虚拟现实系统简介
虚拟现实系统概述
小
结
本章主要介绍了虚拟现实系统的基本概念， 讲到了虚拟现实系统的组成，目前的研究 成果以及虚拟现实系统的具体分类方法。 学习本章可以了解虚拟现实系统的特点、 本质以及目前的发展状况。最后介绍了国 内外当前虚拟现实的研究状况。为本书之 后章节的学习进行了理论的铺垫。
虚拟现实系统的组成
显示子系统 检测子系统 模拟子系统
虚拟现实系统的研究内容
虚拟现实系统的理论研究内容 虚拟现实系统的技术研究内容
虚拟现实系统的理论研究内容
模拟与仿真 三维图像处理
虚拟现实系统的技术研究内容
动态环境建模技术 立体声合成和立体显示技术 触觉反馈 交互技术 实时三维图形生成技术 应用系统开发工具 系统集成技术
虚拟现实的基本特征
交互（Interaction ） 交互是指用户能通过自然的动作与虚拟世 界的物体进行交互作用。实时产生在真实 世界中一样的感知，甚至连用户本人都意 识不到计算机的存在。
虚拟现实的基本特征
构想（Imagination ） 构想性指虚拟的环境是人想象出来的，同 时这种想象体现出设计者相应的思想，因 而可以用来实现一定的目标。
增强虚拟现实系统
增强式虚拟现实系统(Aggrandize VR)并不 要求与世隔绝，允许用户看到真实世界， 同时也可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。
1.4虚拟现实的研究现状
虚拟现实系统的应用领域
虚拟现实系统最初主要应用于飞行模拟训 练、娱乐、数据和模型可视化、虚拟战场 环境仿真等领域，现在虚拟现实系统已经 扩展到人们生产生活的各个方面。归纳起 来主要包括以下几个方面：
什么是“虚拟现实”？
什么是“虚拟现实”？
虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种基于计算机技术的新型交互方式，通过仿真环境和设备进行人机交互，将人带入到一个虚拟的三维空间中，让人和计算机构成一个交互式、全沉浸的虚拟世界。
下面将从三个方面来介绍虚拟现实。
一、虚拟现实的定义和特点
虚拟现实起源于20世纪60年代，是一种利用计算机生成图像和仿真模拟技术模拟出真实世界，让用户感觉到身临其境的交互式3D环境的技术。
虚拟现实具有全沉浸、交互性、可视化、可感知、多维度等特点。
二、虚拟现实技术在不同领域的应用
虚拟现实技术在游戏、医疗、军事、教育、旅游等领域得到了广泛的应用。
在游戏领域，虚拟现实是游戏厂商想要寻找“突破口”的方向之一；在医疗领域，虚拟现实技术可以帮助医生在手术前进行精细化的诊断和方案设计；在军事领域，虚拟现实技术可以为军事训练提供逼真的环境和情境，提高战士的战斗能力；在教育领域，虚拟现实可以创造出各种教学场景，提高教学效果；在旅游领域，虚拟现实将带来更加真实的旅游体验。
三、虚拟现实技术面临的挑战
虚拟现实技术目前仍面临诸多挑战，如设备过于笨重、折射率较低、设备兼容性问题等。
同时，虚拟现实带来的种种问题也需要进一步研究和解决，如眩晕、头痛、恶心、虚拟现实技术的侵犯等。
综合来看，虚拟现实技术这一全新性质的科技，把人带进了一个全新的空间，创造了无限的发展可能性。
虚拟现实技术将在未来得到广泛应用，助力科技发展，同时具有很大的市场潜力，成为新时代的发展热点。
虚拟现实系统简介
1.4 虚拟现实的关键技术
2、大视野立体显示技术 仅仅有一系列三维画面是不够的。VR试图给人身临其境的 感觉，要求这些画面围绕着参与者，这样的效果是通过配 戴头盔实现的。通常桌面显示器给人的画面视角仅为30度， 而一个好的VR系统的画面将包容参与者的整个视野，这可 能需要水平线40度角，垂直120度角。当前大多数头盔显 示器的图象显示装置使用的液晶显示器（LCD），这种显 示器的有效分辩率一般仅为140线。要将如此低分辩率的显 示屏通过光学透镜子装置横向扩展到一个较大的视野内， 其显示效果是可想而知的。
1.4 虚拟现实的关键技术
3、位置跟踪器 位置跟踪器可以检测到参与者的 物理位置和取向，以便输入到计 算机中去产生虚拟境界中相应的 图象和声音。 这一般是使用简单的电磁装置来 实现的。几个很小的发射器固定 在用户的身上，例如，头盔中放 一个，每只手上放一个，通过固 定在VR系统上的接收装置，可以 跟踪参与者的位置和方向。还可 以使用若干台数字化摄像机，通 过图象处理的方法专门用来监测 参与者头部、手部的位置和方向。
1.4 虚拟现实的关键技术
1、三维真实感图象的实时生成
对于三维真实感造型，大家一定不会陌生。只要有足够 的时间，计算机图形学方法就可以产生具有高度真实感 的物体图象。但是，VR的实是特性所限定的正是时间。 VR系统要对参与者的行为反应灵敏，并保持内部的一 致性和连贯性，因此，计算机系统必须具备强大的运算 功能，才能在进行三维图形消隐、浓淡、阴影、纩理处 理的同时，保证显示图象的“更新率”能满足目标的要 求，否则就会出现严重的“滞后”（latency）问题。 所谓“滞后”即动作开始与反映这一动作的画面在显示 器上出现之间的时间间隔。
1.2 虚拟现实技术的概念
2、参与者在虚拟环境中具有主动性
第一章虚拟现实技术概述
6.虚拟现实系统的分类
在实际应用中，根据虚拟现实技术对沉浸程度的高低和交互程 度的不同，将虚拟现实系统划分为以下4种类型:
(1) 桌面式VR系统
它是利用个人计算机或图形工算机的 屏幕作为观察虚拟世界的一个窗口，通过各种输入设备实现与 虚拟世界的交互。
①基于头盔式显示器的系统
②投影式虚拟现实系统
③远程存在系统
沉浸式VR系统的特点 ① 高度的沉浸感。 ② 高度实时性。
利用头盔显示器和数据手套
等交互设备进行的飞机战斗游戏
(3) 增强式VR系统 它既允许用户看到真实世界，同时也能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结合起来的一种 系统。常见的增强式VR系统有： ①基于台式图形显示器的系统。
②北京科技大学成功开发出了纯交互式汽车模拟驾驶培训系统。
③北京航空航天大学开发了直升飞机虚拟仿真器、坦克虚拟住 仿真器、虚拟战场环境观察器、计算机兵力生成器。
国内还有浙江大学、西安交通大学、南京大学、国防科技大学、 天津大学、北京理工大学、西北大学、山东大学、大连海事大 学和香港中文大学等高校以及其他民营研究机构进行了相关的 研究。
3.虚拟现实技术的发展简史
VR技术的发展大致分为3个阶段： 20世纪50年代到70年代末，是VR 技术的探索阶段； 20世纪80年代初期到80年代中期，是VR技术系统化、从实验
室走向实用的阶段；
20世纪80年代末期到达21世纪初，是VR技术高速发展的阶段。
4.虚拟现实系统的构成
典型的虚拟现实系统主要是由计算机、应用软件系统、输入 输出设备、用户和数据库等组成。如图：
科学性及 场 景的选
择性
虚拟世界基于真实数据建立的模型 场景画面根据材料或想像直 组合而成，属于科学仿真系统。操 接绘制而与真实的世界和数 纵者亲身体验三维空间，可自由选 据有较大的差距，属于演示 择观察路径，有身临其境的感觉 类艺术作品。只能按预先假
虚拟地理环境 第二章 虚拟现实概论 第一节 虚拟现实简介
1.2 虚拟现实的概念 (1) 虚拟现实的定义
虚拟现实技术发展到今天，也只能说 处于初级阶段。目前的系统受软、硬 件条件的限制，只是在一定程度上给 予用户“真实感”的体验，许多技术 问题尚有待解决。现在还没有明确的 定义。此处给出几个基于虚拟现实系 统特征的定义
定义一：
是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成 逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的沉浸式 虚拟交互环境，用户借助必要的设备以自然的方 式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响 ，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体 验。
(2) 按虚拟夸张程度
合理的虚拟现实：就是根据真实的物理法则由计 算机模拟真实世界。
在这种虚拟世界中人所体验到的一切都是符合客 观规律的。在真实世界中只要条件具备，就可出现 虚拟现实中的情况，因而从中所获得的知识都是有 用的。 例如英国出售的“模拟滑雪器”，“滑雪者”只 要穿上滑雪服，蹬上滑雪板，拄上滑雪棍，带上头 盔式显示器，就可以看到真正滑雪场中白雪皑皑的 高山深谷，并根据自己的状况做出相应的各种滑雪 动作，学习、体验滑雪。
(2) 虚拟现实与其他相关名词的区别
虚拟与“虚幻” 虚拟现实和多媒体的区别 虚拟现实技术与现有仿真技术的区别 虚拟现实与动画技术的区别 虚拟现实与可视化的区别 几个相同意义的名词 :人工现实(Artifical Reality)、灵境、幻真、虚拟环境
虚拟现实技术介绍
虚拟现实技术介绍虚拟现实（VR-----Virtual Reality），也称灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为学研究等多项关键技术。
它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流。
虚拟现实的主要特征是：多感知性（Multi-Sensory）、浸没感（Immersion）、交互性（Interactivity）、构想性（Imagination）。
虚拟现实系统具有融合海量信息、逼真再现实景、表现形式新颖直观、传播范围遍及全球、异地浏览方便快捷、内容更新快速简单、互动参与趣味多多等独特优势和特征。
本公司采用空间信息技术和虚拟现实技术开发的系统具有如下功能特点：（1）、支持虚拟漫游，临场体验实现场景虚拟漫游，用户可以自由的漫步其间，可以快速到达想去的地方，这一切都由用户亲手控制。
本系统可以通过键盘、鼠标或操纵杆实现前、后、左、右、上、下方向的位移，同时可以实现左转、右转、仰视、俯视等功能。
用户观看不受限制时间、空间的限制，能根据他们的意志探索整个环境，选择他们自己想体验的东西。
（2）、支持建筑或设备的信息查询及定位功能我们将在系统中建立建筑或设备的信息数据库，通过输入建筑或设备名称，可快速定位到相应的区域或者对象上，同时可以迅速获得相关的数据信息，包括文字介绍、图像、视频、动画、背景音乐以及配音解说等等。
（3）、支持多媒体资源超链接可以将与该建筑或设备相关的视频、音频、实景图片、动画、电子文档等多媒体资源整合在该系统中，采用超链接形式，只需用鼠标轻轻一点，即可调出所需资料。
（4）、支持导航地图可建立一个平面导航地图，使用户清楚了解自身所处地理位置，并可以利用该地图迅速到达指定地点，该地图可以缩小、放大或隐藏。
虚拟现实系统概述
虚拟现实系统概述
1.1 虚拟现实技术的发展及现状 1.2 虚拟现实技术的主要研究内容 虚拟现实的研究内容主要分以下几个方面。 1. 人与环境融合技术
（1）高分辨率立体显示器 （2）方位跟踪系统 （3）手势跟踪系统 （4）触觉反馈系统 （5）声音定位与跟踪系统 （6）本体反馈
虚拟现实系统概述虚拟现实来自统概述1.4 虚拟现实的分类与特征 1. 虚拟现实的分类 （l）简易型虚拟现实系统 （2）沉浸型虚拟现实系统 （3）共享型虚拟现实系统 2. 虚拟现实的基本特征 （1）沉浸性 • 沉浸性是指让参与者有身临其境的真实感觉。可分为视觉沉浸、听觉沉浸、触
觉沉浸、嗅觉沉浸和味觉沉浸等。 （2）交互性 （3）构想性
虚拟现实系统概述
1.3 虚拟现实系统的基本组成 1. 虚拟世界 • 虚拟世界是可交互的虚拟环境，是虚拟环境或给定仿真对象的全体。它一般
是一个包含三维模型或环境定义的数据库。虚拟环境是由计算机生成的，通 过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉的交互式视景仿真。 虚拟环境有多种形式，它可能是某些物理环境(如建筑物、厨房，甚至像汽车 这样的物体内部)的伪真实反映， 也可能是根本没有任何物理基础的某一跨国 公司的地理、层次网的三维数据库，甚至可以是与股票交易有关的多维数据 集。虚拟环境还可用来评价一些物理仿真。在对电场中的分子行为进行模拟 时，原子结构的行为动态可用简化的模型进行模拟。不管应用在何处，都要 建立一个反映环境的几何数据库并将其存储起来，在需要时可进行实时调度 和渲染。
虚拟现实系统概述
（3）物理仿真 • 在进行物理仿真时，我们必须为物体设计一些支持其某些物理行为的程序。这
一方面要求很强的计算能力，同时也将使系统增加了一些延时。 （4）碰撞检测 • 在虚拟现实中，常用碰撞来模拟现实生活中的接触、抓、移动和打击等情形。
虚拟现实的介绍
传感器技术
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位置传感器
用于检测用户的位置和运 动轨迹，如陀螺仪、加速 度计等。
姿态传感器
用于检测用户的头部姿态 和视线方向，如头戴式姿 态传感器。
触觉反馈传感器
用于提供触觉反馈，如振 动马达等。
交互技术
语音识别与合成
识别用户的语音输入并转化为文 字，同时将文字合成为语音输出。
手势识别
通过识别用户的手部动作和手势来 进行交互。
05
虚拟现实的实际应用案例
游戏娱乐领域
游戏娱乐
虚拟现实技术在游戏娱乐领域的应用已经非常广泛。玩家可以沉浸在虚拟的游戏 世界中，体验身临其境的感觉。例如，玩家可以在虚拟现实环境中体验刺激的战 斗场景、探索奇幻的游戏世界，以及与全球各地的玩家进行互动。
音乐会和演出
虚拟现实技术也可以用于音乐会和演出的观赏。通过虚拟现实头盔，观众可以身 临其境地感受到现场的氛围，仿佛置身于演出现场。这种技术为观众提供了更加 沉浸式的观赏体验。
体验。
1960年代
研究者开始探索模拟器技术，为 虚拟现实提供基础。
1970年代
计算机图形学取得突破，为虚拟 现实提供技术支持。
虚拟现实技术的发展阶段
1980年代
虚拟现实技术初步形成，出现第一代虚拟现实设 备。
1990年代
虚拟现实技术进入商业应用阶段，广泛应用于游 戏、教育等领域。
21世纪
虚拟现实技术不断升级，与人工智能、物联网等 技术融合，应用领域更加广泛。
THANKS
感谢观看
旅游
VR技术可以模拟旅 游景点，让用户在家 中就能体验到世界各 地的风景名胜。
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虚拟现实的技术实现
3D建模与渲染技术
虚拟现实的基本组成
虚拟现实的基本组成虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种计算机技术，它可以让用户在虚拟世界中与计算机生成的环境进行交互，同时也可以感受到身体的反馈。
虚拟现实的基本组成包括硬件设备、软件系统和交互方式三个方面。
一、硬件设备虚拟现实的硬件设备主要包括头戴式显示器、手柄、追踪器、计算机等。
1.头戴式显示器头戴式显示器是虚拟现实最重要的硬件设备之一，它可以将计算机生成的虚拟世界投射到用户的眼睛中，让用户感觉自己置身于虚拟世界中。
头戴式显示器通常由两个显示屏组成，分别显示左右眼的图像，以达到立体效果。
目前市面上常见的头戴式显示器有Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR等。
2.手柄手柄是虚拟现实中的交互设备，用户可以通过手柄来控制虚拟世界中的物体和角色。
手柄通常具有多个按键和摇杆，可以模拟现实中的手部动作。
目前市面上常见的手柄有Oculus Touch、HTC Vive Controller、PlayStation Move等。
3.追踪器追踪器是虚拟现实中的定位设备，可以追踪用户的头部、手部和身体的位置和姿态，以便计算机生成相应的虚拟世界。
追踪器通常采用红外线或激光技术进行定位。
目前市面上常见的追踪器有Oculus Sensor、HTC Vive Base Station等。
4.计算机虚拟现实需要强大的计算能力来生成高质量的虚拟世界，因此需要配备高性能的计算机。
计算机需要具备高速的CPU、GPU、内存和存储器等硬件设备，以保证虚拟现实的流畅运行。
目前市面上常见的虚拟现实计算机有Oculus Ready PC、HTC Vive Ready PC等。
二、软件系统虚拟现实的软件系统主要包括虚拟现实引擎、虚拟现实应用程序和虚拟现实平台等。
1.虚拟现实引擎虚拟现实引擎是虚拟现实的核心技术，它可以将计算机生成的虚拟世界呈现给用户，并且处理用户的交互行为。
虚拟现实引擎通常由多个模块组成，包括图形渲染、物理引擎、声音引擎等。
虚拟现实技术资料整理
虚拟现实技术资料整理虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是一种能够模拟和创造虚拟环境的计算机技术，通过使用特殊的设备，如头戴式显示器和手柄控制器，使用户能够身临其境地感受和交互虚拟环境。
近年来，虚拟现实技术在游戏、教育、医疗、娱乐等领域得到了广泛的应用和发展。
一、虚拟现实技术的基本原理虚拟现实技术的实现主要依靠以下几个关键技术：图像生成与渲染、空间定位与追踪、交互设备与手柄控制、声音与音频处理、实时计算与传输等。
1. 图像生成与渲染虚拟现实技术通过计算机生成逼真的三维图像，以模拟真实世界的场景。
图像生成主要依赖于计算机图形学和计算机视觉技术，包括建模、纹理映射、光照计算等。
而图像渲染则是将生成的图像进行处理，使其能够在虚拟环境中呈现出逼真的效果。
2. 空间定位与追踪为了让用户能够在虚拟环境中自由移动和交互，虚拟现实技术需要实时追踪用户的头部和手部位置。
目前常用的定位和追踪技术包括惯性导航、光学追踪、声音定位等。
3. 交互设备与手柄控制为了增强用户对虚拟环境的交互体验，虚拟现实技术使用各种交互设备和手柄控制器。
例如，头戴式显示器可以实时跟踪用户头部的位置和姿态，手柄控制器可以模拟用户的手部动作。
4. 声音与音频处理虚拟现实技术还需要提供逼真的音频效果，以增强用户的沉浸感。
通过声音定位和音频处理技术，可以使用户在虚拟环境中听到来自不同方向的声音，并产生立体声效果。
5. 实时计算与传输虚拟现实技术需要实时计算和传输大量的图像和数据，以确保用户在虚拟环境中的体验流畅和逼真。
高性能的计算机和稳定的网络连接是保证实时计算和传输的关键。
二、虚拟现实技术的应用领域虚拟现实技术在各个领域都有广泛的应用，下面将介绍几个典型的应用领域。
1. 游戏与娱乐虚拟现实技术在游戏和娱乐领域有着广泛的应用。
通过虚拟现实设备，玩家可以身临其境地参与游戏，感受到更加真实的游戏体验。
例如，玩家可以在虚拟现实环境中与游戏角色互动，体验到真实的动作和情感。
虚拟现实技术介绍
虚拟现实技术介绍虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种可以模拟现实环境并进行交互的计算机技术。
它通过利用计算机生成的视觉、听觉和触觉等信息，使用户沉浸到一个虚拟的环境中，感受到如同身临其境的体验。
虚拟现实技术已经在多个领域得到广泛应用，包括娱乐、教育、医疗、建筑设计等。
虚拟现实技术的实现主要依赖于计算机图形学、感知学、仿真学等多个学科的交叉应用。
首先，通过利用计算机图形学技术生成逼真的虚拟场景，包括建筑、景物、人物等。
其次，通过感知学技术模拟并传递真实的视听触信息，使用户能够感受到虚拟环境中的细节和变化。
最后，通过仿真学技术实现虚拟环境中的交互和行为，使用户能够与虚拟环境进行互动。
虚拟现实技术在娱乐领域得到了广泛的应用。
通过佩戴虚拟现实头显，用户可以进入虚拟游戏世界，与虚拟角色进行互动，体验到更加逼真的游戏体验。
此外，虚拟现实技术还可以用于模拟和训练飞行、驾驶等技能，以及提供沉浸式的观影体验。
虚拟现实技术在教育领域也得到了广泛的应用。
通过创建虚拟场景，教师可以模拟丰富的教学环境，让学生在虚拟世界中进行实验、观察和探索。
这样的教学方式可以增加学生的参与度和动手能力，提高学习的效果。
此外，虚拟现实技术还可以用于远程教育，使学生能够通过网络与远程教师进行面对面的互动。
虚拟现实技术在医疗领域拥有广泛的应用前景。
通过虚拟现实技术，医生可以实时观察和操作患者的器官，进行精确的手术操作。
虚拟现实技术还可以用于康复训练，通过模拟不同环境和动作来帮助患者恢复功能。
此外，虚拟现实技术还可以提供一种非药物疗法，通过放松和冥想等方式来帮助患者缓解疼痛和焦虑。
虚拟现实技术在建筑设计领域也得到了广泛的应用。
设计师可以利用虚拟现实技术来模拟建筑的外观和内部结构，使客户能够更加直观地了解建筑设计的效果。
虚拟现实技术还可以通过模拟不同光线和材料的效果，帮助设计师做出更加准确的决策。
此外，虚拟现实技术还可以用于建筑施工的模拟和培训，提高建筑施工的效率和质量。
什么是虚拟现实
什么是虚拟现实虚拟现实（英文缩写VR）是一种以体验者的视角来展示虚拟现实环境的有效三维工具，它能够让用户感受到一种与现实世界不一样的虚拟现实环境，潜入其中，体验一次另类的新型活动体验。
下面我们就从三个方面来阐述虚拟现实：一、什么是虚拟现实虚拟现实，简而言之就是利用一个虚拟的空间，可以使用户沉浸到里面，体验其独特的互动体验。
虚拟现实系统是一种实现立体深度神经呈现的有组织的数字环境，其中最重要的元素就是由三维齐次空间坐标定义的三维虚拟对象。
虚拟现实技术已被应用到日常生活与商业交流中，以便更好地宣传虚拟现实体验内容，让用户体验到真正独特的体验。
二、虚拟现实的由来虚拟现实的由来，可以追溯到20世纪上半叶，最早的虚拟现实研究是1970 年 Manuel 先生提出的。
其后，持续有人投入此领域的研究，直到90年代末，虚拟现实应用获得了一些成功案例，如微软利用虚拟现实技术来演示其软件产品，挑起了虚拟现实早期研究的一股狂潮。
今天的虚拟现实体验，不仅让我们体验真实的空间感受，还能够创造出出乎想象的新奇视觉效果。
三、虚拟现实的应用虚拟现实的应用领域非常广泛，一般可分为教育、军事、科学研究、娱乐、体育、健身、医疗等领域。
（1）在教育领域，虚拟现实技术可以用来复活历史人物或重现历史事件，如利用虚拟现实技术绘制李白的文字，穿越古代古城建筑，模拟历史会议等，使学生可以拥有一个丰富多彩的历史课堂体验。
（2）在军事领域，虚拟现实技术可以用于模拟部队行军及战场情况，以便增强实战技能的训练，让被训练者体验到另类的战争模拟情况。
（3）在科学研究领域，虚拟现实技术可以帮助科学家模拟和研究未知的物理行为，探索宇宙的秘密，更好地理解世界的构成。
（4）在娱乐、体育和健身领域，虚拟现实技术可以用来创造出另外一种现实新世界，比如玩家模拟开车，体验危险性，玩家在虚拟环境中骑行，极限运动，亦或运用虚拟现实技术进行培训，以准备下一次的极限竞技表演。
（5）在医疗领域，虚拟现实技术可以帮助医生更好地发掘病人的内在潜能，研究科学家也可以利用虚拟现实技术来制造动物模型，帮助研究。
VR(虚拟现实)概述
1、定义：虚拟现实技术就是采用以计算机技术为核心结合光电传感技术生成逼真的视、听、触一体化的特定范围内虚拟的环境（如飞机驾驶舱、分子结构世界，高危环境）。
若使用特定装备（动作采集自由度空间定位、力反馈输入、数字头盔、立体显示环境等），就可以自然地与虚拟世界中的客体进行实时逼真交互，从而产生亲临现场的感受和体验。
2、特点：1、沉浸感2、交互性3、想象性3、应用范围：电子商务、高危环境应急系统、工业仿真、数字城市规划、教育学习、生物医药、休闲娱乐、虚拟演播室…4、分类：1、按功能及实现方式分类：桌面式VR系统：利用个人电脑或者图形工作站，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，利用计算机的屏幕作为观察虚拟世界的一个窗口，通过各种设备实现与虚拟世界的交互。
（空间位置追踪定位器、数据手套、三维空间鼠标）主要特点：1、对硬件要求低2、缺少完全沉浸感3、应用普遍沉浸式VR系统：提供完全沉浸的体验，使用户有一种完全置身于虚拟世界的感觉。
它通常采用头盔显示器、洞穴式立体显示等设备，把参与者的视觉、听觉和其他手控输入设备、声音等使得参与者产生一种完全投入并沉浸于其中的感觉，是一种比较理想的VR系统。
沉浸式VR系统的特点：1、高度的沉浸感2、高度实时性分布式VR系统：暂时不涉及…2、建模技术分类：(几何建模技术、物理建模技术、行为建模)几何模型式：主要特点：视角不受限制VR工具软件建模：vrml、Java3D、openGL购买模型库建模软件3Dmax、AutoCAD、Creator、Pro/E影像式：主要特点：对计算机要求低、与场景复杂程度无关全景技术（QuickTimeVR）5、系统组成：软件硬件结合构成一、软件：1、立体模型VR类：三维建模软件（3dmax类）、立体扫描仪与virtools类平台结合2、QuickTimeVR类：桌面式VR的一种，基于静态图像处理的，虽然是初级的VR技术，但是它的特色和优势使得VR技术的应用普及有了广阔的前景。
虚拟现实技术概述
虚拟现实技术概述虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是一种通过计算机生成的虚拟环境，能够模拟真实世界或者创造全新的虚拟空间，使用户可以沉浸其中并与之互动。
虚拟现实技术已经在各个领域得到广泛应用，包括游戏娱乐、教育培训、医学健康、建筑设计等，为用户提供了全新的体验。
一、虚拟现实技术的基本原理虚拟现实技术的实现需要借助一些基本原理，包括感知系统、交互系统和虚拟环境生成系统。
感知系统主要通过头戴设备（如VR眼镜）、手套、体感设备等，将用户的动作和感觉输入到计算机中。
交互系统则通过控制器、触控屏等设备，将计算机生成的虚拟环境反馈给用户。
虚拟环境生成系统通过计算机图形学、物理模拟和声音处理等技术，实时生成逼真的虚拟场景。
二、虚拟现实技术的应用领域1. 游戏娱乐领域：虚拟现实技术已经在游戏娱乐领域得到广泛应用。
通过VR设备，玩家可以身临其境地参与游戏，感受到更加真实的游戏体验。
例如，在射击游戏中，玩家可以通过头部转动和手部动作控制角色的视角和动作，提升游戏的沉浸感。
2. 教育培训领域：虚拟现实技术在教育培训领域有着广泛的应用前景。
通过虚拟现实技术，学生可以亲自参观和体验远离他们所在地的地理、历史或者文化景点。
同时，在医学、科学等领域的培训中，虚拟现实技术也能够提供更加安全和真实的训练环境。
3. 医学健康领域：虚拟现实技术在医学健康领域的应用也十分广泛。
医生可以通过虚拟现实技术进行手术模拟和训练，提高手术的准确性和安全性。
同时，虚拟现实技术还可以用于康复治疗，帮助患者进行实时监测和指导，提高治疗效果。
4. 建筑设计领域：虚拟现实技术在建筑设计领域可以提供更加直观和真实的设计展示和验收方式。
通过虚拟现实技术，用户可以在虚拟环境中漫游，实时感受建筑设计的布局和效果，帮助设计师和客户更好地进行设计沟通。
5. 智能制造领域：虚拟现实技术可以用于智能制造领域的工业仿真和操作培训。
通过虚拟现实技术，工人可以在虚拟环境中进行装配和操作的实践训练，提高操作技能和安全性。
虚拟现实系统
虚拟现实系统虚拟现实系统是一种通过计算机技术模拟现实环境的系统，利用人与电脑之间的交互来创造出一种身临其境的感觉。
它通常由硬件设备和软件应用程序组成，能够提供视觉、听觉、触觉等多种感官体验，使用户能够沉浸在一个完全虚拟的环境中。
一、虚拟现实系统的原理虚拟现实系统的核心原理是模拟人类感知和交互的过程，以实现一种逼真的虚拟体验。
它包括三个关键要素：感知输入、处理和呈现输出。
1. 感知输入虚拟现实系统通过感知设备获取用户的动作和感觉，用于追踪用户的位置、头部姿态和手部动作等。
其中常用的感知设备包括头戴式显示器、手柄、触控手套等。
2. 处理通过计算机算法对输入信号进行处理和分析，以便生成适合用户的虚拟体验。
处理过程需要对场景、图像、声音等进行实时计算和渲染，并将结果输出给用户。
3. 呈现输出呈现输出是指将处理后的数据以适合人类感知的方式呈现给用户。
常用的输出设备包括头戴式显示器、立体声耳机、触觉反馈设备等。
用户穿戴上这些设备后，可以通过眼睛看到逼真的虚拟场景，通过耳朵听到逼真的虚拟声音，并且能够通过触摸感受到虚拟物体的触感。
二、虚拟现实系统的应用领域虚拟现实系统在各个领域都有广泛的应用，包括娱乐、教育、医疗、工业等。
1. 娱乐娱乐是虚拟现实系统应用最广泛的领域之一。
通过虚拟现实系统，用户可以体验到逼真的游戏和电影场景，沉浸在一个完全虚拟的世界中。
同时，虚拟现实技术也为游戏开发者和电影制作人带来了更多的创作空间和方式。
2. 教育虚拟现实系统在教育领域也有着巨大的潜力。
通过虚拟现实技术，学生可以身临其境地参观世界各地的名胜古迹，体验各种科学实验和操作，提高学习的趣味性和互动性。
3. 医疗虚拟现实系统在医疗领域的应用非常广泛。
它可以帮助医生进行手术模拟和培训，提高手术的准确性和安全性；同时，还可以帮助患者进行康复训练和心理治疗，缓解疼痛和恐惧感。
4. 工业虚拟现实系统在工业领域的应用主要体现在训练和模拟方面。
虚拟现实(VR)简介
基于网络的可供 异地多用户同时参 与 的分布式虚拟环境 位于不同物理环境位置的多个用户或 多个虚拟环境通过网络相连接，使多 个用户同时参加一个虚拟现实环境
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二、虚拟现实的发展史
视频1：虚拟现实VR发展史（约5min）
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三、虚拟现实的应用
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三、虚拟现的应用
视频2：虚拟现实的应用（约4min） -14-
大纲 一、虚拟现实概念 二、虚拟现实的发展史 三、虚拟现实的应用
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一、虚拟现实概念 定义
以计算机技术为核心的现代高科技手段生成逼真 的视觉、听觉、嗅觉、味觉等一体化的虚拟环境，用 户从自己的视点出发，借助特殊的输入输出设备，采 用自然的方式与虚拟世界的物体进行交互，相互影响。
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一、虚拟现实概念
桌面式VR系统
基于普通PC平台的小型桌面虚拟 现实系统 使用个人PC或初级图形PC工作站 产生仿真，计算机的屏幕作为使 用者观察虚拟环境的窗口 使用者不能完全投入，仍会受到 周围现实环境的干扰
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一、虚拟现实概念 虚拟现实系统分类
沉浸式VR系统
高级的、较理想、较复杂的虚 拟现实系统 采用封闭的场景和音响系统将 用户的视听觉与外界隔离，使 用户完全置身于计算机生成的 环境中
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一、虚拟现实概念 虚拟现实系统分类
增强式VR系统
借助 计算机图形技术 和 可视 化技术 产生现实环境中不存在 的虚拟对象，并呈现给使用者 一个感官效果真实的新环境
使真实环境和虚拟环境组合在 一起，既允许用户看到真实世 界，也可以看到叠加在真实世 界的虚拟对象
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一、虚拟现实概念 虚拟现实系统分类
多感知性
特性
虚拟现实技术概述
虚拟现实技术概述虚拟现实（VR）技术是一种模拟和创造真实感观体验的计算机技术，它将用户置身于一个虚拟的环境中，使其感觉好像真的身处在那个环境中。
虚拟现实技术通过感官刺激，例如视觉、听觉、触觉等，给予用户沉浸式的体验。
虚拟现实技术是由虚拟现实设备和虚拟现实内容构成的。
虚拟现实设备是用户接受虚拟环境的工具，主要包括头戴式显示器（HMD）、手柄、手套等。
头戴式显示器是最主要的设备，通常由一个放大器、屏幕、传感器等组成。
用户戴上头盔后，屏幕会显示出虚拟环境的画面，而传感器则能够感知用户的头部动作，从而实现相应的虚拟环境交互。
除此之外，还有手柄、手套等设备可以提供更多的交互方式。
虚拟现实内容是用户在虚拟环境中所看到和听到的图像和声音。
这些内容通过计算机图形学和音频技术生成，可以是三维模型、场景、动画等。
虚拟现实内容的制作需要考虑真实感和交互性，以便用户能够真实感受到虚拟环境中的物体、声音和运动。
虚拟现实技术在各个领域都有广泛的应用。
在游戏领域，虚拟现实技术为玩家创造了更加沉浸式的游戏体验，使其能够更好地参与到游戏中。
在教育领域，虚拟现实技术可以模拟真实环境，提供更加直观和实践性的学习方式，例如虚拟实验室和虚拟考古等。
在医疗领域，虚拟现实技术可以用来进行手术模拟和康复训练，提高医疗效率和减少风险。
在建筑和设计领域，虚拟现实技术可以让用户在虚拟环境中进行建筑和设计方案的浏览和调整，提高设计效率和准确度。
虚拟现实技术的发展趋势包括图像分辨率的提高、交互方式的丰富和应用领域的扩展。
随着显示技术和传感器技术的不断进步，虚拟现实设备的图像质量会不断提高，使用户能够更加真实感受到虚拟环境。
同时，虚拟现实设备的交互方式也会变得越来越多样化，例如眼球追踪、手势识别和触觉反馈等技术的应用，使用户能够更加自然地与虚拟环境进行交互。
此外，虚拟现实技术将在更多的领域得到应用，例如电影、体育和旅游等，为用户提供更加丰富的体验。
虚拟现实技术的发展也面临一些挑战。
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《虚拟现实》 教学目的和要求：1、了解虚拟现实的概念；2、了解虚拟现实的组成及国内和同外虚拟现实研究的现状。
教学重点：1、虚拟现实定义；2、虚拟现实的组成；3、虚拟现实的应用研究现状；4、虚拟现实的应用前景。
1.前言人类有许多梦想，一些梦想已经变为现实，而有一些梦想也许永远都 不可能实现。
然而，有一种技术却能使一切梦想全部在感知中实现，这就 是虚拟现实技术虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）。
虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒 体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，由于它生成的视觉环 境是立体的、音效是立体的，人机交互是和谐友好的，因此虚拟现实技术 将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，即计算机创造的环境将 人们陶醉在流连忘返的工作环境之中。
虚拟现实（VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术， 它集多媒体、网络技术、传感技术等多种先进技术为一体，是当今前景最好的计算机技术之一。
虚拟现实虚拟环境虚拟房间 虚拟汽车虚拟人虚拟现实技术的发展1965年，Sutherland在篇名为《终极的显示》（The Ultimate Display）的 论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟 现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。
1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。
基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词。
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，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技 术的广泛关注。
1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室组织开 发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计 算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。
虚拟现实技术的发展90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机 软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时 动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实 用的输入输出设备不断地进入市场。
而这些都为虚拟现实系统 的发展打下了良好的基础。
例如1993年的11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成 了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚 拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来引起科技界瞩目 的又一件工作。
虚拟现实技术的发展虚拟现实外国有时还称为：“信息空间”，“人工现实”，“合成环 境“等，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、听、嗅、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而提高整个系统的工作效率。
我们可以简单地理解为：利用计算机生成的能给人多种感官刺激的人机交互系统。
两个方面：第一是计算机生成的虚拟环境必须是能给人提供多种感觉的感官刺激的环境，能让人有“沉浸”的感觉，现在的技术水平，虚拟现实通常由视觉、听觉和触觉构成。
其二是虚拟现实系统是一种高级的人机交互系统，因此人机交互是虚拟现实的核心。
2. VE (Virtual Environment) 技术– 科学技术的发展使得人们对信息的需求越来越多， 人门对信息的接受和理解变得也愈重要，人门不 再满足通过数字、图像的方式观察信息的处理结 果，而迫切需要通过视觉、听觉、触觉、嗅觉、 以及形体、手势或口令，并直接参与到信息的处 理环境中，获得身临其境的感觉。
VE (Virtual Environment) 技术• 虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），是 一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具 体地说，就是采用以计算机技术为核心的现 代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的 特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备 以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互 作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环 境的感受和体验。
VE (Virtual Environment) 技术• VR起源可追溯到1965年Ivan Sutherland在 IFIP会议上的《终极的显示》报告，而 Virtual Reality一词是80年代初美国VPL公 司的创建人之一Jaron Lanier提出来的。
VR 系统在若干领域的成功应用，导致了它在90 年代的兴起。
虚拟现实是高度发展的计算机 技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映， 不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网 络技术、并行处理技术、人工智能等高性能 计算技术，而且涉及数学、物理、通信，甚 至与气象、地理、美学、心理学和社会学等 相关。
VE (Virtual Environment) 技术 定义:虚拟环境是相对于实环境的，并有人的 操作和参与而形成的一种虚构的、视觉 上的、听觉上的、感觉上、嗅觉上的存 在，是一种物理意义上的人机交互和抽 象组合，而这种存在是由计算机系统产 生的。
在实环境中，人们可以直接的感 受到实际的物体和存在，并与其进行交 互和远程操作。
而虚拟环境是一种利用 显示技术虚构的环境，只是在感觉上能够体验到的一种境界虚拟环境虚拟现实的概念模型虚拟环境 实物虚化 人虚物实化3 虚拟现实的基本特征• 虚拟环境实质上不在是建立在一维的数字化 信息空间，而是建立在一个多维信息空间的 集成化环境，而虚拟现实 (Virtual Reality VR) 技术是支撑这种集成环境的关键技术，是一 种新的人—机界面形式，它为用户（参与者） 提供了一种临境(immersive)和多感觉通道 （multisensory ）的体验，试图寻求一种最佳 的人机通讯方式。
虚拟现实也被称为人工环 境(artifical environments)、电脑空间 (cyberspace)、人工合成环境(synthetic environments)、虚拟环境(Virtual Environment)。
虚拟现实的基本特征• 虚拟现实技术近年来在技术研究领域十分活跃，它 包容了计算机图形学、多媒体技术、人工智能技术、 人机接口技术、传感器技术、并行实时计算技术和 人的行为学等关键技术，是多媒体技术的一种发展 境界。
与传统计算机相比，VR 系统有着三个重要 的特点：– 临境(immersion)； – 交互性(interactivity)； – 想象(imagination)。
• 这三者都与人密切相关。
我们可以简单地说，VR 是计算机图形学和人机交互技术的发展产物。
但 从更广泛的意义上讲，VR 是人与技术系统完美的 结合，人在整个系统占有重要的地位。
虚拟现实的基本特征虚拟技术三角形虚拟现实的基本特征• 沉浸感(Iimmersion)是指用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。
理想的虚拟环境应该达到使用户难以分 辨真假的程度(例如可视场景应随着视点的变化而变化)， 甚至超越真实，如实现比现实更逼真的照明和音响效果 等。
• 交互性(Iinteraction)是指用户对虚拟环境内的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，用户可以用手直接抓取虚拟环境中的物体，这时 手有触摸感，并可以感觉物体的重量，场景中被抓的物 体也立刻随着手的移动而移动。
• 想象(Imagination )是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。
Immersion ImaginationInteractionI34 虚拟系统组成• 虚拟现实系统可分为四大类：– 桌面虚拟现实系统（Desktop VR ） – 临境虚拟现实系统(Immersive VR)– 增强性的虚拟现实系统(Augmented Reality ) – 分布式虚拟现实系统(Distributed VR)4.1 桌面VR系统(简易型虚拟现实系统）桌面虚拟现实利用个人计算机和低级 工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用 户观察虚拟境界的一个窗口。
通过各种输 入设备实现与虚拟现实世界的充分交互， 这些外部设备包括立体眼镜、3D控制器使 监视器或者鼠标，追踪球，力矩球等。
它 要求参与者使用输入设备，通过计算机屏 幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵 其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉 浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干 扰。
桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的 现实体验，但这种系统的特点是结构简单、 价格低廉，组成灵活，易于普及推广，是 一套经济实用的系统。
桌面VR也称为窗口中的VR,这类系统由于采用 标准的CRT显示器和立体(Stereoscopic)显示技术， 其分辨率较高，价格较便宜。
在使用时,桌面VR系统 设定一个虚拟观察者的位置。
桌面VR系统通常用于 工程CAD、建筑设计以及某些医疗应用。
• 特点：–桌面虚拟现实技术就是使用个人计算机或工作站 去产生虚拟境界。
将计算机的屏幕作为用户观察 虚拟境界的一个窗口。
4.1桌面VR系统(简易型虚拟现实系统）–参与者使用位置跟踪和另一个手控输入设备， 如六自由度鼠标器、游戏操纵杆、力矩球等，使 其虽然坐在监视器前面，但可通过计算机屏幕观 察360度范围内的虚拟景物。
–桌面虚拟现实系统虽然使参与者沉浸的程度要 差,但技术上便于实现，成本低，这对于许多用 户来说是很有吸引力的。
–桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验 ，但应用比较广泛。
常见桌面虚拟现实技术有： 基于静态图像的虚拟现实QuickTime VR、虚拟现 实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。
4.1桌面VR系统(简易型虚拟现实系统）4.2 临境VR虚拟系统 (Immersive VR)沉浸型虚拟现实系统提供完全沉浸的体验。
它利用头盔 式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感 觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利 用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等 使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的 感觉。
4.2 临境VR虚拟系统 (Immersive VR)• 沉浸式虚拟现实要使用特殊 的硬件设备，如头盔和数据 手套。
• 头盔实际上有三个不同的部 分：头盔显示器（HMD:Head- Mounted Display）、头盔定 位装置和立体声耳机。
头盔 显示器又叫虚拟现实眼镜， 它可以将两幅具有一定视差 的图像，通过左右显示屏直 接提供给参与者的眼睛，使 他观看到具有深度感的立体 图象，而将所有无关的视觉 信息滤除掉。
4.2临境VR虚拟系统• 头盔定位的功能是实时地测定参与者头部的三维坐标 值及旋转角度值，这是形成三维图形的重要参数。