虚拟现实技术导论 课件 第1章 概论

虚拟现实技术导论第1章概论本讲大纲1.1基本概念及发展简史1.2虚拟现实的关联概念1.3典型特征1.4虚拟现实系统1.5虚拟现实系统的构建过程1.6习题1.1基本概念及发展简史虚拟现实(VR)——三元世界的界面真实世界虚拟世界

人虚拟现实是人与虚拟世界及真实世界的相互作用虚拟现实就是采用以计算机技术为核心的现代高技术生成逼真的视、听、触觉一体化的一定范围的三维虚拟环境，用户可以借助必要的装备以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响，从而获得亲临等同真实环境的感受和体验。基本概念虚拟现实技术充分利用计算机硬件和软件的集成技术，提供一种实时、三维的虚拟环境，用户借助必要的设备（如头盔，手套等）以自然方式与虚拟环境中的物体进行交互，从而沉浸于虚拟环境中，产生接近真实环境的感受和体验。虚拟环境是由计算机生成的实时动态的三维立体逼真图像，它可以是某一现实世界的再现，也可以是虚拟构想的世界。关键词：3D+交互基本概念3D＋交互示例虚拟现实产生的背景与应用需求演化密切相关与计算技术发展密切相关虚拟现实产生的背景现代科学研究的主要手段理论研究（推导、演绎）科学实验（统计、归纳）一个问题如何使得计算过程和结果更为直观？科学计算数值计算方法模拟仿真新的计算方法虚拟现实产生的背景直观为什么首先要可视？真正的直观需要可视、可听、可触、可嗅，而视觉占到人的输入信息的80%以上，是基本的可视的概念并不陌生解析几何（代数、几何）在于虚拟现实关联的学科中，与“可视”相关的也是最早发展的虚拟现实产生的背景虚拟现实考虑的核心问题如何把现实世界中物体和数据映射成具有某种几何、物理和行为属性的对象（实物虚化）如何计算机中的虚拟对象映射到现实世界中（虚物实化）发展简史80多年前的飞行模拟器……1929年EdwinA.Link发明了一种飞行模拟器“蓝盒子”，可提供俯仰、偏航、滚转等复杂飞行动作。这是人类模拟仿真物理现实的初次尝试如今，全球民航共使用着约1200余台全飞模拟机，其中约550台位于美国、75台位于英国、我国拥有约60多台，而德国和日本分别拥有50台，法国拥有其中的40余台发展简史

50多年前的摩托车仿真器……1956年，MortonHeileg开发了一个摩托车仿真器Sensorama，基于一对并排的35mm照相机实现三维视频反馈，有立体声效，能产生振动感觉1962年的“Sensoramasimulator”专利已具有一定的VR技术的思想发展简史图形学和VR的里程碑，63－68年……IvanSutherland：1963画板1965终极的显示1966HMD1968

E&S1988图灵奖发展简史图形学和VR的里程碑，63－68年……IvanSutherland：1963画板1965终极的显示1966HMD1968

E&S1988图灵奖发展简史人机交互1987年，James.D.Foley在具有影响力的《科学美国人》上发表了“InterfacesforAdvancedComputing”。该杂志还发表了报导数据手套的文章，引起人们的关注发展简史AR……VR……1973年，Krueger提出了“ArtificialReality”一词，这是早期出现的VR词语1989年，美国VPL公司的创立者JaronLanier提出了VirtualReality一词2014年3月20日，Facebook公司宣布斥资20亿美元收购虚拟现实公司Oculus。这是Facebook金额排名第二的收购交易2014年7月25日，Amazon发布FirePhone3D手机，

增强3D购物/娱乐体验2014年9月，微软研发3D触觉反馈触摸屏：医生可以摸到肿瘤2015年1月22日，微软举办Win10预览版发布会，推出HoloLens全息影像头盔2015年CES（国际消费电子展），三星等推出的多款虚拟现实头盔、应用等发展简史发展简史虚拟现实可能应用的九个领域：2016年1月14日，高盛发布58页报告，指出虚拟现实（VR）和增强现实（AR）将像PC一样改变世界预期到2025年VR和AR软硬件营收达800-1800亿美元高盛预测报告：像PC一样改变世界视频游戏现场直播视频娱乐零售业房地产教育健康工程军事发展简史2018年，美国公布的《2016-2045年新兴科技趋势报告》预测未来30年里，虚拟现实和增强现实这些技术将成为主流技术。AR将把实时相关的信息给用户投放在现实中，而VR则可以通过融合视觉、听觉、嗅觉和触觉来实现深度沉浸的体验。发展简史近年来，元宇宙（Metaverse）成为市场上比较火热的概念。元宇宙指利用科技手段连接与创造出与现实世界映射和交互的虚拟世界，该虚拟世界同时是一个具备基本新型社会体系的数字生活空间。其本质是对现实世界的虚拟化、数字化，包括对内容生产、经济系统、用户体验以及实体世界大量真实内容的改造。其中，扩展现实（ExtendedReality，XR）技术是VR与AR技术的综合，为用户提供沉浸式体验，与数字孪生技术、区块链技术一道成为支持元宇宙的核心技术之一。发展简史使人机界面、人机交互自然、友好是计算机科学工作者不懈追求的目标。计算与仿真成为科学技术探索除理论研究、科学实验之外的第三种手段。人们在许多领域所需解决的问题越来越需要有力的预测手段和虚拟环境。追求、探求、需求计算机科学工作者不断追求的三个目标：快捷，聪明，和谐虚拟现实的三大应用方向训练演练(模拟现实环境)规划（设计）预测(虚拟未来环境)观赏娱乐(构想现实未来幻想环境)1.2虚拟现实的关联概念与VR紧密相关的概念MR（混合现实）、AR（增强现实）、AV（增强虚拟）这些概念根据虚拟环境与真实环境信息融合的程度划分虚拟现实发展的四个传统领域

虚拟现实传统仿真真实数据等游戏动画CAD/CAM图形图像人机交互等概念仿真等虚拟实体等近年来一些热词都有与虚拟现实相关内容云计算：GoogleGlass（显示）大数据：可视分析（视觉处理）可穿戴：新型人机界面（交互方式）5G：全景展示（内容展现形式）人工智能：内容处理，交互1.3典型特征VR3I典型特征示意图沉浸（Immersion）交互（Interaction）构想（Imagination）虚拟现实的三个主要特点依托的学科多（多学科交叉融合）应用性强（与应用领域交叉融合）高度依赖数据资源和计算资源1.4虚拟现实系统虚拟现实系统逻辑结构典型虚拟现实系统一般包含一个虚拟环境（VirtualEnvironment，VE）及若干化身虚拟现实系统的4种分类（1）沉浸型（2）桌面型（3）增强型（4）分布型沉浸型这类系统主要面向高端应用，其典型特点是使用高端图形工作站（群）和高逼真感的视听触设备，以提供更好的沉浸感。航天航空领域的应用沉浸型这类系统主要面向高端应用，其典型特点是使用高端图形工作站（群）和高逼真感的视听触设备，以提供更好的沉浸感。医学领域的应用桌面型这类系统主要面向普及型应用，其典型特点是基于个人计算机和常规交互设备，在通用硬件上构造简易型的系统。虚拟奥运博物馆增强型这类系统主要面向增强现实的应用，其典型特点是：利用机械、声波、光学、电磁技术获取运动物体的3D姿态，然后与虚拟对象进行注册、融合，并使用透视头盔式显示器，在现实场景中叠加虚拟物体，增加虚实融合的内容。大飞机虚拟融合系统分布型这类系统主要面向网络环境下的虚拟现实应用，其典型特点是：利用网络将不同节点的虚拟现实系统加以联结，构建共享一致的虚拟环境，从而进行协同和交互。分布型分布型虚