第一章 虚拟现实技术概论
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1.1 虚拟现实技术基本概念
1984年，美国宇航局（NASA）组织开发了用于火星探测的虚拟 世界视觉显示器，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世界。 1993年，波音公司在一个由数百台工作站组成的虚拟世界中，用 虚拟现实技术设计出由300万个零件组成的波音777飞机。 1996年10月，世界第一个虚拟现实技术博览会在伦敦开幕。 1996年12月，世界第一个虚拟现实环球网在英国投入运行。 …
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1.1 虚拟现实技术基本概念
（2）输入与输出设备：用户与虚拟世界之间 要实现自然的交互，必须采用特殊的输入与 输出设备，用以识别用户各种形式的输入， 并实时生成相应反馈信息。常用的设备有用 于手势输入的数据手套、用于语音交互的三 维声音系统等。
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9
高性能图形计算机
头盔
眼镜
三维显示器
三维鼠标
环形屏幕 手套
最直观的交流方式 最直观的交流方式 最快捷的审批平台 最快捷的审批平台 最方便的设计工具 最方便的设计工具 最先进的营销手段 最先进的营销手段
25
虚拟现实在规划效果中的应用
26
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1.3 虚拟现实系统分类
（2）桌面式虚拟现实系统（Desktop VR） ：也 称窗口虚拟现实，利用个人计算机或初级图形 工作站，以计算机屏幕作为用户观察虚拟世界 的一个窗口，采用立体图形、自然交互等技术， 产生三维立体空间的交互场景，通过包括键盘、 鼠标和力矩球等各种输入设备操纵虚拟世界， 实现与虚拟世界的交互。其特点为：
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1.4 虚拟现实的应用领域
（5）虚拟电力控制室： 使用虚拟现实技术研制辅助设计控制室的系统。 （6）扩增实境： 扩增实境是虚拟现实最具实用价值的应用之一。它在真实环境的基础上 把虚拟环境叠加进去，使二者有机结合，产生虚实难辩、亦幻亦真的感觉。 例如：当人进入到一商店购某物时，即可在显示设备上显示此物的价格、 性能及各种参数等。
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虚拟现实在教育领域的具体应用
虚拟学习环境 虚拟学习环境 虚拟实验室 虚拟实验室 虚拟实训基地 虚拟实训基地 虚拟仿真校园 虚拟仿真校园 虚拟远程教育 虚拟远程教育
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虚拟现实在军事领域的具体应用
虚拟战场环境 虚拟战场环境 单兵模拟训练与评判 单兵模拟训练与评判 诸军种联合虚拟演习 诸军种联合虚拟演习 进行指挥员训练 进行指挥员训练
10
1.1 虚拟现实技术基本概念
（3）虚拟现实系统的应用软件：应用软件完 成的功能有：虚拟世界中物体的几何模型、 物理模型、运动模型的建立；三维虚拟立体 声的生成；模型管理技术及实时显示技术、 虚拟世界数据库的建立与管理等。 （4）数据库：存放整个虚拟世界中所有物体 的各方面信息。
ຫໍສະໝຸດ Baidu11
1.1 虚拟现实技术基本概念
基于头盔式显示器的典型虚拟 现实系统：由计算机、头盔式 显示器、数据手套、力反馈装 置、话筒、耳机等设备组成。
首先由计算机生成一个虚拟世界，由头盔式显示器输出一 个立体的显示，用户可以采用头的转动、手的移动、语音 等与虚拟世界进行自然交互，计算机能够根据用户输入的 各种信息实时进行计算，即对交互行为进行反馈，由头盔 显示器更新相应的场景显示，由耳机输出虚拟立体声音， 12 由力反馈装置产生触觉（力觉）反馈。
1.2 虚拟现实技术的特征
美国科学家Burdea G. 和Philippe Coiffet在 1993年世界电子年会上 发表了一篇题为 “Virtual Reality System and Application”的文章， 提出了“虚拟现实技术 的三角形”，表示出虚 拟现实技术的三个突出 特征：沉浸性、交互性、 想象性。
交互性Interactivity
3I
沉浸性Immersion
想象性Imagination
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1.2 虚拟现实技术的特征
（1）沉浸性：指用户感觉到好像完全置身于虚拟世界 之中一样，被虚拟世界所包围。包括视觉沉浸、听 觉沉浸、触觉沉浸、嗅觉沉浸、身体感觉沉浸、味 觉沉浸等。 （2）交互性：虚拟现实系统强调人与在虚拟世界之间 以自然的方式进行交互，实时产生在真实世界中一 样的感知。 （3）想象性：虚拟的环境是人想象出来的，同时体现 出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目 标。
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1.3 虚拟现实系统分类
（1）沉浸式虚拟现实系统（Immersive VR） ： 提供一个完全沉浸的体验，使用户有一种仿 佛置身于真实世界之中的感觉，具有以下五 个特点：
具有高度实时性能 具有高度的沉浸感 具有良好的系统集成度与整合性能 具有良好的开放性 能支持多种输入与输出设备并行工作
常见的沉浸式虚拟现实系统有：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
真实世界和虚拟世界融为一体 具有实时人机交互功能 真实世界和虚拟世界在三维空间中整合 常用于医学可视化、军用飞机导航等领域。
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1.3 虚拟现实系统分类
（4）分布式虚拟现实系统（Distributed VR） ： 是虚拟现实技术和网络技术发展和结合的产物， 是一个在网络的虚拟世界中，位于不同物理位 置的多个用户或多个虚拟世界通过网络相联结 共享信息的系统。其特点为：
虚拟现实在人机交互方面有了很大的改进： 人机接口形式的改变（常规接口设备->专用设备） 人机接口内容的改变（图形图像声音等->环境） 人机接口效果的改变（基于特殊设备得到逼真感知效果）
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1.1 虚拟现实技术基本概念
虚拟现实技术的发展
1962年，美国电影摄影师Morton Heilig研制出一套称为Sensorama 的立体电影系统，具有多种感官刺激的立体显示设备。 1965年，计算机图形学的奠基者美国科学家Ivan Surtherland博士 在一篇名为“The Ultimate Display”的论文中首次提出了一种全新的、 富有挑战性的图形显示技术，即能否不通过计算机屏幕来观看计算机生 成的虚拟世界，而是使观察者直接沉浸在计算机生成的虚拟世界中。这 一理论后来被认为在虚拟现实技术中起着里程碑的作用，我们称之为 “虚拟现实技术”之父。 1968年， Ivan Surtherland研制出了第一个头盔式显示器。 20世纪八十年代，美国人Jaron Lanier正式提出了“Virtual Reality” 一词。
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1.1 虚拟现实技术基本概念
虚拟现实系统的组成
COMPUTER 计算机
I/O DEVICES 输入输出设备
SOFTWARE SYSTEM 应用软件系统
DATABASE 数据库
USER 用户
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1.1 虚拟现实技术基本概念
（1）计算机：负责虚拟世界的生成、人与虚 拟世界的自然交互等功能的实现。通常可分 为基于高性能个人计算机、基于高性能图形 工作站、高度并行的计算机及基于分布式结 构计算机系统等。
各用户具有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 多个用户可以各自不同的方式相互通信 资源信息共享以及允许用户自然操纵虚拟世界中的对象
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1.4 虚拟现实的应用领域
（1）用于遥控机器人的遥现技术： 遥现技术是指当实际上在某一个地方时，可以产生在另一个地方的感 觉。例如，在宇宙空间站的开发计划中，受各种因素的制约，机器人的 遥控遥现技术起了至关重要的作用。 （2）仿真技术 计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、 触觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。例如：飞 行仿真系统 、 与虚拟生物对话 、 作战仿真系统 等。 （3）对象可视化技术： 在科学研究中对研究数据生成可视化效果以便观察和研究。例如：虚 拟风洞。 （4）虚拟实验室： 在研究工作和学习过程中，总会有许多实验需反复进行，以期得到不 同条件下的不同结果，虚拟实验室能提供这样一个平台。例如：虚拟物 理实验室。
1 虚拟现实技术概论
人 海量信息 客观世界
虚拟现实技术
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1.1 虚拟现实技术基本概念
虚拟现实技术：是指采用以计算机技术为核心的现代高 科技生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境，用 户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进 行交互，相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体 验。
2
1.1 虚拟现实技术基本概念
用户处于不完全沉浸的环境 对硬件设备要求极低 实现成本相对较低
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1.3 虚拟现实系统分类
（3）增强式虚拟现实系统（Aggrandize VR） ： 既可以允许用户看到真实世界，同时也可以看 到叠加在真实世界上的虚拟对象。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。其特 点为：
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虚拟现实在矿业领域的具体应用
模拟矿井开采 模拟矿井开采 矿业人员技术培训 矿业人员技术培训 矿井设备的虚拟设计和制造 矿井设备的虚拟设计和制造 事故模拟与调查分析 事故模拟与调查分析
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虚拟现实在商业领域的具体应用
物品外观展示 物品特性展示 物品的功能参数 物品的价格
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虚拟现实在房地产领域的具体应用
1.1 虚拟现实技术基本概念
1984年，美国宇航局（NASA）组织开发了用于火星探测的虚拟 世界视觉显示器，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世界。 1993年，波音公司在一个由数百台工作站组成的虚拟世界中，用 虚拟现实技术设计出由300万个零件组成的波音777飞机。 1996年10月，世界第一个虚拟现实技术博览会在伦敦开幕。 1996年12月，世界第一个虚拟现实环球网在英国投入运行。 …
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1.1 虚拟现实技术基本概念
（2）输入与输出设备：用户与虚拟世界之间 要实现自然的交互，必须采用特殊的输入与 输出设备，用以识别用户各种形式的输入， 并实时生成相应反馈信息。常用的设备有用 于手势输入的数据手套、用于语音交互的三 维声音系统等。
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高性能图形计算机
头盔
眼镜
三维显示器
三维鼠标
环形屏幕 手套
最直观的交流方式 最直观的交流方式 最快捷的审批平台 最快捷的审批平台 最方便的设计工具 最方便的设计工具 最先进的营销手段 最先进的营销手段
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虚拟现实在规划效果中的应用
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1.3 虚拟现实系统分类
（2）桌面式虚拟现实系统（Desktop VR） ：也 称窗口虚拟现实，利用个人计算机或初级图形 工作站，以计算机屏幕作为用户观察虚拟世界 的一个窗口，采用立体图形、自然交互等技术， 产生三维立体空间的交互场景，通过包括键盘、 鼠标和力矩球等各种输入设备操纵虚拟世界， 实现与虚拟世界的交互。其特点为：
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1.4 虚拟现实的应用领域
（5）虚拟电力控制室： 使用虚拟现实技术研制辅助设计控制室的系统。 （6）扩增实境： 扩增实境是虚拟现实最具实用价值的应用之一。它在真实环境的基础上 把虚拟环境叠加进去，使二者有机结合，产生虚实难辩、亦幻亦真的感觉。 例如：当人进入到一商店购某物时，即可在显示设备上显示此物的价格、 性能及各种参数等。
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虚拟现实在教育领域的具体应用
虚拟学习环境 虚拟学习环境 虚拟实验室 虚拟实验室 虚拟实训基地 虚拟实训基地 虚拟仿真校园 虚拟仿真校园 虚拟远程教育 虚拟远程教育
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虚拟现实在军事领域的具体应用
虚拟战场环境 虚拟战场环境 单兵模拟训练与评判 单兵模拟训练与评判 诸军种联合虚拟演习 诸军种联合虚拟演习 进行指挥员训练 进行指挥员训练
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1.1 虚拟现实技术基本概念
（3）虚拟现实系统的应用软件：应用软件完 成的功能有：虚拟世界中物体的几何模型、 物理模型、运动模型的建立；三维虚拟立体 声的生成；模型管理技术及实时显示技术、 虚拟世界数据库的建立与管理等。 （4）数据库：存放整个虚拟世界中所有物体 的各方面信息。
ຫໍສະໝຸດ Baidu11
1.1 虚拟现实技术基本概念
基于头盔式显示器的典型虚拟 现实系统：由计算机、头盔式 显示器、数据手套、力反馈装 置、话筒、耳机等设备组成。
首先由计算机生成一个虚拟世界，由头盔式显示器输出一 个立体的显示，用户可以采用头的转动、手的移动、语音 等与虚拟世界进行自然交互，计算机能够根据用户输入的 各种信息实时进行计算，即对交互行为进行反馈，由头盔 显示器更新相应的场景显示，由耳机输出虚拟立体声音， 12 由力反馈装置产生触觉（力觉）反馈。
1.2 虚拟现实技术的特征
美国科学家Burdea G. 和Philippe Coiffet在 1993年世界电子年会上 发表了一篇题为 “Virtual Reality System and Application”的文章， 提出了“虚拟现实技术 的三角形”，表示出虚 拟现实技术的三个突出 特征：沉浸性、交互性、 想象性。
交互性Interactivity
3I
沉浸性Immersion
想象性Imagination
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1.2 虚拟现实技术的特征
（1）沉浸性：指用户感觉到好像完全置身于虚拟世界 之中一样，被虚拟世界所包围。包括视觉沉浸、听 觉沉浸、触觉沉浸、嗅觉沉浸、身体感觉沉浸、味 觉沉浸等。 （2）交互性：虚拟现实系统强调人与在虚拟世界之间 以自然的方式进行交互，实时产生在真实世界中一 样的感知。 （3）想象性：虚拟的环境是人想象出来的，同时体现 出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目 标。
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1.3 虚拟现实系统分类
（1）沉浸式虚拟现实系统（Immersive VR） ： 提供一个完全沉浸的体验，使用户有一种仿 佛置身于真实世界之中的感觉，具有以下五 个特点：
具有高度实时性能 具有高度的沉浸感 具有良好的系统集成度与整合性能 具有良好的开放性 能支持多种输入与输出设备并行工作
常见的沉浸式虚拟现实系统有：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
真实世界和虚拟世界融为一体 具有实时人机交互功能 真实世界和虚拟世界在三维空间中整合 常用于医学可视化、军用飞机导航等领域。
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1.3 虚拟现实系统分类
（4）分布式虚拟现实系统（Distributed VR） ： 是虚拟现实技术和网络技术发展和结合的产物， 是一个在网络的虚拟世界中，位于不同物理位 置的多个用户或多个虚拟世界通过网络相联结 共享信息的系统。其特点为：
虚拟现实在人机交互方面有了很大的改进： 人机接口形式的改变（常规接口设备->专用设备） 人机接口内容的改变（图形图像声音等->环境） 人机接口效果的改变（基于特殊设备得到逼真感知效果）
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1.1 虚拟现实技术基本概念
虚拟现实技术的发展
1962年，美国电影摄影师Morton Heilig研制出一套称为Sensorama 的立体电影系统，具有多种感官刺激的立体显示设备。 1965年，计算机图形学的奠基者美国科学家Ivan Surtherland博士 在一篇名为“The Ultimate Display”的论文中首次提出了一种全新的、 富有挑战性的图形显示技术，即能否不通过计算机屏幕来观看计算机生 成的虚拟世界，而是使观察者直接沉浸在计算机生成的虚拟世界中。这 一理论后来被认为在虚拟现实技术中起着里程碑的作用，我们称之为 “虚拟现实技术”之父。 1968年， Ivan Surtherland研制出了第一个头盔式显示器。 20世纪八十年代，美国人Jaron Lanier正式提出了“Virtual Reality” 一词。
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1.1 虚拟现实技术基本概念
虚拟现实系统的组成
COMPUTER 计算机
I/O DEVICES 输入输出设备
SOFTWARE SYSTEM 应用软件系统
DATABASE 数据库
USER 用户
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1.1 虚拟现实技术基本概念
（1）计算机：负责虚拟世界的生成、人与虚 拟世界的自然交互等功能的实现。通常可分 为基于高性能个人计算机、基于高性能图形 工作站、高度并行的计算机及基于分布式结 构计算机系统等。
各用户具有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 多个用户可以各自不同的方式相互通信 资源信息共享以及允许用户自然操纵虚拟世界中的对象
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1.4 虚拟现实的应用领域
（1）用于遥控机器人的遥现技术： 遥现技术是指当实际上在某一个地方时，可以产生在另一个地方的感 觉。例如，在宇宙空间站的开发计划中，受各种因素的制约，机器人的 遥控遥现技术起了至关重要的作用。 （2）仿真技术 计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、 触觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。例如：飞 行仿真系统 、 与虚拟生物对话 、 作战仿真系统 等。 （3）对象可视化技术： 在科学研究中对研究数据生成可视化效果以便观察和研究。例如：虚 拟风洞。 （4）虚拟实验室： 在研究工作和学习过程中，总会有许多实验需反复进行，以期得到不 同条件下的不同结果，虚拟实验室能提供这样一个平台。例如：虚拟物 理实验室。
1 虚拟现实技术概论
人 海量信息 客观世界
虚拟现实技术
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1.1 虚拟现实技术基本概念
虚拟现实技术：是指采用以计算机技术为核心的现代高 科技生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境，用 户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进 行交互，相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体 验。
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1.1 虚拟现实技术基本概念
用户处于不完全沉浸的环境 对硬件设备要求极低 实现成本相对较低
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1.3 虚拟现实系统分类
（3）增强式虚拟现实系统（Aggrandize VR） ： 既可以允许用户看到真实世界，同时也可以看 到叠加在真实世界上的虚拟对象。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。其特 点为：
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虚拟现实在矿业领域的具体应用
模拟矿井开采 模拟矿井开采 矿业人员技术培训 矿业人员技术培训 矿井设备的虚拟设计和制造 矿井设备的虚拟设计和制造 事故模拟与调查分析 事故模拟与调查分析
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虚拟现实在商业领域的具体应用
物品外观展示 物品特性展示 物品的功能参数 物品的价格
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虚拟现实在房地产领域的具体应用