虚拟现实概述 2

虚拟现实MuRuiAssistantProfessor,Dept.ofMEE,XiamenUniversity,361005,China参考文献汪成为.人类认识世界的帮手——虚拟现实.清华大学出版社，暨南大学出版社，2000年6月周祖德等.虚拟现实与虚拟制造.湖北科学技术出版社，2005年2月肖田园等.虚拟制造.清华大学出版社，2004年8月WilliamR.Sherman,AlanB.Craig.虚拟现实系统——接口、应用与设计.电子工业出版社，2004年11月李欣等.虚拟现实及其教育应用.科学出版社，2008年6月张树生等.虚拟制造技术.西北工业大学出版社，2006年2月虚拟制造概述DELMIA——数字化工厂虚拟现实（VirtualReality）虚拟现实技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。

虚拟制造概述丰田公司利用VR技术改进上车下车的舒适度虚拟与现实Question?知识改变命运，数码改变生活，虚拟改变什么？什么是虚拟现实

人类在不断地认识世界和改造世界时仍迫切需要各种强有力的工具，用工具来增强、延伸、扩大自己的感官、肢体和大脑的功能。能够基于对研究对象的认识，根据研究问题的需要，提供一个具有尽可能逼真的虚拟对象、虚拟环境的虚拟世界；帮助我们沉浸在这个虚实结合的环境中，身临其境地体验这个虚拟世界中的一切，在这样的环境中研究和分析问题；能够根据需要，灵活地扩大或缩小虚拟世界的时间尺度和空间尺度。例如，在数秒内观察地壳的演变历程，在数分钟内细细品味子弹穿过玻璃时的精细过程，亲眼领略火星探测车降落火星时的壮观场面。能够帮助我们跟虚拟世界交流，跟虚拟世界发生相互作用，我们不只是能够移动和触摸虚拟世界中的虚拟物体，还能在虚拟世界的街巷楼宇之间漫游。公众号：别墅8Dream：晋代儒学家陆机“文赋”：

观古今于须臾，抚四海于一瞬。创建一个时域与空域可变的虚拟世界，人与这个世界的关系是：

沉浸其中，超越其上，进出自如，交互作用。虚拟现实技术的前身中国古代（公元前468年-公元前376年）的战国时期据“墨子.鲁问”记载“公输般竹木为鹊，成而飞之，三日不下”。人们在风筝上系上竹哨，利用风吹竹哨，声如筝鸣，故称“风筝”。虚拟现现实技技术的的诞生生1961年MortonHeilig——Sensorama“沉浸式式虚拟拟环境境”概念的的先驱驱者1962年被任命命为美美国国国防高高级研研究计计划局局（DARPA）信息息处的的处长长“人——计算机机共生生”(Man-ComputerSymbiosis)1962年，Licklider主持计计算机机图形形处理理的研研讨会会MIT:IvanSutherland——sketchpad1965年IvanSutherland发表“终极的的显示示”将计算算机的的显示示屏进进化为为“观看虚虚拟世世界的的窗口口”“只要运运用恰恰当的的计算算机程程序，，就有有可能能在计计算机机的屏屏幕上上重现现文学学上的的爱丽丽丝漫漫游仙仙境的的绚丽丽奇景景”虚拟现现实技技术的的发展展60年代IvanSutherland的“终极显显示”，IvanSutherland的博士士论文文:SKETCHPAD:stereoHMD,positiontracking,andagraphicsengine1966年Sutherland在MIT研究了HMD(HeadMountedDisplay)1967，TomFurness:displaysystemsforpilotsIvanSutherland’sHMD(1966+)1966年，Sutherland在MIT林肯实验室室开始研制制人类的第第一个头盔盔显示器（（HMD）TX-2计算机、限限幅除法器器、矩阵乘乘法器、矢矢量生成器器、头盔和和头部位置置跟踪器。。NicolasNegroponte——推动虚拟现现实应用的的先锋1976年提出研制制具有随机机存取功能能的多媒体体系统。1979年在MIT成立了媒体体实验室，，特别邀请请建筑大师师贝聿铭设设计了一座座在多媒体体技术、人人机接口技技术、人工工智能技术术、虚拟现现实技术等等领域中一一直享有盛盛名的建筑筑。1981年，MichaelMcCreevey“空间感知和和先进显示示”虚拟现实技技术的诞生生1985年，MichaelMcCreevey建成了供航航空和航天天人员使用用的虚拟现现实环境。。J.Zimmermn和JaronLanier(MIT)合作发明了了一种在每每个活动关关节上都配配有传感器器的特殊手手套。虚拟现实技技术的诞生生虚拟现实技技术的发展展70年代1977，Brooks开发了力反反馈系统GROPE1977，SandinandSayre发明了具有弯曲度度感知的数数据手套1979，Raab等人发明了了Polhemus跟踪系统GROPE虚拟现实技技术的发展展80年代1980年，SIMNET计划1989年，JaronLanier杜撰了新词词“virtualreality”1989年，NASA发明LCDHMD，开发了“VirtualInterfaceEnvironmentWorkstation”(VIEW)虚拟现实技技术的发展展90年代NASA的VIEW继续研究Largesimulationandtrainingneeds;Couldnotsendhumanstootherplanets;RelativelysmallbudgetsSTOW计划TheSyntheticTheaterofWar-Architecture军事仿真国内DVENET1996年开始清华大学浙江大学北京航空航航天大学上海大学中科院计算算所虚拟现实技技术的发展展虚拟现实技技术的概念念背景从60年代末起，，在计算机机技术的支支持下已对对科学计算算提出可视视化的要求求不仅仅是获获得和计算算数据，并并且要解释释数据、理理解数据。。即把计算算所得的数数字信息转转换为直观观的、用视视频或声频频信息表示示的、随时时间和空间间变化的物物理现象或或模拟的物物理现象先进的科学学计算将能能洞察到传传统科学计计算所不可可能看见的的结果（Toseetheunsee），可视化化是把某些些不可见对对象或抽象象事物转化化为可见的的、可感知知的结果“Thepurposeofcomputingisinsight,notnumber”---RichardHamming,NumericalMethodsforScientistsandEngineers虚拟现实技技术的概念念背景（续））自90年代初起，，在高性能能计算的支支持下要求求实现沉浸浸式、协同同式的可视视化计算人机和谐、、定性定量量结合是创创造性研究究的源泉，，要求不仅仅仅是观察计算所得的的数据，希希望还能感受计算所得的的形象结果果和全局观观念研究人员甚甚至还希望望能沉浸在在计算所得得、计算所所创建的三三维空间中中，能交互互地控制、、驾驭和修修改所“看看见和感受受到”的计计算结果为研究人员员在认识世世界和改造造世界时，，提供了有有效的、定定性和定量量相结合的的研究手段段，为创建建和谐的人人机环境提提供基础虚拟现实技技术的概念念背景（续））自90年代中旬以以来在网络络计算技术术的支持下下要求实现现协同式的的可视化计计算解决复杂问问题，必须须跨领域合合作集体攻攻关网络技术已已基本成熟熟，基于网网络计算可可实现资源源共享基于统一的的开放体系系框架结构构、应用程程序接口和和面向对象象的中间件件，已能实实现“优势势互补”、、“即插即即用”的协协同式的可可视化计算算虚拟现实技技术的概念念背景（续））总之，高性性能计算机机为沉浸式式、协同式式的可视化化计算提供供基础高性能计算算机和高性性能网络技技术大量的、快快速的、分分布的、基基于网络的的数值计算算开放体系结结构、中间间件、人机机接口和经经验模型的的建立把数据映射射成可视化化的、具有有某种物理理属性的对对象（虚物物实化）把实物转化化为可融入入虚拟环境境的虚拟对对象（实物物虚化）虚拟现实技技术的概念念背景（续））前30年计算机技技术的发展展，减少人人的认知空空间和计算算机的处理理空间的差差异人思考问题题

的认知知空间并行的多维的开放的归纳演绎传统计算机机

的处理理空间串行的单维的封闭的预定程序建立和谐人人机环境境M大规模并行行M多媒体O开放系统O面向对象N网络计算逐步减小人人和机机器间的隔隔阂虚拟现实技技术的概念念背景（续））后20年计算机技技术的发展展，从MMOON到AKV有望实现和谐的人机机环境ArchiveStorageandProcessing--海量信息存存储与处理理KnowledgeProcessing--知识处理VisualizedComputing&VirtualReality--可视化计算算与虚拟现现实和谐的人机环境MMOONAKv虚拟现实技技术的概念念虚拟现实VirtualReality钱学森院士士翻译为“灵境”Virtual的英文本意意是表现上上具有真实实事物的某某些属性，，但本质上上是虚幻的的。Reality的英文本义义是"真实"而不是"现实"是一种基于于可计算信信息的沉浸浸式人机交交互环境虚拟现实是是利用计算算机构造一一个视景真真实、动作作真实、声声音真实、、感觉真实实的虚拟环环境(VirtualEnvironment)的技术虚拟现实技技术的概念念虚拟现实（（续）采用以计算算机技术为为核心的现现代高技术术生成逼真真的视、听听、触觉一一体化的一一定范围的的虚拟环境境，用户可可以借助必必要的装备备以自然的的方式与虚虚拟环境中中的物体进进行交互作作用、相互互影响，从从而获得亲亲临等同真真实环境的的感受和体体验（赵沁沁平等定义义）Ahigh-enduser-computerinterfacethatinvolvesreal-timesimulationandinteractionthroughmultiplesensorialchannels(vision,sound,touch,smell,taste)虚拟现实的的定义狭义用于创建人人造世界的的计算机系系统，在这这个世界里里，使用者者有沉浸于于其中的感感觉，能在在其内漫游游并能操纵纵其内的物物体。广义指由计算机机技术所创创建的三维维环境。这这个环境既既可以是虚虚拟想象的的三维环境境（三维可可视化），，也可以是是对真实世世界的三维维模拟。虚拟现实是是利用计算算机生成一一种三维模模拟环境，，通过多种种传感设备备使用户““投入”到到该环境中中，实现用用户与该环环境直接进进行自然交交互的技术术。虚拟现实的的定义传感设备包包括：立体体头盔、数数据手套、、数据衣等等。自然交互指指日常使用用的方式对对虚拟环境境中的物体体进行操作作并得到实实时立体反反馈。虚拟现实技技术的概念念VR的特征沉浸感（（Immersion）用户产生一一种沉浸于于虚拟环境境的感觉（（视觉、、听觉等））交互性（Interaction）虚拟现实环环境可以通通过控制与与监视装置影响或或被使用者者影响想象性（（Imagination）可感知形式式反映了设设计者的思思想沉浸（Immersion）VR系统的核心心，表示用用户投入到到由计算机机生成的虚虚拟场景中中的能力，，用户在虚虚拟场景中中有身临其其境之感。。交互性（Interaction）用户与虚虚拟场景中中各种对象象相互作用用的能力，，它是人机机和谐的关关键性因素素。交互性性包含对象象的可操作作程度及用用户从环境境中得到反反馈的自然然程度，以以及虚拟场场景中对象象依据物理理学定律运运动的程度度等。VR是自主参考考系，即以以用户的视视点变化进进行虚拟交交换。构想（Imagination）VR不仅仅是一一个用户与与终端的接接口，而且且可使用户户沉浸于此此环境中获获取新的知知识，提高高感性和理理性认识，，从而产生生新的构思思。因此，，VR是启发人的的创造性思思维的活动动。ImmersionImaginationInteraction虚拟现实特特征—3I图虚拟现实与与仿真的区区别仿真技术虚拟现实多感知视觉、听觉视觉、听觉、触觉、力觉等存在感用户被视为“旁观者”用户沉浸其中，可视场景随用户的视点变化交互性不强调交互的实时性实时交互设备：三维维立体眼镜镜立体眼镜是是用于3D模拟场景VR效果的观察察装置，它它利用液晶光阀高高速切换左左右眼图像像原理，有有线和和无线之分分，可支持持逐行和隔隔行立体显显示观察，，也可用无无线眼镜进进行多人团团体VR效果观察，，是目前最最为流行和和经济适用用的VR观察设备。。设备：数据据手套数据手套是是虚拟现实实应用的主主要交互设设备，它作作为一只虚虚拟的手或或控件用于于3DVR场景的模拟拟交互，可可进行物体体抓取、移移动、装配配、操纵、、控制，有有有线和无无线、左手手和右手之之分，可用用于WTK、Vega等3DVR或视景仿真真软件环境境中。设备：头盔盔显示器头盔显示器器（又称数数据头盔或或数字头盔）是是虚拟现实实应用中的的3DVR图形显示与与观察设备备，可单独与主机机相连以接接受来自主主机的3DVR图形信号。。使用方式式为头戴式，辅辅以空间跟跟踪定位器器可进行VR输出效果观观察，同时时观察者可做空间间上的自由由移动，如如；自由行走、、旋转等，，VR效果非常好，沉浸感感极强，在在VR效果的观察设备中，，头盔显示示器的沉浸浸感优于立体眼眼镜。设备：三维维空间交互互球三维空间交交互球是虚虚拟现实应应用中的另另一重要的的交互设备备，用于六六个自由度度VR场景的模拟拟交互，可可从不同的的角度和方方位对三维维物体观察察、浏览、、操纵；也也可作为3DMouse来使用；并并可与数据据手套或立立体眼镜结结合使用，，作为跟踪踪定位器。。也可单独独用于CAD/CAM，(Pro/E、UG)。设备：位置置跟踪器三维空间跟跟踪定位器器是VR系统中用于于空间跟踪踪定位的装装置，一般般与其他VR设备结合使使用，如：：数据头盔盔、立体眼眼镜、数据据手套等，，使参与者在在空间上能能够自由移移动、旋转转，不局限限于固定的的空间位置置，操作更加加灵活、自自如、随意意。产品有有六个自由由度和三个个自由度之之分。位置测量原原理根据刚体动动力学分析析，能够用用运动物体体上参考点点的坐标表表示该物体体的位置坐坐标，并通通过测量该该参考点到到空间三个个静止的非非共线点之之间的距离离唯一确定定设备：力反反馈器力反馈器是是VR研究中的一一种重要的的设备，该该设备能使使参与者实实现虚拟环环境中除视视觉、听觉觉之外的第第三感觉——触觉和力感感，进一步增增强虚拟环环境的交互互性，从而而真正体会会到虚拟世世界中的交交互真实感感，该设备备广泛应用用于虚拟医医疗、虚拟拟装配等诸诸多领域。。触觉反馈分分为：接触反馈和和力反馈。设备：三维维显示器这种三维显显示器并不不需要使用用者在头部部佩戴任何何特制眼镜镜之类的装装备，而是是应用当前前的计算机机的计算能能力回放或或实时渲染染显示三维维影像。视觉显示技技术立体视觉一般地，人人脑有两类类用以感知知物体深度度（立体感感）的信息息：绝对距距离和相对对距离。人脑从四个个方面获得得深度信息息：静态图像的的深度信息息；运动中产生生的深度信信息；生理上的深深度信息（（眼球的转转动、晶状状体的调解解）；双目视差产产生的深度度信息。方法是为每每只眼睛各各产生一幅幅图象，左左右两幅图图象是通过过把视点左右右各偏移两两眼距离的的一半而计计算出来的的，用户可可以分别用左右眼眼盯着这两两幅图象，，然后将目目光交汇在在一起；或或者使图象通过不不同偏振滤滤光镜，用用户佩带相相应的滤光光眼镜。此此外，用户还可以以佩带显示示同步的液液晶快门眼眼镜（LC快门眼镜））观察在监视器上上快速交错错显示的左左右两幅图图象，大脑脑会将它们们合成为立体景象象。视觉显示技技术多通道立体体投影系统统☆专业的VR-Platform多通道投影影系统☆采用5台高亮度等等离子显示示器（最多多可支持24台）☆每台等等离子显示示尺寸为1020X610mm（可替换为为更大尺寸寸）☆可支持持24个通道同步步显示☆高沉浸浸感的虚拟拟现实仿真真显示系统统☆演示效效果出色，，适合大中中型机构或或项目使用用虚拟现实体体验的四个个关键要素素虚拟世界沉浸虚拟现实最最简化的定定义：在另另一个现实实或视点下下的沉浸。。感觉反馈交互性虚拟现实的的类型桌面式虚拟拟现实系统统沉浸式虚拟拟现实系统统分布式虚拟拟现实系统统增强式虚拟拟现实系统统桌面虚拟现现实桌面虚拟现现实利用个个人计算机机和低级工工作站进行行仿真，将将计算机的的屏幕作为为用户观察察虚拟境界界的一个窗窗口。沉浸式虚拟拟现实高级虚拟现现实系统提提供完全沉沉浸的体验验，使用户户有一种置置身于虚拟拟境界之中中的感觉。。桌面虚拟现现实系统和和沉浸式虚虚拟现实系系统比较（1）沉浸度差差异桌面虚拟现现实系统采采用CRT彩色显示器器和三维立立体眼镜增加身临其其境感觉，，而沉浸式式虚拟现实实系统则采采用头盔显显示器（HMD）增强身临临其境感觉觉。（2）交互装置置差异桌面虚拟现现实系统采采用的交互互装置是六六自由度鼠鼠标器或三维操纵杆杆，而沉浸浸式虚拟现现实系统采采用的是数数据手套和和头盔。增强现实的的虚拟现实实增强现实性性的虚拟现现实不仅是是利用虚拟拟现实技术术来模拟现现实世界、、仿真现实实世界，而而且要利用用它来增强强参与者对对真实环境境的感受，，也就是增增强现实中中无法感知知或不方便便的感受。。分布式虚拟拟现实如果多个用用户通过计计算机网络络连接在一一起，同时时参加一个个虚拟空间间，共同体体验虚拟经经历，那虚虚拟现实则则提升到了了一个更高高的境界，，这就是分分布式虚拟拟现实系统统。1分布式虚拟拟现实系统统的应用分布式虚拟拟现实系统统在远程教教育、工程程技术、建筑、、电子商务务、交互式式娱乐、远远程医疗、、大规模军事事训练等领领域都有着着极其广泛泛的应用前景。利用用它可以创创建多媒体体通信、设设计协作系统、实境境式电子商商务、网络络游戏、虚虚拟社区全新的应用用系统。虚拟现实技技术的应用用应用广泛Helsel与Doherty曾对全世界界范围内已已经进行的的805项VR研究项目作作了统计，，主要分分布在：影视娱乐对对虚拟现实实发展的影影响1995年11月Disney和Pixar“玩具总动员员”76个角色，11.4万个画面1998年11月“虫虫虫特工队””侏罗纪公园园金刚钢铁侠Windows7多点触摸技技术2008.5.28JulieLarson-Green虚拟现实技技术的应用用医学在虚拟环境境中，可以以建立虚拟拟的人体模模型，借助助于跟踪球球、HMD、感觉手套套，可以很很容易了解解人体内部部各器官结结构Pieper及Satara等研究者在在90年代初基于于两个SGI工作站建立立了一个虚虚拟外科手手术训练器器，用于腿腿部及腹部部外科手术术模拟。这这个虚拟的的环境包括括虚拟的手手术台与手手术灯，虚虚拟的外科科工具（如如手术刀、、注射器、、手术钳等等），虚拟拟的人体模模型与器官官等。借助助于HMD及感感觉觉手手套套，，使使用用者者可可以以对对虚虚拟拟的的人人体体模模型型进进行行手手术术远距距离离遥遥控控外外科科手手术术，，复复杂杂手手术术的的计计划划安安排排，，手手术术过过程程的的信信息息指指导导，，手手术术后后果果预预测测虚拟拟现现实实技技术术的的应应用用军事事仿仿真真SIMNET、NPSNET、DVENET（国国内内北北航航））航天天技技术术“火星星探探路路者者”利用用三三维维虚虚拟拟的的环环境境对对火火星星车车进进行行全全面面的的仿仿真真，，当当一一切切确确定定无无误误后后把把指指令令发发送送给给位位于于1.9亿公公里里外外的的火火星星车车，，火火星星车车行行进进后后所所获获得得的的数数据据经经过过11分钟钟延延迟迟后后送送回回NASA的JPL虚拟拟现现实实模模拟拟仿仿真真的的实实战战训训练练案案例例1976年103名以以色色列列人人法国国航航空空公公司司雅典典非洲洲乌乌干干达达“恩德德培培机机场场”VR的四四个个重重要要特特征征多感感知知性性除了了一一般般的的视视觉觉感感知知外外，，还还有有听听觉觉感感知知、、触触觉觉感感知知、、运运动动感感知知，，甚甚至至还还包包括括味味觉觉、、嗅嗅觉觉感感知知等等。。存在在感感指用用户户感感到到作作为为主主角角存存在在于于模模拟拟环环境境中中的的真真实实程程度度。。交互互性性指用用户户对对模模拟拟环环境境内内物物体体的的可可操操作作程程度度和和环环境境得得到到反反馈馈的的自自然然程程度度。。自主主性性指虚虚拟拟环环境境中中的的物物体体依依据据现现实实世世界界物物理理运运动动定定律律动动作作的的程程度度。。实现现虚虚拟拟现现实实的的关关键键技技术术支支持持硬件件方方面面跟踪踪系系统统：：确确定定参参与与者者头头、、手手和和躯躯干干的的位位置置；；触觉觉系系统统：：提提供供力力与与压压力力的的反反馈馈；；音频频系系统统：：提提供供立立体体声声源源和和判判定定空空间间位位置置；；图像像生生成成和和显显示示系系统统：：产产生生空空间间图图像像和和立立体体显显示示；；高性性能能计计算算机机处处理理系系统统：：具具有有高高处处理理速速度度，，大大存存储储容容量量、、强强联联网网特特性性。。软件件方方面面能够够接接收收高高性性能能传传感感器器的的信信息息，，如如头头盔盔的的跟跟踪踪信信息息；；能生生成成立立体体的的显显示示图图形形，，并并可可对对虚虚拟拟环环境境作作实实时时渲渲染染；；能提提供供对对各各种种数数据据库库、、各各种种CAD软件件进进行行调调用用和和互互联联的的集集成成环环境境。。在虚虚拟拟现现实实系系统统中中，，为为了了使使人人与与计计算算机机能能够够融融洽洽的的交交互互，，让让人人沉沉浸浸到到计计算算机机所所创创造造的的虚虚拟拟环环境境中中去去，，必必须须配配备备相相应应的的硬硬件件设设备备。。常常用用的的交交互互设设备备包包括括：：跟踪踪系系统统跟踪踪系系统统的的任任务务是是要要实实时时检检测测出出虚虚拟拟现现实实系系统统中中人人的的头头、、身身体体和和手手的的位位置置与与指指向向，，以以便便把把这这些些数数据据反反馈馈给给控控制制系系统统，，生生成成随随视视线线变变化化的的图图象象。。电磁磁跟跟踪踪电磁磁跟跟踪踪系系统统由由励励磁磁源源、、磁磁接接收收器器和和计计算模模块块组组成成。。励励磁磁源源由由3个磁磁场场方方向向相相互互垂垂直直的的交交流流电流产生的双双极磁源构成成，磁接收器器由3套分别测试3个励磁源的方方向上相互垂垂直的线圈组组成，经3次测量，可以测得得9个数据，由此此可确定被测测目标的6个参数，即空间坐坐标x、y、z和旋转角α、β、γ。虚拟现实系统统的硬件声学跟踪利用不同声