第1章　虚拟现实技术概论-1.1VR技术简介

第1章虚拟现实技术概论

1.1VR技术简介

.目录.2.VR技术特征

.3.

VR技术体系

.4.

VR系统的分类

.1

.VR发展历史

1.1.1VR发展历史1.1.1VR发展历史1.1.1VR发展历史

VR技术的概念和研究目标的形成与相关科学技术，特别是计算机科学技术的发展密切相关。人们甚至尝试过很多方式，用一种足以以假乱真的方式再现现实。最早的VR起源可以追溯到17世纪末和18世纪初。现实主义艺术家创作了作品，比如战争场景和更多不同主题的全景绘画，填满人们的视野。这之后才有更加技术化的实质推进。早在20世纪30年代，作家斯坦利·G·温鲍姆（StanleyG.Weinbaum）就在其小说《皮格马利翁的眼镜》中，提到了这样一种虚拟现实的眼镜。当人们戴上它时，可以看到、听到、闻到里面的角色感受到的事物，有如真实地生活在其中一般。历史证明，科幻小说是启发科学发展方向的先头部队。1.科学幻想在1957年，美国摄影师莫顿•海利希（MortonHeilig）发明了第一台原始VR设备Sensorama（1962年提交专利），这台设备被认为是VR设备的鼻祖。它非常庞大，屏幕固定，拥有3D立体声、3D显示、震动座椅、风扇（模拟风吹）以及气味生成器等设备及功能。第一台原始VR设备Sensorama，如图所示。可见早期人们对VR的理解，就已经不限于视觉。2.早期研究1965年，美国计算机科学家伊凡·萨瑟兰（IvanSutherland）发表论文TheUltimateDisplay（《终极显示》），1968年，萨瑟兰发明了最接近于现代VR设备概念的第一款头戴式VR显示Sutherland，因为其重量大，需要由一副机械臂吊在人的头顶，因此被戏称为“达摩克利斯之剑”，如图的所示。这个VR眼镜，通过超声和机械轴，实现了初步的姿态检测功能。当用户的头部姿态变化时，计算机会实时计算出新的图形，显示给用户。可以说，现代的VR眼镜，都是对“达摩克利斯之剑”的技术革新。Sutherland的诞生，标志着头戴式VR设备与头部位置追踪系统的诞生，为现今的VR技术奠定了坚实基础，萨瑟兰也因此被称为VR之父。2.早期研究3.概念产生和理论形成20世纪70年代至20世纪80年代，是整个虚拟技术理论和概念形成的时期，组成虚拟头盔的各种组件在技术上已经十分成熟。1987年，一位著名计算机科学家杰伦·拉尼尔（JaronLanier），利用各种组件“拼凑”出第一款真正投放市场的VR商业产品，这款VR头盔看起来有点像Oculus（目前市场主流的头戴式VR头盔之一），但10万美元的天价却阻碍了其普及之路。20世纪90年代，虚拟技术的理论已经非常成熟，但对应的VR头盔依旧是概念性的产品，展现了VR产品的尴尬之处——外形笨重、功能单一、价格昂贵。游戏公司任天堂1995年推出的VirtualBoy游戏主机（如图所示），由头戴式变成了三脚架支撑，画面显示是单一色彩——红色，仅仅在市场上生存了六个月就销声匿迹，VR游戏的首次尝试也就随之烟消云散，但也为VR硬件进军ToC（个人用户）市场打开了一扇门。4.第一次VR热潮5.2010sVR热潮重启现今VR产业火爆，起因是2012年OculusRift（一款头戴式显示器，如图所示）通过国外知名众筹网站KickStarter募资到160万美元开发费用，后来其被脸书公司以20亿美元的天价收购。而当时Unity（市场主流VR开发引擎）作为第一个支持Oculus的引擎，吸引了大批开发者投身VR项目的开发中。2014年谷歌发布了GoogleCardBoard（谷歌卡板，是谷歌推出的廉价VR眼镜，如图所示），让消费者能以非常低廉的成本，通过在盒子里面插入手机来体验VR世界，直接点燃了“MobileVR”（移动端VR）产品超级营销大战。5.2010sVR热潮重启2015年，HTCVIVE（由HTC与Valve联合开发的一款VR头显，如图所示）在2015年世界移动通信大会（MWC2015）上正式发布，2016年，索尼公布了PSVR（索尼公司推出的VR头显），随后大量的厂家开始研发自己的VR设备，VR新元年正式开始。VR技术的发展起伏跌宕，但大部分新技术，从概念出现到最终普及，都会经历一个起伏的阶段。业界有一条专门描述这个过程的曲线，叫做技术成熟度曲线（TheHypeCycle，如图所示）。了解技术成熟度曲线，可以帮助我们在新技术的应用过程中，更清晰地把握时机，做出正确的判断。1.1.2VR技术特征1.1.2VR技术特征1.1.2VR技术特征

VR技术已经逐渐影响我们的日常生活。通过观察你会发现，其实身边已经有许许多多VR存在。例如，现在街边随处可见的VR体验馆，商场里几乎都有的收费VR游戏区，许多移动设备端的购物软件也加入了VR购物模式，购房选房平台也加入了360度VR全景看房……由此可见，VR不仅离我们的生活不远，甚至可以说正在渗透进生活的各个环节中。与传统的模拟技术相比，VR技术的特点是：用户能够进入到一个由计算机系统生成的交互式的三维虚拟环境中，可以与之进行交互。通过用户与仿真环境的相互作用，并利用人类本身对所接触事物的感知和认知能力，启发用户的思维，让用户全方位地获取事物的各种空间信息和逻辑信息。沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和想象性（Imagination）VR技术有3个主要特征：沉浸性是指用户感受到被虚拟世界所包围，好像完全置身于虚拟世界中一样。VR技术最主要的技术特征是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由观察者变成参与者，沉浸其中，并参与虚拟世界的活动，如图所示。理想的虚拟世界应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前VR技术所具有的沉浸功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以借助于VR系统中的特殊硬件设备（如数据手套、力反馈装置等）去直接抓取模拟环境中虚拟的物体。这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，在视野中，被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动，如图所示。用户能通过自然的方式，产生同在真实世界中一样的感觉。想象性指虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象会体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。VR技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类的认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以构想客观不存在的，甚至是不可能产生的环境，如图所示。1.1.3VR技术体系1.1.3VR技术体系1.1.3VR技术体系VR技术的目标是由计算机生成虚拟世界，用户可以与之进行视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等全方位的交互，并且系统能进行实时响应。VR技术的实现过程包括创建虚拟世界、呈现虚拟世界、感知虚拟世界、与虚拟世界交互。相对应的，VR技术体系主要有环境建模技术、立体呈现技术、检测感知技术、自然交互技术等.虚拟环境建模的目的是设计出反映研究对象与环境的真实有效模型。一般是指三维视觉建模，主要包括几何建模、物理建模、行为建模等建模要求。在VR技术中，营造虚拟环境是基础内容。要建立虚拟环境，首先要建模，然后在其基础上再进行实时绘制、立体显示，形成一个虚拟的世界，如图所示。建模先要获取实际三维环境的三维数据，并根据应用的需要，叠加物理模型和行为模型的要求，进而建立相应的虚拟模型。只有设计出反映研究对象的真实有效的模型，VR系统才有可信度。1.环境建模技术人类从客观世界获得的信息中，80%以上来自视觉，视觉是人类感知外部世界、获取信息的最重要传感通道，视觉通道也是多重感知的VR系统中最重要的环节。在视觉显示技术中，实现立体显示技术是较为复杂与关键的，立体视觉显示技术是VR的重要支撑技术。2.立体呈现技术目前的立体显示技术，基本上是基于双目视差原理实现的。人所看到的立体影像，是由于人体两眼间位置距离而有视差，两眼产生有细微差距的画面，这两个画面在大脑中融合，产生有空间立体感的物体影像，如图所示。在VR系统中的立体显示技术，双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像，是分别产生并显示在两个不同的显示器上。也有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，也能使视差产生立体感。此外，由于声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同，在水平方向上，我们可以靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的。3.检测感知技术为了实现尽可能好的沉浸感，理想的VR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，目前大多数VR技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、触觉、运动等几种。其中，视觉是人类感知世界的最重要通道，目前人们对视觉器官的研究比较深入，现有的VR系统也能够实现非常逼真的视觉沉浸感。VR要带给人沉浸感，就要做到能让人在虚拟空间里“自然”运动，这需要通过运动追踪来改变场景的呈现。目前的VR设备主要是利用空间定位技术来捕捉人的身体的位置运动，用惯性传感器来捕捉人的头部的运动，人在转动头部时，视角会发生相应的变化。如果只追踪头部不追踪眼球运动容易使人眩晕，而眼球追踪技术以眼球的变化来控制场景的变化，可以解决这一问题，如图所示。此外，用户想要获得完全的沉浸感，真正“进入”虚拟世界，动作捕捉系统是必需的。人们存在于虚拟世界，光学动作捕捉系统可以确定参与者的头部、手、身体等的位置与方向，准确地跟踪测量参与者的动作，将这些动作实时检测出来，以便将这些数据反馈给显示和控制系统，如图所示。4.自然交互技术VR技术中强调自然交互性，即人处在虚拟世界中，与虚拟世界进行交互，甚至意识不到计算机的存在，即在计算机系统提供的VR空间中，人可以使用眼睛、耳朵、皮肤、手势和语音等各种感觉方式直接与之发生交互，这就是虚拟环境下的自然交互技术。人们研究“VR”的目标是实现“计算机应该适应人，而不是人适应计算机”，人机接口的改进应该基于相对不变的人类特性。较为常用的交互技术主要有触觉力学反馈、语音识别、表情识别、手势识别、体态识别等。比如，在一个VR系统中，用户可以看到一个虚拟的杯子。用户可以设法去抓住它，但是用户的手没有真正接触杯子的感觉，并有可能穿过虚拟杯子的“