虚拟现实概论

VR基本含义1应用领域研究成果虚拟现实中的问题234研究方向(前景)5主要内容：

基本含义1.基本含义1.VR地理信息学：存在于计算机系统中的逻辑环境，通过输出设备模拟显示现实世界中的三维物体和它们的运动规律和方式。

1.1科技名词定义（virtualreality）VR通信科技学：利用计算机发展中的高科技手段构造的，使参与者获得与现实一样的感觉的一个虚拟的境界。资源信息学：一种模拟三维环境的技术，用户可以如在现实世界一样地体验和操纵这个环境。虚拟现实技术是一种综合应用计算机图形学、人机接口技术、传感器技术以及人工智能等技术，制造逼真的人工模拟环境，并能有效地模拟人在自然环境中的各种感知的高级的人机交互技术。1.2详细定义VR沉浸感(Immersion)：又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。1.3基本特征VR交互性(Interaction)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。构想性(Imagination)指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。多感知性（Multi-Sensory）：指除了一般计算机技术所具有的视觉之外，还有听觉、力觉、触觉、运动感，甚至包括味觉、嗅觉等。1.4实现过程VR虚拟现实利用计算机技术生成逼真的、具备视、听、触、嗅、味等多种感知的虚拟环境。它借助于计算机生成一个三维空间，通过将用户置身于该环境中，借助轻便的多维输入输出设备(如跟踪器、头盔显示器、眼跟踪器、三维输入设备和传感器等)和高速图形计算机，并根据由此而产生的一种身临其境的感觉，去感知和研究客观世界的变化规律。虚拟现实的技术实质在于提供一种高级的人机接口。虚拟现实技术改变了人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，给用户提供了一个趋于人性化的虚拟信息空间。1.5技术优点VR虚拟现实的出现，使人们从纷繁复杂的数据中解放出来，这种形式是传统表现方式所无法比拟的，它给人们提供了一个崭新的信息交流平台。1.6技术支持VR虚拟现实计算机图形学人工智能传感技术人工交互技术是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术。

是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。

复杂的逻辑控制；模拟实时的相互作用；模拟人脑所有的智能行为；模拟复杂的时空关系，主要涉及时间与空间的同步等问题；感觉的表达，包括人的听觉、视觉、触觉、味觉和嗅觉的计算机表达；实时数据采集、压缩、分析、解压缩；支持与虚拟环境交互的定位、操纵、导航等。1.7软件要求VR构造一个虚拟环境，在硬件方面需要有以下几类设备的支持：1.8硬件要求

跟踪系统：用以确定参与者的头、手和身躯的位置；触觉系统：提供参与者感知力与压力的反馈；音频系统：提供立体声源和判定空间位置；高性能计算机处理系统：具有高处理速度、大存储量、强联网特性。图像生成和显示系统：产生视觉图像和立体显示；VR

应用领域2.

应用领域2.VR飞行模拟是虚拟现实技术应用的先驱。通过模拟器训练飞行员是一条有效的途径，同时，飞行模拟器可以作为一种试验床，对飞机的操纵性、稳定性和机动性进行测试和评定，较容易分析飞机气动参数的修改对飞行品质的影响。2.1飞行模拟VR最为成功的例子就是“哈勃望远镜的修复和维护”。经过这个虚拟系统的训练，宇航员于1993年12月，成功地完成了从航天飞机上取出备件更换哈勃太空望远镜上损坏的MRI这一复杂而又费时的任务。2.2空间技术VR

虚拟现实可以用于教学、复杂手术过程的规划、在手术过程中提供操作和信息上的辅助、预测手术结果等。此外，远程医疗服务也是一个很有潜力的应用领域。也可以用于医学心理学，尤其是在与心理失调有关的恐惧和忧虑疾病方面。2.3医学方面VR虚拟战场既通过建立虚拟战场环境来训练军事人员，同时又可以通过虚拟战场来检查和评估武器系统的性能。2.4虚拟战场和科学计算可视化VR在科学计算可视化中数据——算法对应——图像，不同颜色代表不同警戒程度，色块之间可渐变也可突变。如家庭中的桌面游戏，公共场所的各种仿真等。目前基于虚拟现实技术的游戏主要有驾驶型游戏、作战型游戏和智力型游戏三类。在北京奥运会的开幕式中也用到了虚拟现实的技术。三维沙盘软件：包括各种活动的三维动画展示。2.5娱乐游戏VR按使用目的分类：展示：包括直接展示和间接展示，其中间接展示如科学计算可视化。预测：如产品设计，项目管理。体验：主要在市场营销的销售环节。训练：目的是与现实世界接轨，或使受训者更容易适应真实环境。2.6其他分类VR

研究成果3.

研究成果3.VR

游戏成果1.

医疗成果2.

军事成果3.

古迹成果4.VR主要成果中国海警某型主力艇虚拟仿真虚拟现实&视景仿真技术在军事上的应用虚拟现实技术中的问题4.虚拟现实技术中的问题4.VR硬件问题软件问题自身问题引发的问题VR问题由于硬件的诸多局限性，使得软件的开发费用十分惊人，而且软件所能实现的效果受到时间和空间的很大影响，算法和许多相关理论也很不完善。另外，人们对大脑和人类行为的认识还需进一步提高。

数据存储设备的速度、容量还十分不足，而显示设备的昂贵造价和它显示的清晰度等问题也没能很好地解决，为VR制造的大部分专用设备不但造价高、使用起来很不方便、效果有限，而且局限性很大，还不能达到人们的要求，更不能达到VR所定义的那种环境软硬件问题自身问题虚拟环境感知信息合成的真实性环境表示的准确性人与虚拟环境交互的自然性实时显示的问题

智能技术图形生成的问题

发展方向5.

发展方向(前景)5.VR虚拟现实技术研究内容很广，基于现在的研究成果及国际上近年来关于虚拟研究前沿的学术会议和专题讨论，VRML技术在目前及未来几年的主要研究方向有以下几个。概述VR1.感知研究领域2.人机交互界面3.高效的软件和算法4.廉价的虚拟现实硬件系统5.智能虚拟环境从目前虚拟现实技术在感知方面来说，视觉方面较为成熟，但对其图像的质量要进一步加强；在听觉方面应加强听觉模型的建立，提高虚拟立体声的效果，并积极开展非听觉研究；在触觉方面，要开发各种用于人类触觉系统的基础和VR触觉设备的计算机控制的机械装置。

感知研究领域VR人机交互界面VR开展独立于应用系统的交互技术和方法的研究，建立软件技术交换机构以支持代码共享、重用和软件投资，并鼓励开发通用性软件维护工具。积极开发满足虚拟现实技术建模要求的新一代工具软件计算法、虚拟现实建模语言的研究、复杂场景的快速绘制及分布式虚拟现实技术的研制。高效的软件和算法VR基于虚拟现实技术的硬件系统价格相对比较昂贵，是影响VRML技术应用的一个瓶颈。虚拟现实技术的主要研究方向是在外部空间的实用跟踪技术、力反馈技术、嗅觉技术及面向自然的交互硬件设备。廉价的虚拟现实硬件系统VR

智能虚拟环境是虚拟环境和人工智能与人工生命两种技术的结合。它涉及多个不同学科，包括计算机图形、虚拟环境、人工智能与人工生命、仿真、机器人等。该项技术的研究将有助于开发新一代具有行为真实感的实用虚拟环境，支持分布式虚拟环境中的交互协同工作。智能虚拟环境VR2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第38

页第一讲虚拟现实概论1.虚拟现实技术2.虚拟现实系统分类3.虚拟现实系统硬件组成4.虚拟现实研究内容5.增强现实与随身增强现实2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第39

页1.虚拟现实技术虚拟现实技术、多媒体技术和网络技术是21世纪三大最具发展潜力的计算机技术。虚拟现实(VirtualReality,VR)是由美国VPL公司的JaronLanier在1989年创造的一个新词。它通常是指头盔显示器、数据手套等一系列新型交互设备构造出的用以体验或感知虚拟境界的一种计算机软、硬件环境，用户使用这些高级设备以自然的技能向计算机发送各种指令，并得到环境对用户视觉、听觉、触觉等多种感官信息的实时反馈。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第40

页1.虚拟现实技术(续)世界上首个具有虚拟现实思想的装置是由MortonHeilig在1962年研制成功的，它是一种被称之为Sensorma的具有多种感官刺激的全景式立体电影设备。该设备主要由三维视频组成，并具有立体声功能，能产生不同的气味，能产生自然风的吹拂，座椅还可以随剧情变化而振动。虚拟现实技术在很大程度上基于计算机图形学技术发展而来。1965年，IvanSutherland博士发表”TheUltimateDisplay”一文，提出了一种全新的图形显示技术。观察者可以自然地转动头部和身体即可改变视点，所看到的场景即计算机生成的虚拟境界也将实时地发生变化；观察者还可以以自然的方式直接与虚拟境界中的对象进行交互操作。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第41

页1.虚拟现实技术(续)虚拟现实可以概括为3个方面：真实性、沉浸性和交互性。真实性是指由计算机生成看起来像真的、听起来像真的、触摸起来像真的虚拟境界，该境界同时还可以向介入者提供视觉、听觉、触觉等多种人类具有的感官刺激。沉浸性是指计算机控制下的虚拟境界应给人一种身临其境的沉浸感。交互性是指人能以纯自然方式与虚拟境界中的对象进行交互操作，即不使用鼠标、键盘等常规设备，而要求使用手势、体势、人类语言等自然方式进行交互操作。能够满足以上要求的系统称之为虚拟现实系统，构建此系统所需要的各种软、硬件技术被定义为虚拟现实技术。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第42

页1.虚拟现实技术(续)理论上，可以将虚拟现实简明定义为：由计算机及其软硬件技术生成的，给人多种感官刺激的虚拟境界(VirtualEnvironment，VE，虚拟环境)2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第43

页1.虚拟现实技术(续)(1)多种感官刺激感官刺激说明装置视觉感知可见光听觉感知声波嗅觉感知空气中的化学成分味觉感知液体中的化学成分触觉以皮肤感知力觉以肌肉、关节和肌腱等感知身体感觉感知肢体或身躯等前庭感觉平衡感知2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第44

页1.虚拟现实技术(续)(2)虚拟现实本质上是一种人机交互系统，而且是一种高级的人机交互系统。定义没有特别强调沉浸感，隐含表明虚拟现实可分为”沉浸式”和”非沉浸式”两种。算法结构清晰，层次分明，便于算法正确性的证明和复杂性的分析。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第45

页1.虚拟现实技术(续)2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第46

页1.虚拟现实技术(续)VRML1.0VRML2.0VRML97X3DX3D由4部分组成：结构和基本组件、应用程序接口、XML编码及VRML97编码。XML是新出现的具有强大生命力的网络通用语言规范，它本身所具有的良好的数据存储格式。可扩展性、高度结构化、便于网络传输等特点，决定了其卓越的性能表现，使其成为未来网络开发的通用语言。目前，虚拟现实系统已由单机系统发展到分布式虚拟现实系统，进一步还要发展到支持协同工作的分布式虚拟现实系统，即由过去只支持多用户共享，发展到需要支持以多人相互感知、协同操作等为目的的协同感知领域。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第47

页1.虚拟现实技术(续)存在的问题视觉真实感知和实时化问题听觉感知问题交互性问题2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第48

页1.虚拟现实技术(续)虚拟现实的价值沉浸性体验意味着体验，那么体验的目的终将落实于对环境的操作和改造。虚拟现实中人与虚拟环境的交互，本质上意味着它不是预成的而是生成的、不是因循的而是创新的，空间想象力所要表达的正是虚拟现实的这一秉性。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第49

页2.虚拟现实系统分类按时空概念分类由传感器测得的真实世界的时间和空间概念以及沉浸在虚拟境界中的人所感知的时间和空间概念。对准的(Aligned)有偏移的(Displaced)经缩放的(Scaled)2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第50

页2.虚拟现实系统分类(续)按传感器与人的感官分类视觉听觉触觉前庭器官嗅觉或味觉2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第51

页2.虚拟现实系统分类(续)按隔离与融合分类隔离是指计算机生成的虚拟境界被人所感知时与人所处的真实世界相互隔离，即用户既看不到真实世界系统、也听不到真实世界声音，完全被虚拟环境所封闭，该类系统即称为沉浸式虚拟现实系统。融合是指计算机生成的虚拟境界可以叠加在人所能感知的真实世界之上，即虚拟境界直接与人看到的真实世界叠加在一起，该类系统近年来被称之为增强现实系统。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第52

页3.虚拟现实系统硬件组成虚拟现实系统的硬件由4部分组成：虚拟境界生成设备，感知设备、跟踪设备和基于自然方式的人与环境交互设备。1.虚拟境界生成设备虚拟境界生成设备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。虚拟现实系统对于计算机硬件的图形处理性能要求较高。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第53

页3.虚拟现实系统硬件组成(续)虚拟境界生成设备的主要功能如下：(1)视觉通道信号的生成与显示。(2)听觉通道信号的生成与展示。(3)触觉与力觉通道信号。(4)支持实时人机交互操作，包括3维空间定位、碰撞检测、语音识别以及人与环境实时对话环境。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第54

页3.虚拟现实系统硬件组成(续)(2)感知设备视觉感知设备。听觉感知设备。触觉感知设备。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第55

页3.虚拟现实系统硬件组成(续)(3)跟踪设备跟踪设备是用于跟踪并检测用户位置和朝向的装置，用于虚拟现实系统中基于自然方式的人机交互操作。跟踪设备一般都由一个或多个信号发射器以及多个接受器组成。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第56

页3.虚拟现实系统硬件组成(续)(4)人与环境交互设备虚拟现实系统所使用的交互设备应用手势、体势、眼势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、眼球跟踪器以及语音识别装置。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第57

页4.虚拟现实研究内容虚拟现实的研究内容大致可分为虚拟现实技术及虚拟现实应用两大类。虚拟现实技术人机自然交互技术基于图形学的研究基于图像的建模和渲染碰撞技术基于Internet的研究声音技术。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第58

页4.虚拟现实研究内容(续)虚拟现实应用真实世界仿真。抽象概念建模，也称为可视化。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第59

页5.增强现实与随身增强现实增强现实概念增强现实是虚拟现实技术领域中产生的一个新兴的研究方向。虚拟现实强调沉浸感，要求使人感觉与其所处的环境完全隔离。增强现实作为对真实世界的一种补充和增强，丰富了用户对真实世界的感知和人机交互。增强现实具有以下3个主要特征：真实世界与虚拟境界要求在三维空间上加以整合。具有实时人机交互功能。增强特征适用于所有感知通道，不仅有景象，还应包括声音等；也可以使用增强技术实现削。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第60

页5.增强现实与随身增强现实(续)增强现实系统构造一个增强现实系统的核心是如何将真实世界与虚拟境界在视觉领域完美融合，现有两类基本技术加以实现：基于光学的技术和基于视频的技术。基于光学技术实现虚拟融合的基本原理是通过半透明、半反射的光学镜片将虚拟境界和真实世界叠加在一起；基于视频技术实现虚拟现实融合的基本原理是通过摄像机将真实世界采样图像在图形处理器中与虚拟对象叠加在一起后再显示出来。基于光学的透视式HMD实现方法是把光学融合器放置在用户眼前来实现增强现实的。基于视频的封闭式HMD实现方法是把一个封闭的视频头盔同1-2个视频摄象机结合在一起。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第61

页5.增强现实与随身增强现实(续)基于光学方法的主要优点有：简单和廉价。显示分辨率高。系统安全性好。无眼睛位置偏移。2023/6/28江西农业大学计算机与信息工程学院第62

页5.增强现实与随身增强现实(续)基于视频技术