虚拟现实技术课件第1章

虚拟现实技术第1章虚拟现实技术概论1.1 虚拟现实技术的发展史1.2 虚拟现实技术的概念1.3 虚拟现实技术的特征1.4 虚拟现实系统的分类1.5 虚拟现实技术的应用领域1.6 虚拟现实技术的研究现状1.1 虚拟现实技术的发展史虚拟现实技术（VirtualReality）简称VR技术，这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔(JaronLanier)在80年代初提出的，但在二十世纪末才兴起的综合性信息技术。VR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的最新发展成果。1.1 虚拟现实技术的发展史1989年，美国VPLResearch公司创始人JaronLanier提出了“VirtualReality”（虚拟现实）的概念。“Reality”的含义是现实的世界，或现实的环境。“VirtualReality”（虚拟现实）=“VirtualEnvironment”（虚拟环境）“Virtual”说明，世界或环境是虚拟的，不是真实的。这个世界或环境是人工构造的，是存在于计算机内部的。用户应该能够“进入”这个虚拟的环境中。"进入"这个虚拟的环境中，是指用户以自然的方式与这个环境交互（包括感知环境并干预环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，身临其境的感觉。1.1 虚拟现实技术的发展史1929年，EdwardLink设计出用于训练飞行员的模拟器1956年，MortonHeilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama1.1 虚拟现实技术的发展史1965年，IvanSutherland发表论文“UltimateDisplay”（终极的显示）1968年，IvanSutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器（HeadMountedDisplay，HMD）1.1 虚拟现实技术的发展史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）组织了一系列有关VR技术的研究：1984年，NASAAmes研究中心的M.McGreevy和J.Humphries开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器；1987年，JimHumphries设计了双目全方位监视器（BOOM）的最早原型。1.1 虚拟现实技术的发展史1990年，在美国达拉斯召开的Siggraph会议上，明确提出VR技术研究的主要内容包括实时三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术，为VR技术的发展确定了研究方向。从20世纪90年代开始，VR技术的研究热潮也开始向民间的高科技企业转移。著名的VPL公司开发出第一套传感手套命名为“DataGloves”，第一套HMD命名为“EyePhones”。进入21世纪后，VR技术更是进入软件高速发展的时期，

一些有代表性的VR软件开发系统不断在发展完善，如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。1.2 虚拟现实的概念概念：

“VirtualReality”（虚拟现实）或“VirtualEnvironment”（虚拟环境）是人工构造的，存在于计算机内部的环境。用户应该能够以自然的方式与这个环境交互（包括感知环境并干预环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感，身临其境的感觉。

要点：1.环境：人造的，计算机内部的。2.自然的方式交互：人类感知周围环境的听觉，视觉，触觉等方式来感知环境。人以自然的不停的身体运动来干预环境。3.效果：虚假的，沉浸的，身临其境的感觉。

1.2 虚拟现实的概念虚拟现实系统中的“虚拟环境”，可能有下列几种情况：第一种情况是完全对真实世界中的环境进行再现。如虚拟小区对现实小区的虚拟再现、军队中的虚拟战场、虚拟实验室中的各种仪器等，这种真实环境，可能已经存在（如右图所示），也可能是已经设计好但是尚未建成，也可能是原来完好，现在被破坏。1.2 虚拟现实的概念虚拟现实系统中的虚拟环境，可能有下列几种情况。第二种情况是完全虚拟的，人类主观构造的环境。如影视制作或电子游戏中，三维动画设计的虚拟世界。此环境完全是虚构的，用户也可以参与，并与之进行交互的非真实世界。但它的交互性和参与性不是很明显，1.2虚拟现实的概念虚拟现实系统中的虚拟环境，可能有下列几种情况。第三种情况是对真实世界中人类不可见的现象或环境进行仿真。如分子结构、各种物理现象等。这种环境是真实环境，客观存在的，但是受到人类视觉、听觉器官的限制不能感应到。一般情况是以特殊的方式（如放大尺度的形式）进行模仿和仿真，使人能够看到，听到，或者感受到，体现科学可视化。虚拟现实概念包含三层含义：1．环境虚拟现实强调环境，而不是数据和信息。2．主动式交互虚拟现实强调的交互方式是通过专业的传感设备来实现的，改进了传统的人机接口形式。虚拟现实人机接口是完全面向用户来设计，用户可以通过在真实世界中的行为干预虚拟环境。3．沉浸感通过相关的设备，采用逼真的感知和自然的动作，使人仿佛置身于真实世界，消除了人的枯燥、生硬和被动的感觉，大大提高工作效率。1.2虚拟现实的概念虚拟现实的概念中有三个：

（1）Immersion(沉浸)，是指逼真的，身临其境的感觉。

（2）Interaction(交互)，是指用户感知与操作环境。

（3）Imagination(想象)，是指创造性。1.2虚拟现实的概念I31.3 虚拟现实技术的特征交互性：指用户对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度（包括实时性）。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的对象。1.3 虚拟现实技术的特征沉浸感：又称临场感，是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。VR技术最主要的特征。影响沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、三维图像中的深度信息、画面的视野、实现跟踪的时间或空间响应及交互设备的约束程度等。1.3 虚拟现实技术的特征想象力：指用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未来进展进行想象的能力。对适当的应用对象加上虚拟现实的创意和想象力，可以大幅度提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。1.3 虚拟现实的特征

典型的VR系统主要由计算机软、硬件系统（包括VR软件和VR环境数据库）和VR输入、输出设备等组成。一般的虚拟现实系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入输出设备和数据库来组成。1.3虚拟现实的特征

Computer专业图形处理计算机InputDevices输入设备OutputDevices输出设备SoftwareSystem应用软件系统Database数据库User用户计算机：是系统的心脏，也称之为虚拟世界的发动机。负责虚拟世界的生成、人与虚拟世界的自然交互等功能的实现。由于其复杂性，计算量极大，对计算机的配置提出了极高的要求。输入与输出设备(接口)：特殊的设备，用以识别用户各种形式的输入，并实时生成相应反馈信息。常用的设备有用于手势输入的数据手套，用于语音交互的三维声音系统等。应用软件：虚拟世界中物体的几何模型、物理模型、运动模型的建立；三维虚拟立体声的生成；模型管理技术及实时显示技术、虚拟世界数据库的建立与管理等。数据库：存放整个虚拟世界中所有物体的各方面信息。1.3虚拟现实的特征1.4 虚拟现实系统的分类

1.4.1 桌面式VR系统（DesktopVR）1.4.2 沉浸式VR系统（ImmersiveVR）1.4.3 增强式VR系统（AugmentedVR）1.4.4 分布式VR系统（DistributedVR）1.4 虚拟现实系统的分类

1.4.1 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的交互场景。用户会受到周围现实环境的干扰而不能获得完全的沉浸感，但由于其成本相对较低桌面式VR系统仍然比较普及。1.4.1 桌面式VR系统1.4.1 桌面式VR系统1.4 虚拟现实系统的分类

1.4.2 沉浸式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的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为VR系统内部的一个参与者，产生一种身临其境、全心投入并沉浸其中的体验。与桌面式VR系统相比，沉浸式VR系统的主要特点在于高度的实时性和沉浸感。1.4.2 沉浸式VR系统1.4 虚拟现实系统的分类

1.4.3 增强式VR系统允许用户对现实世界进行观察的同时，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的真实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强用户对真实环境的感受，又被称为叠加式或补充现实式VR系统。可以使用光学技术或视频技术实现。1.4.3增强式VR系统增强式虚拟现实系统：既可以允许用户看到真实世界，同时也可以看到叠加在真实世界上的虚拟对象，它是把真实环境和虚拟环境组合在一起的一种系统，既可减少构成复杂真实环境的计算，又可对实际物体进行操作，真正达到了亦真亦幻的境界。其特点：

1)真实世界和虚拟世界融为一体；

2)具有实时人机交互功能；

3)真实世界和虚拟世界在三维空间中整合。常见的增强式虚拟现实系统有：1)基于台式图形显示器系统；2)基于单眼显示器的系统；3)基于光学透视式头盔显示器的系统；4)基于视频透视式头盔显示器的系统。使用场所：

医学可视化、军用飞机导航、设备维护与维修、娱乐、文物古迹的复原等。1.4 虚拟现实系统的分类

1.4.4 分布式VR系统指基于网络构建的虚拟环境，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。主要被应用于远程虚拟会议、虚拟医学会诊、多人网络游戏、虚拟战争演习等领域。1.5 虚拟现实技术的应用领域

1.5.1 教育与训练1.5.2 设计与规划1.5.3 科学计算可视化1.5.4 商业领域1.5.5 艺术与娱乐1.5 虚拟现实技术的应用领域1.5.1 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，以各种形式参与事件的发展变化过程，并获得最大的控制和操作整个环境的自由度。1、仿真教学与实验2、特殊教育3、多种专业训练4、应急演练和军事演习例：VR用于教育领域

虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它实现了建构主义、情景学习的思想，营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。主要应用于教学、培训领域发挥其重要作用。日本东京大学虚拟校园一角

思科公司篮球馆VR用于教育领域虚拟的零件安装培训洞穴式虚拟工程模型漫游例：VR用于军事训练或演习

军事领域研究是推动虚拟现实技术发展的原动力，目前依然是主要的应用领域。虚拟现实技术主要在军事训练和演习、武器研究这两个方面广泛应用。虚拟战场虚拟航母虚拟战场1.5 虚拟现实技术的应用领域1.5.2 设计与规划

虚拟现实已被看作是设计领域中唯一的开发工具。它可以避免传统方式在原型制造、设计和生产过程中的重复工作，有效的降低成本，应用领域包括汽车制造业、城市规划、建筑设计等。1.5 虚拟现实技术的应用领域1.5.3 科学计算可视化

科学可视化的功能就是将大量字母、数字数据转换成比原始数据更容易理解的各种图像，并允许参与者借助各种虚拟现实输入设备检查这些“可见的”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。1.5 虚拟现实技术的应用领域1.5.4 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。它可以使客户在购买前先看到产品的外貌与内在，甚至在虚拟世界中使用它，因此对产品的推广和销售都很有帮助。1.5 虚拟现实技术的应用领域1.5.5 艺术与娱乐VR技术所具有的身临其境感及实时交互性还能将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的形式，使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术，包括虚拟画廊、虚拟音乐厅、文物保护等方面。娱乐是VR系统的另一个重要应用领域，市场上已经推出了多款VR环境下的电脑游戏，带给游戏者强烈的感官刺激。文化艺术领域1.名胜古迹、虚拟游戏以及影视3个方面。虚拟现实展现名胜古迹的景观，形象逼真。结合网络技术，可以将艺术创作、文物展示和保护提高一个崭新的阶段。让身体不适或者远在异地等人，不必长途跋涉就可以通过互联网，在家中很舒适地选择任意路径遨游各个景点，乐趣无穷。(a)原始图片(b)重建初步结果虚拟西洋景区文化艺术领域2.虚拟游戏《魔兽世界》游戏画面文化艺术领域3.影视：三维立体电影是虚拟现实技术的应用之一，是结合虚拟现实技术拍摄的电影。拍摄时，首先根据拍摄前期，立体摄影师结合故事情节创作一个“深度脚本”。深度脚本是立体电影创作意图的展示手段，是拍摄的依据。它决定了每个场景的立体景深，对于制作舒适、清晰的立体画面、镜头和帧序列起到很重要的作用。拍摄时，通常使用用于拍摄立体图像的3D摄像机和用于虚实结合的虚拟摄像机，不仅实现动作和表情实时捕捉，为场景增加整体动感，而且降低拍摄成本。其拍摄原理广泛采用偏光眼镜法。文化艺术领域《阿凡达》场景制造业制造业展示产品从概念阶段到实际生产和销售的转变过程。消费者需要物美价廉、品种丰富的产品。各个公司竭尽脑汁想在提高生产的灵活性、缩短产品的开发时间并节约成本。虚拟现实的自然的多模态交互、适应性、远程共享访问等特点，对制造商具有很强的吸引力。商业二维平面图像，交互性较差，已经不能满足人的视觉需要。虚拟现实技术的到来，三维立体的表现形式，全方位展示产品，得到更多企业和商家的青睐。虚拟试衣间商业虚拟样板房中的客厅商业虚拟样板房中的餐厅近几年流行的3D街画也是一种虚拟现实。3D街画是使用彩色粉笔或者蜡笔来作画，所以又称作粉笔画。3D街画被国家地理杂志誉为一种全新的艺术形式。下图为3D街画大师KurtWenner的作品。1.6 虚拟现实技术的研究现状

1.6.1 国外的研究现状美国是VR技术的发源地，有美国宇航局（NASA）、麻省理工学院（MIT）媒体实验室、华盛顿大学人机界面技术实验室（HITLab）等许多知名的研究机构。美国在虚拟现实领域的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。1.6 虚拟现实技术的研究现状

1.6.1 国外的研究现状英国主要有四个从事VR技术研究的中心，包括Windustries公司、BritishAerospace公司、DimensionInternational公司、DivisonLTD公司等。日本主要致力于建立大规模VR知识库和人机接口方面的研究项目上，在VR游戏方面的研究也处于领先地位。此外，国外还研制出多个用于开发应用程序的VR软件开发平台，例如美国Sense8公司的WorldToolKit（WTK），爱荷华州立大学虚拟现实应用中心的VRJuggler，DenebRobotics公司的ENVISION，英国Superscape公司的VRT，Division公司的dVISE等。1.6 虚拟现实技术的研究现状

1.6.2 国内的研究现状我国从20世纪80年代起开始研究VR技术。虽然起步较晚，但近年来政府有关部门非常重视，制定了开展VR技术的研究计划，并将其列入国家重点研究项目。国内的一些科学家和重点院校也已积极投入了对这一领域的研究。北京航空航天大学是国内最早进行VR技术研究、最有权威的单位之一。它于2000年8月成立了虚拟现实新技术教育部重点实验室。1.6.2国内的研究现状

北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，其虚拟实现与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等，并着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法等。清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”，采用了QuickTime技术，实现大全景VR制。浙江大学CAD＆CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。哈尔滨工业大学计算机系已经成功地合成了人的高级行为中的特定人脸图像，解决了表情的合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等。武汉理工大学智能制造与控制研究所主要研究使用虚拟现实技术进行机械的虚拟制造，包括虚拟布局、虚拟装配、产品原型快速生成等。1.6.2 国内的研究现状

中视典数字科技有限公司，总部注册于深圳高新技术园区，成立于2002年，北京分公司成立于2005年1月。是从事虚拟现实与仿真、多媒体技术、三维动画研究与开发的专业机构，是国际领先的虚拟现实技术（virtualrealityTech