的同时，通过穿透型头戴式显示器将计算机虚拟图像叠加在现实世界之上，为操作员提供与他所看到的现实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强操作员对真实环境的感受因此又被称为补充现实系统。与其他各类VR系统相比，补充现实式的虚拟现实不仅是利用VR技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。人们可以按日常的工作方式对周围的物体进行操作或研究，但同时又可以从计算机生成的环境中得到同步的、有关活动的指导信息。目前，这样的工作方式已经有了一些实验性的例子，如计算机指导的复印机修理；在菱形空间框架中安装铝构件；电线束在安装到飞机上之前的捆绑等。其中一个典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它能将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。它的工作原理是：在这种头戴式显示器中，光源产生的图像被光学系统引导到组合器，组合器是一种专用屏幕，它对于从真实环境进来的光线呈现透明特性，但对准它的光线却被头戴式显示器的光学系统反射掉，这样就使得操作员可以清晰地看到计算机图形与其即时环境重合在—起的现实效果。3．增强式VR系统4．分布式VR系统（DistributedVR，DVR）

分布式VR系统是指基于网络的虚拟环境。它在沉浸式VR系统的基础上，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接，并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。VR系统之所以运行在分布式环境，一方面是它可以充分利用分布式计算机系统提供的强大计算能力，另一方面是因为有些应用本身具有分布特性。例如，许多VR应用要求若干人能同时参与同一个虚拟环境，即协同工作的VR。这些人既可能在同一个地方，也可能在世界上各个不同的地方，彼此间只通过远距离网络联系在一起。前面所述的那些VR技术虽然可以使动态的虚拟环境栩栩如生，但它们都无法解决资源共享的问题，应用DVR系统就可以满足这类需求。分布式VR系统最重要的特性是它们对于多用户协作模拟的协调适应能力，即操作系统必须能在不同计算机上处理不相似的虚拟世界，因此分布式VR系统需要使用专用的操作系统——分布式操作系统。另外，DVR系统在设计和实现时，还必须考虑很多网络通信因素，如网络带宽、分布机制、网络延迟以及通信可靠性等。分布式虚拟现实技术在产品异地设计、远程医疗、大规模军事训练、多用户游戏等方面具有广泛的应用前景。4．分布式VR系统（DistributedVR，DVR）杰弗里.肖是一位著名的澳大利亚交互艺术家，后来移居德国，任德国ZMK影像研究所主任。《易懂的城市》1989年曼哈顿城市的信息被转换成一些数据，观众通过自行车的车把和脚踏板来控制自己在虚拟世界的方向和速度，漫游虚拟的曼哈顿。此后，又制作了荷兰的阿姆斯特丹和德国的卡尔斯鲁厄两个城市的虚拟漫游版本。杰弗里.肖是一位著名的澳大利亚交互艺术家，后来移居德国，任德《洞穴》1998世界上独一无二的利用木头人作为界面与虚拟世界进行交互的装置艺术作品。在一个洞窟状的环境中，当你拿起木头人的时候，它即开始驱动计算机和投影系统将图像投向周围的墙壁，你可以打开木头人的眼睛，高举它的手臂、摆动大腿等，随意利用它来控制影像世界，投在六个方向的屏幕上的图像随着木头人的动作而发生千变万化的组合，营造了一个具有高度沉浸感的影像世界。《洞穴》1998世界上独一无二的利用木头人作为界面与虚拟世界《鲁尔》2000提供了一个体验此地区被毁坏的煤矿、建筑、矿渣场等场景的虚拟空间。一个在甲烷爆炸中丧生的94名矿工的公墓、一个世界上最大的炼焦厂等。虚拟空间中的这些历史痕迹，留给人们深刻的印象，让人们在这些虚拟的煤矿和废墟中漫游，认识到世界上许多美好的地方正在因工业化发展而遭到破坏。《鲁尔》2000提供了一个体验此地区被毁坏的煤矿、建筑、矿渣《超越曼扎纳尔》2000加州的曼扎纳尔是第二次世界大战中收容日裔美国人的集中营，荒凉却非常美丽。日裔美国艺术家塔米克.蒂尔和伊朗作家、舞台美术家扎拉.胡什曼德合作利用二战中的真实照片和3D技术再现了第二次世界大战时曼扎纳尔集中营的情景，按照真实历史资料复原的真人大小图像被投影在屏幕上，观众可以利用操作杆在梦幻的空间中移动。《超越曼扎纳尔》2000加州的曼扎纳尔是第二次世界大战中收容EVE：瓦尔基里平台：OculusRift，ProjectMorpheus作为最万众瞩目的VR游戏，《EVE：瓦尔基里》将成为一款缩小PC玩家和VR玩家差距的游戏。《EVE：瓦尔基里》能在更多的设备上运行，甚至还将登陆PS4，为游戏机玩家提供恢宏的宇宙体验。可能促进VR的普及，同时游戏分别登陆两款VR头显时，还将促进头显改进。EVE：瓦尔基里平台：OculusRift，Project《罗宾逊：旅程它采用有名的顶级游戏引擎CryEngine，把玩家送到一个布满恐龙和充满奇妙景象的遥远大陆。《罗宾逊：旅程它采用有名的顶级游戏引擎CryEngine，把《厨房》Kitchen平台：ProjectMorpheus《厨房》是一款由Capcom开发的VR游戏，并在E3大会上演示。体验过《厨房》的玩家都称这是他们体验过的最恐怖的游戏之一。《厨房》Kitchen平台：ProjectMorphHoloLens版《我的世界》(Minecraft)平台：微软HoloLens以一种全新的方式来体验这款备受欢迎的沙盒游戏。从技术上看，HoloLens是一款增强现实设备，就是说它会把电脑生成的画面叠加于真实世界中。HoloLens版《我的世界》(Minecraft)平台时间机器(TimeMachine)平台：OculusRift《时间机器》是由开发《贫民区冒险记》(Papo&Yo)的MinorityMedia打造的一款新游戏。从《贫民区冒险记》中一个孩子为躲避嗜酒父亲进入自己幻想世界的奇幻故事，到《时间机器》中穿越时间，探索水下恐龙的奇妙经历，Minority再次为大家带来惊喜。《时间机器》结合了《口袋妖怪快照》(PokemeonSnap)和《侏罗纪公园》(JurassicPark)的游戏特点，成为另一款适配OculusRift的特别VR游戏。在游戏中，你将乘坐时光机回到过去，扫描史前海底的各种生物。但当你看到这些海底生物时，不能伤害它们，如果它们受到了任何伤害，会立即引起巨大的动荡。对一些转瞬即逝的时光，你能够减慢时间的流逝，但你必须足够接近这些致命的生物，对它们进行扫描以便获取更多的信息，然后将信息传回到今天。游戏中，被传回来的信息将提供给游客，让他们更加了解过去已灭绝的那些怪兽。时间机器(TimeMachine)平台：OculusRi深海(TheDeep)平台：ProjectMorpheus它在众多VR游戏中脱颖而出——一条大鲨鱼。索尼位于伦敦的游戏开发工作室意识到，现在并没有很多游戏中出现大鲨鱼，把海洋中最大掠夺者放进游戏，并用ProjectMorpheus体验最紧张刺激的场景。深海(TheDeep)平台：ProjectMorphe鬼影实录(ParanormalActivity)《重返恐龙岛》无处可逃(EdgeofNowhere)鬼影实录(ParanormalActivity)《重返恐龙虚拟现实（VR）虚拟现实（VR）1961年，美国科学家海里戈提出了构建虚拟布鲁克林城的构想，他希望观众可以通过他设计的系统体验漫步在布鲁克林城市街道上的感受。是最早看到虚拟现实技术前景的人。一、虚拟现实技术的产生与发展1961年，美国科学家海里戈提出了构建虚拟布鲁克林城的构想，虚拟现实的概念来自萨瑟兰的“终极显示”。1965年，萨瑟兰在一篇论文中提出了“终极显示”的概念：认为可以把计算机显示器作为通往虚拟世界的窗口。对于这个概念，他是这样描述的：“通过这个窗口，人们可以看到一个虚拟的世界，富有挑战性的工作是怎样使那个虚拟世界看起来更加真实，在其中行动真实，听起来真实，感觉就像真实世界一样。”萨瑟兰的设想是计算机构建一个虚拟的物理世界，观众可以与其进行交互。虚拟现实的概念来自萨瑟兰的“终极显示”。后来到哈佛大学继续进行虚拟显示技术研究。1966年，他和他的学生鲍勃.斯普劳尔为波奇公司开发了世界上第一台数据头盔显示器。在这中双目并用的头盔上，图片被直接安装在眼睛前面的显示器上，当观众从这个头盔显示器中看到从楼顶上拍摄的地面照片时，显示了恐惧和惊慌。这个实验证明了仅利用双眼就可以实现沉浸的效应。不久，萨瑟兰用计算机图像取代了照片，虽然只是一个虚构的虚拟空间，但它的效果已远远地超过了照片。后来到哈佛大学继续进行虚拟显示技术研究。1966年，他和他的20世纪80年代以后，虚拟显示技术得到了长足的发展，加州大学伯克利分校的麦克.利威在萨瑟兰创造的3D虚拟空间的基础上继续创新，利用精巧的液晶显示器取代了笨重的阴极射线管显示器，同时它还发明了精确的头部定位装置。20世纪80年代以后，虚拟显示技术得到了长足的发展，加州大学更加重要的发明出现在1984年，美国国家航空航天局艾米斯研究中心的科学家们利用晶体管集成电路系统设计了可携带的小型立体眼镜，“艾米斯虚拟工作站”计划将这一新发明的立体眼镜连接在高性能的计算机上，这样观众就可以通过它进入虚拟世界。更加重要的发明出现在1984年，美国国家航空航天局艾米斯研究同时，斯坦福医学院的学生汤姆.奇摩尔曼发明了一种可以精确跟踪并反馈手部动作的“数据手套”，他在手套的关节处放上了小型的感应器，当移动手指时，计算机便可以获取手指动作的信息。和数据头盔相比，数据手套显示了较高的准确性和灵活性。同时，斯坦福医学院的学生汤姆.奇摩尔曼发明了一种可以精确跟踪20世纪80年代，美国VPL公司创建人亚伦.拉尼尔提出。虚拟现实技术通常是指利用计算机建模技术、空间、声音、视觉跟踪技术等综合技术生成的集视、听、触觉为一体的交互式虚拟环境。在这样的虚拟空间中，参与者可借助数据头盔显示器、数据手套、数据衣等设备与计算机进行交互，得到和真实世界极其相近的体验。20世纪80年代，美国VPL公司创建人亚伦.拉尼尔提出。（1）虚拟世界生成设备虚拟世界生成设备无疑可以是一台或多台高性能计算机。通常又可分为基于高性能个人计算机、基于高性能图形工作站和基于分布式异构计算机的虚拟现实系统三大类。后两类用于沉浸式虚拟现实系统，而基于PC机的虚拟现实系统通常为非沉浸式系统。虚拟现实所用的计算机是带有图形加速器和多条图形输出流水线的所谓高性能图形计算机。这是因为三维高真实感场景的生成与显示在虚拟现实系统中具有头等重要的地位。二、虚拟现实系统的构成（1）虚拟世界生成设备二、虚拟现实系统的构成虚拟世界生成设备的主要功能包括：①

视觉通道信号生成与显示——三维高真实感图形建模与实时绘制。②

听觉通道信号生成与显示——三维真实感声音生成与播放。所谓三维真实感声音是具有动态方位感、距离感和三维空间效应的声音。③

触觉与力觉通信信号与显示——皮肤感知的触摸，温度、压力、纹理信号以及肌肉、失节、腱等感知的力信号的建模与反馈。④

支持实时人机交互操作的功能——三维空间定位、碰撞检测、语音识别以及人机实时对话功能。虚拟世界生成设备的主要功能包括：（2）感知设备

感知设备是指将虚拟世界各类感知模型转变为人能接受的多通道刺激信号的设备。感知包括视、听、触（力）、嗅、味觉等多种通道。然而，成熟和相对成熟的感知信息产生和检测的技术，仅有视觉、听觉和力觉三种通道。①

视觉感知设备——立体宽视场图形显示器。立体宽视场图形显示器可分为沉浸式和非沉浸式两大类。②

听觉感知设备——三维真实感声音的播放设备。常用的有耳机式、双扬声器组和多扬声器组三种。通常由专用声卡将单通道声源信号处理成具有双耳效应的真实感声音。③

触觉（力觉）感知设备——触觉（力觉）反馈装置。触觉和力觉实际是两种不同的感知。触觉包含的感知内容更丰富一些，例如应包含一般的接触感（类似于“摸到了一个面”的感觉），进一步应包含感知材料的质感（布料、海绵、橡胶、木材、金属、石料等等），纹理感（平滑、粗糙程度等）以及温度感等。力觉感知设备要求能反馈力的大小和方向，与触觉反馈装置相比，力反馈装置相对较成熟一些。（2）感知设备（3）跟踪设备跟踪设备是跟踪并检测位置和方位的装置，用于虚拟现实系统中基于自然方式的人机交互操作。目前，先进的跟踪定位系统可用于动态记录人体运动。

最常用的跟踪设备有基于机械臂原理、磁传感器原理、超声传感器原理和光传感器原理四种。

除机械臂式定位跟踪器以外，其它三种跟踪器都由一个（或多个）信号发射器以及数个接收器组成，发射器安装在虚拟现实系统中某个固定位置，接收器安装在被跟踪的部位。如安装在头部，通常用来跟踪视线方向；如安装在手部，通常用来跟踪交互设备数据手套的位置及其朝向；如果将多个接收器安装在贴身衣服的各个关节部位上，则实时记录人体各个活动关节的位置，经过软件处理可实时跟踪显示人的动作。（3）跟踪设备（4）人机交互设备应用手势、体势、眼神以及自然语言的人机交互设备，常见的有数据手套、数据衣服（带传感器的衣服）、眼球跟踪器以及语音综合和识别装置。（4）人机交互设备三、虚拟现实系统的硬件和软件1．虚拟现实系统的硬件

虚拟现实系统的硬件包括虚拟现实发生器以及输入输出设备。（1）虚拟现实发生器

虚拟现实发生器用来处理和产生虚拟境界，是任何虚拟系统的核心。它一般由计算机加图形生成器或加速卡组成。计算机可以是个人计算机、工作站或者小型计算机。虚拟现实系统中的计算机主要完成三项任务：数据处理、数据输出、虚拟境界的管理和生成。系统中的计算机必须具有足够高的处理能力，以确保参与者与虚拟境界的交互能实时进行。三、虚拟现实系统的硬件和软件1．虚拟现实系统的硬件（2）虚拟现实输入设备有两类跟踪系统，分别是有源跟踪系统和无源系统。有源跟踪系统使用两路信号处理输入数据，这种系统通过发射器和传感器跟踪参与者的位置和取向。无源跟踪系统使用一路信号处理输入数据，只有一个传感器用来跟踪位置和方向。（3）虚拟现实输出设备虚拟现实系统的输出设备用于将电子信号转变成各种人体感宫可以感觉到的刺激。常用的虚拟现实系统输出设备有头戴式显示器和声音发生器。（2）虚拟现实输入设备2．虚拟现实系统的软件虚拟现实系统的软件用来进行境界构造，包括建模和绘制对象，给这些对象指定行为，提供交互性和编程。虚拟现实软件可分为工具包和创作工具。工具包即程序库，一般用C或C＋＋等编制，利用它所提供的函数集合，熟练的程序员可以生成具体的虚拟现实系统应用。VRML就是这样一个程序库。创作工具是带有图形用户界面的完整软件，通过创作工具只需简单编程就可生成虚拟境界。程序库一般比创作工具更灵活，绘制速度更快，但需要丰富的编程经验。由于软件的方法对硬件的依赖性不高，相对来说容易实现，而且其适用的范围很广，因此目前发展很快，很多公司纷纷推出软件开发包，以及其它一些工具。2．虚拟现实系统的软件 VRP软件简介

VRP是一款由中视典数字科技有限公司独立开发的具有完全自主知识产权的直接面向三维美工的一款虚拟现实软件，是目前中国虚拟现实领域，市场占有率最高的一款虚拟现实软件。VRP适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、所见即所得。VRP所有的操作都是以美工可以理解的方式进行，不需要程序员参与。 VRP软件简介VRP适用性强、操作简单、功能强大、高度1．菜单栏2．工具栏3．Flash窗口4．功能分类面板5．主功能区面板6．视图区7．属性面板8．信息栏9．状态栏1．菜单栏2．工具栏3．Flash窗口4．功能（1）用户首先激活头盔，手套和话筒等输

入设备，为计算机提供输入信号；（2）VR软件收到由跟踪器和传感器送来

的输入信号加以处理；（3）对虚拟环境数据库做必要的更新，调整当前的虚拟环境场景，并将这一新视点下的三维视觉图像以及其他（如声音、触觉、力反馈等）信息立即传送给相应的输出设备（头盔显示器、耳机、数据手套等），以便用户及时获得感官上的虚拟效果，这一过程必须每秒钟发生多次才能使用户感受到实时连续的效果。

典型的VR系统结构四、用户与虚拟世界交互的过程（1）用户首先激活头盔，手套和话筒等输典型的VR系统结构四、

进入20世纪90年代后，基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能，人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地涌入市场，这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。进入20世纪90年代后，基于大型数据集合的声音和图像五、虚拟现实技术的应用自然、文化遗产的保护和弘扬虚拟人机工程学军事与航天制造工业教育与训练医学领域商业领域影视娱乐规划与设计五、虚拟现实技术的应用自然、文化遗产的保护和弘扬教育与训练十六讲虚拟现实六、虚拟现实技术的特征

沉浸性

VR技术最主要的技术特征是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由观察者变成参与者，沉浸其中并参与虚拟世界的活动。

交互性

交互性（Interactivity）的产生，主要借助于VR系统中的特殊硬件设备（如数据手套、力反馈装置等），使用户能通过自然的方式，产生同在真实世界中一样的感觉。

想像性

想像性（Imagination）指虚拟的环境是人想像出来的，同时这种想像体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。六、虚拟现实技术的特征 沉浸性 交互性 想像性七、虚拟现实系统的关键技术（1）动态环境建模技术

虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。七、虚拟现实系统的关键技术（1）动态环境建模技术（2）实时三维图形生成技术三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧／秒，最好是高于30帧／秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，提高刷新频率。这里，图形生成的硬件体系结构以及在虚拟现实的真实感图形生成中用于加速的各种有效技术是关键所在。（2）实时三维图形生成技术（3）立体显示和传感器技术虚拟现实依赖于立体显示和传感器技术的发展，立体显示技术涉及到人眼的生理原理以及在计算机上如何产生深度线索的技术。现有的硬件系统如头盔显示器、单目镜及可移动视觉显示器有待进一步研究，光学显示还存在许多局限性；传感器技术中需解决设备的可靠性、可重复性、精确性及安全性等问题，各种类型传感器的性能急需提高。（3）立体显示和传感器技术（4）应用系统开发工具虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。（5）系统集成技术由子虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等。（4）应用系统开发工具（5）系统集成技术八、虚拟现实作品据构成虚拟现实系统的技术设备以及带给观众的不同体验，可以将虚拟现实的艺术作品分为桌面级、沉浸级、增强现实级和分布式四个层次。结合艺术家的作品，不同层次的虚拟显示系统可分为：桌面式虚拟现实；沉浸式虚拟现实；增强现实式虚拟显示；分布式虚拟现实。八、虚拟现实作品据构成虚拟现实系统的技术设备以及带给观众的不1．桌面式VR系统（DesktopVR）

桌面式VR系统仅使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互场景。它把计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的一个窗口，参与者需要使用手拿输入设备或位置跟踪器来驾驭虚拟环境和操纵虚拟场景中的各种物体。在桌面VR系统中，参与者虽然坐在监视器前面，但可以通过计算机屏幕观察360°范围内的虚拟环境；可以通过交互操作，使虚拟环境的物体平移和旋转，以便从各个方向观看物体，也可以利用“throughwalk”进入功能在虚拟环境中浏览。但参与者并没有完全沉浸，他仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面VR系统虽然缺乏完全的沉浸感，但它仍然比较普及，这主要是出于其成本相对来说较低。在桌面VR系统中，用户借助三维眼镜或安装在计算机屏幕上方的立体观察器、液晶显示光学眼镜等一些廉价的设备，就可以产生一种三维空间的幻觉来增加沉浸的感觉；而它采用的标准CRT显示器和立体图像显示技术，又使得系统分辨率较高，价格也比较便宜；另外，声卡和内部信号处理电路也可以通过廉价的硬件产生真实性很强的声音效果。桌面VR系统通常用于工程CAD、建筑设计、培训、教育及某些医疗应用。1．桌面式VR系统（DesktopVR）2．沉浸式VR系统（ImmersiveVR）

沉浸式VR系统利用头盔显示器和数据手套等各种交互设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为VR系统内部的一个参与者，并能利用这些交互设备操作和驾驭虚拟环境，产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉，一般用于娱乐、或验证某一猜想假设、训练、模拟、预演、检验、体验等。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统等。与桌面式VR系统相比，沉浸式VR系统的主要特点在于：（1）具有高度的实时性能。（2）具有高度的沉浸感。（3）能支持多种I/O交互设备并行。2．沉浸式VR系统（ImmersiveVR）3．增强式VR系统

增强式VR系统允许用户对现实世界进行观察的同时，通过穿透型头戴式显示器将计算机虚拟图像叠加在现实世界之上，为操作员提供与他所看到的现实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强操作员对真实环境的感受因此又被称为补充现实系统。与其他各类VR系统相比，补充现实式的虚拟现实不仅是利用VR技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。人们可以按日常的工作方式对周围的物体进行操作或研究，但同时又可以从计算机生成的环境中得到同步的、有关活动的指导信息。目前，这样的工作方式已经有了一些实验性的例子，如计算机指导的复印机修理；在菱形空间框架中安装铝构件；电线束在安装到飞机上之前的捆绑等。其中一个典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它能将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。它的工作原理是：在这种头戴式显示器中，光源产生的图像被光学系统引导到组合器，组合器是一种专用屏幕，它对于从真实环境进来的光线呈现透明特性，但对准它的光线却被头戴式显示器的光学系统反射掉，这样就使得操作员可以清晰地看到计算机图形与其即时环境重合在—起的现实效果。3．增强式VR系统4．分布式VR系统（DistributedVR，DVR）

分布式VR系统是指基于网络的虚拟环境。它在沉浸式VR系统的基础上，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接，并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。VR系统之所以运行在分布式环境，一方面是它可以充分利用分布式计算机系统提供的强大计算能力，另一方面是因为有些应用本身具有分布特性。例如，许多VR应用要求若干人能同时参与同一个虚拟环境，即协同工作的VR。这些人既可能在同一个地方，也可能在世界上各个不同的地方，彼此间只通过远距离网络联系在一起。前面所述的那些VR技术虽然可以使动态的虚拟环境栩栩如生，但它们都无法解决资源共享的问题，应用DVR系统就可以满足这类需求。分布式VR系统最重要的特性是它们对于多用户协作模拟的协调适应能力，即操作系统必须能在不同计算机上处理不相似的虚拟世界，因此分布式VR系统需要使用专用的操作系统——分布式操作系统。另外，DVR系统在设计和实现时，还必须考虑很多网络通信因素，如网络带宽、分布机制、网络延迟以及通信可靠性等。分布式虚拟现实技术在产品异地设计、远程医疗、大规模军事训练、多用户游戏等方面具有广泛的应用前景。4．分布式VR系统（DistributedVR，DVR）杰弗里.肖是一位著名的澳大利亚交互艺术家，后来移居德国，任德国ZMK影像研究所主任。《易懂的城市》1989年曼哈顿城市的信息被转换成一些数据，观众通过自行车的车把和脚踏板来控制自己在虚拟世界的方向和速度，漫游虚拟的曼哈顿。此后，又制作了荷兰的阿姆斯特丹和德国的卡尔斯鲁厄两个城市的虚拟漫游版本。杰