十六讲虚拟现实

七、虚拟现实系统的关键技术
（1）动态环境建模技术 虚拟环境的建立是 虚拟现实技术的核心内容。 动态环境建模技术的目的 是获取实际环境的三维数 据，并根据应用的需要， 利用获取的三维数据建立 相应的虚拟环境模型。三 维数据的获取可以采用 CAD 技 术 （ 有 规 则 的 环 境），而更多的环境则需 要采用非接触式的视觉建 模技术，两者的有机结合 可以有效地提高数据获取 的效率。
（3）立体显示和传感 器技术 虚拟现实依赖于 立体显示和传感器技术 的发展，立体显示技术 涉及到人眼的生理原理 以及在计算机上如何产 生深度线索的技术。 现有的硬件系统如头盔 显示器、单目镜及可移 动视觉显示器有待进一 步研究，光学显示还存 在许多局限性；传感器 技术中需解决设备的可 靠性、可重复性、精确 性及安全性等问题，各 种类型传感器的性能急 需提高。
典型的VR系统结构
进入20 世纪90 年代后，基于大型数据集合的声音和图 像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涌入市场，这 些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。
五、虚拟现实技术的应用
自然、文化遗产的保护 和弘扬


教育与训练 医学领域 商业领域 影视娱乐 规划与设计
2．虚拟现实系统的软件
虚拟现实系统的软件用来进行境界构造，包括建模 和绘制对象，给这些对象指定行为，提供交互性和编 程。虚拟现实软件可分为工具包和创作工具。 工具包即程序库，一般用 C 或 C＋＋等编制，利用 它所提供的函数集合，熟练的程序员可以生成具体的 虚拟现实系统应用。VRML就是这样一个程序库。创作 工具是带有图形用户界面的完整软件，通过创作工具 只需简单编程就可生成虚拟境界。程序库一般比创作 工具更灵活，绘制速度更快，但需要丰富的编程经验 。 由于软件的方法对硬件的依赖性不高，相对来说容 易实现，而且其适用的范围很广，因此目前发展很快 ，很多公司纷纷推出软件开发包，以及其它一些工具 。
二、虚拟现实系统的构成
（1）虚拟世界生成设备
虚拟世界生成设备无疑可以是一台或多台高性能计 算机。通常又可分为基于高性能个人计算机、基于 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。 后两类用于沉浸式虚拟现实系统，而基于 PC 机的虚 拟现实系统通常为非沉浸式系统。 虚拟现实所用的计算机是带有图形加速器和多条图 形输出流水线的所谓高性能图形计算机。这是因为 三维高真实感场景的生成与显示在虚拟现实系统中 具有头等重要的地位。
20世纪80年代，美国 VPL公司创建人亚伦.拉 尼尔提出。 虚拟现实技术通常是指 利用计算机建模技术、 空间、声音、视觉跟踪 技术等综合技术生成的 集视、听、触觉为一体 的交互式虚拟环境。 在这样的虚拟空间中，参 与者可借助数据头盔显示 器、数据手套、数据衣等 设备与计算机进行交互， 得到和真实世界极其相近 的体验。
后来到哈佛大学继续进 行虚拟显示技术研究。 1966年，他和他的学生 鲍勃.斯普劳尔为波奇公 司开发了世界上第一台 数据头盔显示器。在这 中双目并用的头盔上， 图片被直接安装在眼睛 前面的显示器上，当观 众从这个头盔显示器中 看到从楼顶上拍摄的地 面照片时，显示了恐惧 和惊慌。这个实验证明 了仅利用双眼就可以实 现沉浸的效应。
（3）跟踪设备
跟踪设备是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。目前，先 进的跟踪定位系统可用于动态记录人体运动。 最常用的跟踪设备有基于机械臂原理、磁传感器原理、超 声传感器原理和光传感器原理四种。 除机械臂式定位跟踪器以外，其它三种跟踪器都由一个 （或多个）信号发射器以及数个接收器组成，发射器安 装在虚拟现实系统中某个固定位置，接收器安装在被跟 踪的部位。如安装在头部，通常用来跟踪视线方向；如 安装在手部，通常用来跟踪交互设备数据手套的位置及 其朝向；如果将多个接收器安装在贴身衣服的各个关节 部位上，则实时记录人体各个活动关节的位置，经过软 件处理可实时跟踪显示人的动作。
桌面式 VR 系统仅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。它把计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的一个窗 口，参与者需要使用手拿输入设备或位置跟踪器来驾驭虚拟环境 和操纵虚拟场景中的各种物体。 在桌面 VR 系统中，参与者虽然坐在监视器前面，但可以通过计 算机屏幕观察 360 °范围内的虚拟环境；可以通过交互操作，使 虚拟环境的物体平移和旋转，以便从各个方向观看物体，也可以 利用“ through walk” 进入功能在虚拟环境中浏览。但参与者并 没有完全沉浸，他仍然会受到周围现实环境的干扰。 桌面 VR 系统虽然缺乏完全的沉浸感，但它仍然比较普及，这主 要是出于其成本相对来说较低。在桌面VR系统中，用户借助三维 眼镜或安装在计算机屏幕上方的立体观察器、液晶显示光学眼镜 等一些廉价的设备，就可以产生一种三维空间的幻觉来增加沉浸 的感觉；而它采用的标准 CRT 显示器和立体图像显示技术，又使 得系统分辨率较高，价格也比较便宜；另外，声卡和内部信号处 理电路也可以通过廉价的硬件产生真实性很强的声音效果。桌面 VR 系统通常用于工程 CAD、建筑设计、培训、教育及某些医疗应 用。
虚拟现实（VR）
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一、虚拟现实技术的产生与发展
1961年，美国科学家 海里戈提出了构建虚 拟布鲁克林城的构想， 他希望观众可以通过 他设计的系统体验漫 步在布鲁克林城市街 道上的感受。是最早 看到虚拟现实技术前 景的人。
虚拟现实的概念来自萨瑟兰的“终极显示”。 1965年，萨瑟兰在一篇论文中提出了“终极显示”的概 念：认为可以把计算机显示器作为通往虚拟世界的窗口。 对于这个概念，他是这样描述的：“通过这个窗口，人 们可以看到一个虚拟的世界，富有挑战性的工作是怎样 使那个虚拟世界看起来更加真实，在其中行动真实，听 起来真实，感觉就像真实世界一样。”萨瑟兰的设想是 计算机构建一个虚拟的物理世界，观众可以与其进行交 互。
不久，萨瑟兰用计算机图像取代了 照片，虽然只是一个虚构的虚拟空 间，但它的效果已远远地超过了照 片。
20世纪80年代以后，虚拟显示技术得到了长足的发 展，加州大学伯克利分校的麦克.利威在萨瑟兰创造 的3D虚拟空间的基础上继续创新，利用精巧的液晶 显示器取代了笨重的阴极射线管显示器，同时它还 发明了精确的头部定位装置。
（ 2 ）实时三维图形生成技 术 三维图形的生成技术 已经 较为 成熟 ，其 关键是 如何 实现 “实 时” 生成 。 为了 达到 实时 的目 的 ，至 少要 保证 图形 的 刷 新率不 低于 15 帧／秒，最好是高 于 30 帧／秒。在不降低图 形的 质量 和复 杂度 的前提 下，提高刷新频率。这里， 图形 生成 的硬 件体 系结构 以及 在虚 拟现 实的 真实感 图形 生成 中用 于加 速的各 种有效技术是关键所在。
八、虚拟现实作品
据构成虚拟现实系统的技术设备以及带给观众的不 同体验，可以将虚拟现实的艺术作品分为桌面级、 沉浸级、增强现实级和分布式四个层次。结合艺术 家的作品，不同层次的虚拟显示系统可分为：桌面 式虚拟现实；沉浸式虚拟现实；增强现实式虚拟显 示；分布式虚拟现实。
1．桌面式VR系统（Desktop VR）
1．菜单栏 2． 工具栏 3． Flash窗口 4．功能分类面板 5．主功能区面板 6．视图区 7．属性面板 8．信息栏 9．状态栏
四、用户与虚拟世界交互的过程
入设备，为计算机提供输入信号；
的输入信号加以处理；
ห้องสมุดไป่ตู้
（1）用户首先激活头盔，手套和话筒等输
（2）VR软件收到由跟踪器和传感器送来
（3）对虚拟环境数据库做必要的更新，调 整当前的虚拟环境场景，并将这一新视点 下的三维视觉图像以及其他（如声音、触 觉、力反馈等）信息立即传送给相应的输 出设备（头盔显示器、耳机、数据手套等 ），以便用户及时获得感官上的虚拟效果 ，这一过程必须每秒钟发生多次才能使用 户感受到实时连续的效果。
虚拟世界生成设备的主要功能包括：
① 视觉通道信号生成与显示——三维高真实感图形 建模与实时绘制。 ② 听觉通道信号生成与显示——三维真实感声音生 成与播放。所谓三维真实感声音是具有动态方位 感、距离感和三维空间效应的声音。 ③ 触觉与力觉通信信号与显示——皮肤感知的触摸 ，温度、压力、纹理信号以及肌肉、失节、腱等 感知的力信号的建模与反馈。 ④ 支持实时人机交互操作的功能——三维空间定位 、碰撞检测、语音识别以及人机实时对话功能。
（2）虚拟现实输入设备 有两类跟踪系统，分别是有源跟踪系统和无源系 统。有源跟踪系统使用两路信号处理输入数据，这 种系统通过发射器和传感器跟踪参与者的位置和取 向。无源跟踪系统使用一路信号处理输入数据，只 有一个传感器用来跟踪位置和方向。 （3）虚拟现实输出设备 虚拟现实系统的输出设备用于将电子信号转变成 各种人体感宫可以感觉到的刺激。常用的虚拟现实 系统输出设备有头戴式显示器和声音发生器。
（4）应用系统开发工具 虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象， 即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可 以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品 开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的 开发工具。
（5）系统集成技术 由子虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统 的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技 术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和 合成技术等。
（2）感知设备
感知设备是指将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（力）、嗅 、味觉等多种通道。然而，成熟和相对成熟的感知信息产生 和检测的技术，仅有视觉、听觉和力觉三种通道。 ① 视觉感知设备——立体宽视场图形显示器。立体宽视场 图形显示器可分为沉浸式和非沉浸式两大类。 ② 听觉感知设备——三维真实感声音的播放设备。常用的 有耳机式、双扬声器组和多扬声器组三种。通常由专用声卡 将单通道声源信号处理成具有双耳效应的真实感声音。 ③ 触觉（力觉）感知设备——触觉（力觉）反馈装置。触 觉和力觉实际是两种不同的感知。触觉包含的感知内容更丰 富一些，例如应包含一般的接触感（类似于“摸到了一个面 ”的感觉），进一步应包含感知材料的质感（布料、海绵、 橡胶、木材、金属、石料等等），纹理感（平滑、粗糙程度 等）以及温度感等。力觉感知设备要求能反馈力的大小和方 向，与触觉反馈装置相比，力反馈装置相对较成熟一些。
更加重要的发明出现在1984年，美国国家航空航天局 艾米斯研究中心的科学家们利用晶体管集成电路系统 设计了可携带的小型立体眼镜，“艾米斯虚拟工作站” 计划将这一新发明的立体眼镜连接在高性能的计算机 上，这样观众就可以通过它进入虚拟世界。
同时，斯坦福医学院的学生汤姆.奇摩尔曼发明了 一种可以精确跟踪并反馈手部动作的“数据手套”， 他在手套的关节处放上了小型的感应器，当移动手 指时，计算机便可以获取手指动作的信息。和数据 头盔相比，数据手套显示了较高的准确性和灵活性。
虚拟人机工程学
军事与航天
制造工业
六、虚拟现实技术的特征

沉浸性 VR技术最主要的技术特征是让用户觉得自己是计算机 系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由观察者变成参 与者，沉浸其中并参与虚拟世界的活动。 交互性 交互性（Interactivity）的产生，主要借助于 VR系统中 的特殊硬件设备（如数据手套、力反馈装置等），使用户能 通过自然的方式，产生同在真实世界中一样的感觉。 想像性 想像性（ Imagination ）指虚拟的环境是人想像出来的，同 时这种想像体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定 的目标。
（4）人机交互设备
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（带传感器的衣服）、眼球跟 踪器以及语音综合和识别装置。
三、虚拟现实系统的硬件和软件
1．虚拟现实系统的硬件
虚拟现实系统的硬件包括虚拟现实发生器以及输入 输出设备。 （1）虚拟现实发生器 虚拟现实发生器用来处理和产生虚拟境界，是任 何虚拟系统的核心。它一般由计算机加图形生成器或 加速卡组成。计算机可以是个人计算机、工作站或者 小型计算机。虚拟现实系统中的计算机主要完成三项 任务：数据处理、数据输出、虚拟境界的管理和生成 。系统中的计算机必须具有足够高的处理能力，以确 保参与者与虚拟境界的交互能实时进行。

VRP软件简介
VRP是一款由中视典数字科技有限公司独立开 发的具有完全自主知识产权的直接面向三维美工的 一款虚拟现实软件，是目前中国虚拟现实领域，市 场占有率最高的一款虚拟现实软件。
VRP适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化 、所见即所得。 VRP所有的操作都是以美工可以理解的方式进行， 不需要程序员参与。