第 1 章 虚拟现实概论

硬件构成
（1）虚拟现实生成设备： 是一台或多台高性能计算机，是带有图形加速器和 多条图形输出流水线的高性能图形计算机。 （2）感知设备： 感知设备是指将虚拟世界各类感知模型转变为人能 接受的多通道刺激信号的设备。然而，相对成熟的感知 信息和生产和检测技术仅有视觉、听觉和力觉三种通道。 （3）跟踪设备： 跟踪设备用于跟踪并检测位置和方位，实现虚拟现 实系统中人机交互操作。 （4）基于自然方式的人机交互设备： 应用手势、体势、眼神以及自然语言的人机交互设备， 常见的有数据手套、数据衣服、眼球跟踪器及语音综合识 别装置。
虚拟现实的基本特征
(1)多感知性: 所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外， 还有听觉感知、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。 (2)沉浸性: 又称临场感，让用户感到作为主角存在于 模拟环境中的真实程度，沉浸被通俗地解释为 “身临其境”。 (3)交互性: 交互性指用户对模拟环境内物体的可操作 程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。 (4)构想性: 虚拟现实技术中人与虚拟环境的交互作用， 在本质上意味着它不是必然的而是可欲生成的。
虚拟现实技术的发展
90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机 软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时 动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实 用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统 的发展打下了良好的基础。 例如1993年的11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成 了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚 拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来引起科技界瞩目 的又一件工作。
虚拟现实技术的由来
VR技术的前身可以说是军事模拟技术。 70年代，美军认为在飞行员的初级飞行课程中（起飞和降落）。 如果使用实机训练将会有较大的危险，同时效费比太低，因而 希望能用一些模拟装置来代替昂贵的实机训练，
为此美国几大航空工业公司开始了模拟飞行器的研究。这渐渐 地形成了一种习惯，那就是向美军提供新式战斗机的同时，还提供 这种飞机的模拟训练器材。
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。
虚拟现实分类（3/4）
（3）共享型虚拟现实系统
（网络虚拟现实，又称为分布式虚拟环境） 是一种基于网络连接的虚拟现实系统， 它是多个用户通过计算机网络连接在一起， 同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历， 把虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这 就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现 实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟 世界进行观察和操作，以达到协同工作的目 的。例如，异地的医科学生，可以通过网络， 对虚拟手术室中的病人进行外科手术。又如 风靡因特网的网络游戏，其实就是共享型虚 拟现实系统的有力表现。众多玩家可以在同 一个虚拟环境中交互式的进行交流、打斗、 组织甚至生存，让虚拟的情节持续发展。
后来这项技术也被民用航空所采用，并得到了迅速的发展，现 在几乎每个航空公司都有自己所配机种的模拟训练器材，可见其应 用的广泛程度。
一个典型的虚拟现实系统
虚拟现实技术的发展
1965年，Sutherland在篇名为《终极的显示》（The Ultimate Display） 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，从此，人们正式开始了对虚拟现 实系统的研究探索历程。 1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以 来所取得的一系列成就，美国的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了 “Virtual Reality”一词。
虚拟现实分类（1/4）
按照虚拟现实系统功能和实现方式的不同，可以分为四种类型： （1）沉浸型虚拟现实系统 沉浸型虚拟现实系统提供完全沉浸的体验。 它Biblioteka Baidu用头盔式显示器或其它设备，把参与者的 视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个 新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、 数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参 与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中 的感觉。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。
虚拟现实的概念模型
虚拟环境系统提供的各种感官刺激
♦ 视觉 ♦ 听觉 ♦ 嗅觉 ♦ 味觉 ♦ 触觉（接触，力觉）
虚拟现实概述
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
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，而不是通过口来观察。
１）观察者自然地转动头部和身体，他看到的场景 就实时地发生变化。 ２）观察者能够以自然的方式直接与虚拟世界中的 对象进行交互操作，触摸它们，感觉它们，并能听 到虚拟世界的三维空间声音。
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
虚拟现实系统的主要技术构成（2/2）
(4)应用系统开发工具 虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想 像力和创造性。选择适当的应用对象可以大幅度提高生产效率，减 轻劳动强度，提高产品质量。 (5)系统集成技术 由于VR系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技术 起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定 技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等等。
虚拟现实（VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信 息技术，它集多媒体、网络技术、传感技术等多种先进技术为一体， 是当今前景最好的计算机技术之一。
几种虚拟现实
虚拟环境
虚拟房间
虚拟汽车
虚拟人
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
虚拟现实分类（2/4）
（2）桌面VR系统
桌面虚拟现实利用个人计算机和低级 工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用 户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输 入设备实现与虚拟现实世界的充分交互， 这些外部设备包括立体眼镜、3D控制器使 监视器或者鼠标，追踪球，力矩球等。它 要求参与者使用输入设备，通过计算机屏 幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵 其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉 浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干 扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的 现实体验，但这种系统的特点是结构简单、 价格低廉，组成灵活，易于普及推广，是 一套经济实用的系统。
洽谈
讨论
设计
虚拟现实分类（3/4）
（4）增强现实型虚拟现实
增强现实型虚拟现实不仅是利用虚拟现实 技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要 利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就 是增强现实中无法感知或不方便的感受。 例如：战机飞行员的平视显示器，它可以 将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行 员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必 低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯 着敌人的飞机或导航偏差。
虚拟现实系统的主要技术构成（1/2）
实时三维图形生成技术、多传感交互技术、高分辨率显示技术.
(1)动态环境建模 动态环境建模技术的目的就是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要建立 相应的虚拟环境模型。 (2)实时三维图形生成技术 三维图形的生成技术已经较为成熟，为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷 新频率不低于15帧/秒，最好高于30帧/秒。提高刷新频率是该技术的主要内容。 (3)立体显示和传感器技术 虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展，设备过重、分辨率低、 延迟大、有线、跟踪精度低、视场不够宽、眼睛容易疲劳等，因此有必要开发新的三 维显示技术。
虚拟现实
教学重点：
1、虚拟现实定义与组成； 2、虚拟现实的特征； 3、虚拟现实的应用研究现状； 4、虚拟现实的应用前景； 5、虚拟现实的技术研究。
本章内容：
1、虚拟现实技术的由来及发展； 2、了解虚拟现实的概念； 3、虚拟现实的基本特征； 4、虚拟现实分类； 5、虚拟现实系统的主要技术构成； 6、硬件构成； 7、VR系统的体系结构 8、VR的研究内容 9、虚拟现实的应用领域 10、国内外虚拟现实技术的研究现状
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
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。
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、 听觉和触觉构成。 其二是虚拟现实系统是一种高级 的人机交互系统，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
虚拟现实的定义
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）
又称临境技术，是指用立体眼镜和传感手套等一系列传感辅助 设施来实现的一种三维显示，人们通过这些设备以自然的方式（如 头的转动、手的运动等）向计算机送入各种动作信息，并且通过视 觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉及触觉等感觉 世界。随着人们动作的改变，这些感觉也随之改变。
虚拟技术三角形 虚拟技术三角形
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