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1、虚拟现实技术基础与应用第1页，本讲稿共68页第一章第一章虚拟现实技术概论虚拟现实技术概论v1.1虚虚拟现实拟现实技技术术概述概述v1.1.1虚虚拟现实拟现实技技术术的定的定义义关于虚关于虚拟现实拟现实技技术术的定的定义义，目前尚无，目前尚无统统一的一的标标准，有多种不同的定准，有多种不同的定义义，主要分，主要分为为有狭有狭义义和广和广义义两种：两种：所所谓谓狭狭义义的定的定义义，认为认为虚虚拟现实拟现实技技术术就是一种就是一种先先进进的人机交互方式。的人机交互方式。所所谓谓广广义义的定的定义义，即，即为对为对虚虚拟拟想象（三想象（三维维可可视视化的）或真化的）或真实实的、多感官的三的、多感官的
2、三维维虚虚拟拟世界的模世界的模拟拟。第2页，本讲稿共68页1、人机接口形式的改、人机接口形式的改进进在虚在虚拟现实拟现实系系统统中，用中，用户户可以利用自可以利用自己的己的视觉视觉、听、听觉觉、力、力觉觉、嗅、嗅觉觉等来感等来感知知环环境境2、人机交互内容的改、人机交互内容的改进进虚虚拟现实拟现实系系统统中，由中，由计计算机提供的不算机提供的不仅仅是是“数据、信息数据、信息”，而且，而且还还包括多种包括多种媒体信息的媒体信息的“环环境境”，以，以环环境作境作为计为计算算机机处处理的理的对对象和人机交互的内容象和人机交互的内容第3页，本讲稿共68页3、人机接口效果的改、人机接口效果的改进进在虚在
3、虚拟现实拟现实系系统统中，用中，用户户通通过过基于自基于自然的特殊然的特殊设备进设备进行交互，得到逼真的行交互，得到逼真的视觉视觉、听、听觉觉、触、触觉觉、嗅、嗅觉觉等感知效果，等感知效果，使人使人产产生身生身临临其境的感其境的感觉觉第4页，本讲稿共68页v1.1.2虚虚拟现实拟现实技技术术的的发发展展历历程程1.虚虚拟现实拟现实技技术术的探索的探索阶阶段段2.虚虚拟现实拟现实技技术术系系统统化化阶阶段段3.虚虚拟现实拟现实技技术术高速高速发发展的展的阶阶段段第5页，本讲稿共68页v1.1.3虚拟现实系统的组成虚拟现实系统的组成第6页，本讲稿共68页1、计计算机算机在虚在虚拟现实拟现实系系统统
4、中，中，计计算机是系算机是系统统的的心心脏脏，被称之，被称之为为虚虚拟拟世界的世界的发动发动机。机。2、输输入与入与输输出出设备设备常用的常用的设备设备有用于手有用于手势输势输入的数据手入的数据手套、用于套、用于语语音交互的三音交互的三维维声音系声音系统统、用于立体用于立体视觉输视觉输出的出的头头盔式盔式显显示器等。示器等。第7页，本讲稿共68页虚拟现实概述人机接口设备人机接口设备第8页，本讲稿共68页3、虚、虚拟现实拟现实系系统统的的应应用用软软件件在虚在虚拟现实拟现实系系统统中，中，应应用用软软件完成的件完成的功能有：虚功能有：虚拟拟世界中物体的几何模型、世界中物体的几何模型、物理模型、运
5、物理模型、运动动模型的建立；三模型的建立；三维维虚虚拟拟立体声的生成；模型管理技立体声的生成；模型管理技术术及及实实时显时显示技示技术术、虚、虚拟拟世界数据世界数据库库的建立的建立与管理等。与管理等。4、数据、数据库库虚虚拟拟世界数据世界数据库库主要存放的是整个虚主要存放的是整个虚拟拟世界中所有物体的各方面信息。世界中所有物体的各方面信息。第9页，本讲稿共68页v1.1.4虚虚拟现实拟现实技技术术与其他技与其他技术术1计计算机算机图图形学形学计计算机算机图图形学（形学（ComputerGraphics：CG）是利用）是利用计计算机研究算机研究图图形的表示、形的表示、生成、生成、处处理、理、显显
6、示的学科。它研究的示的学科。它研究的基本内容是如何在基本内容是如何在计计算机中表示算机中表示图图形，形，以及如何利用以及如何利用计计算机算机进进行行图图形的生成、形的生成、处处理和理和显显示的相关原理与算法。示的相关原理与算法。第10页，本讲稿共68页2多媒体技术多媒体技术所谓媒体（所谓媒体（Media），通常认为包括），通常认为包括着两种含义。一种是指信息的物理载着两种含义。一种是指信息的物理载体（即存储和传递信息的实体），如体（即存储和传递信息的实体），如纸质的书、照片、磁盘、光盘、磁带纸质的书、照片、磁盘、光盘、磁带以及相关的播放设备等；另一种含义以及相关的播放设备等；另一种含义是指信息
7、的表现形式（或称传播形式）是指信息的表现形式（或称传播形式），如文本、声音、图像、动画等，如文本、声音、图像、动画等第11页，本讲稿共68页媒体分成媒体分成5类：类：（1）感觉媒体）感觉媒体（2）表示媒体）表示媒体（3）表现媒体）表现媒体（4）存储媒体）存储媒体（5）传输媒体）传输媒体第12页，本讲稿共68页3系系统统仿真技仿真技术术系系统统仿真技仿真技术术是一种是一种实验实验技技术术，它，它为为一些复一些复杂杂系系统创统创造了一种造了一种计计算机算机实验实验环环境，使系境，使系统统的未来性能的未来性能测试测试和和长长期期动态动态特性能在相特性能在相对对极短的极短的时间时间内在内在计计算机上得
8、到算机上得到实现实现第13页，本讲稿共68页4虚拟现实技术与计算机图形学、多媒虚拟现实技术与计算机图形学、多媒体技术、仿真技术体技术、仿真技术（1）虚拟现实技术与计算机图形学）虚拟现实技术与计算机图形学计算机图形学的任务是在计算机上生成计算机图形学的任务是在计算机上生成看起来是真的，动起来像真的图像，看起来是真的，动起来像真的图像，而用户通过显示器而用户通过显示器(犹如一个窗户犹如一个窗户)观看观看计算机生成的图像所构造的景象。计算机生成的图像所构造的景象。（2）虚拟现实技术与多媒体技术）虚拟现实技术与多媒体技术第14页，本讲稿共68页（3）虚）虚拟现实拟现实技技术术与与系系统统仿真技仿真技术
9、术虚虚拟现实拟现实系系统侧统侧重重于表于表现现形式形式，而系而系统统仿真仿真则侧则侧重于真重于真实实复复杂杂世界的科学世界的科学抽象抽象。第15页，本讲稿共68页5.虚虚拟现实拟现实技技术术与三与三维动维动画技画技术术传统传统三三维动维动画是依靠画是依靠计计算机算机预预先先处处理理好的含有某些好的含有某些场场景或物体等的静景或物体等的静态图态图片片连续连续播放形成，不具有任何交互性播放形成，不具有任何交互性；而虚而虚拟现实拟现实技技术术可可以根据用以根据用户户的需要的需要把整个空把整个空间间中所有的信息真中所有的信息真实实地提供地提供给给用用户户，用，用户户可根据自己的路可根据自己的路线线行走
10、行走.第16页，本讲稿共68页v1.1.5虚拟现实技术的实现意义与影响虚拟现实技术的实现意义与影响1在观念上，从在观念上，从“以计算机为主体以计算机为主体”变成变成“以以人为主体人为主体”2在哲学上使人进一步认识在哲学上使人进一步认识“虚虚”和和“实实”之之间的辩证关系间的辩证关系3引起了一系列的技术和手段的重大变革引起了一系列的技术和手段的重大变革4促进了理论与技术的进步促进了理论与技术的进步5促进了计算机学科的发展与交叉促进了计算机学科的发展与交叉6为人类认识世界提供了全新的方法与手段，对为人类认识世界提供了全新的方法与手段，对人类的生活产生了重大的影响人类的生活产生了重大的影响第17页，
11、本讲稿共68页德国卡尔斯鲁厄大学的虚拟腹腔镜手术第18页，本讲稿共68页v1.2 虚拟现实技术的特性第19页，本讲稿共68页v1.2.1沉浸性沉浸性(Immersion)1、视觉沉浸、视觉沉浸视觉通道给人的视觉系统提供图形显示。视觉通道给人的视觉系统提供图形显示。2、听觉沉浸、听觉沉浸虚拟现实系统中，主要让用户感觉到的是三维虚拟虚拟现实系统中，主要让用户感觉到的是三维虚拟声音声音3、触觉沉浸、触觉沉浸在虚拟现实系统中，可以借助于各种特殊的交互在虚拟现实系统中，可以借助于各种特殊的交互设备，使用户能体验抓、握等操作的感觉。设备，使用户能体验抓、握等操作的感觉。第20页，本讲稿共68页4、嗅觉沉浸
12、、嗅觉沉浸只要把虚拟空间中的水果放到鼻尖上只要把虚拟空间中的水果放到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处释放出水果一闻，装置就会在鼻尖处释放出水果的香味。的香味。5、身体感觉沉浸、味觉沉浸等、身体感觉沉浸、味觉沉浸等第21页，本讲稿共68页v1.2.2交互性交互性(Interactivity)虚拟现实技术的交互性具有以下特点：虚拟现实技术的交互性具有以下特点：虚拟环境中人的参与与反馈虚拟环境中人的参与与反馈人机交互的有效性人机交互的有效性人机交互的实时性人机交互的实时性第22页，本讲稿共68页v1.2.3想象性想象性(Imagination)想象性指虚想象性指虚拟拟的的环环境是人想象出来的，境是人想象
13、出来的，同同时这时这种想象体种想象体现现出出设计设计者相者相应应的思的思想，因而可以用来想，因而可以用来实现实现一定的目一定的目标标。第23页，本讲稿共68页v1.3虚虚拟现实拟现实系系统统分分类类1.3.1沉浸式系沉浸式系统统（ImmersiveVR）沉浸式虚沉浸式虚拟现实拟现实系系统统是一是一种高种高级级的、的、较较理想的虚理想的虚拟拟现实现实系系统统，它提供一个完，它提供一个完全沉浸的体全沉浸的体验验，使用，使用户户有有一种仿佛置身于真一种仿佛置身于真实实世界世界之中的感之中的感觉觉。第24页，本讲稿共68页沉浸式虚拟现实系统具有以下五个特点：沉浸式虚拟现实系统具有以下五个特点：具有高度
14、实时性能。具有高度实时性能。具有高度的沉浸感。具有高度的沉浸感。具有良好的系统集成度与整合性能。具有良好的系统集成度与整合性能。具有良好的开放性。具有良好的开放性。能同时支持多种输入与输出设备并行工作。能同时支持多种输入与输出设备并行工作。第25页，本讲稿共68页v1.3.2桌面式系桌面式系统统(DesktopVR)桌面式虚桌面式虚拟现实拟现实系系统统也称窗口虚也称窗口虚拟现实拟现实，是利用，是利用个人个人计计算机或初算机或初级图级图形工作站等形工作站等设备设备，以，以计计算机算机屏幕作屏幕作为为用用户观户观察虚察虚拟拟世界的一个窗口，采用立世界的一个窗口，采用立体体图图形、自然交互等技形、自
15、然交互等技术术，产产生三生三维维立体空立体空间间的的交互交互场场景，通景，通过过包括包括键盘键盘、鼠、鼠标标和力矩球等各种和力矩球等各种输输入入设备设备操操纵纵虚虚拟拟世界，世界，实现实现与虚与虚拟拟世界的交互世界的交互第26页，本讲稿共68页桌面式虚拟现实系统主要具有以下三个特点：桌面式虚拟现实系统主要具有以下三个特点：用户处于不完全沉浸的环境，缺少完全沉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，他浸、身临其境的感觉，即使戴上立体眼镜，他仍然会受到周围现实世界的干扰。仍然会受到周围现实世界的干扰。对硬件设备要求极低，有的简单型甚至只对硬件设备要求极低，有的简单
16、型甚至只需要计算机，或是增加数据手套、空间跟踪需要计算机，或是增加数据手套、空间跟踪设置等。设置等。由于桌面式虚拟现实系统实现成本相对较低，由于桌面式虚拟现实系统实现成本相对较低，应用相对比较普遍，而且它也具备了沉浸性虚拟应用相对比较普遍，而且它也具备了沉浸性虚拟现实系统的一些技术要求。现实系统的一些技术要求。第27页，本讲稿共68页v1.3.3增增强强式式VR系系统统(AugmentedVR)增增强强式虚式虚拟现实拟现实系系统统(AVR)既可以允既可以允许许用用户户看到真看到真实实世界，同世界，同时时也可以看到也可以看到叠加在真叠加在真实实世界上的虚世界上的虚拟对拟对象，它是象，它是把真把真
17、实环实环境和虚境和虚拟环拟环境境组组合在一起的合在一起的一种系一种系统统第28页，本讲稿共68页虚拟现实概述例如：战机飞行员的平例如：战机飞行员的平视显示器，它可以将仪视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。人的飞机或导航偏差。第29页，本讲稿共68页增强式虚拟现实系统主要具有以下三增强式虚拟现实系统主要具有以下三个特点：个特点：真实世界和虚拟世界融为一体。
18、真实世界和虚拟世界融为一体。具有实时人机交互功能。具有实时人机交互功能。真实世界和虚拟世界是在三维空间真实世界和虚拟世界是在三维空间中整合的。中整合的。第30页，本讲稿共68页v1.3.4分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统（DistributedVR）虚拟现实系统运行在分布式系统下有虚拟现实系统运行在分布式系统下有两方面的原因：一方面是充分利用分两方面的原因：一方面是充分利用分布式计算机系统提供的强大计算能力；布式计算机系统提供的强大计算能力；另一方面是有些应用本身具有分布特另一方面是有些应用本身具有分布特性，如多人通过网络进行游戏和虚拟性，如多人通过网络进行游戏和虚拟战争模拟等。战争模拟等
19、。第31页，本讲稿共68页分布式虚分布式虚拟现实拟现实系系统统有以有以下特点：下特点：各用各用户户具有共享的虚具有共享的虚拟拟工作空工作空间间。伪实伪实体的行体的行为为真真实实感。感。支持支持实时实时交互，共享交互，共享时钟时钟。多个用多个用户户可以各自不可以各自不同的方式相互通信。同的方式相互通信。资资源信息共享以及允源信息共享以及允许许用用户户自然操自然操纵纵虚虚拟拟世界世界中的中的对对象。象。第32页，本讲稿共68页v1.4虚拟现实中人的因素虚拟现实中人的因素v1.4.1人的视觉人的视觉1、人类的视觉模型、人类的视觉模型第33页，本讲稿共68页2、立体、立体视觉视觉人在人在现实现实世界中
20、看到的物体是立体的，世界中看到的物体是立体的，这样这样可以可以感感觉觉出被看物体的出被看物体的远远近。近。3、屈光度、屈光度人的屈光度是可以人的屈光度是可以变变化的，化的，这这称称为调节为调节或聚或聚焦。焦。这这保保证对远证对远近物体都能看到清晰的近物体都能看到清晰的图图像。像。4、瞳孔、瞳孔瞳孔是晶状体前的孔，直径可瞳孔是晶状体前的孔，直径可变变化。化。第34页，本讲稿共68页5、分辨力、分辨力分辨力是人眼区分两个点的能力。分辨力是人眼区分两个点的能力。6、明暗适应、明暗适应人眼对亮度的变化感觉会自动进行调节，这是通人眼对亮度的变化感觉会自动进行调节，这是通过改变在视杆和视锥细胞中光敏化合物
21、的浓度。过改变在视杆和视锥细胞中光敏化合物的浓度。7周围视觉和中央视觉周围视觉和中央视觉视网膜不仅是被动的光敏表面，通过视杆和视锥视网膜不仅是被动的光敏表面，通过视杆和视锥细胞与神经细胞的连接，它还有一定的图像处细胞与神经细胞的连接，它还有一定的图像处理能力。理能力。第35页，本讲稿共68页8视觉暂视觉暂留留人的眼睛具有保持人的眼睛具有保持视觉视觉印象的特性。当光印象的特性。当光对视对视网膜所网膜所产产生的生的视觉视觉在光停止作用后，仍保留一在光停止作用后，仍保留一段段时间时间的的现现象，象，这这就是就是视觉暂视觉暂留。留。9视场视场视场视场（fieldofview:FOV）指人眼能）指人眼能
22、够观够观察到的察到的最大范最大范围围，通常以角度来表示，通常以角度来表示，视场视场越大越大,观测观测范圉越大。范圉越大。第36页，本讲稿共68页虚拟现实概述立体视觉的原理：立体视觉的原理：当我们看现实世界或者是当我们看现实世界或者是3D电影时，一项电影时，一项称之为双眼差异（称之为双眼差异（binoculardisparity）的因的因素可以极大的影响我们的视觉。也许这个名次素可以极大的影响我们的视觉。也许这个名次听上去有些抽象，不过我来简单的解释一下，听上去有些抽象，不过我来简单的解释一下，你肯定能明白：你肯定能明白：第37页，本讲稿共68页先闭上右眼仅用左眼看一个物体，伸出你的先闭上右眼仅
23、用左眼看一个物体，伸出你的一根指头放在你的眼睛和物体之间，并且保持指一根指头放在你的眼睛和物体之间，并且保持指头和物体在一条直线；然后再闭上左眼仅用右眼头和物体在一条直线；然后再闭上左眼仅用右眼看，我们会发现手指头和这个物体并不在一条直看，我们会发现手指头和这个物体并不在一条直线上，而且我们会发现看到的物体会有所不同。线上，而且我们会发现看到的物体会有所不同。这说明，我们的双眼是通过两个不同的位置来观这说明，我们的双眼是通过两个不同的位置来观察世界的察世界的双眼的一般距离是双眼的一般距离是2.5英寸。我们英寸。我们的大脑通过把双眼得来的这两幅略有差异的图像的大脑通过把双眼得来的这两幅略有差异的
24、图像进行处理，就可以在场景中相应的位置生成正确进行处理，就可以在场景中相应的位置生成正确的三维图像。（如图示）的三维图像。（如图示）第38页，本讲稿共68页虚拟现实概述图中表示两眼光轴平图中表示两眼光轴平行的情况，相当于两行的情况，相当于两眼注视远处。内瞳距眼注视远处。内瞳距（IPD）是两眼瞳孔之是两眼瞳孔之间的距离。两眼空间间的距离。两眼空间位置的不同，是产生位置的不同，是产生立体视觉的原因。立体视觉的原因。F是是距离人眼较近的物体距离人眼较近的物体B上的一个固定点。上的一个固定点。第39页，本讲稿共68页虚拟现实概述左面的两眼的视图说明，左面的两眼的视图说明，F点在视图中的位置不同。这点在
25、视图中的位置不同。这种不同就是立体视差。人眼种不同就是立体视差。人眼也可以利用这种视差，判断也可以利用这种视差，判断物体的远近，产生深度感。物体的远近，产生深度感。这就是人类的立体视觉，由这就是人类的立体视觉，由此获得环境的三维信息。此获得环境的三维信息。第40页，本讲稿共68页VR应用有两类主要的视觉显示光学系应用有两类主要的视觉显示光学系统：头盔显示和非头盔显示。统：头盔显示和非头盔显示。立体液晶显示器立体液晶显示器抛物线投影仪抛物线投影仪第41页，本讲稿共68页立体投影立体投影第42页，本讲稿共68页4D-Vision50屏幕的外层有屏幕的外层有着特殊的光学涂料，这层涂着特殊的光学涂料，
26、这层涂料会针对通过的波长加以过料会针对通过的波长加以过滤筛选。这层过滤的动作会滤筛选。这层过滤的动作会将每个色彩的元素所发射出将每个色彩的元素所发射出来的光线方向个别定义并且来的光线方向个别定义并且重组光线投射状态，也就是重组光线投射状态，也就是说，不同的色彩运动会在屏说，不同的色彩运动会在屏幕前方在不同的角度表现出幕前方在不同的角度表现出来而因此成为一个来而因此成为一个3D立体的立体的呈现。呈现。第43页，本讲稿共68页更棒的是，这款屏幕更棒的是，这款屏幕使用了使用了8个镜头，每个镜头，每一个镜头都可以追踪一个镜头都可以追踪使用者在屏幕前的位使用者在屏幕前的位置，使用者的视觉距置，使用者的视
27、觉距离平均可以到离平均可以到6.5cm(2.5)，如此一来，如此一来，屏幕前所有的使用屏幕前所有的使用者无论在什么位置者无论在什么位置都可以欣赏到完美都可以欣赏到完美的的3D立体影像。立体影像。第44页，本讲稿共68页v1.4.2人的耳人的耳朵朵1、人、人类类的听的听觉觉模型模型耳分耳分为为外耳、中耳、内耳。外耳、中耳是接外耳、中耳、内耳。外耳、中耳是接受并受并传导传导声音的装置；内耳声音的装置；内耳则则是感受声音和是感受声音和初步分析声音的初步分析声音的场场所。所以，外耳、中耳合所。所以，外耳、中耳合称称为传为传音系音系统统，而内耳及其神，而内耳及其神经传导经传导径路径路则则称称为为感音神感
28、音神经经系系统统.外耳包括耳廓和外耳道两外耳包括耳廓和外耳道两部分。主要作用是收集及部分放大声音和参部分。主要作用是收集及部分放大声音和参与声音方向的辨与声音方向的辨别别。第45页，本讲稿共68页中耳的中耳的结结构比外耳复构比外耳复杂杂，有鼓室、咽鼓管、鼓，有鼓室、咽鼓管、鼓窦窦及及乳突乳突4部分。鼓室又称中耳腔，容部分。鼓室又称中耳腔，容积约为积约为2毫升。中毫升。中耳腔内有一条通到鼻咽部的管道，叫做咽鼓管。咽耳腔内有一条通到鼻咽部的管道，叫做咽鼓管。咽鼓管使中耳与外界相通，起到鼓管使中耳与外界相通，起到调节调节鼓室鼓室压压力的作用力的作用内耳构造非常精内耳构造非常精细细，管道，管道盘盘旋，
29、好像迷旋，好像迷宫宫一一样样，故称故称为为迷路。内耳分迷路。内耳分为为3部分，即半部分，即半规规管，前庭和管，前庭和耳耳蜗蜗。半。半规规管和前庭主要管和前庭主要负责负责身体平衡，耳身体平衡，耳蜗则负蜗则负责责感受声音。外耳把声音引感受声音。外耳把声音引导进导进内耳，它也作内耳，它也作为滤为滤波器而改波器而改变变声音。把手放在耳前面，就会感到声音声音。把手放在耳前面，就会感到声音变变化。声音最化。声音最终终冲冲击击耳膜，使之振耳膜，使之振动动。耳膜振。耳膜振动动再再传传到耳到耳蜗蜗，并且振，并且振动动加大加大20倍。倍。第46页，本讲稿共68页听听觉觉的的产产生生过过程是一个复程是一个复杂杂的生
30、理的生理过过程，它包括程，它包括3个基本个基本过过程：程：声波在耳声波在耳朵朵内部的内部的传递过传递过程。程。声波在声波在传递过传递过程中由声波引起的机程中由声波引起的机械振械振动转变为动转变为生物生物电电能，同能，同时时通通过过化化学学递质递质的的释释放而放而产产生神生神经经冲冲动动的的过过程。程。听听觉觉中枢中枢对传对传人信息人信息进进行行综综合加工合加工处处理的理的过过程。程。第47页，本讲稿共68页2、频率范围、频率范围3、声音的定位、声音的定位4、头部有关的传递函数、头部有关的传递函数第48页，本讲稿共68页v1.4.3身体感觉身体感觉1、体感、体感深度感觉：深度感觉：内脏感觉：内脏
31、感觉：本体感觉：本体感觉：外感受感觉：外感受感觉：2、痛感、痛感3、触觉、触觉4、体位感、体位感第49页，本讲稿共68页v1.4.4健康与安全健康与安全问题问题v1.5虚虚拟现实拟现实技技术术的研究的研究v1.5.1国外的研究状况国外的研究状况1、美国、美国虚虚拟现实拟现实技技术诞术诞生于美国，是全球研生于美国，是全球研究最早，研究范究最早，研究范围围最广的国家，美国最广的国家，美国虚虚拟现实拟现实研究技研究技术术的水平基本上就代的水平基本上就代表国表国际际虚虚拟现实发拟现实发展的水平。展的水平。第50页，本讲稿共68页2、欧洲、欧洲欧洲的虚欧洲的虚拟现实拟现实技技术术研究主要由欧共体研究主要
32、由欧共体(CEC)的的许许多多计计划支持，在英国、德国、瑞典、西班牙、划支持，在英国、德国、瑞典、西班牙、荷荷兰兰等国家都等国家都积积极极进进行了虚行了虚拟现实拟现实的开的开发发与与应应用用3.亚亚洲洲在在亚亚洲，日本的虚洲，日本的虚拟现实拟现实研究研究发发展十分迅速，展十分迅速，同同时韩时韩国、新加坡等国家也在国、新加坡等国家也在积积极开展虚极开展虚拟现拟现实实技技术术方面的研究工作方面的研究工作。第51页，本讲稿共68页v1.5.2国内的研究状况国内的研究状况我国虚我国虚拟现实拟现实技技术术研究始于研究始于20世世纪纪90年代初，相年代初，相对对其它国家来其它国家来说说起步起步较较晚，晚，
33、技技术术上有一定的差距，但已引起我国上有一定的差距，但已引起我国政府有关部政府有关部门门和科学家和科学家们们的高度重的高度重视视，并及并及时时根据我国的国情，制定了开展根据我国的国情，制定了开展虚虚拟现实拟现实技技术术的研究的研究计计划。划。第52页，本讲稿共68页v1.5.3目前存在的目前存在的问题问题1、硬件、硬件设备设备方面方面(1)相关相关设备设备普遍存在使用不方便，效果普遍存在使用不方便，效果不佳不佳(2)硬件硬件设备设备品种有待品种有待进进一步一步扩扩展展(3)虚虚拟现实拟现实系系统应统应用的相关用的相关设备设备价格也价格也比比较较昂昂贵贵第53页，本讲稿共68页现现在大多数虚在大
34、多数虚拟现实软拟现实软件普遍存在件普遍存在语语言言专业专业性性较较强强，通用性，通用性较较差，易用性差，易用性差。同差。同时时，由于硬件，由于硬件设备设备的的诸诸多局限多局限性，使得性，使得软软件的开件的开发费发费用也十分巨大，用也十分巨大，而且而且软软件所能件所能实现实现的效果受到的效果受到时间时间和和空空间间的影响的影响较较大。大。第54页，本讲稿共68页3、实现效果方面、实现效果方面（1）虚拟世界的表示侧重几何图形表示，缺乏逼）虚拟世界的表示侧重几何图形表示，缺乏逼真的物理、行为模型真的物理、行为模型（2）虚拟世界的感知方面，有关视觉方面研究多，）虚拟世界的感知方面，有关视觉方面研究多，
35、听觉、触觉（力觉）关注较少，真实性与实时听觉、触觉（力觉）关注较少，真实性与实时性不足。性不足。（3）在与虚拟世界的交互中，自然交互性不）在与虚拟世界的交互中，自然交互性不够，基于自然的交互效果还远不能令人满意。够，基于自然的交互效果还远不能令人满意。4、应用方面、应用方面第55页，本讲稿共68页v1.5.4今后的研究方向今后的研究方向1、人机交互接口、人机交互接口2、感知研究领域、感知研究领域3、高效的虚拟现实软件和算法、高效的虚拟现实软件和算法4、廉价的虚拟现实硬件系统、廉价的虚拟现实硬件系统5、智能虚拟环境、智能虚拟环境第56页，本讲稿共68页v1.6虚拟现实技术的应用虚拟现实技术的应用
36、v1.6.1军事与航空航天军事与航空航天1军事上的应用军事上的应用（1）军事训练方面）军事训练方面虚拟战场环境。虚拟战场环境。近战战术训练近战战术训练单兵模拟训练单兵模拟训练诸军兵种联合战略战术演习。诸军兵种联合战略战术演习。第57页，本讲稿共68页（2）在武器装备研究与新武器展示中的应用。）在武器装备研究与新武器展示中的应用。在武器设计研制过程中，采用虚拟现实技术提在武器设计研制过程中，采用虚拟现实技术提供先期演示，检验设计方案，把先进设计思想供先期演示，检验设计方案，把先进设计思想融入武器装备研制的全过程，从而保证总体质融入武器装备研制的全过程，从而保证总体质量和效能量和效能研制者和用户利
37、用虚拟现实技术，可以很方便介研制者和用户利用虚拟现实技术，可以很方便介入系统建模和仿真试验的全过程，既能加快武器入系统建模和仿真试验的全过程，既能加快武器系统的研制周期，又能合理评估其作战效能及其系统的研制周期，又能合理评估其作战效能及其操作的合理性，使之更接近实战的要求。操作的合理性，使之更接近实战的要求。第58页，本讲稿共68页采用虚拟现实技术对未来高技术战争的战场采用虚拟现实技术对未来高技术战争的战场环境、武器装备的技术性能和使用效率等方面环境、武器装备的技术性能和使用效率等方面进行仿真，有利于选择重点发展的武器装备体进行仿真，有利于选择重点发展的武器装备体系，改善其整体质量和作战效果。
38、系，改善其整体质量和作战效果。很多武器供应商借助于网络，采用虚拟现实很多武器供应商借助于网络，采用虚拟现实系统来展示武器的各种性能。系统来展示武器的各种性能。第59页，本讲稿共68页2.航空航天方面的航空航天方面的应应用用（1）NASA的虚的虚拟现实训练拟现实训练（2）EVA的虚的虚拟现实训练拟现实训练（3）英国空）英国空军军的虚的虚拟拟座座舱舱第60页，本讲稿共68页v1.6.2教育与培训教育与培训1虚拟校园虚拟校园虚拟校园是指从因特网、虚拟现实技虚拟校园是指从因特网、虚拟现实技术、网上虚拟社区和术、网上虚拟社区和3S技术的发展角技术的发展角度，对现实大学三维景观和教学环境度，对现实大学三维
39、景观和教学环境的虚拟化和数字化，是基于现实大学的虚拟化和数字化，是基于现实大学的一个三维虚拟环境，用于支持对现的一个三维虚拟环境，用于支持对现实大学的资源管理、环境规划和学校实大学的资源管理、环境规划和学校发展。发展。第61页，本讲稿共68页2虚虚拟拟演示教学与演示教学与实验实验利用虚利用虚拟现实拟现实技技术术在在课课堂上可堂上可对办对办公公自自动动化化设备设备三三维维展示，并模展示，并模拟拟通通电电运运行，特行，特别对别对于有些学校缺乏相于有些学校缺乏相应应的的实实验设备验设备情况下十分恰当，一方面可大情况下十分恰当，一方面可大大提高教学效果，一方面可大提高教学效果，一方面可节节省大量省大量
40、的的实验实验投投资资。第62页，本讲稿共68页3远远程教育系程教育系统统可以弥可以弥补远补远程教学条件的不足，程教学条件的不足，彻彻底底打破空打破空间间、时间时间的限制的限制4特殊教育特殊教育5技能培技能培训训将虚将虚拟现实拟现实技技术应术应用于技能培用于技能培训训可以可以使培使培训训工作更加安全，并工作更加安全，并节约节约了成本。了成本。第63页，本讲稿共68页v1.6.3建筑建筑设计设计与城市与城市规规划划在城市在城市规规划、建筑工程划、建筑工程设计领设计领域，虚域，虚拟现实拟现实技技术术被作被作为为必必须须的开的开发发工具，由于城市工具，由于城市规规划划的关的关联联性和前瞻性要求性和前瞻
41、性要求较较高，在城市高，在城市规规划中，划中，虚虚拟现实拟现实系系统统正正发挥发挥着巨大作用。采用虚着巨大作用。采用虚拟拟现实现实技技术术系系统统，可以，可以让让建筑建筑设计师设计师看到和看到和“摸摸”到到设计设计成果，而且方便随成果，而且方便随时时修改，大大加快修改，大大加快了方案了方案设计设计的速度和的速度和质质量，量，节节省了大量的省了大量的资资金金,这这是采用是采用传统传统手段如沙手段如沙盘盘、效果、效果图图、平面、平面图图等所不能达到的。等所不能达到的。第64页，本讲稿共68页v1.6.4娱乐、文化体育艺术娱乐、文化体育艺术1、娱乐、娱乐2、艺术、艺术（1）虚拟博物馆与虚拟旅游）虚拟
42、博物馆与虚拟旅游（2）虚拟音乐）虚拟音乐（3）虚拟演播室）虚拟演播室（4）虚拟演员）虚拟演员（5）虚拟世界遗产）虚拟世界遗产（6）电影拍摄）电影拍摄第65页，本讲稿共68页v1.6.5商商业领业领域域采用虚采用虚拟现实拟现实技技术术来来进进行展示，全方行展示，全方位地位地对对商品商品进进行展行展览览，展示商品的多，展示商品的多种功能，另外种功能，另外还还能模能模拟拟工作工作时时的情景，的情景，包括声音、包括声音、图图像等效果，比像等效果，比单纯单纯使用使用文字或文字或图图片宣片宣传传更加有吸引力。更加有吸引力。第66页，本讲稿共68页v1.6.6工业应用工业应用目前应用主要在以下几个方面：目前应用主要在以下几个方面：1、产品的外形设计、产品的外形设计2、产品的布局设计、产品的布局设计3、机械产品的运动仿真、机械产品的运动仿真4、虚拟装配、虚拟装配5、产品加工过程仿真、产品加工过程仿真6、虚拟样机、虚拟样机第67页，本讲稿共68页v1.6.7医学医学领领域域应应用范用范围围包括从建立合成包括从建立合成药药物的分子物的分子结结构模型构模型到各种医学模到各种医学模拟拟，以及，以及进进行解剖和外科手行解剖和外科手术术教教育等。育等。第68页，本讲稿共68页