虚拟现实概论
虚拟现实概论(PDF 97页)
美国1995年出品的科幻片 《钟尼记忆术》中的一个片断
前言
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）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可以改变人与 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。
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。
两个方面含义：
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，因此人机交互是虚 拟现实的核心。
本章内容：
1、虚拟现实技术的由来及发展； 2、虚拟现实的定义； 3、虚拟现实的概念模型； 4、虚拟现实的基本特征； 5、虚拟现实分类 6、虚拟现实系统的主要技术构成； 7、硬件构成； 8、VR系统的体系结构 9、VR的研究内容 10、增强现实 11、虚拟现实的应用领域 12、国内外虚拟现实技术的研究现状
虚拟现实技术的由来
• 虚拟现实技术的提出
1965年计算机图形学的奠基者Ivan Sutherland 发表 了“ The Ultimate Display” 论文，提出了一种全新的 图形显示技术。他在论文中提出使观察者直接沉浸 在计算机生成的三维世界中，而不是通过窗户（计 算机屏幕）来观察。
虚拟现实概论(PPT 34页)
1.8 虚拟现实技术的研究现状
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。
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。
1.5 虚拟现实与三维动画的区别（1）
真实性
三维动画－－场景画面由动画制作人员根据材料或想象直接
画制而成，与真实的环境和数据有较大的差距，属于演示类艺 术作品。
虚拟现实－－虚拟环境由基于真实数据建立的数字模型组合
1.2 虚拟现实技术的发展史
1972年，Nolan Bushnell开发出第一个交互式电子游 戏Pong
1977年，Dan Sandin、Tom DeFanti和Rich Sayre研制 出第一个数据手套——Sayre Glove
20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 ：
1.6 分布式虚拟现实 Distributed Virtual Reality
概念
在互联网上构建一个逼真而互动的三维虚拟空间
特点
分布于不同地理位置的多台计算机通过网络互联 允许多用户之间进行实时互动
实 物 虚 化
虚 物 实 化
人
虚 物 实 化
计 算 机
计算机网络
计 算 机
实 物 虚 化
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 。
虚拟现实技术概论 第2版 第1章 虚拟现实
VR的概念-发展历程
虚拟现实技术理论 的完善和应用阶段
1994 年，日本游戏公司 Sega 和 任天堂分别针对游戏产业而推出 Sega VR-1 和Virtual Boy，但是 由于设备成本高等问题，以 至于最 后使 VR 的这次现身如昙花一现。
2012 年 Oculus 公司用众筹的方 式将VR设备的价格降低到了300 美 元，同期的索尼头戴式显示器 HMZ-T3 高达6000元左右，这使 得VR向大众视野走近了一步。
1975 年 ， 迈 隆 · 克 鲁 格 （Myron Krueger ）设计了 VIDEOPLACE系 统,可 以 产生 一个虚拟图形环境。
1985 年 ， 麦 克 格 雷 维 （Michael McGreevy ）领导 完成的 VIEW 系统。
Myron Krueger（左一） VIEW虚拟现实系统
VR分类
分布式VR系统 Distributed VR
VR的分类
桌面式VR系统（Desktop VR）
基本上是一套基于普通PC平台的 小型桌面虚拟现实系统。
使用个人计算机（PC）或初级图形 PC工作站去产生仿真，计算机的屏 幕作为使用者观察虚拟环境的窗口。
立体眼镜、位置跟踪器、数据手套 或者6个自由度的三维空间鼠标等设 备操作虚拟场景中的各种对象。
02
VR的特性
VR的特性（1M3I）
多感知性(Multi-Sensory)
视觉感知、听觉感知、力觉感知、触觉感知、 运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。
交互性（Interactivity）
利用一些传感设备进行交互，感觉就像是 在真实客观世界中一样。
沉浸性（Immesion）
利用三维立体图像，给人一种身临其境的 感觉。
虚拟现实技术概论教案
虚拟现实技术概论教案第一章：虚拟现实技术简介1.1 课程目标了解虚拟现实技术的概念、发展历程和应用领域。
1.2 教学内容1.2.1 虚拟现实技术的定义1.2.2 虚拟现实技术的发展历程1.2.3 虚拟现实技术的应用领域1.3 教学方法采用讲授法，结合案例分析，让学生了解并掌握虚拟现实技术的基本概念和发展状况。
1.4 教学活动1.4.1 导入：介绍虚拟现实技术的定义1.4.2 讲解：分析虚拟现实技术的发展历程和应用领域1.4.3 案例分析：让学生通过案例了解虚拟现实技术的应用1.5 作业与评估要求学生课后总结虚拟现实技术的发展历程，并在下一节课上进行分享。
第二章：虚拟现实技术的原理与技术2.1 课程目标了解虚拟现实技术的原理，掌握虚拟现实技术的关键技术。
2.2 教学内容2.2.1 虚拟现实技术的原理2.2.2 虚拟现实技术的关键技术2.3 教学方法采用讲授法，结合实验演示，让学生了解虚拟现实技术的原理和关键技术。
2.4 教学活动2.4.1 讲解：介绍虚拟现实技术的原理2.4.2 实验演示：展示虚拟现实技术的关键技术2.5 作业与评估要求学生课后总结虚拟现实技术的关键技术，并在下一节课上进行分享。
第三章：虚拟现实系统的组成与分类3.1 课程目标了解虚拟现实系统的组成，掌握不同类型的虚拟现实系统。
3.2 教学内容3.2.1 虚拟现实系统的组成3.2.2 虚拟现实系统的分类3.3 教学方法采用讲授法，结合实物展示，让学生了解虚拟现实系统的组成和分类。
3.4 教学活动3.4.1 讲解：介绍虚拟现实系统的组成3.4.2 实物展示：展示不同类型的虚拟现实系统3.5 作业与评估要求学生课后总结虚拟现实系统的分类，并在下一节课上进行分享。
第四章：虚拟现实技术的应用领域4.1 课程目标了解虚拟现实技术在不同领域的应用，掌握虚拟现实技术的产业现状。
4.2 教学内容4.2.1 虚拟现实技术在娱乐领域的应用4.2.2 虚拟现实技术在教育领域的应用4.2.3 虚拟现实技术在医疗领域的应用4.2.4 虚拟现实技术的产业现状与发展趋势4.3 教学方法采用讲授法，结合案例分析，让学生了解虚拟现实技术在不同领域的应用及产业发展情况。
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
虚拟现实技术概论教案(通用13篇)
虚拟现实技术概论教案（通用13篇）篇1：虚拟现实技术概论教案1.1 虚拟现实技术概述教学目标1. 了解虚拟现实技术的定义。
2. 了解虚拟现实技术的特性。
3. 了解虚拟现实技术的分类。
学习引导虚拟现实是一个在当今国际上备受关注的课题。
如果真正实现了虚拟现实，那么整个人类的生活与发展将会发生很大的变革。
我们可以设想这样一个情景：当你戴上特制的头盔与手套后，你就发现自己已置身于一家博物馆中，当你看见一件精美的展品时，你甚至可以从上而下、由里至外仔细地观摩……这就是虚拟现实技术给你带来的一切--近乎完美的真实感觉。
长期以来，人们对真实地再现现实场景有各种想法，然而许多人对虚拟现实这一概念十分模糊，认为只要能够提供三维立体感觉的.系统就叫做虚拟现实系统。
其实这是不确切的，按照当今国际上流行的定义，一个真正实现虚拟现实的系统应当具有以下三个基本要素。
(1)能够给用户以三维立体的虚拟环境。
(2)应当给使用者第一人称的感觉，并有实时任意活动的自由。
(3)用户能够通过一些控制装置实时地操纵和改变用户所进入的虚拟环境。
在现实生活中，我们观察到的都是有景深、有立体感的三维世界，因此要做到完全模拟现实，仅仅靠简单的二维平面图形是不够的，只有用三维系统才能真正模拟三维世界，给用户一种身临其境的感觉。
在实现三维场景后，用户在虚拟场景中要有第一人称的感觉，即能体会到一种与现实世界一样的感觉，能够把视点移到所构造成的三维场景中的任何一点，就像在真实世界中可以随意前进、后退、转弯、蹲下、跳起以得到不同的视角，能够实现在现实中做到的一切动作，并能实时操纵虚拟场景的物体和改变虚拟境界。
比如，打印一封信的操作流程为：首先，打开计算机的电源，进入所需要的编辑环境；然后从键盘输入信的内容；最后用打印机将它打印出来。
在这个过程中，我们一直在对不同物体--开关、键盘、显示器、打印机等进行操作，并使它们不断地改变动作。
这是我们在实际生活中的典型事例。
虚拟现实概论教案设计模板
课时：2课时教学目标：1. 让学生了解虚拟现实的概念、发展历程和关键技术；2. 培养学生对虚拟现实技术的兴趣，激发创新思维；3. 帮助学生掌握虚拟现实技术的应用领域和未来发展趋势。
教学重点：1. 虚拟现实的概念和关键技术；2. 虚拟现实技术的应用领域。
教学难点：1. 虚拟现实技术的原理和实现；2. 虚拟现实技术的未来发展趋势。
教学过程：第一课时一、导入1. 提问：同学们，你们听说过虚拟现实技术吗？请谈谈你对虚拟现实的认识。
2. 介绍虚拟现实的概念，激发学生的学习兴趣。
二、讲授新课1. 虚拟现实的概念：- 虚拟现实（VR）是一种通过计算机技术生成的人工环境，让用户感受到虚拟世界的体验。
- 虚拟现实技术的主要特点：沉浸感、交互性、想象性。
2. 虚拟现实的发展历程：- 20世纪50年代，虚拟现实技术开始萌芽；- 20世纪90年代，虚拟现实技术逐渐成熟；- 21世纪初，虚拟现实技术开始应用于各个领域。
3. 虚拟现实的关键技术：- 显示技术：头戴显示器（HMD）、投影显示等；- 交互技术：手势识别、语音识别、体感识别等；- 内容制作技术：3D建模、动画制作、游戏开发等。
三、课堂活动1. 分组讨论：虚拟现实技术的应用领域；2. 每组选派代表进行分享。
第二课时一、复习导入1. 复习上一节课的内容，提问：同学们，上一节课我们学习了虚拟现实的概念、发展历程和关键技术，请谈谈你们的收获。
二、讲授新课1. 虚拟现实技术的应用领域：- 游戏：虚拟现实游戏可以让玩家身临其境地体验游戏场景；- 教育：虚拟现实技术可以为学生提供沉浸式的学习体验；- 医疗：虚拟现实技术在手术模拟、康复训练等方面有广泛应用；- 军事：虚拟现实技术在训练、模拟等方面有重要作用；- 设计：虚拟现实技术可以用于建筑设计、工业设计等领域。
2. 虚拟现实技术的未来发展趋势：- 技术不断成熟，用户体验持续提升；- 应用领域不断拓展，市场需求持续增长；- 跨界融合，虚拟现实技术与其他领域结合。
虚拟现实与增强现实技术导论第一章虚拟现实技术概论
1.1 | 虚拟现实技术基本概念
交互性(Interaction) 虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用 计算机键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设 备进行交互。
传统的信息处理环境一直是人“适应”计
算机，而VR的目标或理念是要逐步使计算 机“适应”人，通过视觉、听觉、触觉、
1
嗅觉，以及形体、手势或口令，参与到信
息处理的环境中去，从而取得身临其境的
体验。
2
这种信息处理系统已不再是建立在单 维的数字化空间上，而是建立在一个 多维的信息空间中。虚拟现实技术就 是支撑这个多维信息空间的关键技术。
1.1 | 虚拟现实技术概述
VR是一门技术，也是一个平台，如互联网+一样也可以将其形容为VR+。 +是应用和融合。借助VR平台可将传统行业提升到一个崭新的技术层面和 形态。让人们更容易更直观了解事物的本质。强化对客观事物的认知。
• 虚拟（Virtual）是指环境是虚拟 的，是人为制造出来的，是存在于 计算机内部的。用户可以“进入” 这个环境中，以自然的方式与这个
虚拟现实与增强现实技术导论
第1章
虚拟现实技术概论
导学
内容与要求
掌握虚拟现实的基本概念、特征和分类。 了解虚拟现实技术的主要研究对象。 了解虚拟现实的核心技术。 了解虚拟现实技术的主要应用领域及未来发展趋势。
导论
VR：虚拟现实(Virtual Reality)，简称VR技术，是利用电脑模拟产生一个 三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟， 让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事 物。即借助计算机及最新传感器技术，创造的一种崭新的人机交互手段。
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1.2 虚拟现实技术的发展史
虚拟现实技术（Virtual Reality）简称 VR技术，是20世纪末逐渐兴起的一门综合性 信息技术，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。
1.2虚拟现实技术的发展史
1929年，Edward Link设计出用于训练飞 行员的模拟器
移景异，并可亲自布置场景，具有双向互动的功能。
1.5 虚拟现实与三维动画的区别（2）
o 时间性
n 三维动画－－受动画制作时间限制，无法详尽展示， 性价比低。
n 虚拟现实－－没有时间限制，可真实详尽地展示，并 可以在虚拟现实基础上导出动画视频文件，同样可以 用于多媒体资料制作和宣传，性价比高。
o 应用性
1.2 虚拟现实技术的发展史
o 1972年，Nolan Bushnell开发出第一个交互式电子游 戏Pong
o 1977年，Dan Sandin、Tom DeFanti和Rich Sayre 研制出第一个数据手套——Sayre Glove
o 20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 ：
o 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。
1.5 虚拟现实与三维动画的区别（1）
o 真实性
n 三维动画－－场景画面由动画制作人员根据材料或想象直接
画制而成，与真实的环境和数据有较大的差距，属于演示类艺 术作品。
n 虚拟现实－－虚拟环境由基于真实数据建立的数字模型组合
1.3 虚拟现实系统简介
典型的VR系统主要由：
计算机软件系统
VR软件 VR环境数据库
计算机硬件系统 VR输入设备 VR输出设备
I ）
n 沉浸感 (Immersion)
o 参与者全身心地沉浸于计算机所生成的三维虚拟环 境，并产生身临其境的感觉。
n 交互性 (Interaction)
o 参与者可以利用各种感官功能及人类自然技能对虚 拟环境进行交互考察与操作。
n 构想性(Imagination)
o 参与者借助VR系统给出的逼真视听触觉信号而产 生的对虚拟空间的想象
1.4 虚拟现实技术的特征--沉浸感
VR技术的沉浸感：
o 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。
n 实时三维图形生成技术、 n 多传感器交互技术、 n 高分辨率显示技术。
o 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”。
o 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MultiGen Vega、OpenSceneGraph、Virtools等。
虚拟现实概论
2020年4月19日星期日
第1章 虚拟现实概论--大纲
1.1 虚拟现实技术的概念 1.2 虚拟现实技术的发展史 1.3 虚拟现实系统简介 1.4 虚拟现实技术的特征 1.5 虚拟现实与动画和游戏的区别 1.6 虚拟现实系统的分类 1.7 虚拟现实技术的应用领域 1.8 虚拟现实技术的研究现状
n 三维动画－－只适合简单的演示功能。 n 虚拟现实－－在实时三维环境中，支持方案调整、评
估、管理、信息查询等功能，适合较大型复杂工程项 目的规划、设计、投标、报批、管理等需要，同时又 具有更真实和直观的多媒体演示功能。
1.5 分布式虚拟现实与网络游戏的区别
而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求，属于科学仿真系 统。操纵者亲身体验虚拟三维空间，身临其境。
o 交互性
n 三维动画－－只能如电影一样单向演示，场景变化，浏览路
径，需要预先指定，无法改变。画面需要事先制作生成，耗时 、费力、成本较高。没有互动性。
n 虚拟现实－－操纵者可以实时感受运动带来的场景变化，步
o VR技术最主要的特征。 o 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 。
1.4 虚拟现实技术的特征--交互性
VR技术的交互性：
o 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）。
1.1 虚拟现实（Virtual Reality）基本概念
虚拟现实 是一种逼真的视、听、触觉一体化的计算
机生成环境，用户可以借助必要的装备以自然的方 式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响， 从而获得亲临等同真实环境的感受和体验。
虚拟现实 = Virtual + Reality
虚拟现实是虚拟化的、数字化的现实环境，它忠于 现实，更可以超越现实！
o 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。
1.4 虚拟现实技术的特征—想象力
VR技术的想象力：
o 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。
n 1984年，NASA Ames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；
n 1987年，Jim Humphries设计了双目全方位监视器（ BOOM）的最早原型。
1.2 虚拟现实技术的发展史
o 1990年，在美国达拉斯召开的SIGGRAPH会议上为VR技术的发展 确定了研究方向，明确提出VR技术研究的主要内容包括:
1956年，Morton Heilig开发出多通道仿 真体验系统Sensorama
1.2 虚拟现实技术的发展史
1965年，Ivan Sutherland发表论文“Ultimate Display”（终极的显示）
1968年，Ivan Sutherland研制成功了带 跟踪器的头盔式立体显示 器（Head Mounted Display，HMD）