虚拟现实技术概论(PPT 60页)
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VR虚拟现实技术概论PPT(共 20张)
3.航空航天
航空航天领域应用VR也比较早。 驾驶员戴着头盔进行操作，测试飞机仪表 布局、色度，起落时的光照是否合适，依此对 设计进行调整。
4.安防监控。
虚实融合的监控系统，把 边虚拟环境融合在一起， 的视频无缝融合，提升了 和适人化水平。
5.医疗健康
•
VR在医疗健康领域极具发展潜力。
• 首先是对人体及人体器官的三维可 交互展示，这样就可以通过虚拟手术模 拟器对大夫进行手术培训。还可以构建 个性化病体器官模型，进行具体的手术 规划和预演，从而大幅度提升手术效果， 对医疗手术带来颠覆性影响。
一、虚拟现实是什么
•
VR的目标是以计
算机技术为核心，结合
其他相关科学技术，生
成与一定范围现实世界
在视、听、触觉等方面
高度近似的数字化环境，
人们通过一些交互设备
与该数字化环境进行交
互，能够产生亲临现实
世界的体验。
VR具有的特征：
一是沉浸感，参与者可以全身心沉浸于计算机 生成的三维虚拟环境中；
二是交互性，参与者可以通过一些VR交互设 备和虚拟环境中的对象进行交互，产生与对应 真实环境中的对象进行交互的体验。现在自然 交互、体感交互是非常热的一个研究方向。
• VR技术的发展可以给许多行业带来升级换代式发 航天、国防军事、装备制造、智慧城市、医疗健康、 文化教育等；会对许多产业产生颠覆性影响，如影视 游、商务、社交网络等，同时可望形成新型的VR产业 VR人机
• 交互设备产业，行业应用模拟器、虚拟环境产业 件与嵌入式系统产业，领域和行业模型数据产业，网 端VR产业和VR服务产业等。可以说VR产业进入了爆 前夜。
VR 虚 拟 现 实
—
目 录
虚拟现实技术概述(PPT 65页)
虚拟现实的研究现状
–浙江大学CAD&CG国家重点实验室在基于图像 的虚拟现实、分布式虚拟环境的建立、多细 节层次模型、真实感三维重建、基于几何和 图像的混合式图形实时绘制算法等领域开展 了深入的研究，在国内外产生了广泛的影响。
–清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和 临场感的方面进行了研究，例如球面屏幕显 示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深 度感试验等方面都有不少独特的方法。
虚拟现实技术
(Virtual Reality)
徐雷 12 April 2011
主要内容
• 虚拟现实技术概述 • 虚拟现实体系结构 • 虚拟环境的建立 • 产品的虚拟原型 • 在虚拟环境中制造
虚拟现实技术概述
• 定义和特征 • 虚拟现实的发展历程 • 虚拟现实的国内外研究现状 • 虚拟现实的主要应用领域
• 两耳强度差(Interaural Intensity Differences，简称IID)。
虚拟现实硬件基础
• 虚拟环境的听觉通道
– 听觉通道接口技术存在的问题：
• 其中问题之一就是多声源声场的声音立体化，用 户稍微偏离预定的位置，声音的立体声效果就会 降低。
• 另一个问题是声音信号的生成，语言和音乐的合 成已经有了较好的办法，但环境声音合成和建模 以及声学场景分析尚有待研究。
– 分布式VR技术主要运用于远程虚拟会议，虚拟医 院，虚拟战场等。
虚拟现实硬件基础
• 虚拟环境的视觉通道
– 头盔式显示器 (Head一Mounted Display, HMD) ：最常见的使用 户产生沉浸感的 装置是头盔显示 器，它可提供视 觉显示、立体声 音输出以及头部 位置跟踪的功能 ，是进入虚拟环 境首选的装置。
–遥现技术(Telepresence)，它是一种基于VR的遥控制、 遥操作或遥显示技术。
虚拟现实技术概述(PPT187页).pptx
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（遥在系统）
增强式虚拟现实系统
分布式虚拟现实系统 网络+虚拟现实
➢虚拟现实系统：
=用户+硬件+虚拟环境 ✓交互性
用户
用户信息 反馈信息
虚拟环境
第二章 虚拟现实系统的硬件
➢用户+硬件+虚拟环境 ✓交互性
用户
用户信息 反馈信息
虚拟环境
化
30m s
跟踪范围
半径<1.6m 的半球形
4～5m3
光学 2mm 0.02mm
1mm
＜ 4～8m3（可 1ms 扩展至14m3）
3
三维位置跟踪器类型
典型输入输出装置：
➢三维跟踪传感设备 ➢立体鼠标 ➢传感手套 ➢数据衣 ➢立体显示器 ➢触觉和力觉反馈装置 ➢3-D声音生成器
1、三维位置跟踪器
跟踪器的作用：
获得移动对象的位置和方向信息；
应用：
航行、导弹、CG艺术、交通、 GPS等
VR：
高精度、快速、测量范围小
跟踪器：跟踪身体
身体跟踪：VR系统感知参与者位置和动作； ✓身体姿态与手势； ✓跟踪头部：头的朝向，影响绘制场景 ✓手和手指：手提供了与世界交互的方法
注意：
延迟的原因在于：跟踪器对移动对象的运 动总是滞后的。
系统延迟＝测量延迟＋通信延迟＋绘制与 显示延迟
导致HMD的运动与用户看到的虚拟场景的 运动之间有很大的时间迟滞
对于使用者来说，一方面沉浸感降低，另 一方面导致“仿真病”。
降低延迟的方法：
1.同步锁相：让跟踪器和通信的周期 与显示的周期同步。
2.使用高速通信线路 3.提高跟踪器的采样率（更新率）
VR虚拟现实技术概论.pptx
• 交互设备产业，行业应用模拟器、虚拟环境产业，VR平台软 件与嵌入式系统产业，领域和行业模型数据产业，网络、移动终 端VR产业和VR服务产业等。可以说VR产业进入了爆发式发展的 前夜。
THANKS
• 9、春去春又回，新桃换旧符。在那桃花盛开的地方，在这醉人芬芳的季节，愿你生活像春天一样阳光，心情像桃花一样美丽，日子像桃子一样甜蜜。2 0.12.920.12.9Wednesday, December 09, 2020
பைடு நூலகம் 1.国防军事
许多科学技术都是首先在军事领域得到应用，包括VR技 术。构成分布式虚拟战场环境，进行异地的军事训练。军事 仿真训练的优势，是可以构造任何作战地形环境和作战目标， 并节约大量经费。
2.装备制造
在装备设计、研发过程中， 可以采用虚拟样机技术。
现在建筑行业也在开发应 用VR，可以将建筑效果和整个 施工全过程完全三维化地呈现 给甲方，而且和结构设计相结 合，对建筑设计带来重大影响。
（三）人机交互
第三类问题是人对虚拟环 境中对象的操作,以及虚拟环境对 象对现实世界的作用，也就是VR 人机交互问题，主要涉及人或外部 世界与虚拟环境之间互相作用的信 息交换方式与人机交互设备。
总结：
• VR技术的发展可以给许多行业带来升级换代式发展，如航空 航天、国防军事、装备制造、智慧城市、医疗健康、公共安全、 文化教育等；会对许多产业产生颠覆性影响，如影视、游戏、旅 游、商务、社交网络等，同时可望形成新型的VR产业生长点，如 VR人机
二是交互性，参与者可以通过一些VR交互设 备和虚拟环境中的对象进行交互，产生与对应 真实环境中的对象进行交互的体验。现在自然 交互、体感交互是非常热的一个研究方向。
三是构想性，参与者在虚拟环境中 可以激发想象，或者可以构想未来 世界和历史世界。
THANKS
• 9、春去春又回，新桃换旧符。在那桃花盛开的地方，在这醉人芬芳的季节，愿你生活像春天一样阳光，心情像桃花一样美丽，日子像桃子一样甜蜜。2 0.12.920.12.9Wednesday, December 09, 2020
பைடு நூலகம் 1.国防军事
许多科学技术都是首先在军事领域得到应用，包括VR技 术。构成分布式虚拟战场环境，进行异地的军事训练。军事 仿真训练的优势，是可以构造任何作战地形环境和作战目标， 并节约大量经费。
2.装备制造
在装备设计、研发过程中， 可以采用虚拟样机技术。
现在建筑行业也在开发应 用VR，可以将建筑效果和整个 施工全过程完全三维化地呈现 给甲方，而且和结构设计相结 合，对建筑设计带来重大影响。
（三）人机交互
第三类问题是人对虚拟环 境中对象的操作,以及虚拟环境对 象对现实世界的作用，也就是VR 人机交互问题，主要涉及人或外部 世界与虚拟环境之间互相作用的信 息交换方式与人机交互设备。
总结：
• VR技术的发展可以给许多行业带来升级换代式发展，如航空 航天、国防军事、装备制造、智慧城市、医疗健康、公共安全、 文化教育等；会对许多产业产生颠覆性影响，如影视、游戏、旅 游、商务、社交网络等，同时可望形成新型的VR产业生长点，如 VR人机
二是交互性，参与者可以通过一些VR交互设 备和虚拟环境中的对象进行交互，产生与对应 真实环境中的对象进行交互的体验。现在自然 交互、体感交互是非常热的一个研究方向。
三是构想性，参与者在虚拟环境中 可以激发想象，或者可以构想未来 世界和历史世界。
虚拟现实技术概述(PPT 72页)
科技引领时代，创新塑造未来
2020/11/25
6
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）
“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。
科技引领时代，创新塑造未来
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。
科技引领时代，创新塑造未来
2020/11/25
12
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
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，
科技引领时代，创新塑造未来
2020/11/25
10
1.1.1 虚拟现实的概念
虚拟现实技术
虚拟现实技术
虚拟现实技术概述
虚拟现实技术概述(PPT 56页)
Multimedia Technology & Application
*
虚拟现实技术在设计中应用图象
Multimedia Technology & Application
*
飞机机舱的图象
Multimedia Technology & Application
*
虚拟仪表的图象
Multimedia Technology & Application
*
临境虚拟现实系统基本组成图
声音合成
虚 拟 环
声音定位
命令 语言识别
图形图象
头 盔 显 示
境
显示电子装置
器
发 头位置
/
生 器
眼位置 手位置
头/眼/手/体 跟踪
数 据 手
触觉/动觉系统
套
Multimedia Technology & Application
*
Multimedia Technology & Application
国内的研究
北京航空航天大学计算机系 浙江大学（CAD&CG国家重点实验室、心理实验室） 清华大学计算机科学和技术系 西安交通大学信息工程研究所 北方工业大学CAD研究中心 中国科技开发院威海分院 其他机构
Multimedia Technology & Application
*
虚拟系统的组成图
用
检测 传 控
感
户
反馈 器 制
虚拟环境 现实世界
系统建模
Multimedia Technology & Application
*
3D 模型
虚拟现实技术概述(PPT41页).pptx
有关虚拟现实技术的研究。如，1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室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。 90年代，计算机软硬件的发展为虚拟现实系统的发展打 下了的基础。1993年11月，宇航员利用虚拟现实系统 成功地完成了从飞机的运输舱内取出望远镜面板的工作。 再如，用虚拟现实技术设计波音777获得成功。
二、虚拟现实的发展简史
1965年，Sutherland在《终极的显示》中首次提出虚 拟现实系统的基本思想。
1966年，MIT的林肯实验室开始头盔式显示器研制。 70年代出现第一个功能较齐全的HMD系统。 80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词 80年代，美国宇航局（NASA）及国防部组织了一系列
三、常见的桌面虚拟现实技术
基于静态图像的虚拟现实技术☆ 采用连续拍摄的图像和视频，在计算机中拼接建立实景化
虚拟空间 VRML（虚拟现实造型语言）☆ 采用描述性的文本语言描述基本的三维物体的造型，通过
一定的控制，将这些基本的三维造型组合成虚拟场景，当 浏览器浏览这些文本描述信息时，在本地进行解释执行， 生成虚拟的三维场景。 桌面CAD（computer associated design计算机辅 助设计）系统 利用桌面三维图形绘制技术对虚拟世界进行建模，通过计 算机的显示器进行观察，并能自由地控制视点和视角。
医学 医生远程做手术
培训 汽车驾驶模拟训练，大型飞机驾驶模拟
娱乐
虚拟房地产推销
大型工程漫游
光学虚拟实验室
五、虚拟现实系统的发展趋势
桌面虚拟现实系统
虚拟现实系统有如下几种，在这里主要介绍桌面虚拟现实系统
一、什么是桌面虚拟现实系统？
二、虚拟现实的发展简史
1965年，Sutherland在《终极的显示》中首次提出虚 拟现实系统的基本思想。
1966年，MIT的林肯实验室开始头盔式显示器研制。 70年代出现第一个功能较齐全的HMD系统。 80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词 80年代，美国宇航局（NASA）及国防部组织了一系列
三、常见的桌面虚拟现实技术
基于静态图像的虚拟现实技术☆ 采用连续拍摄的图像和视频，在计算机中拼接建立实景化
虚拟空间 VRML（虚拟现实造型语言）☆ 采用描述性的文本语言描述基本的三维物体的造型，通过
一定的控制，将这些基本的三维造型组合成虚拟场景，当 浏览器浏览这些文本描述信息时，在本地进行解释执行， 生成虚拟的三维场景。 桌面CAD（computer associated design计算机辅 助设计）系统 利用桌面三维图形绘制技术对虚拟世界进行建模，通过计 算机的显示器进行观察，并能自由地控制视点和视角。
医学 医生远程做手术
培训 汽车驾驶模拟训练，大型飞机驾驶模拟
娱乐
虚拟房地产推销
大型工程漫游
光学虚拟实验室
五、虚拟现实系统的发展趋势
桌面虚拟现实系统
虚拟现实系统有如下几种，在这里主要介绍桌面虚拟现实系统
一、什么是桌面虚拟现实系统？
虚拟现实技术概述(PPT 63页)
西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术— —立体显示技术进行了研究，提出一种基于JPEG标准压 缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压缩 速度。
1-63
本章结束 谢谢大家
1-45
1.3 虚拟现实技术的特征
VR技术的交互性：
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）。
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。
1-46
1-12
数字仿真
1-13
地理勘测
1-14
地理勘测
1-15
虚拟手术
1-16
产品展示
1-17
产品展示
1-18
产品展示
1-19
虚拟游览
1-20
虚拟游览
1-21
虚拟游览
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数字虚拟校园
1-23
数字虚拟校园
1-24
数字虚拟校园
1-25
数字虚拟校园
1-26
数字虚拟校园
1-27
1、仿真教学与实验 2、特殊教育 3、多种专业训练 4、应急演练和军事演习
1-55
1.5 虚拟现实技术的应用领域
1.5.2 设计与规划
虚拟现实已被看作是设计领域中唯一的 开发工具。它可以避免传统方式在原型制造、 设计和生产过程中的重复工作，有效的降低 成本，应用领域包括汽车制造业、城市规划、 建筑设计等。
1-62
1.6 虚拟现实技术的研究现状
1.6.2 国内的研究现状
清华大学对虚拟现实及其临场感等方面进行了大量研究， 比如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施及 深度感实验测试等。
1-63
本章结束 谢谢大家
1-45
1.3 虚拟现实技术的特征
VR技术的交互性：
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）。
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。
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数字仿真
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地理勘测
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地理勘测
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虚拟手术
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产品展示
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产品展示
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产品展示
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虚拟游览
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虚拟游览
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虚拟游览
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数字虚拟校园
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数字虚拟校园
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数字虚拟校园
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数字虚拟校园
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数字虚拟校园
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1、仿真教学与实验 2、特殊教育 3、多种专业训练 4、应急演练和军事演习
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1.5 虚拟现实技术的应用领域
1.5.2 设计与规划
虚拟现实已被看作是设计领域中唯一的 开发工具。它可以避免传统方式在原型制造、 设计和生产过程中的重复工作，有效的降低 成本，应用领域包括汽车制造业、城市规划、 建筑设计等。
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1.6 虚拟现实技术的研究现状
1.6.2 国内的研究现状
清华大学对虚拟现实及其临场感等方面进行了大量研究， 比如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施及 深度感实验测试等。
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怎样理解虚拟现实
• 虚拟现实系统中 的“现实”（即 所虚拟的环境） 大致可分为三种 情况：
• 第一种情况是模 仿真实世界中的 环境。
怎样理解虚拟现实
• 第二种情况是人 类主观构造的环 境。例如，用于 影视制作或电子 游戏的三维动画 。环境是虚构的 ，几何模型和物 理模型可以完全 虚构。
怎样理解虚拟现实
• 1. 多感知性(Multi-Sensory)
– 计算机生成一个给人多种感官刺激的虚拟环境
：视觉感知、听觉感知、力觉感知、触觉感知
虚
、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等
拟
• 2. 交互性(Interaction )
– 指人能以自然方式与虚拟世界进行交互操作
现
– 专用交互设备，如数据手套、跟踪器、触觉和 力反馈装置
虚拟现实
“虚”与“实”
• 柏拉图：真正的世界只是存在于我们的想象 中。
• 笛卡尔：我思故我在！ • “I think therefore I am”
目录
• VR基本概念 • VR的发展史 • VR的组成形式及设备 • VR的运用 • VR的未来
VR定义
• 虚拟现实（Virtual Reality）就是研究 一种计算机技术，把人们想象中的东西 转化为一种虚拟境界和虚拟存在，而这 种虚拟境界和虚拟存在对我们的感觉器 官就象真的客观存在一样。
实
的
• 3. 沉浸感（Immersion,存在感、临场感）
– 它是指虚拟现实系统对介入者的刺激在物理上
特
和认知上符合人的已有经验，从而使介入者感 到自己作为主角存在于模拟环境中的真实程度
点
虚拟现实的发展历史与演变
• 萌芽与诞生（ 60年代-80年代末） • 军事与航天的推动（70年代-80年代） • 渐入民间---游戏、娱乐、模拟应用的刺激（90年代） • VR在Internet上的兴衰（90年代中-21世纪） • VR应用的大众化与多元化（21世纪）
萌芽与诞生（ 60年代-80年代末）
• 军事与航天的推动（70年代-80年代）
– 70年代和80年代早期，美国军方开展“飞行头盔”和军 事现代仿真器的研究
– 1983年美国DARPA(Defense Advenced Research Projects Agency)和美国陆军共同为坦克编队作战训练开发了一 个实用的虚拟战场系统SIMNET。
• 第三种情况是模仿真 实世界中的人类不可 见的环境。例如，分 子的结构，空气中速 度、温度、压力的分 布等。
一个蛋白质分子的示例
虚拟现实的概念
• 虚拟现实是计算机生成的给人多种感 官刺激的虚拟环境。用户应该能够以 自然的方式与这个环境交互，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
面对如潮的电子乌贼，人类城市危在旦夕，“救世主”尼奥的身体和 思想却意外分离，再度陷入到“母体”中。墨菲斯和崔妮蒂也不得不回到 “母体”和守护天使一起寻找他。
锡安的局势越来越危险，被叛徒射瞎双眼的尼奥，依然想通过希望去 实现预言。这时，特工史密斯控制了先知，并变得越来越强大，威胁到了 整个“母体”的稳定。返回锡安时遭到电子乌贼的突袭，崔妮蒂死了，重 伤的尼奥来到机器城市，与矩阵的造物主（相当于上帝）达成停战协议。
萌芽与诞生（ 60年代-80年代末）
1966年，美国MIT林肯实验室研制出了第一个 头盔式显示器(Helmet Mounted Display 即HMD)
1968年，Sutherland在哈佛大学的组织下开发 了头盔式立体显示器及一个虚拟系统，可称得 上是第一个虚拟现实系统。
萌芽与诞生（ 60年代-80年代末）
– 1962年，Morton Heileg申请了专利“全传感仿 真器”。该专利蕴涵了虚拟现实技末）
• 1962年，美国电 影摄影师Morton Heilig研制的 Sensorama的立 体电影系统
萌芽与诞生（ 60年代-80年代末）
1965年，Ivan Sutherland 在名为“Ultimate Display” (终极的显示)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。
SIMNET
萌芽与诞生（ 60年代-80年代末）
70年代和80年代早期，美国军方开展“飞行头盔 ”和军事现代仿真器的研究
1983年美国DARPA(Defense Advenced Research Projects Agency)和美国陆军共同为坦克编队作战 训练开发了一个实用的虚拟战场系统SIMNET。
• 1987年，《科学的美国人》(“Scientific American”)上发表了一篇题为先进的计算机界 面（Interfaces for Advanced Computing）一文 ；该杂志还发表了一篇报导数据手套的文章
• 基于从60年代以来所取得的一系列成就，美 国的Jaron Lanier 在80年代正式提出了 “Virtual Reality”一词。
– 世博会、春晚、文化创意产业、3D电影 – 人机交互、增强现实
萌芽与诞生（ 60年代-80年代末）
• 萌芽
– 1929年，Edwin A.Link发明了飞行模拟器，使 乘坐者的感觉和坐在真的飞机上是一样的。
– 1956年，Morton Heileg开发了一个叫做 Sensorama (传感景院）的摩托车仿真器。
虚拟现实
• Virtual Reality • 1989年由美国nier 发明出来的一个词 • 灵境、幻境、赛伯空间、虚拟现实 • 虚拟现实（Virtual Reality）
– 虚拟的现实 – 虚拟化现实
VR终极目标
• 《黑客帝国3》
• 距离这个目标还有相 当的距离
黑客帝国3剧情简介
代价是尼奥进入矩阵，删除叛逃的强大病毒史密斯。尼奥输了，被史 密斯所感染复制，但是造物主也因此获得了史密斯的代码，成功将其清除， 最后一刻救了仅存的人类和锡安城，机器世界与真实世界都获得了和平， 人类可以选择生活在矩阵或现实世界。
在和机器的谈判中，机器答应为了人类和机器的共同利益，尼奥去消 灭史密斯，而机器不再摧毁锡安。人类迎来新的和平。