虚拟现实概论

第一章

虚拟现实概论主讲教师：贾金原助教：杨寒冰联络方式Q:605360422email:tongjissevr@同济大学软件学院图形图像研究中心虚拟现实概论第1页第1章虚拟现实概论--纲领1.1 虚拟现实技术概念1.2 虚拟现实技术发展史1.3 虚拟现实系统介绍1.4虚拟现实技术特征1.5 虚拟现实与动画和游戏区分1.6 虚拟现实系统分类1.7虚拟现实技术应用领域1.8虚拟现实技术研究现实状况虚拟现实概论第2页1.1 虚拟现实（VirtualReality）基本概念

虚拟现实是一个逼真视、听、触觉一体化计算机生成环境，用户能够借助必要装备以自然方式与虚拟环境中物体进行交互作用、相互影响，从而取得亲临等同真实环境感受和体验。

虚拟现实=Virtual+Reality虚拟现实是虚拟化、数字化现实环境，它忠于现实，更能够超越现实！虚拟现实概论第3页1.2 虚拟现实技术发展史

虚拟现实技术（VirtualReality）简称VR技术，是20世纪末逐步兴起一门综合性信息技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体、传感器、网络以及并行处理等多个信息技术分支最新发展结果。虚拟现实概论第4页1.2 虚拟现实技术发展史1929年，EdwardLink设计出用于训练飞行员模拟器1956年，MortonHeilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama虚拟现实概论第5页1.2 虚拟现实技术发展史1965年，IvanSutherland发表论文“UltimateDisplay”（终极显示）1968年，IvanSutherland研制成功了带跟踪器头盔式立体显示器（HeadMountedDisplay，HMD）虚拟现实概论第6页1.2 虚拟现实技术发展史1972年，NolanBushnell开发出第一个交互式电子游戏Pong1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第一个数据手套——SayreGlove20世纪80年代，美国国家航空航天局（NASA）组织了一系列相关VR技术研究：1984年，NASAAmes研究中心M.McGreevy和J.Humphries开发出用于火星探测虚拟环境视觉显示器；1987年，JimHumphries设计了双目全方位监视器（BOOM）最早原型。

虚拟现实概论第7页1.2 虚拟现实技术发展史1990年，在美国达拉斯召开SIGGRAPH会议上为VR技术发展确定了研究方向，明确提出VR技术研究主要内容包括:实时三维图形生成技术、多传感器交互技术、高分辨率显示技术。从20世纪90年代开始，VR技术研究热潮也开始向民间高科技企业转移。著名VPL企业开发出第一套传感手套命名为“DataGloves”，第一套HMD命名为“EyePhones”。进入二十一世纪后，VR技术更是进入软件高速发展时期，

一些有代表性VR软件开发系统不停在发展完善，如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。虚拟现实概论第8页1.3虚拟现实系统介绍经典VR系统主要由：计算机软件系统VR软件VR环境数据库计算机硬件系统

VR输入设备VR输出设备虚拟现实概论第9页1.4虚拟现实特征传统三个特征（3个I）沉醉感(Immersion)参加者全身心地沉醉于计算机所生成三维虚拟环境，并产生身临其境感觉。交互性

(Interaction)参加者能够利用各种感官功效及人类自然技能对虚拟环境进行交互考查与操作。构想性(Imagination)参加者借助VR系统给出逼真视听触觉信号而产生对虚拟空间想象虚拟现实概论第10页1.4 虚拟现实技术特征--沉醉感VR技术沉醉感：又称临场感，是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中真实程度。VR技术最主要特征。影响沉醉感主要原因包含多感知性、自主性、三维图像中深度信息、画面视野、实现跟踪时间或空间响应及交互设备约束程度等。虚拟现实概论第11页1.4 虚拟现实技术特征--交互性VR技术交互性：指用户对虚拟环境中对象可操作程度和从虚拟环境中得到反馈自然程度（包含实时性）。主要借助于各种专用设备（如头盔显示器、数据手套等）产生，从而使用户以自然方式如手势、体势、语言等技能，如同在真实世界中一样操作虚拟环境中对象。虚拟现实概论第12页1.4虚拟现实技术特征—想象力VR技术想象力：指用户在虚拟世界中依据所获取各种信息和本身在系统中行为，经过逻辑判断、推理和联想等思维过程，伴随系统运行状态改变而对其未来进展进行想象能力。对适当应用对象加上虚拟现实创意和想象力，能够大幅度提升生产效率、减轻劳动强度、提升产品开发质量。虚拟现实概论第13页1.5虚拟现实与三维动画区分（1）真实性

三维动画－－场景画面由动画制作人员依据材料或想象直接画制而成，与真实环境和数据有较大差距，属于演示类艺术作品。虚拟现实－－虚拟环境由基于真实数据建立数字模型组合而成，严格遵照工程项目设计标准和要求，属于科学仿真系统。操纵者亲身体验虚拟三维空间，身临其境。交互性三维动画－－只能如电影一样单向演示，场景改变，浏览路径，需要预先指定，无法改变。画面需要事先制作生成，耗时、费劲、成本较高。没有互动性。

虚拟现实－－操纵者能够实时感受运动带来场景改变，步移景异，并可亲自布置场景，含有双向互动功效。

虚拟现实概论第14页1.5虚拟现实与三维动画区分（2）时间性三维动画－－受动画制作时间限制，无法详尽展示，性价比低。虚拟现实－－没有时间限制，可真实详尽地展示，并能够在虚拟现实基础上导出动画视频文件，一样能够用于多媒体资料制作和宣传，性价比高。应用性三维动画－－只适合简单演示功效。虚拟现实－－在实时三维环境中，支持方案调整、评定、管理、信息查询等功效，适合较大型复杂工程项目标规划、设计、投标、报批、管理等需要，同时又含有更真实和直观多媒体演示功效。

虚拟现实概论第15页1.5分布式虚拟现实与网络游戏区分网络游戏普通是基于C/S需要安装客户端客户端通常很大（对客户端配置有要求）以娱乐为目标用户通常有耐心等候下载和安装（Web）VR不需要安装客户端Down-and-Play下载即观看以宣传和展示为目标用户没有耐心等候下载和安装假如2分钟内还看不到东西就放弃了虚拟现实概论第16页1.6虚拟现实系统分类

桌面式VR系统（DesktopVR）沉醉式VR系统（ImmersiveVR）增强式VR系统（AugmentedVR）分布式VR系统（DistributedVR）基于网页VR系统（WebVR）

虚拟现实概论第17页1.6 虚拟现实系统分类

桌面式VR系统使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间交互场景。用户会受到周围现实环境干扰而不能取得完全沉醉感，但因为其成本相对较低桌面式VR系统依然比较普及。虚拟现实概论第18页1.6 虚拟现实系统分类

沉醉式VR系统利用头盔显示器、洞穴式显示设备和数据手套等交互设备把用户视觉、听觉和其它感觉封闭起来，而使用户真正成为VR系统内部一个参加者，产生一个身临其境、全心投入并沉醉其中体验。与桌面式VR系统相比，沉醉式VR系统主要特点在于高度实时性和沉醉感。虚拟现实概论第19页1.6虚拟现实系统分类

增强式VR系统(AugmentedReality,AR)允许用户对现实世界进行观察同时，将虚拟图像叠加在真实物理对象之上。为用户提供与所看到真实环境相关、存放在计算机中信息，从而增强用户对真实环境感受，又被称为叠加式或补充现实式VR系统。能够使用光学技术/视频技术/传感器技术来实现。实中有虚，使实更实！增强虚拟混合现实虚拟现实概论第20页1.6虚拟现实系统分类

分布式VR系统(DVR)指基于网络构建虚拟环境，将位于不一样物理位置多个用户或多个虚拟环境经过网络相连接并共享信息，从而使用户协同工作到达一个更高境界。主要被应用于远程虚拟会议、虚拟医学会诊、多人网络游戏、虚拟战争演练等领域。虚拟现实概论第21页1.6

分布式虚拟现实

DistributedVirtualReality概念在互联网上构建一个逼真而互动三维虚拟空间特点分布于不一样地理位置多台计算机经过网络互联允许多用户之间进行实时互动虚拟现实概论第22页1.6分布式虚拟现实特点我扩充DVR新3个I智能性(Intelligence)虚拟人H-Anim（国际标准）DigitalStorytellingAIML、ICML（讲故事、多人聊天、人机对话）集成性(Integration)图形、图像、音频、视频、文本、GIS、遥感影像等互联网(Internet)-基于WebVR－WebVR基于WebGraphics虚拟城市－虚拟小区SecondLife,GoogleEarth,VirtualEarth虚拟现实概论第23页1.7虚拟现实技术应用领域教育与训练设计与规划

科学计算可视化

商业领域

艺术与娱乐虚拟现实概论第24页1.7虚拟现实技术应用领域教育与训练

虚拟现实技术能使学习者能直接、自然地与虚拟对象进行交互，以各种形式参加事件发展改变过程，并取得最大控制和操作整个环境自由度。1、仿真教学与试验2、特殊教育3、各种专业训练4、应急演练和军事演练虚拟现实概论第25页1.7虚拟现实技术应用领域设计与规划

虚拟现实已被看作是设计领域中唯一开发工具。它能够防止传统方式在原型制造、设计和生产过程中重复工作，有效降低成本，应用领域包含汽车制造业、城市规划、建筑设计等。虚拟现实概论第26页1.7虚拟现实技术应用领域科学计算可视化

科学可视化功效就是将大量字母、数字数据转换成比原始数据更轻易了解各种图像，并允许参加者借助各种虚拟现实输入设备检验这些“可见”数据。它通常被用于建立分子结构、地震以及地球环境等模型。虚拟现实概论第27页1.7虚拟现实技术应用领域商业领域VR技术被逐步应用于网上销售、客户服务、电传会议及虚拟购物中心等商业领域。它能够使客户在购置前先看到产品外貌与内在，甚至在虚拟世界中使用它，所以对产品推广和销售都很有帮助。虚拟现实概论第28页1.7虚拟现实技术应用领域艺术与娱乐VR技术所含有身临其境感及实时交互性还能将静态艺术（如油画、雕刻等）转化为动态形式，使观赏者更加好地观赏作者思想艺术，包含虚拟画廊、虚拟音乐厅、文物保护等方面。娱乐是VR系统另一个主要应用领域，市场上已经推出了多款VR环境下电脑游戏，带给游戏者强烈感官刺激。虚拟现实概论第29页1.8虚拟现实技术研究现实状况

国外研究现实状况介绍美国是VR技术发源地，有美国宇航局（NASA）、麻省理工学院（MIT）媒体试验室、华盛顿大学人机界面技术试验室（HITLab）等许多著名研究机构。美国在虚拟现实领域基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。虚拟现实概论第30页1.8 虚拟现实技术研究现实状况

国外研究现实状况英国主要有四个从事VR技术研究中心，包含Windustries企业、BritishAerospace企业、DimensionInternational企业、DivisonLTD企业等。日本主要致力于建立大规模VR知识库和人机接口方面研究项目上，在VR游戏方面研究也处于领先地位。另外，国外还研制出多个用于开发应用程序VR软件开发平台，比如美国Sense8企业WorldToolKit（WTK），爱荷华州立大学虚拟现实应用中心VRJuggler，DenebRobotics企业ENVISION，英国Superscape企业VRT，Division企业dVISE等。虚拟现实概论第31页1.8虚拟现实技术研究现实状况

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