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：
虚拟现实系统的分类及其特点应用
1.虚拟现实系统有哪几种类型？各有什么特点及应用？
虚拟现实系统按照不同的标准有不同的分类，通常分为以下三类：
桌面虚拟现实系统；沉浸式虚拟现实系统；分布式虚拟现实系统
1）桌面是虚拟现实技术
特点：全面，小型，经济，适用
应用：VR工作者的教学，研发和实际应用
2）沉浸式虚拟现实系统
特点：虚拟环境可以是任意虚构的，实际不存在的世界；任何操作不对外界产生直接作用；一般用于娱乐或验证某一猜想假设，训练，模拟，预演，检验，体验等
应用：学院模拟演练系统
3）分布式虚拟现实系统
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；多个用户以多种方式相互通信；资源信息共享以及允许用户自然操作环境中对象。
应用：远程教育，工程技术，建筑，电子商务，交互式娱乐，远程医疗，大规模军事训练等领域都有着极其广泛的应用前景，利用它可以创建多媒体通信，设计协作系统，实境式电子商务，网络游戏，虚拟社区全新的应用系统。
2.举例说明虚拟现实技术在医学领域的具体应用
在医学领域，目前正处于应用VR的初级阶段，其应用范围包括从建设合成药物的分子模型到各种医学模拟，以及进行解剖和外科手术教育等。
在此领域，VR应用大致有两类，一类是虚拟人体，另一类是虚拟手术技术。
具体应用：
医学仿真教学；虚拟解剖；虚拟心脏听诊；手术部位确定和手术预演；数字画人体制作演示；远程医疗等。
虚拟现实工作原理
虚拟现实工作原理
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种通过计算机技术和感知设备，模拟并创造出一个虚拟的三维环境，让用户感觉到在这个虚拟环境中与现实世界类似的交互和沉浸感。
虚拟现实的工作原理如下：
1. 头戴式显示器（Head-mounted Display，简称HMD）：用户把头戴式显示器戴在头部，它通常由两个小屏幕、透镜和距离传感器等组件构成。
这些屏幕会显示虚拟环境及相应的图像，透镜则帮助用户聚焦眼睛看到的图像。
2. 感知设备：为了使用户能够与虚拟环境进行互动，虚拟现实系统还需要一些感知设备，如手柄、手套或者全身运动追踪设备。
这些设备可以跟踪用户在现实空间中的动作，并将其转化为虚拟环境中的行为。
3. 计算机图形技术：虚拟现实系统需要强大的计算机图形技术来渲染和生成虚拟环境中的图像和场景。
计算机通过使用三维建模和纹理映射等技术，将虚拟的场景和物体以逼真的方式呈现给用户。
4. 沉浸式体验：通过头戴式显示器和感知设备，用户可以将自己完全沉浸在虚拟环境中。
用户可以自由移动、观察和与虚拟环境中的物体进行交互，享受身临其境的体验。
5. 交互反馈：为了增强用户的沉浸感，虚拟现实系统通常还包
括交互反馈技术。
这些技术可以通过触觉反馈、声音、震动和视觉反馈等方式，让用户感受到虚拟环境的触摸、声音和反馈等。
综上所述，虚拟现实通过头戴式显示器、感知设备、计算机图形技术、沉浸式体验和交互反馈等多种技术手段，实现了用户与虚拟环境的互动和沉浸式体验。
这些技术的综合应用使得人们可以在虚拟的三维环境中与现实世界类似的进行交互，并创造出更加逼真的虚拟体验。
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。
虚拟现实技术介绍了解VR和AR如何改变我们的生活
虚拟现实技术介绍了解VR和AR如何改变我们的生活虚拟现实技术介绍了解 VR 和 AR 如何改变我们的生活虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）和增强现实（Augmented Reality，简称AR）是目前科技领域最受关注和研究的技术之一。
它们通过模拟或增强现实世界来提供全新的视听和交互体验，深刻地改变了我们的生活方式、工作方式和娱乐方式。
本文将从介绍虚拟现实和增强现实的定义、原理和应用领域三个方面阐述它们如何影响和改变我们的生活。
一、虚拟现实的介绍与了解虚拟现实技术是一种利用计算机生成的虚拟环境来模拟不同的感官体验的技术。
它通过佩戴头戴式显示器和感应设备，让用户可以身临其境地感受到模拟的虚拟世界。
与传统的观看屏幕不同，虚拟现实技术通过头戴式设备提供全方位的视觉和听觉体验，让用户沉浸在模拟的环境中。
虚拟现实技术已经在多个领域得到了广泛应用。
在游戏领域，VR技术让玩家能够身临其境地感受到游戏中的场景和动作，增强了游戏的沉浸感和互动性。
在医疗领域，VR技术被用于手术模拟和康复训练，帮助医生和患者更好地应对各种复杂情况。
在教育领域，VR技术可以创造出各种虚拟场景，让学生亲身体验到历史事件和科学实验，提高学习效果。
此外，虚拟现实技术还得到了建筑、旅游、艺术等领域的应用。
二、增强现实的介绍与了解增强现实技术是一种将虚拟信息与现实世界相结合的技术。
通过佩戴智能眼镜或使用手机、平板等设备，用户可以看到虚拟信息叠加在现实世界中，实现真实与虚拟的融合。
相比于虚拟现实，增强现实更多地注重对现实世界的扩展与增强。
增强现实技术在工业、教育、娱乐等领域具有广泛的应用前景。
在工业领域，AR技术可以提供实时的操作指导和信息反馈，提高生产效率和质量。
在教育领域，AR技术可以将图书、实验室等教育资源与虚拟信息结合，创造出更加丰富和互动的学习环境。
在娱乐领域，AR技术可以将虚拟角色和场景融入到真实环境中，为用户带来全新的娱乐体验。
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。
CAVE系统简介
CA VE系统简介浙江大学CAD&CG国家重点实验室金小刚杭州3100271．1．虚拟现实技术虚拟现实（VR-Virtual Reality）技术是当代信息科学的前沿研究领域,它综合运用计算机图形学、计算机视觉、心理学、传感器等多方面技术，在计算机中营造一个虚拟的环境，通过实时的、立体的三维图形显示、声音模拟、自然的人机交互界面来仿真现实世界中早已发生、正在发生或尚未发生的事件，并使用户产生身临其境的真实感觉。
虚拟现实的一个突出特点是其虚拟和现实的二重性。
虚拟现实是高技术的产物，从物理上来说，它是不存在的，但在用户的感官世界里，它是真实存在的，可以通过视觉、听觉、触觉、力觉来感知。
在虚拟环境中，所有的景物都按照现实世界中的客观规律运动和变化。
因此，虚拟现实技术首先被用来模拟那些代价巨大或因种种条件限制在现实世界中难以实现的事件，如航天飞机的风洞试验、大坝的应力试验、核武器试验、大规模战争演习、飞行仿真等，通过虚拟环境来验证原有的设计是否合理，功能是否稳定，指标是否合格，战略战术的运用是否恰当。
虚拟仿真的最大优点是无需建设专用的试验基地和设计专用的仿真设备，因而可以大大节省人力、物力和财力，缩短试验周期，它可以大大减少甚至取代实物试验。
2．2．CAVE虚拟现实系统CAVE(Cave Automatic Virtual Environment)是一种基于投影的虚拟现实系统，它由围绕观察者的四个投影面组成，如图1所示。
四个投影面组成一个立方体结构，其中三个墙面采用背投方式，地面采用正投方式。
若放置CAVE系统的房间大小有限，可通过反射镜把投影图象投影到屏幕上以节省空间。
观察者戴上液晶立体眼镜和一种六个自由度的头部跟踪设备，以便将观察者的视点位置实时反馈到计算机系统和体验身临其境的感觉。
当观察者在CAVE中走动时，系统自动计算每个投影面正确的立体透视图象。
同时，观察者手握一种称为Wand的传感器，与虚拟环境进行交互。
虚拟现实(VR与增强现实(AR技术应用方案
虚拟现实（VR与增强现实（AR技术应用方案第一章：虚拟现实（VR）技术概述 (2)1.1 VR技术的发展历程 (2)1.2 VR技术的核心组成部分 (3)第二章：虚拟现实（VR）硬件设备 (4)2.1 头戴式显示器（HMD） (4)2.2 手柄与追踪设备 (4)2.3 虚拟现实交互设备 (5)第三章：虚拟现实（VR）软件平台 (5)3.1 VR内容创作工具 (5)3.1.1 Unity (6)3.1.2 Unreal Engine (6)3.1.3 VR Studio (6)3.2 VR应用程序开发框架 (6)3.2.1 OpenVR (6)3.2.2 OSVR (6)3.2.3 Unity XR Interaction Toolkit (6)3.3 VR内容分发平台 (7)3.3.1 SteamVR (7)3.3.2 Oculus Store (7)3.3.3 Viveport (7)第四章：增强现实（AR）技术概述 (7)4.1 AR技术的发展历程 (7)4.2 AR技术的核心组成部分 (8)第五章：增强现实（AR）硬件设备 (8)5.1 智能眼镜 (8)5.2 手机与平板电脑 (9)5.3 AR投影设备 (9)第六章：增强现实（AR）软件平台 (9)6.1 AR内容创作工具 (9)6.1.1 Unity AR Foundation (9)6.1.2 ARKit（iOS） (10)6.1.3 ARCore（Android） (10)6.1.4 Vuforia (10)6.2 AR应用程序开发框架 (10)6.2.1 ARKit（iOS） (10)6.2.2 ARCore（Android） (10)6.2.3 EasyAR (10)6.2.4 Wikitude (11)6.3 AR内容分发平台 (11)6.3.1 Apple App Store (11)6.3.2 Google Play (11)6.3.3 Vuforia Developer Services (11)6.3.4 Wikitude Studio (11)第七章：虚拟现实（VR）在教育领域的应用 (11)7.1 虚拟课堂 (11)7.1.1 概述 (11)7.1.2 应用场景 (12)7.1.3 技术实现 (12)7.2 虚拟实验 (12)7.2.1 概述 (12)7.2.2 应用场景 (12)7.2.3 技术实现 (12)7.3 虚拟实训 (12)7.3.1 概述 (12)7.3.2 应用场景 (12)7.3.3 技术实现 (13)第八章：增强现实（AR）在零售行业的应用 (13)8.1 虚拟试衣 (13)8.2 商品展示 (13)8.3 购物体验优化 (14)第九章：虚拟现实（VR）在医疗领域的应用 (14)9.1 虚拟诊疗 (14)9.1.1 概述 (14)9.1.2 应用场景 (15)9.1.3 技术特点 (15)9.2 虚拟手术 (15)9.2.1 概述 (15)9.2.2 应用场景 (15)9.2.3 技术特点 (15)9.3 康复训练 (16)9.3.1 概述 (16)9.3.2 应用场景 (16)9.3.3 技术特点 (16)第十章：增强现实（AR）在娱乐与游戏领域的应用 (16)10.1 虚拟现实游戏 (16)10.2 增强现实游戏 (16)10.3 虚拟现实娱乐体验 (17)第一章：虚拟现实（VR）技术概述1.1 VR技术的发展历程虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术作为一种新兴的信息技术，旨在通过计算机的模拟环境，为用户提供一种沉浸式的交互体验。
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。
虚拟现实系统的人机交互体系结构
虚拟现实系统的人机交互体系结构一、虚拟现实系统概述虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种先进的计算机技术，通过模拟用户的视觉、听觉、触觉等感官体验，创造出一种沉浸式的虚拟环境。
这种技术能够让用户仿佛置身于一个全新的世界中，体验到与现实世界完全不同的情境。
随着计算机图形学、传感器技术、人机交互技术的发展，VR 技术已经从最初的事训练、航天模拟等领域，逐渐扩展到游戏、教育、医疗、旅游等多个行业。
1.1 虚拟现实系统的核心特性虚拟现实系统的核心特性主要体现在以下几个方面：- 沉浸感：通过高质量的视觉和听觉体验，使用户感觉自己真正处于虚拟环境中。
- 交互性：用户可以通过各种输入设备与虚拟环境进行互动，如手势、语音、眼球追踪等。
- 多感知性：除了视觉和听觉，VR系统还可以模拟触觉、嗅觉等其他感官体验，提高沉浸感。
- 自由度：用户在虚拟环境中可以自由移动和观察，体验到与现实世界相似的空间感。
1.2 虚拟现实系统的应用场景虚拟现实系统的应用场景非常广泛，包括但不限于以下几个方面：- 游戏娱乐：提供沉浸式的游戏环境，增强玩家的游戏体验。
- 教育培训：模拟真实场景进行教学，提高学习效率和兴趣。
- 医疗健康：用于手术模拟、疼痛管理等医疗领域。
- 建筑设计：在建筑和室内设计领域，提前预览设计效果。
- 事训练：模拟战场环境，进行战术训练和模拟演习。
二、虚拟现实系统的人机交互体系结构人机交互是虚拟现实系统的重要组成部分，它决定了用户与虚拟环境的互动方式和体验质量。
一个高效的人机交互体系结构对于提升VR系统的可用性和吸引力至关重要。
2.1 人机交互体系结构的组成一个完整的虚拟现实人机交互体系结构通常包括以下几个部分：- 输入设备：包括头戴式显示器（HMD）、手柄、手套、运动捕捉设备等，用于捕捉用户的输入动作。
- 交互接口：负责处理输入设备的信号，并将其转化为虚拟环境中的相应动作或命令。
- 感知反馈：包括视觉、听觉、触觉等多种反馈方式，增强用户的沉浸感。
vr技术是什么
vr技术是什么VR技术，即虚拟现实技术（Virtual Reality），是一种利用计算机技术和仿真系统来模拟创造出现实环境和场景的技术。
通过戴上特定的VR设备，用户可以仿佛身临其境地体验、交互和操作虚拟环境，达到沉浸式的感受。
VR技术的发展可追溯至20世纪60年代，而随着计算机和显示技术的进步，VR技术在近年来更加迅速发展。
目前，VR技术不仅被广泛应用于娱乐、游戏领域，也扩展到了教育、医疗、建筑、旅游和军事等领域。
使用VR技术，用户便可以与真实世界相隔离，进入虚拟环境。
一般来说，VR系统由三个主要的要素组成：虚拟环境，感知设备和交互设备。
首先是虚拟环境，它是由计算机生成的三维图形和声音构成。
这些图形和声音的质量决定了用户的视觉和听觉感受效果。
虚拟环境可以是根据真实环境的模拟，也可以是完全虚构的。
无论是模拟真实环境还是创造虚拟环境，都需要高度逼真的图像和声音来提供沉浸体验。
其次是感知设备，它包括头戴式显示器（Head Mounted Display，HMD）、手套、全息投影等。
头戴式显示器是目前最常用的设备，用户将其戴在头上，使眼睛和耳朵完全被封闭在虚拟环境中。
这种设备通常包括双眼显示屏、传感器和跟踪设备，可以感知用户的头部动作，确保视角与用户的头部移动一致。
最后是交互设备，用于用户与虚拟环境进行交互。
常见的交互设备包括手柄、手套、体感设备和触觉反馈设备等。
交互设备可以让用户通过手势、语音、眼神等方式与虚拟环境进行互动，使用户能够感受到虚拟环境中的实体和力度。
VR技术的应用范围非常广泛。
在娱乐和游戏领域，VR技术使用户能够身临其境地体验电影、游戏和其他娱乐活动。
在教育领域，VR技术可以为学生提供模拟实验、虚拟考古、历史重现以及远程教育等学习机会。
医疗领域可以利用VR技术进行手术模拟、精确治疗和病人康复，还可以帮助治疗恐惧症和精神疾病。
建筑和房地产领域可以利用VR技术提供可视化的效果图和沉浸式的体验，帮助客户更好地理解设计概念。
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。
什么是虚拟现实
一．什么是虚拟现实？虚拟现实（Virtual Reality），简称VR或称灵境技术，实际上是一种可创建和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。
此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。
它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界,并通过头盔显示器（HMD）、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。
例子：日本松下公司用来招揽买主的“厨房世界”。
你只要戴上特殊的头盔和一只银色的手套，就可以去“漫游”厨房世界了。
你伸手去开门，门随手而开，厨房内的所有设备就会映人你的眼帘。
你可以用手打开柜橱的门和抽屉，查看里面的结构和质量，可从碗架上拿下盘子看看，也可以打开水龙头，立即看见水流出来，听见流水声，还可查看水池下面的排水是否流畅，也可查看照明是否亮堂，试试通风排气是否正常……。
可是当你拿下头盔，摘下手套时，这一切又都消失了虚拟现实又称“虚拟实境”。
二．虚拟现实的特点与重要意义：虚拟现实是发展到一定水平上的计算机技术与思维科学相结合的产物，它的出现为人类认识世界开辟了一条新途径。
虚拟现实的最大特点是：用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人类除了亲身经历，就只能间接了解环境的模式，从而有效的扩展了自己的认知手段和领域。
另外，虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具，它以视觉形式产生一个适人化的多维信息空间，为我们创建和体验虚拟世界提供了有利的支持。
由于虚拟现实技术的实时三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身临其境的感受，它在军事和航天领域的模拟和训练中起到了举足轻重的作用。
近年来，随着计算机硬件软件技术的发展以及人们越来越认识到它的重要作用，虚拟技术在各行各业都得到了不同程度的发展，并且越来越显示出广阔的应用前景。
什么是虚拟现实
什么是虚拟现实虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种利用计算机技术创造出的近乎真实的虚构场景或环境，通过特殊设备使用户可以身临其境地感受并与环境进行交互的技术。
它不同于传统的电视、电影等媒体形式，能够提供更加沉浸式、身临其境的体验。
虚拟现实技术通过模拟三维空间，将用户感官的输入与计算机系统生成的虚拟世界进行交互。
用户可以使用特定的设备，如头戴显示器、手柄、手套等，来与虚拟环境进行沟通和互动。
在虚拟现实中，用户可以探索和操作所处的虚拟环境，与虚拟对象进行实时的交互行为，获得身临其境的感觉。
虚拟现实技术已经广泛应用于娱乐、教育、医疗、设计等领域。
在娱乐方面，虚拟现实带来了全新的游戏体验。
通过佩戴VR头显，玩家可以身临其境地感受到游戏中的场景，增强了沉浸感和真实感。
此外，虚拟现实还被用于电影和音乐的制作，使得观众可以通过虚拟现实设备亲身体验电影或音乐中的场景，达到一种全新的娱乐体验。
在教育领域，虚拟现实技术为学生提供了更加直观、富有参与感的学习方式。
例如，学生可以通过虚拟现实设备参观博物馆、参加实验等，不受时间和空间限制，提高了学习效果和兴趣。
在医疗领域，虚拟现实技术为医生提供了更加真实的模拟环境，使他们能够进行手术模拟、病例研究等。
通过虚拟现实技术，医生可以提前熟悉手术步骤和情况，提高手术的精确性和安全性。
在设计领域，虚拟现实技术为设计师提供了更加直观、灵活的设计平台。
通过虚拟现实设备，设计师可以在虚拟环境中进行建筑、室内、产品等的设计和模拟，直观地感受设计效果，提高设计效率和质量。
虚拟现实技术的发展还面临一些挑战和问题。
首先是硬件设备的限制。
目前虚拟现实设备体积笨重、价格昂贵，对于普通用户来说还不够普及。
其次是虚拟现实技术在长时间使用过程中容易引起晕动症等副作用，需要进一步改进。
另外，虚拟现实技术在社交和交互方面还有待提高，目前多为个人单独体验，缺乏与他人的互动。
总的来说，虚拟现实技术作为一种新兴的多媒体技术，为人们带来了全新的体验和应用方式。
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
-10-
二、虚拟现实的发展史
视频1：虚拟现实VR发展史（约5min）
-11-
三、虚拟现实的应用
-12-
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
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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 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, 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 30度 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, VR系统的画面将包容参与者的整个视野 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. 4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 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140 140线 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, 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. 示效果是可想而知的.
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. 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, 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 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 系统要对参与者的行为反应灵敏, 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, 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, 大的运算功能,才能在进行三维图形消隐,浓淡,阴 纩理处理的同时,保证显示图象的"更新率" 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" 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" (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. 一动作的画面在显示器上出现之间的时间间隔.
1.3虚拟系统组成 虚拟系统组成
虚拟现实系统可分为三大类:桌面虚拟 虚拟现实系统可分为三大类: 现实系统( VR), ),临境虚拟现 现实系统(Desktop VR),临境虚拟现 实系统(Immersive VR)和分布式虚拟现 实系统(Immersive VR)和分布式虚拟现 实系统(Distributed VR). 实系统(Distributed VR). 1) 桌面VR也称为窗口中的VR.这类系 桌面VR也称为窗口中的VR VR也称为窗口中的VR. 统由于采用标准的CRT CRT显示器和立体 统由于采用标准的CRT显示器和立体 (Stereoscopic)显示技术 显示技术, (Stereoscopic)显示技术,其分辨率较 价格较便宜.在使用时,桌面VR VR系 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 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 CAD, 系统通常用于工程CAD,建筑设计以及 某些医疗应用. 某些医疗应用.
1.4 虚拟现实的关键技术
虚拟现实技术是一项综合技术, 虚拟现实技术是一项综合技术,它以计 算机技术为核心,以显示技术为基础, 算机技术为核心,以显示技术为基础, 把计算机图形图象处理,人机接口, 把计算机图形图象处理,人机接口,显 示技术,传感技术,控制技术,通信技 示技术,传感技术,控制技术, 术等一系列高科技领域的最新成果汇集 于虚拟现实的实践中, 于虚拟现实的实践中,成为一门很有前 途的应用科学. 途的应用科学. VR系统中起到关键性作用的技术主要 在VR系统中起到关键性作用的技术主要 有:
1.3虚拟系统组成 虚拟系统组成
临境VR VR系统利用头盔显示器把用户 2)临境VR系统利用头盔显示器把用户 的视觉,听觉和其他感觉封闭起来, 的视觉,听觉和其他感觉封闭起来,产 生一种身在虚拟环境中的错觉. 生一种身在虚拟环境中的错觉. 分布式VR则是在临境VR VR则是在临境VR系统的基础 3)分布式VR则是在临境VR系统的基础 上将不同的用户(参与者)联结在一起, 上将不同的用户(参与者)联结在一起, 共享同一个虚拟空间, 共享同一个虚拟空间,使用户达到一个 更高的境界.分布式VR VR的基础是分布交 更高的境界.分布式VR的基础是分布交 互模拟(Distributed 互模拟(Distributed Interaction ). Simulation ).
临境(immersion); ; 临境 交互性(interactivity); 交互性 ; 想象(imagination). 想象 .
这三者都与人密切相关.我们可以简单地说, 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 机交互技术的发展产物. 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, 是人与技术系统完美的 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. 结合,人在整个系统占有重要的地位.
3D 物体表示
1.2 虚拟现实技术的概念
由于虚拟现实技术在不同领域应用时所要实 现的功能各不相同, 现的功能各不相同,所以很难给出严格的定 但是,任何VR系统都具有以下几个特点. VR系统都具有以下几个特点 义,但是,任何VR系统都具有以下几个特点. 参与者可"沉浸" 1,参与者可"沉浸"在虚拟环境中 VR的 沉浸" immersion) VR的"沉浸"(immersion)特性是指暂时 把参与者与现实环境相隔离, 把参与者与现实环境相隔离,使其全身心置 于计算机所创建的三维虚拟环境之中, 于计算机所创建的三维虚拟环境之中,感到 虚拟环境的存在,这样, 虚拟环境的存在,这样,可以使参与者更自 然,更直接地与虚拟环境中的各种对象进行 交互. 交互.
1.2 虚拟现实技术的概念
虚拟现实的景物可以是真实物体的模型, 虚拟现实的景物可以是真实物体的模型,如 还没有施工的房屋, 还没有施工的房屋,正在设计中的工厂或产 品的工程模型; 品的工程模型;可以是现实中看不到的抽象 模型,如化学分子结构, 模型,如化学分子结构,飞机机翼的超音速 气流模型;甚至可以是利率, 气流模型;甚至可以是利率,股票等金融信 息的三维模型表示.无论怎样,它们都利用 息的三维模型表示.无论怎样, 了现实世界中存在的数据, 了现实世界中存在的数据,将计算机产生的 电子信号, 电子信号,通过多种输出设备转换成能够被 人类感觉器官所感知的各种物理现象, 人类感觉器官所感知的各种物理现象,如光 声波,力等, 波,声波,力等,使人感受到虚拟境界的存 是计算机生成的, 这种现实是计算机生成的 在.这种现实是计算机生成的,又是现实世 界的反映,是真实现实的一种表现形式, 界的反映,是真实现实的一种表现形式,因 称之为虚拟现实. 此,称之为虚拟现实.
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 参与者在虚拟环境中不是被动地依据固定的程式 去观看虚拟环境里的各种物体, 去观看虚拟环境里的各种物体,而是可以根据自 己的意愿主动地去观察, 己的意愿主动地去观察,改变或影响场景中的对 例如,当参与者在一个VR VR系统中随意转动头 象.例如,当参与者在一个VR系统中随意转动头 部或移动其中的物体时, 部或移动其中的物体时,他所看到的景物应该随 之逼真地变化, 之逼真地变化,还应该具有声音和触觉等形式的 反馈. 反馈.
虚拟现实及其应用
虚拟环境研究
系统工程研究所 张建民
1 VE (Virtual Environment) 技术简介
科学技术的发展使得人们对信息的需求越来越多, 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, 再满足通过数字,图像的方式观察信息的处理结 视觉, 而迫切需要通过视觉 听觉,触觉,嗅觉, 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, 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. 理环境中,获得身临其境的感觉.
1 VE (Virtual Environment) 技术简介
虚拟环境是相对于实环境的, 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, 虚构的, 作和参与而形成的一种虚构的,视觉上的, 听觉上的,感觉上的存在 的存在, 听觉上的,感觉上的存在,是一种物理意 义上的人机交互和抽象组合, 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, 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, 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. 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, 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. 感觉上能够体验到的一种境界.
1.2 虚拟现实技术的概念
3,具有方便自然的交互手段 交互性(interaction)是对VR VR系统最基本的 交互性(interaction)是对VR系统最基本的 要求之一. 要求之一.它是指参与者虚拟环境中所遇到的 各种对象的相互作用能力.人可以抓取, 各种对象的相互作用能力.人可以抓取,释放 或搬移虚拟世界中的物体, 或搬移虚拟世界中的物体,甚至与某些拟人化 物体交谈. 物体交谈. 4,系统要具有实是性 系统要实时地跟踪参与者的观察方, 系统要实时地跟踪参与者的观察方,手部和身 体的运动情况,实时产生相应的画面, 体的运动情况,实时产生相应的画面,声音等 反馈,从而达到身临其境的切身感受. 反馈,从而达到身临其境的切身感受.
1.1 虚拟环境