农业信息化导论第6章课件

农业信息技术第六章虚拟现实技术及在农业中的应用王玉洁农业信息技术第六章虚拟现实技术及在农业中的应用第一节虚拟现实技术概念第二节虚拟现实系统第三节虚拟现实技术的相关软件第四节虚拟现实技术在农业中的应用第一节虚拟现实技术概念第一节虚拟现实技术概念传统的信息处理环境一直是“人适应计算机”，而当今的目标或理念是“以人为本”，要逐步使“计算机适应人”，人们要求通过视觉、听觉、触觉、嗅觉，以及形体、手势或口令，参与到信息处理的环境中去，从而取得身临其境的体验。这种信息处理系统已不再是建立在单维的数字化空间上，而是建立在一个多维的信息空间中。虚拟现实技术就是支撑这个多维信息空间的关键技术。第一节虚拟现实技术概念传统的信息处理环境一直是“人适应计算机一、虚拟现实虚拟现实技术(VirtualReality，简称VR)，又称虚拟实境或灵境技术。VR思想的起源可追溯到1965年IvanSutherland在IFIP会议上的《终极的显示》报告，而VirtualReality一词是80年代初美国VPL公司的创建人之一JaronLanier提出来的。此后，VR系统成功应用在若干领域，促使它在90年代快速兴起。虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，在虚拟现实系统中集中体现了多个领域的最新成果。不仅包括图形学、图像处理、传感技术、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信，并且与气象、地理、美学、心理学和社会学等相关。一、虚拟现实虚拟现实技术(VirtualReality，简1、虚拟现实的定义对虚拟现实目前还没有一个固定的定义。Webster’sNewUniversalUnabridgedDictionary（1998）对Virtual（虚拟）的定义是“beinginessenceoreffect,butnotinfact.”（在本质上或效果上存在，但在事实上却不存在）。虚拟现实技术的定义可以归纳如下：虚拟现实技术VR是指利用计算机生成的一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术；VR技术可以让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作，同时提供视、听、触摸等多种直观而又自然的实时感知。虚拟现实包括了人、机、环境等三个部分。1、虚拟现实的定义对虚拟现实目前还没有一个固定的定义。Web（1）“环境”，就是由计算机生成的一个能给人提供视觉、听觉、触觉、嗅觉以及味觉等感官刺激的逼真世界，可以是某一特定现实世界的真实实现，也可以是虚拟构想的世界。（2）“机”，是指计算机系统与三维交互设备，常用的有立体头盔、数据手套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置，此外还有设置于现实环境中的传感装置，如摄像机、各种传感器等。（3）“人”，是指参与者的头部转动、眼睛、手势或其它人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，对用户的手势、口头命令等输入做出实时响应，并分别反馈给用户，使用户有身临其境的感觉，成为该模拟环境中的参与者，还可以和在该环境中的其他参与者打交道。（1）“环境”，就是由计算机生成的一个能给人提供视觉、听觉、2、虚拟现实技术的基本特性

美国科学家BurdeaG.和PhilippeCoiffet曾在1993年世界电子年会上发表的“VirtualRealitySystemandApplications”一文中，提出一个“虚拟现实技术的三角形”，它明确地表示了虚拟现实技术具有的3个突出的特征：交互性（Interactivity）、沉浸感（Immersion）构想性（Imagination）也就是人们熟悉的“3I”特性。虚拟现实的本质是人与计算机之间或人与人借助计算机进行交流的一种方式，这种方式具有相当逼真的三维虚拟世界，即具有三维交互接口。2、虚拟现实技术的基本特性美国科学家BurdeaG.和P（1）交互性（Interaction）是指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度（包括实时性）。这种交互性的产生，主要借助于各种专用的三维交互设备（如头盔显示器、数据手套、力反馈装置等），使人类通过自然的方式，产生如同在真实世界中一样的感觉。例如用户转动头部时，虚拟环境中的景物就会随用户的视角的变动而变动，用户可以用手去直接抓取模拟环境中的物体，且有抓取东西的感觉，甚至还可以感觉到物体的重量，视场中被抓起的物体也应随着用户手的移动而移动。（1）交互性（Interaction）是指参与者对虚拟环境内（2）沉浸性（Immersion）又称临场感或存在感，是指用户感觉到好像完全置身于虚拟世界之中一样，被虚拟世界所包围，使用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。是虚拟现实技术最主要的技术特征。导致沉浸感的原因是用户对计算机环境的虚拟物体产生了类似于对现实物体的存在意识或幻觉。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假，如实现比现实更逼真的照明和音响效果；如天文学专业的学生可以在虚拟星系中邀游，英语专业的学生可以在虚拟剧院观看莎士比亚戏剧。用户觉得自己是虚拟环境中的一个部分，而不是旁观者，感到被虚拟景物所包围，可以在这一环境中自由走动，与物体相互作用，如同在现实世界中一样。（2）沉浸性（Immersion）又称临场感或存在感，是指用（3）构想性（Imagination）是指虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。构想性是指设计开发者的想象力。由于虚拟现实技术的应用领域很广。能解决在工程、医学、军事、娱乐等方面的问题，这些应用极大地依赖于人类的想象力，去模拟现实世界，甚至创造一个全新的虚拟世界。（4）多感知性(Multi-Sensory)是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。虚拟现实旨在提供多维感觉通道和类似现实的全面的信息，让参与者在虚拟环境中获得多种感知，从而达到身临其境的感受。（3）构想性（Imagination）是指虚拟的环境是人想象虚拟现实技术的特点就在于计算机能通过图形构成三维空间，或者把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感受。这些环境可以是真实的，也可以是想象的世界模型，其目的是通过人工合成的经历来表示信息。有了虚拟现实技术，过去一些难以解释并理解的复杂或抽象系统的概念，可以通过将系统的各子部件，以某种方式表示成具有确切含义的符号，使其形象化，易于被人们所理解接受。从本质上讲，虚拟现实技术是对现实世界的再现和梦境的实现；从技术角度讲，它是软件、硬件领域的前沿技术综合应用和面向对象的综合技术开发。虚拟现实技术的特点就在于计算机能通过图形构成三维空间，或者把用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人类除了亲身经历，就只能间接了解环境的模式，从而有效的扩展了自己的认知手段和领域。另外，虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具，它以视觉形式产生一个适于人类认知方式的多维信息空间，为我们创建和体验虚拟世界提供了有力的支持。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其用在需要对大量抽象数据进行处理方面；同时，它在许多不同领域的应用，带来了巨大的经济效益。用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人类除了3、虚拟现实系统的分类虚拟现实系统根据其原理和规模不同,可分为如下几类:桌面式VR系统，沉浸式VR系统，叠加式VR系统，分布式VR系统。（1）桌面式VR系统桌面式VR系统（DesktopVR）以微型计算机为核心，对硬件要求不高,使用者通过屏幕、键盘和鼠标便可与虚拟环境进行交互。该系统适用于一些实验过程简单、展示性强、交互性较少的实验演示。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，来驾驭该虚拟环境和操纵虚拟场景中的各个物体。3、虚拟现实系统的分类虚拟现实系统根据其原理和规模不同,可分（2）沉浸式VR系统沉浸式VR系统（ImmersiveVR）利用头盔显示器、数据手套等各种设备把用户的视觉、听觉、和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为VR系统内部的一个参考者，并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。它是一种沉浸度较高、较复杂的系统。使用者必须利用传感跟踪装置，才能与虚拟世界进行交互。（3）叠加式VR系统叠加式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，从而增加操作员对真实环境的感受，因此又被称为补充显示系统。它是一种可供多人同时参与的大型VR系统。它可以利用网络，将不同用户联结起来，共享一个虚拟空间，使多个用户通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协同工作的目的。（2）沉浸式VR系统（4）分布式VR系统分布式VR系统（DistributedVR，DVR）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。目前，其主要应用于虚拟医学会诊、远程虚拟会议、虚拟战争等领域。（4）分布式VR系统4、VR的关键技术

（1）动态环境建模技术。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。。有效地获取模型数据。实物虚化的基本原理是采用摄像或扫描的手段而不是传统的建模手段来创建虚拟环境中的事件和对象。如果说传统的几何建模技术是一个"虚物实化"的过程，那么虚拟化现实就是将现实世界中的事件和对象转换成虚拟世界里的事件和对象，是一个"实物虚化"的过程。综合运用"虚物实化"和"实物虚化"，就可以使虚拟环境中既有计算机创造出来的虚拟实体，又有真实世界中的景物。

4、VR的关键技术（1）动态环境建模技术。动态环境建模技术（2）立体声合成和立体显示技术。在虚拟现实系统中，如何消除声音的方向与用户头部运动的相关性已成为声学专家们研究的热点。同时，虽然三维图形生成和立体图形生成技术已经较为成熟，但复杂场景的实时显示一直是计算机图形学的重要研究内容。（3）传感器技术。虚拟现实的交互能力依赖于传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高。（2）立体声合成和立体显示技术。在虚拟现实系统中，如何消除声（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。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。（5）系统集成技术。由于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、识别和合成技术等等。（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5、虚拟现实技术的研究意义

（1）人-机界面具有三维立体感，使得环境的效果更加逼真，画面更加友好。（2）继承了现有计算机仿真技术的优点，具有高度的灵活性。（3）突破环境限制。运用计算机技术人为的制造出虚拟的环境，不论是真实的，还是想象的。许多不存在的世界变得似乎不再遥远，可以为我们所掌握了，人类可以影响操纵的空间也似乎增大了许多。这种情况目前在三维游戏中比较常见。5、虚拟现实技术的研究意义（1）人-机界面具有三维立体感，（4）节省研究经费。对于某种不可知的研究设计，运用虚拟技术模拟出该设计，在一种虚拟的环境下研究设计可行性，再付之于真实的行动，使得研究可能按照更加良性的的方向发展下去，研究本身也大大避免了浪费的可能性。比如汽车碰撞保护的研究，若是可以大量应用虚拟技术实现测试，一定比一辆一辆的撞毁汽车更加节省研究经费。（5）模拟高危险性工作，降低人身伤害的机会。（4）节省研究经费。对于某种不可知的研究设计，运用虚拟技术模二、虚拟现实技术的发展史

VR技术的发展大致可分为三个阶段：20世纪50年代至70年代，是VR技术的准备阶段；80年代初至80年代中期，是VR技术系统化、开始走出实验室进入实际应用的阶段；80年代末至今，是VR技术迅猛发展的阶段。第一阶段，50～70年代，为虚拟现实的探索阶段。1965年由美国的MortonHeileg开发了一个称做Sensorama的摩托车仿真器，不仅具有三维视频及立体声效果，还能产生风吹的感觉和街道气味。1968年，美国计算机科学家IvanSutherland在哈佛大学组织开发了第一个计算机图形驱动的“达摩克里斯之剑”头盔显示器（HMD，HeadMountedDisplay）及头部位置跟踪系统，成为VR技术发展史上的一个重要里程碑，为虚拟现实的发展奠定了基础。二、虚拟现实技术的发展史VR技术的发展大致可分为三个阶段：第二阶段，80年代初至80年代中期，开始形成VR技术的基本概念，开始由实验进入实用阶段。1982年，ThomasFurnessIII展示了带有6个自由度跟踪定位的头盔显示器（HMD），从而使用户完全脱离的周围环境。1985年，ScottFisher在NASA继续三维立体HMD工程的发展，创建了由操作者位置、声音和手势控制，带有广角立体显示的头盔式显示系统。1988年，NASA与美国国防部共同支持研制了一个虚拟界面环境工作站VIEW(VirtualInterfaceEnvironmentWorkstation)，该工作站由一台HP-9000计算机、一副数据手套、一个液晶头盔显示器和一套语音识别系统构成，用户可以从中看到立体图像、听到三维声、可发出口头命令、可伸手捉取由计算机生成的虚拟物体，这是世界上第一套虚拟现实系统。其他如VPL公司开发了用于生成虚拟现实的RB2软件和DataGlove数据手套，为虚拟现实提供了开发工具。第二阶段，80年代初至80年代中期，开始形成VR技术的基本概第三阶段，80年代末至今，为虚拟现实全面发展阶段。虚拟现实技术已经从实验室的试验阶段走向了市场的实用阶段，对虚拟现实技术的研究也从基本理论和系统构成的研究转向应用过程中所遇到的具体问题的探讨。虚拟现实技术及其产品得到飞速发展，并形成了产业。虚拟现实新的成果，主要有：使用基于图像的绘制技术，以提高图形生成的速度；各种新的交互设备，如双手输入技术，三维反馈设备；增强现实，也成混合现实，它是将真实环境和虚拟现实的景象结合起来的一种技术，既可以减少生成复杂环境的开销，又便于对实际物体的操作；(4）分布式虚拟现实环境，在因特网环境下，充分利用各地资源的优势，协同开发虚拟现实的应用等；(5)多通道人机交互技术，即采用人体多种自然交互手段向系统输入，如手势、语言、头部或身体动作等。第三阶段，80年代末至今，为虚拟现实全面发展阶段。虚拟现实技三、虚拟现实技术国内外研究现状

1、VR技术在美国的研究开发美国是虚拟现实技术的发源地，其VR技术的发展水平基本上代表了国际的发展水平，它是全球研究最早，研究范围最广的国家，其研究的内容涉及从新概念发展（如VR的概念模型）、单项关键技术（如触觉反馈）到VR系统的实现及应用等有关VR技术的各个方面。1966年,美国的MIT林肯实验室在海军科研办公室的资助下,研制出了第一个头盔式显示器（HMD）,随后又将模拟力和触觉的反馈装置加入到系统中。80年代初，美国的DARPA（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）为坦克编队作战训练开发了一个实用的虚拟战场系统SIMNET。SIMNET系统中的每个独立的模拟器都能单独模拟M1坦克的全部特性，包括导航、武器、传感和显示等性能，对坦克装置上的武器、传感器和发动机等的模拟是在特定的作战环境下进行的。三、虚拟现实技术国内外研究现状1、VR技术在美国的研究开发美国宇航局（NASA）的研究重点放在对空间站操纵的实时仿真上，大多数研究是在NASA的约翰逊空间中心完成的。NASA完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远镜的仿真。NASA的Ames实验室现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”（VPE）的试验计划，这一项目能使“虚拟探索者”（VirtualExplorer）利用虚拟环境来考察遥远的行星，他们的第一个目标是火星。现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。麻省理工学院（MIT）是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构。MIT原先就是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年MIT成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。这个媒体实验室建立了一个名叫BOLIO的测试环境，用于进行不同图形仿真技术的实验。利用这一环境，MIT建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。美国宇航局（NASA）的研究重点放在对空间站操纵的实时仿真上华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室（HITLab）在新概念的研究中起着领先作用，同时也在进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。HIT将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。例如，波音公司的V22运输机就是先在实验室中造出虚拟机后再投入生产的。Davesims等人研制出虚拟现实撤退模型来观看系统如何运作。此系统先假设在伦敦地铁中突然发生火灾，一些人向出口跑去，母亲们努力聚拢孩子们，而一些人却在询问起火的原因。在出口处，人群拥挤在门口，使劲地向前挤，但却不能前进一步。这时单击鼠标左键，加宽门口拉走门柱，许多人能迅速通过。人们得出结论：在突发事件中，保持平静和快速是非常重要的。现在在维加斯的虚拟购物商场中，每一个字符都指定为一个随意的数字发生器，当突然发生火灾时，发生器立即指示一个熟悉的出口，并且省去人们聚集家人或询问出口的麻烦。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室（HITLab2、VR技术在欧洲的研究开发

欧洲的VR技术研究主要由欧共体的计划支持，在英国、德国、瑞典、荷兰、西班牙等国家都积极进行了VR技术的开发与应用。如大西洋公约组织（NATO）计划将海战、空战仿真系统与SIMNET相联，把各个不同国家的兵力汇进SIMNET而成为一个虚拟战场等。BritishAerospace（英国航空公司Bae）的Brough分部正在利用VR技术设计高级战斗机座舱，BAe开发的大项目VECTA（VirtualEnvironmentConfigurableTrainingAid）是一个高级测试平台，用于研究VR技术以及考察用VR替代传统模拟器方法的潜力。2、VR技术在欧洲的研究开发欧洲的VR技术研究主要由欧共欧洲其他一些发达的欧洲国家如法国、德国、瑞典、西班牙等也积极进行了VR的开发与应用。如西班牙在SG上做的多用户VR项目——虚拟奥运会，以奥运体育竞技作为其研究重点,目的是开发用于如下两方面的VR环境：一是双人滑雪模拟器，二是以数字化虚拟方式制作1992年巴塞罗那奥运会足球赛的四人电影剧本。虚拟现实中的人—机交互效应主要由传感技术来完成。如将数据手套、手势等显示及时地输入到计算机中进行处理，达到在虚拟环境中人与虚拟物体的交互效果。欧洲其他一些发达的欧洲国家如法国、德国、瑞典、西班牙等也积极3、VR技术在亚洲的研究开发

日本是居于领先位置的国家之一，主要致力于建立大规模VR知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面，称为SPINAR（SpaceInterfaceDeviceforArtificialReality）的系统。NEC公司计算机和通信分部中的系统研究实验室开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使用“代用手”去处理三维CAD中的形体模型，该系统通过VPL公司的数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来。京都的先进电子通信研究所（ATR）系统研究实验室的开发者们正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入。该系统将提供一个更加自然的接口，而不需要操作者带上任何特殊的设备。东京大学的原岛研究室开展了3项研究：人类面都表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取。3、VR技术在亚洲的研究开发日本是居于领先位置的国家之一，富士通实验室有限公司正在研究的一个项目是虚拟生物与VR环境的相互作用。他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。筑波大学工程机械学院研究了一些力反馈显示方法。他们开发了九自由度的触觉输入器：开发了虚拟行走原型系统，步行者只要脚上穿上全方向的滑动装置，他就能交替迈动左脚和右脚。富士通实验室有限公司正在研究的一个项目是虚拟生物与VR环境的4、VR技术在我国的研究开发

我国对VR技术的研究起步于20世纪90年代初,国内的一些科研单位、大学等,对虚拟现实的研究取得了重要成果,在某些方面的研究已经接近国际先进水平。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。北京航空航天大学研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理，在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法，实现了分布式虚拟世界网络设计，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示世界，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台。清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究。西安交通大学、西北工业大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学、武汉大学、国防科技大学等院校和科研单位也进行了相应的研究和开发工作，也取得了不少科技成果，积极推动了虚拟现实本土化，使虚拟现实走向大众化和民用化。4、VR技术在我国的研究开发我国对VR技术的研究起步于20四、虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术目前在军事、航空、医学、机器人、农业、娱乐业的应用占据主流地位；其次是教育、艺术和商业方面；另外，在可视化计算、制造业等领域也有相当的比重，并且现在的应用也越来越广泛，其中应用增长最快的是制造业。因此，虚拟现实技术有着很广泛的应用领域，这一技术将是本世纪的研究热点。1、军事与航空航天虚拟现实技术在作战模拟领域得到广泛的应用，且多数涉及战场环境仿真。运用虚拟现实技术实现战场环境仿真，其目的就是构成多维的、可感知的、可度量的、逼真的虚拟战场环境，借此提高参训人员对战场环境的认知效率。主要用于仿真对抗、导调监控、装备操作、参谋作业训练等。四、虚拟现实技术的应用虚拟现实技术目前在军事、航空、医学、虚拟战场环境可以为计算机作战推演、半实兵演习、实兵演习提供与实际演习区域的仿真环境，也可以为特定的训练科目拟构出典型的训练环境（在现实中并不存在）。借助于虚拟战场环境，可以训练指挥员的指挥决策能力、参谋人员的业务能力、装备操作人员的操作能力。美军从1984年开始研制的基于网络的分布式坦克训练模拟系统SIMNET，就将美国本土及欧州的10个地区作战环境置于系统之内。到了90年，已使200辆装甲车辆可异地参加统一指挥的可交互的模拟演练。每个模拟器以美国的M1主战坦克为单位，提供作战区域内精确的地形起伏、植被、道路、建筑物、桥梁等信息。坦克手可以在模拟器中看到由计算机实时生成的战场环境以及其他战车图像。1991年，美国为海湾战役“东经73”计划的实施提供了一套供M1A1主战坦克使用的战场环境仿真系统，将伊拉克的沙漠环境用三幅大屏幕展现在参战者面前，进行身临其境的战场研究，为最终取胜打下了关键的基础。虚拟战场环境可以为计算机作战推演、半实兵演习、实兵演习提供与荷兰1992年完成的毒刺导弹训练器（VST）是虚拟现实技术用于单兵武器模拟设备的代表作，它在头盔内形成一个空间动态立体场景；随操作者的头部动作而相应改变场景，以训练操作者对付敌方飞行器的机动能力和瞄准能力，予先制备的VCD盘提供各种作战环境相应的音响效果。1997年，洛克希德.马丁Vought公司为美国海军航空兵训练系统项目办公室开发了一套实战演习系统TOPSCENE（战术操作实况）。这是一个综合运用军事测绘成果和虚拟现实技术的装备，被广泛应用于海军、海军陆战队、陆军和空军，已配备100多套。该系统运用SGI图形工作站（最高配置为ONYX2、4个R1000CPU）来处理图像数据，在高配置下，每秒能产生30帧详细、逼真的高分辨率战场图像。系统可以模拟各种地形要素、不同的气象条件，还可仿真带有夜视仪、红外显示器或合成孔径雷达显示效果的夜间战斗过程。荷兰1992年完成的毒刺导弹训练器（VST）是虚拟现实技术用2、科学可视化

现在，有许多数据或物质，如红外线、微波、雷达电磁场等在通道中流动的各种数据都不是可见的，利用虚拟现实技术，很容易将这些数据可视，这就为我们的研究带来很大方便。一个虚拟现实商店有这样一些优点：它非常接近于现实世界的商店经验，因而更容易让购买者熟悉。支持顾客天然的购物行为，例如步行、在商店里东张西望；能给顾客带来满足的情绪，通过更多的互动和让商品在视觉上更吸引人。这种虚拟现实商店通过允许人们与其他顾客或者销售员互相相遇并互动，满足顾客的社会需求。2、科学可视化现在，有许多数据或物质，如红外线、微波、雷达3、教育与培训

在学校教育中，特别是理工科类课程的教学中，虚拟现实技术应用较多。它不仅适用于课堂教学，使之更形象生动，也适用于互动性实验中，即虚拟演示教学与实验。还有远程教育系统、特殊教育、技能培训等方面也运用了虚拟现实技术。（1）在远程教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。（2）避免真实实验或操作所带来的各种危险。以往对于危险的或对人体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方式来取代实验，学生无法直接参与实验，获得感性认识。利用虚拟现实技术进行虚拟实验．则可以免除这种顾虑。3、教育与培训在学校教育中，特别是理工科类课程的教学中，虚（3）彻底打破空间、时间的限制。利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。重构事物原型，夸张表现世界，提供直观体验。（4）可以虚拟人物形象。虚拟现实系统可以虚拟历史人物、伟人、名人、教师、学生、医生等各种人物形象，创设一个人性化的学习环境，使远程教育的学生能够在自然、亲切的气氛中进行学习。例如，在虚拟的课堂学习气氛中，远程教育的学生可以与虚拟的教师、学生一起交流、讨论，共同探讨学习中的各种问题，进行协作化学习。再如，在思想品德课教学中，学生可以与虚拟的先进人物如雷锋、孔繁森同志一起座谈、交流，通过先进人物的言行来感化学生，从而达到思想品德教育的目的。再如，在外语教学中，可以通过计算机虚拟学生到国外旅游的情境，让学生与人交谈，达到训练学生口语的目的。（3）彻底打破空间、时间的限制。利用虚拟现实技术，可以彻底打（5）实践技能训练。虚拟现实在教育学习中的另一个应用是，使抽象的概念、理论直观化、形象化，方便学生对抽象概念的理解。例如，学习加速度概念时，通过虚拟演示，让学生观察当改变物体的重力大小及方向时，加速度的变化情况，使学生加深对加速度概念的理解。利用虚拟技术，学生还可以进行温室效应、电路设计、建筑设计等方面的探索学习，从而研究出二氧化碳对全球气候的影响规律，或设计出新的电路、新的建筑物。利用虚拟现实技术进行探索学习，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。例如军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技能、电器维修技能等各种职业技能的训练。由于这些虚拟的训练系统无任何危险，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。（5）实践技能训练。虚拟现实在教育学习中的另一个应用是，使抽4、建筑设计与城市规划

虚拟现实可以将二维或CAD模型扩展成为建筑师或客户可以进入其中、进行研究的三维空间，如虚拟房屋、医院、办公大楼，以及其他空间。建筑师可以取得一幢房子或建筑物CAD数据，然后将它转化成一次仿真，包括自来水龙头、电灯开关、门把手等等，在仿真过程中它还可以修改照明、供暖、音响效果等等。通过使用头盔显示器和数据手套，建筑师可以引导客户进入仿真的建筑物，头盔显示器可以可使客户从不同的角度观察其内部空间，同时，可以在建筑物中漫游。数据手套是实施时改变窗户位置和门的宽度的关键设备，在漫游过程中所做的任何修改都会自动的记录在数据库中，因而不必重新输入建筑师就画出反映各种修改意见的最终图形。这类动完善的建筑仿真还使得建筑师可以确定其设计是否符合无障碍进入，例如，以为做在轮椅上的热头戴着头盔显示器，将空间跟踪定位器固定在轮椅上，就可以进入一幢虚拟建筑物。这种方法可以很容易的识别柜台高度、通道或其他以外的问题所带来的设计错误。4、建筑设计与城市规划虚拟现实可以将二维或CAD模型扩展成农业信息化导论第6章课件用虚拟现实技术建立起来的水库和江河湖泊仿真系统，能使人一览无遗。例如建立起三峡水库模型后，便可在水库建成之前，直观地看到建成后的壮观景象。蓄水后将最先淹没哪些村庄和农田，哪些文物将被淹没，这样能主动及时解决问题。如果建立了某地区防汛仿真系统，就可以模拟水位到达警戒线时哪些堤段会出现险情，万一发生决口将淹没哪些地区，这对制定应急预案有莫大的帮助。三峡库区水淹没过程的模拟如图用虚拟现实技术建立起来的水库和江河湖泊仿真系统，能使人一览无5、娱乐、旅游、文化艺术

娱乐上的应用是虚拟现实技术应用最广阔的领域，从早期的立体电影到现代高级的沉浸式游戏，以及丰富的感觉能力与3D显示世界使得虚拟现实成为理想的视频游戏工具。世界第一个较大的虚拟现实娱乐系统是“BattleTechCenter”，是90年在芝加哥开放的。将VR技术应用于旅游业可以使游客能够游览海底、遨游太空、观摩历史城堡，甚至深入原子内部观察电子的运动轨迹和体验爱因斯坦的相对论世界，从而更形象地获取知识，激发思维。能使用户“沉浸”于和谐人机环境的VR技术在娱乐业有着极其广泛的应用。如虚拟博物馆，利用网络或光盘等载体实现远程访问。另外，虚拟现实提高了艺术表现能力，如一个虚拟的音乐家可以演奏各种各样的乐器，即使异地，也可以在居室中去虚拟的音乐厅欣赏音乐会等。名胜古迹虚拟旅游展现名胜古迹的景点，如图所示可以任意选择路径遨游各景点，乐趣无穷。5、娱乐、旅游、文化艺术娱乐上的应用是虚拟现实技术应用最广虚拟太空景象

第一个大规模的VR娱乐系统“BattleTech”，将每个“座舱”仿真器连网进行组之间的对抗，3D逼真视景、游戏杆、油门、刹车和受到打击时的晃动给用户很强的感官刺激。虚拟太空景象如图1-8所示。虚拟现实所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术（如优化、雕刻等）转化为动态的，可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。《星球大战》、《黑客帝国》等，除了应用虚拟现实技术，就是在讲述虚拟现实。娱乐电视工业(虚拟设备以及在线影像)在虚拟现实技术的使用中获益匪浅。通过使用虚拟现实技术，电视工业可以避免为一幕戏制造真正的设备，因而节约了时间和金钱。在游戏工业的应用包括在线虚拟世界的游戏，就像真正的人在游戏世界里一样有趣。虚拟太空景象第一个大规模的VR娱乐系统“BattleTec日本电视台推出的歌星DiKi，不仅歌声迷人而且风采翩翩，引得无数歌迷纷纷倾倒，许多追星族欲亲睹其芳容，迫使电视台只好说明她不过是虚拟的歌星。美国迪斯尼公司还准备推出虚拟演员。这将使“演员”艺术青春常在、活力永存。由计算机拍成的游戏节目《古墓丽影》片中的女主角入选全球知名人物，预示着虚拟演员时代即将来临。日本电视台推出的歌星DiKi，不仅歌声迷人而且风采翩翩，引得6、设计制造业

虚拟制造是利用仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，采用群组协同工作，通过模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，实现产品制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。走出仅仅依赖经验的狭小天地发展到全方位预报阶段。在计算机上的虚拟产品设计，不但能提高设计效率，而且能尽早发现设计中的问题，从而优化产品的设计。例如美国波音公司投资40亿美元研制波音777喷气式客机，从1990年10月开始到1994年6月仅用了3年零8个月时间就完成了研制，一次试飞成功，投入运营。波音公司分散在世界各地的技术人员可以从777客机数以万计的零部件中调出任何一种在计算机上观察、研究、讨论，所有零部件均是三维实体模型。可见虚拟产品设计给企业带来的效益。6、设计制造业虚拟制造是利用仿真与虚拟现实技术，在高性能计要进行多用虚拟制造技术进行产品的设计、试制和评价，首先是进行产品的立体建模，然后将这个模型置于虚拟环境中控制、仿真和分析，可以在设计阶段就对设计的方案、结构等进行仿真，还可以方便直观地进行工作性能检查。在微机上实现的计算机生成图象的地铁车辆模拟装置的视景系统如图要进行多用虚拟制造技术进行产品的设计、试制和评价，首先是进行7、化工医学生物工程

虚拟现实技术和现代医学的飞速发展以及两者之间的融合使得虚拟现实技术已开始对生物医学领域产生重大影响，目前正处于应用虚拟现实的初级阶段，其应用范围包括从建立合成药物的分子结构模型到各种医学模拟，以及进行解剖和外科手术教育等。当前计算机经常被用来设计各种合成药物，虚拟仿真器允许研究人员测试各种新药物的特性，如北卡罗来那大学使用的GropeIII虚拟仿真器，它可以是研究人员看到或感受到一种药物分子是如何与其他生物化学物质相互作用的，这些先进的仪器和技术大大加速了用于各种疾病的药物开发过程。使用虚拟现实技术还可以进行人体解剖仿真，医学院的学生们可以不必局限于书本和尸体，为了了解人体解剖学的复杂性，可以使用一个虚拟的病人。外科医生与人体打交道，将空间跟踪定位装置固定在虚拟手术刀或手术剪上，虚拟现实系统就可以监视和记录外科医生的位置和方向。该外科医生带一个虚拟头盔显示器就可以看到一个虚拟的人体立体视图，该虚拟人体具有正在工作的肌肉骨骼系统和完整得到相互作用的器官系统，因而它能向真实的人体一样具有生命力。7、化工医学生物工程虚拟现实技术和现代医学的飞速发展以及两农业信息化导论第6章课件虚拟人由于“虚拟人”具有重大的社会应用价值，欧洲一些国家及日本等纷纷启动这个研究项目。而此前，只有美国、韩国掌握了“虚拟人”技术，建有“虚拟人数据集”。1994年，美国科学家将一具男尸切成1878多片，每片厚度1毫米；1998年，又将一具女尸切成5190多片，每片厚度0.33毫米，并以这个数据集为平台，开发了大量相关的应用软件。

虚拟人由于“虚拟人”具有重大的社会应用价值，欧洲一些国家及日据了解，与美、韩所完成的虚拟人数据集相比，中国首例女性虚拟人数据集在标本处理、血管显示、机械改装、冷冻保存、切削调控、数据获取等8大综合技术上，都有了不同程度的补充、完善、改进和提高：研制出专用切削设备，切片精度提高到0.1毫米,共切片8556片；采用立式冷冻、立式包埋和立式切削等技术，最大限度地保持和体现人体各个脏器的形状和位置，保持了人体原有的形态，避免因多次装夹而引起的数据丢失；编制了人体断面图像采集工艺，实现自动化控制连续切削和自动化图像采集；对获得的数据进行几何色彩校正，确保数据的真实性。

据了解，与美、韩所完成的虚拟人数据集相比，中国首例女性虚拟人

同时，将血管铸型技术应用于虚拟人数据集的建模，解决了目前国际上尚未解决的血管显示技术难题。据悉，首例女性虚拟人数据集已经提供国内有关研究单位应用。虚拟人代真人接受试验“虚拟人数据集”将广泛应用于医学、国防、航空航天、体育、建筑、汽车、影视及服装等人类活动相关领域。例如，专家可以借电脑操控，代替真人做各种科学实验。专家们可以在虚拟人身上做物理实验，例如人的骨头很硬，但是究竟能承受多重的外力，可以用虚拟人代替真人模仿撞击实验。同时，将血管铸型技术应用于虚拟人数据集的建模，解决“女性虚拟中国人之父”、中国工程院院士钟世镇教授

“女性虚拟中国人之父”、中国工程院院士钟世镇教授农业信息化导论第6章课件农业信息化导论第6章课件“虚拟生物人”可以用于研究人体疾病的发生机理，预测疾病发展规律，以及进行各种新药的筛选等。举一个简单的例子，在临床上没有经验的外科医生必须要跟着上级医生做手术，有了“虚拟生理人”，就可以把过去手术的成功经验变成计算机语言表现出来。年轻医生可以在电脑上模拟无数次的手术，找出最成功的手术方式，这可以称之为“电脑带徒弟”。

“虚拟生物人”可以用于研究人体疾病的发生机理，预测疾病发展规五、虚拟现实技术与其它学科技术

1、虚拟现实技术与多媒体技术多媒体技术与虚拟现实技术有许多相似之处，但两者的关系一直以来备受争议。有人认为多媒体技术是虚拟现实技术的子集，有人认为则相反。其实，两者相互渗透，它们应是相互交叉的学科。重要的是，我们应该如何更好的应用它们，为社会主义新农村建设及我国的现代化建设服务。五、虚拟现实技术与其它学科技术1、虚拟现实技术与多媒体技术2、虚拟现实与系统仿真技术

系统仿真技术是一种实验技术，它为一些复杂系统构造了一种计算机实验环境，使系统的未来性能测试和长期动态特性能在极短的时间内在计算机上得到实现，从实施过程来看，它是通过对所研究系统的认识和了解，抽取其中的基本要素的关键参数，建立与现实系统相对应的仿真模型，经过模型的确认和仿真程序的验证，并进行仿真实验，以模拟系统的运行过程，观察系统状态变量随时间变化的动态规律性。虚拟现实系统侧重于表现形式，它可以与客观世界相同，也可以与现实背道而驰，而系统仿真则侧重于真实复杂世界的科学抽象，真正反映出现实世界的运动形式，利用虚拟现实技术可以更好地帮助系统仿真验证模型的有效性，并可以更加直观地、有效地表现仿真结果，两者相辅相成。2、虚拟现实与系统仿真技术系统仿真技术是一种实验技术，它为虚拟现实是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技术拓展。我们可以举一个烟尘干扰下能见度计算的例子来说明这个问题。在构建分布式虚拟环境基础信息平台应用过程中，经常会有由燃烧源产生的连续变化的烟尘干扰环境能见度的计算，从而影响环境的视觉效果、仿真实体的运行和决策。某些仿真平台和图形图像生成系统也研究烟尘干扰下的能见度计算，仿真平台强调烟尘的准确物理模型、干扰后的能见度精确计算以及对仿真实体的影响程度；图形图像生成系统着重于建立细致的几何模型，估算光线穿过烟尘后的衰减。而虚拟环境中烟尘干扰下的能见度计算，不但要考虑烟尘的物理特性，遵循烟尘运动的客观规律，计算影响仿真结果的相关数据，而且要生成用户能通过视觉感知的逼真图形效果，使用户在实时运行的虚拟现实系统中产生亲临等同真实环境的感受和体验。虚拟现实是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和3、虚拟现实与图形学

计算机图形技术一本实时图形生成与显示的技术，它具有良好的实时交互性和一定的自主性。但是，在多感知和存在感方面图形学与虚拟现实有较大差距。图形学主要依赖于视觉和听觉感知，虽然生成的图形可以具有三维立体数据，但由于感知手段的限制，用户并不能感到自己和生成的图形世界融合在一起，比如场景不能随自己的实现改变而改变等。在虚拟现实中和通常图像显示不同的是，要求显示的图像要随观察者眼睛位置的变化而变化。此外，要求能快速生成图像以获得真实感。例如，制作动画时不要求实时，为了保证质量每幅画面需要多长时间生成不受限制。而虚拟现实时生成的画面通常为30帧/秒。有了这样的图像生成能力，再配以适当的音响效果，就可以使人有身临其境的感受。3、虚拟现实与图形学计算机图形技术一本实时图形生成与显示的第二节虚拟现实系统

一、虚拟现实系统的组成1、人对环境的感知与交互作用真实世界是人类生活的世界，而虚拟现实VR则是通过计算机生成的世界，是真实世界的仿真，即虚拟世界。过去人与计算机之间交互式用键盘、鼠标等形式。要求人适应计算机。而VR技术本质上是采用人与人之间进行通信的方式实现人与设备之间的交流。在这个虚拟世界里的一切，看上去和听起来都好象是真的，动起来也象是真的，这些都是通过人的感知而获得的，所以VR技术与人的关系是极为重要的。虚拟现实的发展离不开对人的因素的研究。人与外界环境的交互分成两大部分：感知与行为作用。人是通过视觉、听觉、触觉及嗅觉等感觉器官感知外界环境及其变化的。第二节虚拟现实系统一、虚拟现实系统的组成（1）视觉人类的视觉是最有效的感觉器官，对观察者能产生强烈的刺激。人的视觉是通过眼睛来实现的，人眼是一个高度发达的器官。人类大脑每秒钟要接受大量视觉信息，并处理这些信息以获得对周围环境的理解。当人眼看到被光源照射的物体时，实际上看到的是被照射物体上反射的光波。人眼的晶状体汇集这种反射光，并把它折射到眼球后面的视网膜。视网膜接受这种信息并将其传送到大脑中的视觉皮层，形成人所看到的景物。视觉的另一个重要因素是立体视觉能力。人的视觉之所以能分辨远近，是靠两只眼睛的差距。人的两眼分开约5公分，两只眼睛除了瞄准正前方以外，看任何一样东西，两眼的角度都不会相同。虽然差距很小，但经视网膜传到大脑里，脑子就用这微小的差距，产生远近的深度，从而产生立体感。一只眼睛虽然能看到物体，但对物体远近的距离却不易分辨。根据这一原理，如果把同一景像，用两只眼睛视角的差距制造出两个影像，然后让两只眼睛一边一个，各看到自己一边的影像，透过视网膜就可以使大脑产生景深的立体感了。各式各样的立体演示技术，也多是运用这一原理，称其为“偏光原理”。

（1）视觉（2）听觉人对听觉的敏感程度仅次于对视觉的反应，因此在虚拟显示系统中声音是人机交互的第二传感通道。人耳是将声波转换成大脑可以解释的信号的感觉器官。声波由振动波组成，外耳收集声波并将它导入耳道，声波使得鼓膜产生振动，鼓膜与中耳和内耳连通。声波在内耳中转换成神经脉冲，并传送到大脑皮层。大脑皮层将来自双耳的神经信号解释为噪声、语言、音乐或定位线索等，这种定位线索有助于大脑将声音定位在一个特定环境中。人耳听到的声波频率范围约为20Hz-20kHz。人脑能够识别声源位置，是因为人脑能够识别声源到达两耳的时间之差、声源对左右两个耳朵作用的压强之差，从而做出正确的判断。虚拟显示的听觉环境系统包括两个方面：一是语音识别系统，计算机对用户语言和因动作而产生的声音进行识别；二是三维虚拟声音产生系统，把计算机处理并输出的三维声音通过耳机或话筒传递给用户。一个虚拟现实系统可以产生双声道或多声道声音，以代替耳朵所听到的真实环境的声音。这种声音仿真要求能精心的校准两耳的时间延迟，这需要高质量的声音定位系统。（2）听觉（3）身体感觉身体感觉对于人类是必不可少的，其中最主要的就是触觉和力觉感受。人身体可以感知周围环境，如相对皮肤的运动、压力、位置、疼痛及温度等，大脑的体感皮层将分布在体表及深层组织内的感受器接收到的信号转化为各种感觉。通过触觉可以获得机械感受和本体感受。机械感受提供给人类关于物体的形状、表面纹理、温度等多方面的线索。本体感受是从肌肉中获得信息，例如形状、力量和硬度等。当人身体受到某种损害或压迫时，身体会感觉到疼痛；当有物体作用于人体，使皮肤及深层组织受到压力、颤动或变形时，人体的触觉感受器官会对这些刺激做出反应。依据这个原理，可以做出力觉、触觉反馈感知器。（3）身体感觉（4）行为系统人类对环境的作用是通过行为、语言等方式完成。人体在方向子系统的控制下改变身体和头部的方向及体位，人类用手势、面部表情、语言等传达一定的信息，人类正是通过这些行为影响外部环境及自身，从而实现与外部环境、与人之间的交互。对于人类而言，用手操作现实生活中的物体是非常自然的，因此手势语言提供了一种与虚拟世界交互相对而言比较自然的方式。虚拟现实系统能识别人的手势并根据预先定义的手势语言执行相应的操作。虚拟现实还可以利用虚拟人的面部表情反应情感动作，使得虚拟人更加逼真，增强效果。虚拟显示系统还应能够进行语音识别，通过识别参与者的语言，参与者能够向虚拟现实系统发出命令或与虚拟世界中的物体交谈，实现更和谐更自然的交互。（4）行为系统2、虚拟现实系统的组成

虚拟现实系统就是由计算机与参与者的动作相适应的数据，并分别反馈到用户的各种感觉器官，使参与者到这样的一个数据空间中，并成为合成环境中的一个内部参与者。参与者可对这个环境中的数据进行修改、增加、删除，任何改变都将保存在数据库中。在VR系统中，用户不是观众，而是该系统内部的一个主动的参与者，是这个环境的主人，这是与传统的图形系统最重要的区别。为了使虚拟环境有效地模拟现实环境，实现人机自然交互并使用户产生较强的沉浸感，需要有相应的硬件和软件环境支撑。在人与计算机之间建立具有沉浸感和交互性的友好关系，就要求构成虚拟环境的计算机系统能适应人所惯用的信息获取形式和思维过程。人在与环境的交互过程中，利用肌体和器官对所接触的事物的各种感知和认知能力，以全方位的方式获取各种不同形式的信息。人获取信息并不只用听和读的方式，所获取得信息也不只限于文字或数字，还有图像和场景、声音和嗅觉、触觉和动感等。2、虚拟现实系统的组成虚拟现实系统就是由计算机与参与者的动虚拟现实系统包括硬件环境、软件环境两大部分。虚拟现实系统的组成如图。硬件设备包括计算机系统、感知系统、行为系统，感知系统与行为系统可合称为交互系统；软件系统包括系统软件和应用软件。

虚拟现实系统虚拟现实硬件虚拟现实软件感知系统行为系统系统软件应用开发软件中央处理器存储系统输入输出接口计算机系统听觉视觉触觉动作语言操作系统服务程序数据库管理虚拟现实系统包括硬件环境、软件环境两大部分。虚拟现实系统的组（1）计算机系统是产生三维世界的硬件环境，是VR系统的核心部件。它的主要功能是接收用户参与者相关的运动信息（如头部、眼、手等），生成视图，并融合成三维立体图像，同时进行三维声音合成和发出触觉、压力等反馈信号；将描述这些内容的信息以数据的形式存储在存储系统之中；实现输入和输出的实时处理，即进行实时演示和对环境实时模拟。计算机系统，基本部件由中央处理器（CPU）、内部存储器（只读ROM和随机RAM）和外部存储器（软盘、硬盘、闪盘、光盘）、输入输出接口3部分组成。（1）计算机系统是产生三维世界的硬件环境，是VR系统的核心部（2）软件系统中的系统软件包括操作系统、服务开发工具软件、数据库管理软件、驱动软件等。构建一个虚拟现实系统，硬件是基础，软件是灵魂。软件的主要任务是将硬件有机地组织在一起，使用户能够方便在虚拟世界中实现人机交互。开发工具是虚拟环境开发人员用于获取、编辑和处理各种信息，编制虚拟现实应用程序的一系列工具软件的统称。它可以对文本、图形、图像、动画、音频和视频等信息进行控制和管理，并把它们按要求连接成完整的应用软件。开发工具大致可分为素材制作工具、著作工具和编程语言等3类。（2）软件系统中的系统软件包括操作系统、服务开发工具软件、数（3）交互系统由感知系统、行为系统组成，包括输入输出设备、传感器及数据接口等。输入设备用来输入用户头部和手部的位置及方向信息，能够察觉用户的交互活动和动作；输出设备是能够表示三维(3D)图形和高质量立体声的硬件，将计算机产生的数据转化成用户的逼真体验感觉，使用户就像从真实世界得到的感受一样；使用户参与者能通过视觉、听觉和触觉等方式与虚拟环境实现信息的交互作用。输入输出设备主要包括可视化视觉通道、虚拟幕墙和全景空间、立体声场的听觉通道，以及语言、位置和姿态输入装置等，通过它们将用户参与者与虚拟环境建立联系。不同的项目根据实际的应用可以有选择的使用这些工具,主要包括：头盔式显示器和跟踪器、数据传感手套、大屏幕立体显示系统及三维虚拟立体声音生成装置等。（3）交互系统由感知系统、行为系统组成，包括输入输出设备、传二、虚拟现实系统的输入设备

虚拟现实系统的输入设备主要分为两大类：一类是基于自然的交互设备，用于对虚拟世界信息的输入，如数据手套、数据衣、三维控制器、三维扫描仪等。另一类是三维定位跟踪设备，主要用于对输入设备在三维空间中的位置进行判定，并送入虚拟现实系统中，如电磁跟踪系统、声学跟踪系统、光学跟踪系统、机械跟踪系统等。1、数据手套数据手套上有许多三维传感器，可以测量出每个手指关节的弯曲角度和力的大小，运用这些信息就可以对计算机生成的虚拟环境和对象进行控制。数据手套的外观和传感器分布如图二、虚拟现实系统的输入设备虚拟现实系统的输入设备主要分为两2、触觉反馈

增强人对虚拟环境的沉浸感觉，增加触觉反馈的人机界面，可使用户产生“触摸”到虚拟对象的感觉。在科学及工程仿真中，例如在远距离机器操作和远距离机器人控制的领域，它有着重大的应用潜力。触觉反馈装置通常是通过用户的手控制具有力反馈的工具，工具的动作控制虚拟环境。另一种触觉反馈装置是带有若干有一定压力的空气囊的手套，它能够在触摸虚拟对象时感觉到并记录压力的变化。触觉反馈装置如图所示。2、触觉反馈增强人对虚拟环境的沉浸感觉，增加触觉反馈的人机3、数据衣

数据衣是一种为了让虚拟现实系统识别全身运动而设计的输入装置，它可以检测出人的四肢、腰部等部位的活动，以及关节（如手腕、肘关节）弯曲的角度。它能对人体大约50多个不同的关节进行测量，通过光电转换，身体的运动信息送入计算机进行图像重建，它还可以测量人体的体温、呼吸、血压及脉搏等数据。数据衣可以测量整个身体的状态，为了监测全身，不但要检测肢体伸展情况，还需要多个空间跟踪设备来检测肢体在空间中的位置与朝向，而且这些空间跟踪设备相互之间还需要同步配合，所以要求高，实现技术难度大。3、数据衣数据衣是一种为了让虚拟现实系统识别全身运动而设计4、三维扫描仪

三维扫描仪（3DimensionalScanner）又称为三维数字化仪或三维模型数字化仪。三维扫描仪与传统的平面扫描仪、摄像机、图像采集卡有很大不同。其扫描对象不是平面图像，而是立体的实物。通过扫描，可以获得物体表面每个采样点的三维空间坐标，彩色扫描还可以获得物体内部的结构数据，而摄像机只能拍摄物体的某一个侧面，且会丢失大量的深度信息。三维扫描仪输出的不是二维图像，而是包含物体表面每个采样点的三维空间坐标和色彩的数字模型文件。这可以直接用于计算机辅助设计CAD或三维动画。三维扫描仪还可以输出物体表面色彩纹理贴图。三维扫描仪能快速方便地将真实世界的立体彩色的物体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。4、三维扫描仪三维扫描仪（3DimensionalS5、三维位置跟踪器

位置跟踪器是用户与虚拟环境进行交互的基本装置之一，用于检测位置与方位，并将其数据送给虚拟现实系统。在虚拟现实系统中最常见的应用是跟踪用户的头、手、腿或其他对象的位置。虚拟现实系统中常要检测头部与手的位置。要检测头与手在三维空间中的位置和方位，一般要跟踪6个不同的运动方向，即沿X、Y、Z坐标轴的平动和沿X、Y、Z轴方向的转动。位置跟踪器的形式很多，原理也完全不同，由超声波、低频磁场、光学和机械位移等各种传感器构成，用以测量3个坐标位移和方向(6个自由度)。位置跟踪器如图(a)所示。3D鼠标是最简单的位置跟踪器，它也可以当作普通鼠标使用，适合与台式计算机交互，其外观如图(b)所示。与传统鼠标不同，3D鼠标的按键是一个“空间球”，在球的内部是一个6自由度传感器，可以测量位置和方向。5、三维位置跟踪器位置跟踪器是用户与虚拟环境进行交互的基本三、虚拟现实系统的输出设备

虚拟现实系统的输出设备主要有视觉感知设备、听觉感知设备、触觉感知设备等。视觉感知设备，向用户提供立体宽视野的场景显示，此类设备比较成熟。人类的视觉是最灵敏的感觉器官，用以产生视觉效果的显示设备与普通的计算机屏幕显示不同，VR要求提供大视野、双眼立体显示。在VR系统中，常用的视觉反馈工具有头盔显示器、立体活动眼镜、双眼全方位监视器等等，但头盔显示器所能提供的临场感要比立体眼镜好得多。其他的视觉反馈工具还有监视器以及大屏幕立体投影等。虚拟环境的视觉通道是一个多图像显示系统。当在屏幕上有两帧一定相位差的同一图像时，用户戴上具有偏光作用的立体眼镜，就可以看到三维立体图像，现实三维实体的可视化。听觉感知设备，主要功能是提供虚拟世界中的三维真实感声音的输出及播放。如耳机、喇叭等。触觉（力觉）感知设备，主要能反馈力的大小和方向，包含物体的质感（如布料、木材、石头、金属、橡胶等）以及温度感等。如力反馈鼠标等。三、虚拟现实系统的输出设备虚拟现实系统的输出设备主要有视觉1、头盔显示器

使用户产生沉浸感的、最简单的视觉装置是头盔显示器(HeadMountedDisplay，HMD)。它可提供立体场景显示、立体声音输出以及头部位置跟踪的功能，是实现虚拟环境较为方便的可视化装置，价格也比较便宜。HMD是专门为用户提供虚拟现实中景物的彩色立体显示器。通常固定在用户的头部，用两个LCD或CRT显示器分别向两只眼睛显示图像。这两个显示屏中的图像分别由计算机驱动，屏上的两幅图像存在着细小的差别，类似于“双眼视差”。大脑将融合这两幅图像获得深度感知，因此头盔显示器具有较好的沉浸感。具体而言，小型显示器所发射的光线经过凸状透镜使影像因折射产生类似远方效果。1、头盔显示器使用户产生沉浸感的、最简单的视觉装置是头盔显2、双筒全方位显示器

头盔的最大缺点是用户戴在头上后感到不习惯和不舒适，加上视野范围较小，容易引起图像信息丢失。双筒全方位显示器(BinocularOmni—OrientationMonitor，BOOM)，也称支架显示器或称头部耦合显示器，和头盔显示器一样有实时观测和交互能力和立体显示设备。其对头盔显示器的缺点加以改进，避免了头盔的负重感且图像的分辨率也有所提高。双筒全方位显示器的构造是将两个LCD显示屏和光学系统装在由多连杆机构吊架的盒子中。用户可在显示器的双目镜中看到计算机所生成的虚拟世界，犹如通过双筒望远镜观看远方的风景一样。支撑双筒全方位显示器的多连杆机构可在操作范围内任意移动，具有位置跟踪器的功能2、双筒全方位显示器头盔的最大缺点是用户戴在头上后感到不习3、立体眼镜

立体眼镜由液晶光栅眼镜和红外线控制器组成。在一些应用中，科学可视仪和极细微的外科手术，参与的每个专家都需要看到一幅同样的立体图像。这种立体监视器能以两倍于普通扫描速率更新屏幕，即120-140幅/秒的显示频率，计算机把RGB信号发送给监视器。这些信号由两幅交替的、偏移的透视图像组成，一个与信号同步的红外线控制器，用于控制无线模式工作下的活动眼镜。控制器操纵液晶光栅交替地关闭两眼中的一只眼睛的视野。这样大脑寄存下一系列左、右眼图像并通过立体观测，把左、右眼图像进行融合。这种图像比基于LCD的HMD要清楚得多，而且长时间观察也不会令人疲倦。然而，由于光栅过滤器泄露一部分光，所以使用者看到的图像亮度不如屏幕好。3、立体眼镜立体眼镜由液晶光栅眼镜和红外线控制器组成。在一4、立体投影系统

在虚拟现实应用中用以实时显示立体图像的立体投影系统通常主要包括专业投影显示系统、悬挂系统、成像装置等三部分。在众多的虚拟现实三维显示系统中，有单通道立体投影系统、多通道环幕立体投影系统，或柱面立体投影系统等。立体投影系统需要的就是如何对图像进行解调，使用户看到的图像是立体的。在立体投影系统中的一个重要部分就是立体投影屏幕。立体投影屏幕是利用立体复合技术是图像呈三维显示，它将包含左右眼的虚拟图像信息分开，各自经过调制步骤处理，然后把结果合并成一幅空间复合图像，它同时包含了左右眼数据，对图像解调后，用户就可以看到立体的图像。与立体眼镜不同的是：立体眼镜是按照时间顺序排列图像的，即同一个屏幕像素按时间序列显示左右眼图像；立体投影屏幕则是将左右眼的信息同时显示在屏幕上，用户通常戴一副“无源”偏振眼镜，大脑将两眼观看得到的图像综合起来就产生了立体感受。4、立体投影系统在虚拟现实应用中用以实时显示立体图像的立VR-WSV系统是一套基于VR工作站平台的虚拟现实立体投影系统方案，如图所示。现已经全面支持计算机群集和网络虚拟现实系统。支持基于OpenGL和Direct3D的各类型立体程序产生的虚拟立体显示。系统主要由专业虚拟现实工作站+立体投影系统+立体转换器+VR立体投影软件系统+VR软件开发平台+三维建模工具软件等几个部分。是一套具有极高性能价格比的VR立体投影系统；小型、高性价比是该VR投影系统的特点，适合于VR教学、研发和其他实际应用。VR-WSV系统是一套基于VR工作站平台的虚拟现实立体投影四、虚拟世界生成设备

生成虚拟世界就是把设计者的思想、观念和数据等映像成视觉、听觉和触觉形式，并展示给参与者。在虚拟现实系统中，计算机是虚拟世界的主要生成设备，所以有人称之为“虚拟现实引擎”，它首先创建出虚拟世界的场景，同时还必须实时响应用户各种方式的输入。计算机的性能在很大程度上决定了虚拟现实系统的性能优劣，由于虚拟世界本身的复杂性及实时性计算的要求，产生虚拟环境所需的计算量极为巨大，这对计算机的配置提出了极高的要求，最主要是要求计算机必须的高速的CPU和强有力的图形处理能力。通常虚拟世界生成设备主要分为：基于高性能个人计算机、基于高性能图形工作站、高度并行的计算机系统和基于分布式计算机的虚拟现实系统。四、虚拟世界生成设备生成虚拟世界就是把设计者的思想、观念和1、虚拟环境产生器

虚拟环境产生器是VR系统中的核心部件，它由计算机软硬件系统、软件开发工具及配套硬件（如图形加速卡和声卡等）组成。它实质上是一个包括数据库和产生立体图像的高性能计算机系统，数据库包括虚拟环境中对象的描述及运动对象的运动、行为及碰撞作用等性质的描述。例如，三维方位传感器跟踪人体运动，传感手套数字化手势，视觉反馈发送给主体显示器，虚拟声音由三维声音发生器产生，画面场景和方向跟随球和游戏棒改变等等。虚拟环境产生器实际上是一个环境构造程序，它由一系列子程序组成，在硬件的基础上，用于设计参与者在虚拟环境中将会遇到的景和物。虚拟环境产生器的功能主要有：对虚拟环境中物体对象及其运动、行为、碰撞作用的特性进行描述；生成左、右眼视图合成三维立体图像；为声音定域系统实时地提供与参与者头部位置和方向信号；不仅产生和显示一个虚拟境界，还需处理输入、输出数据，并将这些数据融合在虚拟环境中。它的输出要转换成参与者的视觉和听觉信息，因此它是VR感觉反馈的一个关键部件。1、虚拟环境产生器虚拟环境产生器是VR系统中的核心部件，它（1）三维声音处理器三维声音处理包括声音合成、3D声音定域和语音识别。在虚拟环境中，一般不能仅依靠一种感觉，错综复杂的临场感通常需要用到立体声。为此需要设置静态及动态噪声源，并创建一个动态的声学环境。在VR应用中，这个问题甚至比实时处理数据更重要，因为当进入信息流影响数据库状态时，用声音来提醒用户注意至关重要。人们根据到达两耳的声音强度与相位差，来区别发声的方向与位置，而且善于同时处理多个事件。例如当视觉系统处理某一事件时，听觉系统同时以比视觉系统低得多的频带宽度在后台工作。由于人们的听觉系统很善于在众多的声音中选取特定的声音，因此，在VR系统中加入声音合成装置对沉浸感的经历十分有效。人们正积极进行用非语言听觉（nonspeech—audio）研究低级传感器和听觉器官的高级认知因子，从而实现交互修改和听觉参数识别、分离、定域多个同时发出的声源的研究。

（1）三维声音处理器（2）效果产生器效果产生器是完成人与虚拟环境交互的硬件接口装置，包括能产生沉浸感受的各类输出装置，例如头盔显示器、立体声耳机等，以及能测定视线方向和手指动作的输入装置，例如头部方位探测器和数据手套等。

由于人们通常是通过视觉和听觉来识别物体和形状的，所以虚拟环境产生器生成的三维立体图像部必须在最短的时间延迟内考虑参与者头部的位置和方向，系统内的任何通信延迟都表现为视觉的滞后。如果这种滞后是可感知的，在某些条件下就会使参与者产生晕眩的感觉。这表明VR系统的外围设备并非简单地串在一起，而要仔细地分析外围设备与系统的吞吐延迟，以便系统的视觉滞后达到一个可以接受的范围。（2）效果产生器（3）应用系统应用系统（Application）是面向具体问题的软件部分，描述仿真的具体内容，包括仿真的动态逻辑、结构以及仿真对象之间和仿真对象与用户之间的交互关系。应用软件的内容直接取决于VR系统的应用目的。（4）仿真管理器仿真管理器是一个协调景、物、事件、输入信息的专用软件，它使得虚拟环境参与者接近真实生活。该仿真管理程序有时还包含可以立即运行的拟现实应用程序。

（3）应用系统2、虚拟桌面和虚拟幕墙

为了扩