第五章 虚拟现实技术与教育

虚拟现实概述哒哒哒……哒哒哒……，密集的枪声与敌人的喊叫声越来越近了，身藏绝密资料的钟尼在女伴的带着下到了一个废弃的器材仓库。这里破破烂烂，没有什么值钱的东西，然而钟尼还是在一大堆破旧零件中发现了一个电子眼罩和一副怪模怪样的手套。钟尼二话不说，熟练地戴上眼罩和手套，并让女伴将它们连到了一台还能启动的计算机上。在女伴将电源翻开的一瞬间，钟尼的眼前出现了令人惊奇的画面。钟尼利用计算机进入了全球信息网络，在一个个信息通道中急速奔驰，钟尼用手快速地破解一道道拼图密码、翻阅一个个信息页以查找那个潜在客户的地址……，但是这一切她女伴并没有看到，她只看到钟尼的双手在空中拚命的比划着……

虚拟现实概述以上是美国１９９５年出品的科幻片?钟尼记忆术?中的一个片断，影片虽然描述的是在未来年代发生的事情，但这个片断中所展示出的技术在今天正在高速开展，它就是我们常常听到的“虚拟现实〞技术。

虚拟现实概述虚拟现实在英文中叫做“VirtualReality〞，其缩写为VR。VR这一名词是虚拟现实实验室研究的创始人贾朗·拉尼尔〔JaronLanier〕于80年代创造的，它向我们展现了一个崭新的领域。贾朗·拉尼尔解释到，ＶＲ技术是建立在计算机根底之上的高级模拟技术，它能虚构出一个空间环境。在这个空间中每个事物的变化与活动规律与现实中完全一样，进入其中的人还可以对这个空间加以影响和控制，反过来这个空间的事物也会对进入其中的人产生影响。不过这只能说是对ＶＲ技术的一个极为笼统的概括，下面就让我们作一次ＶＲ旅行吧。

一、虚拟现实的由来二、什么是虚拟现实三、VR系统的技术组成及主要特征四、人机接口设备五、虚拟现实系统的类型六、实现VR的相关技术及软件七、虚拟现实系统的应用八、学生讨论区：VR纵横谈虚拟现实概述一、ＶＲ技术的由来

ＶＲ技术的前身可以说是军事模拟技术。７０年代，美军认为在飞行员的初级飞行课程中〔起飞和降落〕，如果使用实机训练将会有较大的危险，同时效费比太低，因而希望能用一些模拟装置来代替昂贵的实机训练，为此美国几大航空工业公司开始了模拟飞行器的研究。这渐渐地形成了一种习惯，那就是向美军提供新式战斗机的同时，还提供这种飞机的模拟训练器材。后来这项技术也被民用航空所采用，并得到了迅速的开展，现在几乎每个航空公司都有自己所配机种的模拟训练器材，可见其应用的广泛程度。

虚拟现实概述模拟训练器材是通过模拟原体〔被模拟的对象〕的各种特点、性能和运动规律来到达目的的。当计算机接收到用户的控制指令〔比方拉起、加油门等〕后，就会按照所建立的数字模型来计算控制参数，之后由控制伺服系统来模拟原体在相应情况下的表现，从而让飞行员尽量感觉到是在驾驶真的飞机。例如飞行仰角过大而造成螺旋，那么模拟器将会控制模拟驾驶舱剧烈地翻动、旋转，并通过特制的飞行背心来产生失重的感觉。由此可看出它集图像、声音、触觉等多种信息媒体来实现交互影响与控制，这是最早的ＶＲ技术。

虚拟现实概述进入８０年代，作为一种在军事领域里成熟的技术，模拟技术被推向了广阔的民用领域。计算机技术的飞速开展为ＶＲ技术的腾飞奠定了根底。

虚拟现实概述二、什么是虚拟现实？虚拟现实〔VirtualReality，简称VR〕，又称临境技术，是指用立体眼镜和传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实，人们通过这些设施以自然的方式〔如头的转动、手的运动等〕向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉及触觉等感觉世界。随着人们动作的改变，这些感觉也随之改变。虚拟现实概述虚拟现实概述事实上，虚拟现实技术不仅仅是指那些戴着头盔和手套的技术，而且还应该包括一切与之相关的自然模拟、逼真体验的技术与方法。它要创立一个酷似客观环境又超越客观时空、能沉浸其中又能驾驭其上的和谐人机交互环境，也就是有多维信息所构成的可操纵的空间。“虚拟现实〞一词中的“现实〞泛指在物理意义上或在功能意义上存在于世界的事物或环境，它是实际上能实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的；“虚拟〞是指这个特定的环境是由计算机模拟现场生成的。因此，“虚拟现实〞是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射〞到这个环境中去操作、控制和感受环境，实现特殊的目的。虚拟现实概述它的最重要的目标就是真实的体验和方便自然的人机交互，能够到达或者局部到达这样目标的系统就称为虚拟现实系统。虚拟现实概述三、VR系统的技术组成及主要特征1.多感知性〔multi-sensory)多感知性就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，甚至包括嗅觉感知、味觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切普通人所具有的感知功能，这是区别其他技术的一个重要特征。〔二〕主要特征虚拟现实概述三、虚拟现实系统的主要特征2.存在感性〔presence〕又称为临场感〔immersion〕，它是用户感到作为主角存在与模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应到达使用户难以分辨真假的程度。虚拟现实概述三、虚拟现实系统的主要特征3.交互性交互性〔interaction〕是指用户对模拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到反响的自然程度〔包括实时性〕。例如，用户可以用手抓取模拟环境中的物体，这时手有握有东西的感觉，并可以感觉物体的重量〔其实这时手里并没有实物〕。虚拟现实概述五、虚拟现实的类型根据用户参与VR的不同形式以及沉浸的程度不同，我们可以把各种类型的虚拟现实系统划分四类：桌面虚拟现实、沉浸型虚拟现实、增强现实型虚拟现实、分布式虚拟现实虚拟现实概述1．桌面虚拟现实

桌面虚拟现实利用个人计算机进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的交互。虚拟现实概述特点：参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，但是本钱也相对较低，因而，应用比较广泛。虚拟现实概述2．沉浸型虚拟现实高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。虚拟现实概述特点：高度的实时性高度的沉浸感支持多种I/O交互设备并行虚拟现实概述3．增强现实型虚拟现实增强现实型虚拟现实不仅是利用虚拟现实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。虚拟现实概述例如：战机飞行员的平视显示器，它可以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，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。虚拟现实概述4．分布式虚拟现实如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，那虚拟现实那么提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。虚拟现实概述在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以到达协同工作的目的。目前最典型的分布式虚拟现实系统是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。通过世界上最大的投入式仿真网络设备SIMNET，美国和欧洲的军事人员正在搞战争演习和仿真的恐怖分子袭击，为防范真的出现这些情况作准备。虚拟现实概述四、人机接口设备交互性是虚拟现实系统的首要特性，为了允许人机交互，必须使用特殊的人机接口与外设，既要允许用户信息输入到计算机，也要使计算机能反响信息给用户。虚拟现实概述视觉、听觉、触觉等。虚拟现实概述〔一〕理想的视觉显示与日常经历中的场景比照，在质量、修改率和范围方面应该是无法区分的。但是当前的技术还不支持这种高真实度的视觉显示，而且也不清楚是否多数应用要求这种高真实度。对任何给定的应用，必须认真评价各种显示特性的重要性，这包括视觉特性〔视场、分辨率、亮度、比照和彩色〕，人类工程学，平安，可靠和价格。视觉显示的根本要求是提供立体视觉。虚拟现实概述立体视觉的原理：当我们看现实世界或者是3D电影时，一项称之为双眼差异〔binoculardisparity〕的因素可以极大的影响我们的视觉。也许这个名次听上去有些抽象，不过我来简单的解释一下，你肯定能明白：先闭上右眼仅用左眼看一个物体，伸出你的一根指头放在你的眼睛和物体之间，并且保持指头和物体在一条直线；然后再闭上左眼仅用右眼看，我们会发现手指头和这个物体并不在一条直线上，而且我们会发现看到的物体会有所不同。这说明，我们的双眼是通过两个不同的位置来观察世界的——双眼的一般距离是2.5英寸。我们的大脑通过把双眼得来的这两幅略有差异的图像进行处理，就可以在场景中相应的位置生成正确的三维图像。〔如图示〕虚拟现实概述图中表示两眼光轴平行的情况，相当于两眼注视远处。内瞳距〔IPD〕是两眼瞳孔之间的距离。两眼空间位置的不同，是产生立体视觉的原因。F是距离人眼较近的物体B上的一个固定点。虚拟现实概述左面的两眼的视图说明，F点在视图中的位置不同。这种不同就是立体视差。人眼也可以利用这种视差，判断物体的远近，产生深度感。这就是人类的立体视觉，由此获得环境的三维信息。VR应用有两类主要的视觉显示光学系统：头盔显示和非头盔显示。立体液晶显示器抛物线投影仪立体投影4D-Vision50屏幕的外层有着特殊的光学涂料，这层涂料会针对通过的波长加以过滤筛选。这层过滤的动作会将每个色彩的元素所发射出来的光线方向个别定义并且重组光线投射状态，也就是说，不同的色彩运动会在屏幕前方在不同的角度表现出来而因此成为一个3D立体的呈现。更棒的是，这款屏幕使用了8个镜头，每一个镜头都可以追踪使用者再屏幕前的位置，使用者的视觉距离平均可以到6.5cm(2.5")，如此一来，屏幕前所有的使用者无论在什么位置都可以欣赏到完美的3D立体影像。虚拟现实概述以数据头盔为例，在数据头盔中集成了以下几种设备：虚拟现实概述1、高清晰显示器：其形状就象一个大夜视仪，安装在头盔的前部，按面部曲线紧贴着眼睛以消除眼睛的视线空隙而增加真实感。由于采用先进的聚焦技术，从而确保了用户在如此近的距离上能有效地收看到清晰的图像，同时先进的图像广角技术将最大限度地模仿人类眼睛的超宽视野效果。虚拟现实概述2、眼部跟踪器：位于眼睛的四周，通过观察眼肌微小的动作来分析眼睛正在注视的方向，并产生一个相应的数字信号作为反响信息发送给反响信息处理设备，之后ＶＲ处理器经过处理，从真实存在处理设备中送来此时眼睛应该看到的图像。

虚拟现实概述3、三维立体声耳机：为了使虚拟环境更为真实就必须采用三维立体声耳机。在这种耳机中每侧各有假设干个与人耳的距离、角度都不相同的小型高保真扬声器，通过控制这些扬声器中音频信号的电平〔音量〕和相位〔延时〕来虚拟出一个逼真的三维音响空间。虚拟现实概述4、头部方位跟踪器：确定头部的位置对于ＶＲ很重要，这将直接影响ＶＲ处理器从数据库中调取什么数据。比方将眼睛〔也就是头部〕移向一个物体时应该看到这个物体逐渐变大，那么如何让ＶＲ处理器知道你正移向该物体呢？这就是头部方位跟踪器的作用。虚拟现实概述5、高保真话筒：这是用来传送用户语言信息的装置，用智能语音识别器〔包含于反响信息处理设备〕加以处理而得出相应的处理指令，交处理器处理。例如你说了声“请将图像放大〞，经过语音识别后就会向处理器发送将图像放大的命令，当然还可用于与ＶＲ中虚拟出来的人物对话。

虚拟现实概述6、模拟触觉器：举个例子，假设你在ＶＲ中头撞在墙上，为了模拟得更为逼真，有必要给头部类似的刺激，以产生撞在墙上的感觉，从而大大增加了ＶＲ的真实感。从这个例子中就很容易知道模拟触觉器的作用了。虚拟现实概述〔二〕数据手套为了有更大的基于手姿的交互，必须要求I/O工具能处理手在一定空间的自由运动。也希望通过感觉单个手指的运动，得到更多的自由度。人的手指动作有"弯曲-伸直"，也有侧向"外展-内收"。此外，拇指动作有"前位-复位"，前位使拇指与手掌相对。虚拟现实概述

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传感手套是为满足上述要求而设计的虚拟现实工具。商业化的产品有VPL公司的DataGlove，Vertex的CyberGlove，Mattel的PowerGlove，和ExosDextrousHand。虚拟现实概述1.DataGlove〔数据手套〕

至今应用最多的传感手套是VPL公司的数据手套DataGlove，它也是第一个推向市场的。传感手套使用光纤，光纤安装在轻便且有弹性的Lycra手套上。它还使用Isotrack3-D位置传感器。手指的每个被测的关节上都有一个光纤维环。纤维经过塑料附件安装，使之在手指弯曲时作小的移动。在标准的布局中，每个手指反面只安装两个传感器，以便测量主要关节的弯曲运动。光纤传感器的优点是轻便和紧凑，用户戴上手套感到很舒适。为了适应不同用户手的大小，数据手套DataGlove有三种尺寸：小号、中号和大号。虚拟现实概述

2.CyberGloveCyberGlove是另一种手套，它使用线性传感器。1992年底，VPL倒闭，CyberGlove已经取代了DataGlove。CyberGlove把很薄的应变电测量片放在弹性的尼龙合成材料上。手掌区〔和某些模型的指尖〕不覆盖这种材料，以便透气，并允许通常的活动，如打字和写字等。这样一来，手套就很轻并容易戴。虚拟现实概述

3.PowerGlove很廉价的产品。它的价格只有约50美元，并在1989年大量销售，用于基于手套的电子游戏。为了保持低价格，手套设计使用了很多廉价的技术。手腕位置传感器是超声传感器，超声扬声器放在PC监视器上，而超声麦克风放在手腕上。虚拟现实概述

4.DextrousHandMaster〔灵巧手设备〕1990年Exos公司推出的DextrousHandMaster是戴在用户手背上的金属外骨架结构。每个手指有4个传感器，五个手指就有20个传感器。结构的设计很仔细，使手组织柔软性的影响最少。专门设计的夹紧弹簧和手指支撑保证在手的全部运动范围内设备的紧密配合。设备是用可调的Velcro带子安装在用户手上。附加的支撑和可调的杆使之适应不同用户手的大小。这些复杂的机械设计造成了高本钱〔至今最昂贵的传感手套〕。虚拟现实概述在数据靴中，还装有测距仪，用来测量用户移动时的步长，与三维角度计配合就可以得出用户移动的速度和方向等即时数据，通过信息反响设备反响给处理器以提供相应的各种资料，而让用户可以自由自在的在ＶＲ中漫游。虚拟现实概述

数据背心与上述装备的功能差不多，它主要用来跟踪用户身体的动作和姿态来产生相应的需求信号供ＶＲ处理器处理。

〔一〕ＶＲ技术的组成ＶＲ所包括的技术种类很多，这其中又有多个分支，对于不同类型的原体还要涉及与之相关的学科。对此在国外也未能严格细致地加以划分与确定，但公认的根底技术主要有以下３个方面：

三、VR系统的技术组成及主要特征１．人机接口技术：

人机接口技术就是人与计算机相互影响与控制的技术，它是实现ＶＲ的关键。我们常用的键盘、鼠标、显示器其实就是一种人机接口设备，当然这是很原始的设备。７０年代创造的数据手套、８０年代出现的内置立体显示装置的数据头盔和语音识别、手写输入板都是高一级的人机接口设备。在技术上，三维数据的交互传输是必不可少的，这会让计算机更准确地知道你在干什么，从而做出正确的反响，而你也会因此感到在此根底上虚拟出来的环境更为真切。同时人机接口技术与人机工程学的关系越来越密切，使人机接口设备与人形成一体，将来电脑与人合二为一，你将会忘记计算机的存在。

２．模拟仿真技术：这是影响ＶＲ效果好坏的重要因素。我们要模拟一个人的动作时，肯定会分析这个人做这个动作的特点，然后按这个特点去模仿。模拟仿真技术直接影响计算机在模拟方面的能力。在计算机模拟领域里，仿真数字模型是关键的技术，模型建得越好、越细致，将意味着对原体的模拟越真实。３．真实存在技术：在国外，人们称之为Immersion〔沉浸〕。为了通俗一点，暂将其命名为真实存在。这是VR对人产生影响的关键之处。它包括声音、图像和对人体其它感官的刺激，因为这些是人类对所处环境的最真实的认识和感受。很明显，它包括了尖端的多媒体数据处理技术，这些数据处理的质量与快慢和计算机的水平是息息相关的，因此真实存在技术的开展是与计算机的开展紧密相连。虚拟现实概述

影子模拟就是一种极为先进的遥控技术。举个简单的例子：你抬起右腿，此时一个千里以外的“人〞也抬起右腿，你转动头部，那个“人〞也同时这么干，他就象你的一个影子，只不过离你很