第一章虚拟现实概述72
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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。
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1.1.2 虚拟现实的本质特征
沉浸感(Immersion)又称临场感，是虚拟现实最重要 的技术特征，是指用户借助交互设备和自身感知觉 系统，置身于模拟环境中的真实程度。理想的模拟 环境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，该环境中的一 切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的， 甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在 现实世界中一样。
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1.2.2 沉浸式虚拟现实系统
常见的沉浸式虚拟现实系统有基于头盔式显示器的系统 、投影式虚拟现实系统、远程存在系统等。 (3)座舱式虚拟现实系统。座舱是一种最为古老的虚拟现实 模拟器。当用户进入座舱后，不用佩戴任何现实设备，就 可以通过座舱的窗口观看一个虚拟境界。 (4)投影式虚拟现实系统。该系统是采用一个或多个大屏幕 投影来实现大画面的立体视觉和听觉效果，是多个用户同 时具有完全投入的感觉。
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1.1.1 虚拟现实的概念
1989年，美国VPL Research公司创始人Jaron Lanier提出了 “Virtual Reality”（虚拟现实）的概念。
“Reality”的含义是现实的世界，或现实的环境。
“Virtual Reality”（虚拟现实）=“Virtual Environment”（虚拟环 境）
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1.2 虚拟现实的分类
科技引领时代
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1.2 虚拟现实系统分类
根据虚拟现实技术对“沉浸性”程度的高低和交 互程度的不同划为四种典型的类型：
（1）桌面式虚拟现实系统。 （2）沉浸式虚拟现实系统。 （3）增强式虚拟现实系统。 （4）分布式虚拟现实系统。
虚拟现实技术
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虚拟现实技术概述
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第1章 虚拟现实技术概述
本章主要包含的内容： 1. 虚拟现实的概念； 2. 虚拟现实的本质特征； 3. 虚拟现实系统的组成； 4. 虚拟现实的分类； 5. 虚拟现实的应用； 6. 虚拟现实的发展和现状；
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1.1.3 虚拟现实的组成
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。
User 用户
Input Devices 输入设备
Computer 专业图形处理计算机
Output Devices 输出设备
Software System 应用软件系统
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，
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1.1.1 虚拟现实的概念
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。
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1.1.1 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：
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1.2.1 桌面虚拟现实系统
它是利用个人计算机或初级图形工作站等设备，以计算机屏幕 作为用户观察虚拟世界的一个窗口，采用立体图形、自然交互等 技术，产生三维立体空间的交互场景，通过包括键盘、鼠标和力 矩球等各种输入设备操纵虚拟世界，实现与虚拟世界的交互。其 特点：
Database 数据库
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1.3 虚拟现实系统的组成
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。
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。
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1.1.2 虚拟现实的本质特征
虚拟现实的概念中有三个I： （1）Immersion(沉浸)，是指逼真的，身临其境的
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。
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1.1.1 虚拟现实的概念
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。
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1.2.2 沉浸式虚拟现实系统
它是一种高级的、较理想的虚拟现实系统，较复杂。提供一 个完全沉浸的体验，使用户有一种仿佛置身于真实世界之中的 感觉。
操作过程：用户的视觉、听觉和其他感觉首先被封闭起来， 并提供一个新的、虚拟的感觉空间，利用空间位置跟踪器、数 据手套、三维鼠标等输入设备和视觉、听觉等设备，使用户产 生一种身临其境、完全投入和沉浸于其中的感觉。
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，如下 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。
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1.1.1 虚拟现实的概念
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1.2.2 沉浸式虚拟现实系统
常见的沉浸式虚拟现实系统有基于头盔式显示器的系统 、投影式虚拟现实系统、远程存在系统等。 (1)头盔式虚拟现实系统。采用头盔显示器来实现单用户的 立体视觉、听觉的输出，使人完全沉浸其中。 (2)洞穴式虚拟现实系统(CAVE)。该系统是一种基于多通道 视景同步技术和立体显示技术的房间式投影可视协同环境 ，该系统可提供一个房间大小的四面（或六面）立方体投 影显示空间，供多人参与。
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计算机应用的发展阶段
第一阶段
第二阶段
第三阶段
用户
技术人员
专业人员
消费者
体系结构 显示
主机 文本
个人计算机 2D图形
网络 虚拟现实
元素 请求，报告 窗口，菜单，图标 场景，替身
控制 文本，键盘
光标，鼠标
发掘，交谈
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1.1 虚拟现实的基本概念
例如，在消防仿真演习系统中，消防员会沉浸于极度真实的 火灾场景并做出不同反应。这种系统的优点是用户可完全沉浸 到虚拟世界中去，缺点是系统设备尤其是硬件价格相对较高， 难以大规则普及推广。
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1.2.2 沉浸式虚拟现实系统
结构图
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1)用户处于不完全沉浸的环境，缺少完全沉浸、身临其境的感觉， 即使戴上立体眼镜，仍能感受到周围现实世界的干扰。
2)对硬件设备要求极低，简单型的只需要计算机，或增加数据手套， 空间跟踪设置等。
3)成本相对较低，应用相对比较普遍，也具备了沉浸式虚拟现实系 统的一些技术要求。
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1.1.2 虚拟现实的本质特征
想象性（Imagination)又称创造性，是虚拟世界的起 点。想象力使设计者构思和设计虚拟世界，并体现 出设计者的创造思想。所以，虚拟现实系统是设计 者借助虚拟现实技术，发挥其想象力和创造性而设 计的。比如建造一座现代化的桥梁之前，设计师要 对其结构做细致的构思。
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1.1.2 虚拟现实的本质特征
交互性（Interaction)是用户通过使用专门输入和输出设 备，用人类的自然技能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。虚拟现实系统强调人与 虚拟世界之间以近乎自然的方式进行交互。即不仅用户 通过传统设备(键盘和鼠标等)和传感设备（特殊头盔、数 据手套等），使用自身的语言、身体的运动等自然技能 ，对虚拟环境中的对象进行操作。而且计算机能够根据 用户的头、手、眼、语言及身体的运动来调整系统呈现 的图像及声音。(手握东西)
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。
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1.2.3 增强式虚拟现实系统
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1.1.1 虚拟现实的概念
概念：
"Virtual Reality"（虚拟现实）或"Virtual Environment" （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。
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1.2.2 沉浸式虚拟现实系统
常见的沉浸式虚拟现实系统有基于头盔式显示器的系统 、投影式虚拟现实系统、远程存在系统等。 (5)远程存在。远程存在是一种远程控制形式，用户虽与某 个真实现场相隔遥远，但可以通过计算机和电子装置获得 足够的感觉现实和交互反馈，恰似身临其境，并可以介入 对现场进行遥操作。此系统需要一个立体显示器和两台摄 像机生成三维图像，这种图像使得操作员有一种深度的感 觉，观看的虚拟境界更清晰。
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虚拟现实的提出
虚拟现实，英文名为Virtual Reality，简称VR技术，这一名词是由美国 VPL公司创建人拉尼尔(Jaron Lanier)在80年代初提出的，但在二十世纪末才兴 起的的综合性信息技术。
作为一项尖端科技，虚拟现实融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒 体技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术、网络并行处理等多个信息 技术分支，是一种由计算机生成的高技术模拟系统，从而大大推进了计算机技 术的发展。由于虚拟现实生成的视觉环境是立体的、音效是立体的，人机交互 是和谐友好的，改掉人与计算机之间鼠标键盘，枯燥、生硬和被动的交互方式 的现状。因此，目前虚拟现实技术已经成为计算机相关领域中继多媒体技术、 网络技术及人工智能之后关注及研究、开发与应用的热点。也是目前发展最快 的一项多学科综合技术。
“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。
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1.1.2 虚拟现实的本质特征
沉浸感(Immersion)又称临场感，是虚拟现实最重要 的技术特征，是指用户借助交互设备和自身感知觉 系统，置身于模拟环境中的真实程度。理想的模拟 环境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，该环境中的一 切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的， 甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在 现实世界中一样。
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1.2.2 沉浸式虚拟现实系统
常见的沉浸式虚拟现实系统有基于头盔式显示器的系统 、投影式虚拟现实系统、远程存在系统等。 (3)座舱式虚拟现实系统。座舱是一种最为古老的虚拟现实 模拟器。当用户进入座舱后，不用佩戴任何现实设备，就 可以通过座舱的窗口观看一个虚拟境界。 (4)投影式虚拟现实系统。该系统是采用一个或多个大屏幕 投影来实现大画面的立体视觉和听觉效果，是多个用户同 时具有完全投入的感觉。
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1.1.1 虚拟现实的概念
1989年，美国VPL Research公司创始人Jaron Lanier提出了 “Virtual Reality”（虚拟现实）的概念。
“Reality”的含义是现实的世界，或现实的环境。
“Virtual Reality”（虚拟现实）=“Virtual Environment”（虚拟环 境）
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1.2 虚拟现实的分类
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1.2 虚拟现实系统分类
根据虚拟现实技术对“沉浸性”程度的高低和交 互程度的不同划为四种典型的类型：
（1）桌面式虚拟现实系统。 （2）沉浸式虚拟现实系统。 （3）增强式虚拟现实系统。 （4）分布式虚拟现实系统。
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虚拟现实技术概述
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第1章 虚拟现实技术概述
本章主要包含的内容： 1. 虚拟现实的概念； 2. 虚拟现实的本质特征； 3. 虚拟现实系统的组成； 4. 虚拟现实的分类； 5. 虚拟现实的应用； 6. 虚拟现实的发展和现状；
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1.1.3 虚拟现实的组成
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。
User 用户
Input Devices 输入设备
Computer 专业图形处理计算机
Output Devices 输出设备
Software System 应用软件系统
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，
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1.1.1 虚拟现实的概念
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。
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1.1.1 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：
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1.2.1 桌面虚拟现实系统
它是利用个人计算机或初级图形工作站等设备，以计算机屏幕 作为用户观察虚拟世界的一个窗口，采用立体图形、自然交互等 技术，产生三维立体空间的交互场景，通过包括键盘、鼠标和力 矩球等各种输入设备操纵虚拟世界，实现与虚拟世界的交互。其 特点：
Database 数据库
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1.3 虚拟现实系统的组成
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。
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。
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1.1.2 虚拟现实的本质特征
虚拟现实的概念中有三个I： （1）Immersion(沉浸)，是指逼真的，身临其境的
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。
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1.1.1 虚拟现实的概念
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。
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1.2.2 沉浸式虚拟现实系统
它是一种高级的、较理想的虚拟现实系统，较复杂。提供一 个完全沉浸的体验，使用户有一种仿佛置身于真实世界之中的 感觉。
操作过程：用户的视觉、听觉和其他感觉首先被封闭起来， 并提供一个新的、虚拟的感觉空间，利用空间位置跟踪器、数 据手套、三维鼠标等输入设备和视觉、听觉等设备，使用户产 生一种身临其境、完全投入和沉浸于其中的感觉。
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，如下 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。
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1.2.2 沉浸式虚拟现实系统
常见的沉浸式虚拟现实系统有基于头盔式显示器的系统 、投影式虚拟现实系统、远程存在系统等。 (1)头盔式虚拟现实系统。采用头盔显示器来实现单用户的 立体视觉、听觉的输出，使人完全沉浸其中。 (2)洞穴式虚拟现实系统(CAVE)。该系统是一种基于多通道 视景同步技术和立体显示技术的房间式投影可视协同环境 ，该系统可提供一个房间大小的四面（或六面）立方体投 影显示空间，供多人参与。
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计算机应用的发展阶段
第一阶段
第二阶段
第三阶段
用户
技术人员
专业人员
消费者
体系结构 显示
主机 文本
个人计算机 2D图形
网络 虚拟现实
元素 请求，报告 窗口，菜单，图标 场景，替身
控制 文本，键盘
光标，鼠标
发掘，交谈
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1.1 虚拟现实的基本概念
例如，在消防仿真演习系统中，消防员会沉浸于极度真实的 火灾场景并做出不同反应。这种系统的优点是用户可完全沉浸 到虚拟世界中去，缺点是系统设备尤其是硬件价格相对较高， 难以大规则普及推广。
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1.2.2 沉浸式虚拟现实系统
结构图
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1)用户处于不完全沉浸的环境，缺少完全沉浸、身临其境的感觉， 即使戴上立体眼镜，仍能感受到周围现实世界的干扰。
2)对硬件设备要求极低，简单型的只需要计算机，或增加数据手套， 空间跟踪设置等。
3)成本相对较低，应用相对比较普遍，也具备了沉浸式虚拟现实系 统的一些技术要求。
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1.1.2 虚拟现实的本质特征
想象性（Imagination)又称创造性，是虚拟世界的起 点。想象力使设计者构思和设计虚拟世界，并体现 出设计者的创造思想。所以，虚拟现实系统是设计 者借助虚拟现实技术，发挥其想象力和创造性而设 计的。比如建造一座现代化的桥梁之前，设计师要 对其结构做细致的构思。
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1.1.2 虚拟现实的本质特征
交互性（Interaction)是用户通过使用专门输入和输出设 备，用人类的自然技能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。虚拟现实系统强调人与 虚拟世界之间以近乎自然的方式进行交互。即不仅用户 通过传统设备(键盘和鼠标等)和传感设备（特殊头盔、数 据手套等），使用自身的语言、身体的运动等自然技能 ，对虚拟环境中的对象进行操作。而且计算机能够根据 用户的头、手、眼、语言及身体的运动来调整系统呈现 的图像及声音。(手握东西)
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。
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1.2.3 增强式虚拟现实系统
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1.1.1 虚拟现实的概念
概念：
"Virtual Reality"（虚拟现实）或"Virtual Environment" （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。
科技引领时代
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1.2.2 沉浸式虚拟现实系统
常见的沉浸式虚拟现实系统有基于头盔式显示器的系统 、投影式虚拟现实系统、远程存在系统等。 (5)远程存在。远程存在是一种远程控制形式，用户虽与某 个真实现场相隔遥远，但可以通过计算机和电子装置获得 足够的感觉现实和交互反馈，恰似身临其境，并可以介入 对现场进行遥操作。此系统需要一个立体显示器和两台摄 像机生成三维图像，这种图像使得操作员有一种深度的感 觉，观看的虚拟境界更清晰。
科技引领时代，创新塑造未来
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虚拟现实的提出
虚拟现实，英文名为Virtual Reality，简称VR技术，这一名词是由美国 VPL公司创建人拉尼尔(Jaron Lanier)在80年代初提出的，但在二十世纪末才兴 起的的综合性信息技术。
作为一项尖端科技，虚拟现实融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒 体技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术、网络并行处理等多个信息 技术分支，是一种由计算机生成的高技术模拟系统，从而大大推进了计算机技 术的发展。由于虚拟现实生成的视觉环境是立体的、音效是立体的，人机交互 是和谐友好的，改掉人与计算机之间鼠标键盘，枯燥、生硬和被动的交互方式 的现状。因此，目前虚拟现实技术已经成为计算机相关领域中继多媒体技术、 网络技术及人工智能之后关注及研究、开发与应用的热点。也是目前发展最快 的一项多学科综合技术。
“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。
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