《新一代信息技术讲堂》课件-项目7 虚拟现实技术（P165）

项目七

虚拟现实技术新一代信息技术讲堂目录

/CONTENTS01虚拟现实的基本概念02虚拟现实的特点03虚拟现实的组成04虚拟现实的分类05虚拟现实的应用领域06虚拟现实的发展01虚拟现实的基本概念添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字新一代信息技术讲堂虚拟现实技术又可称为灵境技术，产生于20世纪60年代，但其概念最早由美国VPL公司创始人拉尼尔（JaronLanier）于20世纪80年代提出。该技术是一门综合性技术，涉及到计算机图形学、多媒体技术、传感技术、人机交互、计算机仿真技术、显示技术和网络并行处理等。它以计算机技术生成一个三维虚拟环境，通过一些特色的输入输出设备，使人们感触和融入该虚拟环境，并能通过多感官实时感受三维世界，并可以自然地与计算机进行互动交流，人和计算机可以很好地融合一体，给人一种身临其境的感觉。虚拟现实的基本概念从狭义上来讲，把虚拟现实看成一种具有人机交互特征的人机界面（人机交互方式），即可以称之为“自然人机界面”。在此环境中，用户可以看到的全彩色主体景象，听到的是虚拟环境中的声音。手（或）脚可以感受到虚拟环境反馈给用户的作用力，由此使用户产生一种身临其境的感觉。就像感受真实世界一样的方式来感受计算机生成的虚拟世界，具有和相应真实世界一样的感觉。从广义上讲，把虚拟现实看成对虚拟对象（三维可视化）或真实三维世界的模拟。对某个特定环境真实再现后，用户通过接受和响应模拟环境的各种感官刺激，与其中虚拟的人和事物进行交互，使用户有身临其境的感觉。虚拟现实的基本概念

综上所述，利用VR技术实现的虚拟现实能够给人身临其境的感觉，同时参与者和虚拟环境能够实现交互，参与者能够在虚拟环境中具有自己的视点并且环境能够迅速反映参与者视点的变化。虚拟现实系统具有身临其境的虚拟环境和实时交互等突出的特点，使得它不再仅仅是应用于某些尖端领域、特殊行业（如军事、航天等领域），而且在教育、医疗、培训、娱乐、工业设计等方面也有相应的应用，理论研究和应用实践使得虚拟现实技术更加趋于完善，发展也更加迅速。虚拟现实的基本概念VR强调的是“虚拟环境”给人的沉浸感，是利用计算设备模拟产生一个三维的虚拟世界，提供用户关于视觉、听觉等感官的模拟，产生十足的“沉浸感”与“临场感”AR则强调在真实场景中融入计算机生成的虚拟信息的能力，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知的技术，并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，把无法实现的场景在真实世界中展现出来，从而实现对现实的“增强”，达到超越现实的感官体验。MR则是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。包括增强现实和增强虚拟，指的是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。3R技术

类型特征虚拟现实VR增强现实AR混合现实MR代表产品HTVvive、OculusRift谷歌眼镜HoloLens真实可见否是是体验方式沉浸式手机屏/投射式融合式活动范围固定或有线移动移动虚拟物体位置——随设备移动固定在真实场景虚拟物体可区分性可区分可区分不可区分所需运算性能桌面端移动端移动端VR、AR、MR的特性02虚拟现实的特点添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字新一代信息技术讲堂交互性沉浸性想象性交互性Interaction沉浸性Immersion想象性Imagination3I虚拟现实的特点交互性（Interaction）是指用户通过专门的输入和输出设备，使人类自然感知对虚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。这种交互主要借助各种专用设备（如头盔显示器、数据手套）来完成，从而让用户以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互。沉浸性（Immersion）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，是虚拟现实最重要的技术特点。用户由观察者改变为参与者，理想的虚拟环境使得用户难以分辨真假，使用户全身心投入到计算机生成的三维虚拟环境中，使之成为虚拟环境中的一部分，从而全身心地沉浸其中，感觉到该环境中所有的一切都是真实的，如同在现实世界中一样。想象性（Imagination）是指在虚拟环境中，用户可以根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过联想、推理和逻辑判断等思维过程，随着系统的运动状态变化，对系统运动的未来进展进行想象，以获取更多的知识，认识复杂系统深层次的运动机理和规律性。虚拟现实的特点03虚拟现实的组成添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字新一代信息技术讲堂1.虚拟世界生成设备2.感知设备3.跟踪设备4.人机交互设备虚拟现实的组成虚拟世界生成设备可以是一台或多台高性能计算机。通常可以分为基于高性能PC、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。感知设备是指虚拟世界各类感知模型转变为人能接受的多通道刺激信号的设备。感知包括视、听、触、嗅、味觉等多种通道。跟踪设备是指跟踪并检测位置和方位的装置，用于虚拟现实系统中基于自然方式的人机交互操作，例如基于手势、体势、眼视线方向的变化。人机交互设备是指应用手势、体势、眼神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综合和识别装置。虚拟现实的组成04虚拟现实系统的分类添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字新一代信息技术讲堂桌面虚拟现实系统1234沉浸式虚拟现实系统增强式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统根据用户的参与形式和沉浸程度不同，通常把虚拟现实分成四大类桌面80%沉浸式60%增强式93%分布式55%虚拟现实系统的分类桌面虚拟现实系统是利用个人计算机和低级工作站实现仿真。计算机的屏幕作为参与者或用户观察虚拟环境的一个窗口，用户通过各种输入设备便可与虚拟环境进行交换，如鼠标、追踪球、力矩球等。这种系统的特点是结构简单、价格低廉、易于普及推广，但其功能较为单一，缺乏真实的现实体验。桌面虚拟现实系统虽然缺乏类似头盔显示器那样的沉浸效果，但它已经具备虚拟现实技术的要求，加上成本低、易于实现等特点，也得到了广泛的应用。桌面虚拟现实系统点击请替换文字内容请替换文字内容，添加相关标题，修改文字内容，也可以直接复制你的内容到此。虚拟现实系统的分类沉浸式虚拟现实系统是一种高级、较理想、较复杂的系统，用户必须戴上头盔或数据手套等传感跟踪设备，才能与虚拟世界进行交互，它采用封闭的场景和音响系统将用户与外界隔离，使用户完全置身于计算机生成的虚拟环境中，用户利用空间位置跟踪、数据手套等输入设备输入相关数据和命令，计算机根据获取的数据捕捉到用户的运动和姿势，并将其实时反馈到生成的场景中，使用户产生一种身临其境的感觉，全身心地投入到虚拟现实中去。这种系统的优点是用户可以完全沉浸到虚拟世界中去，达到身临其境的感觉，但缺点也很明显，那就是设备价格昂贵，难以普及推广。沉浸式虚拟现实系统点击请替换文字内容请替换文字内容，添加相关标题，修改文字内容，也可以直接复制你的内容到此。虚拟现实系统的分类不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，还有利于它来增强用户对真实环境的感受，也就是增强在现实世界中无法或难以获得的感受。典型的实例有战斗机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据，呈现到飞行员面前的穿透式屏幕上，使飞行员不需低头座舱中仪表的数据，从而可以集中精力驾驶和操纵飞机。其特点是不需要把用户和真实世界隔离，而是将真实世界和虚拟世界融合为一体。用户同时可以与两个世界进行交互。增强虚拟现实系统犹如在虚拟环境和真实世界之间搭了一座桥梁，因此其应用潜力相当巨大。增强式虚拟现实系统点击请替换文字内容请替换文字内容，添加相关标题，修改文字内容，也可以直接复制你的内容到此。虚拟现实系统的分类分布式虚拟现实系统是一种基于网络环境，充分利用分布于各地的资源，将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，每个用户在虚拟现实环境中，通过计算机与其他用户进行交互，并共享信息，从而使用户的协调工作达到一个更高的境界。分布式虚拟现实系统具有如下特点：共享的虚拟工作空间。伪实体的行为真实感。支持实时交互，共享时钟。多用户相互通信。资源共享，并允许网络上的用户对环境中的对象进行自然操作和观察。分布式虚拟现实系统点击请替换文字内容请替换文字内容，添加相关标题，修改文字内容，也可以直接复制你的内容到此。虚拟现实系统的分类05虚拟现实的应用领域添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字新一代信息技术讲堂虚拟现实技术对人类社会的意义是非常大的，它必将在科学、技术、工程、医学、文化和娱乐等领域中发挥更大的作用和影响力。教育文物古迹娱乐与艺术医疗房地产…虚拟现实的应用领域医学方面的应用：VR在医学方面的应用具有十分重要的意义，在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助跟踪器、HMD等设备，学生可以很容易理解人体内部各器官的结构，如图7-5所示，由于可以逼真地重现人体解剖画面，并可选择任意器官结构，将其从虚拟人体中独立出来，进行更细致的观察和分析。这比采用教科书教学的方式有效很多。虚拟现实的应用领域教育领域的应用在教育领域中，虚拟现实系统的交互性、沉浸性和想象性能使许多常规教育手段无法达到的教学效果，提高了人们的想象力，也激发了受教育者的学习兴趣。它可以营造一个“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为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，将是教育技术发展的一个飞跃。虚拟现实的应用领域文物古迹方面：通过计算机网络来整合统一大范围内的文物资源，并且通过网络在大范围内来利用虚拟技术更加全面、生动、逼真地展示文物，从而使文物脱离地域限制，实现资源共享，真正成为全人类可以“拥有”的文化遗产。使用虚拟现实技术可以推动文博行业更快地进入信息时代，实现文物展示和保护的现代化。虚拟现实的应用领域房地产方面：家装VR产品主要服务于家装设计师，户型模型确定后，设计师可以选择家具模型进行设计，最后呈现给用户一个VR体验版的“设计图”。与传统的设计图相比，VR给用户提供了一个更为直观的感受，用户可以在体验中自己调整设计方案，同时也降低了设计师和用户间的沟通成本。虚拟现实的应用领域虚拟购物方面：虚拟现实技术采用三维显示技术构建具有逼真效果的虚拟商场，使用户在购物过程中拥有逛实体商场一样的体验.3D智能试衣镜更是一种虚拟现实技术应用的例子，用户只要输入自己的身高、肩宽、胸围、腰围等数据，就可以找到一个身材完全和自己一样的虚拟模特，在网上代替自己试穿新时装虚拟现实的应用领域06虚拟现实的发展添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字添加相关标题文字新一代信息技术讲堂探索阶段（20世纪50-70年代）实验室进入应用阶段（20世纪80年代初到80年代末期）高速发展阶段（20世纪90年代初期至今）123虚拟现实的发展探索阶段（20世纪50-70年代）虚拟现实的发展实验室进入应用阶段（20世纪80年代初到80年代末期）20世纪80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得令人瞩目的研究成果，从而引起人们对虚拟现实技术的广泛关注。这一时期出现了两个比较典型的虚拟现实系统，即VideoPlace和View系统。VideoPlace系统是一个计算机生成的图形环境，在该环境中参与者看到本人的图像投影在一个屏幕上，通过协调计算机生成的静物属性及动体行为，可使它们实时地响应参与者的活动；View系统是NASAAmes实验中心研制的第一个进入实际应用的虚拟现实系统虚拟现实的发展高速发展阶段（20世纪90年代初期至今）在这一阶段可以说是虚拟现实技术从研究全面转向了应用。进入20世纪90年代，随着计算机技术的迅猛发展，使得基于大型数据集合的声音和图像的实