第1章 虚拟现实技术概述

1.4.3 虚拟现实技术的应用
VR具有良好的可控性、可多次重复，安全、经济、节能降污，不受外界环境限制等优点，因此 具有广泛的用途。 （1）军事领域
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（2）工业领域 随着虚拟现实技术的发展，其应用从军工大幅进入民用市场。在工业领域，VR技术多用于产品论证、设 计、装配、人机工效和性能评价等代表性的应用。如图所示。
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（3）文化领域 文化领域也是VR技术的一个重要应用领域。现在VR已经成为数字博物馆/ 科学馆、大型活动开闭幕式彩排仿真、沉浸式互动游戏等应用系统的核心 支撑技术。在数字博物馆/科学馆方面，利用VR技术可以进行各种文献、 手稿、照片、录音、影片和藏品等文物的数字化和展示。如纽约大都会博 物馆、大英博物馆、俄罗斯冬宫博物馆和法国卢浮宫等都建立了自己的数 字博物馆。
➢ 各种高档工作站、高性能图形加速卡和交互设备。 ➢ 是一种高级的、较理想的虚拟现实系统，参与者置身于虚拟环境之
中，能得到完全沉浸的体验。
例如，在消防仿真演习系统中，消防员会沉浸于极度真实的火灾场景并做出不同反应。这种系统的优点是用户可完全沉 浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备尤其是硬件价格相对较高，难以大规则普及推广。
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1.1 概述 虚拟现实
虚拟现实是从英文Virtual Reality 一词翻译过来的，简称“VR”，是由美国VPL Research公司创始 人 Jaron Lanier在1989年提出的，目前在学术界被广泛使用。钱学森院士翻译为“灵境”
Virtual的英文本意是表现上具有真实事物的某些属性，但本质上是虚幻的。Reality的英文本义是 “真实”而不是 “现实“。
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（7）公共安全领域 虚拟现实技术应用于反恐、紧急突发事件等公共安全问题，在国外已经开始广泛应用。虚拟 现实技术应用在反恐、突发紧急事件中，具有明显的社会价值和经济价值。表现为降低了演 练成本；数字化技术提供了 丰富、多变的内容；提供了长期、便利的训练方法；可以反复分 析、评估强化了关键技能；培养了公众在危难时刻，救护和自保的能力。
1)用户处于不完全沉浸的环境，缺少完全沉浸、身临其境的感觉，即使戴上立体眼镜，仍能感受到周围现实世界的干扰 2)对硬件设备要求极低，简单型的只需要计算机，或增加数据手套，空间跟踪设置等。 3)成本相对较低，应用相对比较普遍，也具备了沉浸式虚拟现实系统的一些技术要求。
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虚拟现实系统分类 <2>沉浸式虚拟现实系统（Immersive VR）：
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练习与思考
一、名词解释
VR 二、填空题
1. 虚拟现实技术的特性有（ ）、（ ）和（ ）。
2. 典型的虚拟现实系统主要由（ ）、（ ）和（ ）等组成。
3. 根据用户参与虚拟现实的不同形式以及沉浸程度的不同，可以把各种类型的虚拟现实系统划
分为四类：（
）、（
）、（
）和（
）。
三、简答题
1. 简述虚拟现实技术的发展历程。 2. 简述虚拟现实技术的原理及本质。 3. 叙述虚拟现实技术与其他技术的联系。 4. 简述不同虚拟现实系统的特点及应用情况。 5. 说明虚拟现实技术在公共安全领域的应用情况。
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VR可以为大型文艺演出、大型活动开闭幕式等提供具有沉浸感和 逼真性的仿真彩排手段，从而使这些活动流程编排更合理、艺术 效果更好。这类应用的范例是2008年北京奥运会开闭幕式使用VR 技术进行烟火创意设计和视觉效果模拟展示，如图1-22所示； 2013年春节晚会创意儿童节目《剪花花》是视觉效果最为震撼的， 万花筒般绚烂为观众营造了一个童话和想象的世界。如图1-23所 示。
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1.4.1 虚拟现实技术的分类
按交互和浸入程度 的不同：
桌面式 虚拟现实
增强式 虚拟现实
虚拟现实 系统
沉浸式 虚拟现实
分布式 虚拟现实
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虚拟现实系统分类
<1>桌面式虚拟现实系统（Desktop VR）：
➢利用PC 机或中低档工作站作虚拟环境产生器； ➢计算机屏幕或投影屏幕作为观察窗口； ➢参与者仅使用键盘、鼠标和力矩球等简单外部设备。
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虚拟现实系统分类 <3>增强式虚拟现实系统（Augmented VR）：
➢真实世界和虚拟对象叠加在一起； ➢部分真实环境由虚拟环境取代，减少构成复杂真实环境 的开销；
1)真实世界和虚拟世界融为一体； 2)具有实时人机交互功能； 3)真实世界和虚拟世界在三维空间中整合。
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虚拟现实系统分类
可以简单地理解为：
虚拟现实系统是利用计算机生成的能给人多种感官刺激的人机交互系统。
感知系统
感官刺激
反应动作
虚拟环境
两个方面的理解：
u计算机生成的虚拟环境必须能提供多种感 官刺激，让人有沉浸的感觉。 u一种高级的人机交互系统，人机交互是核 心。
反应系统
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1.1.1 理解定义
虚拟现实系统中的“虚拟环境” ： 模拟真实世界中的环境。例如地理环境、建筑场馆、文物古迹等。
交互性(Interaction)：指参与者对虚 拟环境内物体的可操作程度和从环境 中得到反馈的自然程度。
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1.3.2 虚拟现实系统的组成
虚拟世界
虚拟现实设计/ 浏览软件
输出设备
头盔显示器 3D立体显示器 3D立体眼镜 CAVE 展示系统 影像分离器 力反馈系统
计算机
输入设备
游戏手柄/摇杆 3D鼠标器 3D数据手套 位置追踪器 动作捕捉器
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1.1.1 理解定义
虚拟现实系统中的虚拟环境： 模仿真实世界中人类不可见的环境。例如分子的结构，空气
中的速度、温度、压力的分布等。这种环境是真实环境，客观存 在的，但是受到人类视觉、听觉器官的限制不能感应到。
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1.1.2 虚拟现实的原理和本质
图1 -1虚拟现实技术原理图
图1- 2 多感知交互模型 9
*
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1.1.1 基本概念
虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，它
利用计算机生成一种虚拟环境，借助一些特殊的输入/输出设备，让用户与 虚拟环境进行交互，实时感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而通过视 觉、触觉和听觉等获得身临其境的真实感受。。
人机交互的飞跃 4
1.1.1 理解定义
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1980s
出现了第一个功能较齐全的HMD（头盔显 示器）系统。
1970s
伊万·萨瑟兰在The Ultimate Display的论文 中首次提出虚拟现实系统的基本思想。
1960s
中国古代（公元前468年-公元前376年）的战国时期,据“墨子. 鲁问”记载“公输般竹木为 鹊，成而飞之，三日不下”。人们在风筝上系上竹哨，利用风吹竹哨，声如筝鸣，故称 “风筝”。
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（4）教育领域 虚拟现实技术应用于教育领域是教育技术发展的一个飞跃。虚拟现实技术能够为学生提供生 动、逼真的学习环境，如建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构示等，在广泛的科 目领域提供无限的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感 受比空洞抽象的说教更具说服力，主动交互与被动的灌输有本质的差别。
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1.3.1 基本特征
想象性(Imagination)：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获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的 概念。
Imagination
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Immersion
Interaction
沉浸感(Immersion)：指用户感到 作为主角存在于模拟环境中的真实 程度。
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医疗应用
虚拟人体模型
虚拟手术 24
（6）电子商务 在商业方面，近年来，虚拟现实技术被广泛应用于产品展示及推销。利用虚拟现实技术全 方位地对商品进行展览，展示商品的多种功能；另外还能模拟工作时的情景，包括声音、 图像等效果，比单纯使用文字或图片宣传更加具有吸引力。这种展示可用于Internet中，可 实现网络上的三维互动，为电子商务服务，同时顾客在选购商品时可根据自己的意愿自由 组合，并实时看到它的效果。
虚拟现实技术基础 与应用
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清华大学出版社
Contents:
虚 拟
1 基本概念
现
实
技 术
4分 类
2 发展历程
3 特性与系统组成 5 应 用
虚拟现实技术已经成为信息领域中继多媒体技术、网络技术之后被广泛开发与应用的热点，目前，虚拟现实技术、 理论分析、科学实验已经成为人类探索客观世界规律的三大手段。
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<4>分布式虚拟现实系统（Distributed VR）：
➢ 虚拟现实技术和网络技术结合的产物； ➢ 以沉浸式虚拟现实系统为基础，多个用户或虚拟世界通过网络
相连接； ➢ 多个用户同时参与到同一个虚拟空间，共享信息，协同工作达
到一个更高的境界。
分布式虚拟现实系统的特征： 1)共享的虚拟工作空间； 2)伪实体的行为真实感； 3)支持实时交互，共享时钟； 4)多个用户以多种方式相互通信； 5)资源信息共享以及允许用户自然操作环境中对象。 18
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1.2 虚拟现实技术的发展历程
发展历史
？？？……
各学科交叉融合共同发展，新技术雨后春笋般 出现并广泛应用，不断改变着我们的生活。
Future Now
迅速发展的计算机软硬件技术，促进了人机 交互系统的不断创新与发展。
19Leabharlann Baidu0s
Jaron Lanier 提出了"Virtual Reality"一词，美国 的一系列研究成果，引起了人们的广泛关注。
这种真实环境可能是已经存在的，也可能是已经设计好但还没有建成 的，或者是曾经存在但现在已经发生变化、消失或者受到破坏的。。
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1.1.1 理解定义
虚拟现实系统中的虚拟环境： 人类主观构造的环境。例如影视制作中的科幻场景，电子游戏中
三维虚拟世界。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。
1.1.3 虚拟现实技术与其它技术的关系
1 虚拟现实技术与可视化仿真技术的关系 虚拟现实与可视仿真技术有着密切的联系：两者都视为现代图形学的应用主流和技术生长点。 可以说虚拟现实技术将是可视化的仿真发展的终极目标。 2 多媒体技术与虚拟现实技术的关系 多媒体技术与虚拟现实技术的最大区别就在于虚拟现实人参与其中的沉浸感、深刻的交互作 用和构想与创意程度，可以说多媒体技术的进一步发展和应用就达到了虚拟现实这个重要领 域。 3 虚拟现实系统与一般图形系统的关系 虚拟现实与一般图形系统(图形工作站)的区别在于：对于普通的计算机图形系统来说，使用 者是一个外部观察者，他只能通过屏幕或窗口来观察某些综合环境。而虚拟现实系统不仅仅 是一个更快、更好、更强有力的计算机图形系统，重要的是虚拟现实系统通过其各项功能的 有机结合，能让使用者成为合成环境中的一个内部参加者。