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1、虚拟现实技术佛山科学技术学院教育科学学院1-2在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么第第1 1章章 虚拟现实技术概论虚拟现实技术概论1.1 虚拟现实技术的发展史1.2 虚拟现实技术的概念1.3 虚拟现实技术的特征1.4 虚拟现实系统的分类1.5 虚拟现实技术的应用领域1.6 虚拟现实技术的研究现状1-3在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.1 虚拟现实技术的发展史 虚拟现实技术（Virtual Reality）简称VR技术，是20世纪末逐渐兴起的一门综合性信息
2、技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体、传感器、网络以及并行处理等多个信息技术分支的最新发展成果。1-4在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.1 虚拟现实技术的发展史l l19291929年，年，Edward LinkEdward Link设设计出用于训练飞行员的计出用于训练飞行员的模拟器模拟器l l19561956年，年，Morton HeiligMorton Heilig开发出多通道仿真体验开发出多通道仿真体验系统系统Sensorama Sensorama 1-5在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现
3、象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.1 虚拟现实技术的发展史l l19651965年，年，Ivan SutherlandIvan Sutherland发表论文发表论文“Ultimate“Ultimate Display”Display”（终极的显示）（终极的显示）l l19681968年，年，Ivan SutherlandIvan Sutherland研制成功了带跟踪器的头研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器（盔式立体显示器（Head Head Mounted DisplayMounted Display，HMDHMD）1-6在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食
4、的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.1 虚拟现实技术的发展史l l19721972年，年，Nolan BushnellNolan Bushnell开发出第一个交互式电子游戏开发出第一个交互式电子游戏Pong Pong l l19771977年，年，Dan SandinDan Sandin、Tom DeFantiTom DeFanti和和Rich SayreRich Sayre研制出研制出第一个数据手套第一个数据手套Sayre GloveSayre Glovel l2020世纪世纪8080年代，美国国家航空航天局（年代，美国国家航空航天局（NASANASA）组
5、织了一系）组织了一系列有关列有关VRVR技术的研究技术的研究 ：19841984年，年，NASA AmesNASA Ames研究中心的研究中心的M.M.McGreevy McGreevy 和和J.HumphriesJ.Humphries开发出用于火星探测的虚拟环开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器；境视觉显示器；19871987年，年，Jim HumphriesJim Humphries设计了双目全方设计了双目全方位监视器（位监视器（BOOMBOOM）的最早原型。）的最早原型。1-7在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.1
6、 虚拟现实技术的发展史l l19901990年，在美国达拉斯召开的年，在美国达拉斯召开的SiggraphSiggraph会议上，明确提出会议上，明确提出VRVR技术研究的主要内容包括实时三维图形生成技术、多传技术研究的主要内容包括实时三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术，为感器交互技术和高分辨率显示技术，为VRVR技术的发展确定技术的发展确定了研究方向。了研究方向。l l从从2020世纪世纪9090年代开始，年代开始，VRVR技术的研究热潮也开始向民间的技术的研究热潮也开始向民间的高科技企业转移。著名的高科技企业转移。著名的VPLVPL公司开发出第一套传感手套命公司开发出第一套
7、传感手套命名为名为“DataGloves”“DataGloves”，第一套，第一套HMDHMD命名为命名为“EyePhones”“EyePhones”。l l进入进入2121世纪后，世纪后，VRVR技术更是进入软件高速发展的时期，技术更是进入软件高速发展的时期，一些有代表性的一些有代表性的VRVR软件开发系统不断在发展完善，如软件开发系统不断在发展完善，如MultiGen VegaMultiGen Vega、OpenSceneGraphOpenSceneGraph、VirtoolsVirtools等。等。1-8在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪
8、费这一点点算不了什么1.2虚拟现实技术的概念 虚拟现实技术是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。1-9在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.2虚拟现实技术的概念 典型的典型的VRVR系统主系统主要由计算机软、硬要由计算机软、硬件系统（包括件系统（包括VRVR软软件和件和VRVR环境数据库）环境数据库）和和VRVR输入、输出设输入、输出设备等组成。备等组成。1-10在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费
9、这一点点算不了什么1.3虚拟现实技术的特征虚拟现实技术的特征VR技术的三角形 l l交互性交互性（InteractivityInteractivity）l l沉浸感沉浸感 （ImmersionImmersion）l l想象力想象力（ImaginationImagination）1-11在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.3虚拟现实技术的特征虚拟现实技术的特征VR技术的交互性：l l指用户对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟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）。环境中得到反馈的自然
10、程度（包括实时性）。l l主要借助于各种专用设备（如头盔显示器、数据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、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。虚拟环境中的对象。1-12在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.3虚拟现实技术的特征虚拟现实技术的特征VR技术的沉浸感：l l又称临场感，是指用户感到作为主角存在于虚拟又称临场感，是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。环境中
11、的真实程度。l lVRVR技术最主要的特征。技术最主要的特征。l l影响沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、影响沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、三维图像中的深度信息、画面的视野、实现跟踪三维图像中的深度信息、画面的视野、实现跟踪的时间或空间响应及交互设备的约束程度等的时间或空间响应及交互设备的约束程度等 。1-13在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.3虚拟现实技术的特征虚拟现实技术的特征VR技术的想象力：l l指用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自指用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过
12、逻辑判断、推理和联想身在系统中的行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未来进展进行想象的能力。来进展进行想象的能力。l l对适当的应用对象加上虚拟现实的创意和想象力，对适当的应用对象加上虚拟现实的创意和想象力，可以大幅度提高生产效率、减轻劳动强度、提高可以大幅度提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。产品开发质量。1-14在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.4虚拟现实系统的分类虚拟现实系统的分类 1.4.11.4.11.4.11.4.1 桌面式
13、桌面式桌面式桌面式VRVRVRVR系统（系统（系统（系统（Desktop VRDesktop VRDesktop VRDesktop VR）1.4.21.4.21.4.21.4.2 沉浸式沉浸式沉浸式沉浸式VRVRVRVR系统（系统（系统（系统（Immersive VRImmersive VRImmersive VRImmersive VR）1.4.31.4.31.4.31.4.3 增强式增强式增强式增强式VRVRVRVR系统（系统（系统（系统（Augmented VRAugmented VRAugmented VRAugmented VR）1.4.41.4.41.4.41.4.4 分布式分布
14、式分布式分布式VRVRVRVR系统（系统（系统（系统（Distributed VRDistributed VRDistributed VRDistributed VR）1-15在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.4虚拟现实系统的分类虚拟现实系统的分类 1.4.1 桌面式VR系统l l使用个人计算机和低级工作站来产生三维空使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互场景。间的交互场景。l l用户会受到周围现实环境的干扰而不能获得用户会受到周围现实环境的干扰而不能获得完全的沉浸感，但由于其成本相对较低桌面完全的沉浸感，但由于
15、其成本相对较低桌面式式VRVR系统仍然比较普及。系统仍然比较普及。1-16在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.4虚拟现实系统的分类虚拟现实系统的分类 1.4.2 沉浸式VR系统l l利用头盔显示器、洞穴式显示设利用头盔显示器、洞穴式显示设备和数据手套等交互设备把用户备和数据手套等交互设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为来，而使用户真正成为VRVR系统内系统内部的一个参与者，产生一种身临部的一个参与者，产生一种身临其境、全心投入并沉浸其中的体其境、全心投入并沉浸其中的体验。验
16、。l l与桌面式与桌面式VRVR系统相比，沉浸式系统相比，沉浸式VRVR系统的主要特点在于高度的实时系统的主要特点在于高度的实时性和沉浸感。性和沉浸感。1-17在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.4虚拟现实系统的分类虚拟现实系统的分类 1.4.3 增强式VR系统l l允许用户对现实世界进行观察允许用户对现实世界进行观察的同时，将虚拟图像叠加在真的同时，将虚拟图像叠加在真实物理对象之上。实物理对象之上。l l为用户提供与所看到的真实环为用户提供与所看到的真实环境有关的、存储在计算机中的境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强
17、用户对真实环信息，从而增强用户对真实环境的感受，又被称为叠加式或境的感受，又被称为叠加式或补充现实式补充现实式VRVR系统。系统。l l可以使用光学技术或视频技术可以使用光学技术或视频技术实现。实现。1-18在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.4虚拟现实系统的分类虚拟现实系统的分类 1.4.4 分布式VR系统l l指基于网络构建的虚拟环境，指基于网络构建的虚拟环境，将位于不同物理位置的多个用将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相户或多个虚拟环境通过网络相连接并共享信息，从而使用户连接并共享信息，从而使用户的协
18、同工作达到一个更高的境的协同工作达到一个更高的境界。界。l l主要被应用于远程虚拟会议、主要被应用于远程虚拟会议、虚拟医学会诊、多人网络游戏、虚拟医学会诊、多人网络游戏、虚拟战争演习等领域。虚拟战争演习等领域。1-19在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.5虚拟现实技术的应用领域虚拟现实技术的应用领域 1.5.11.5.1 教育与训练教育与训练1.5.21.5.2 设计与规划设计与规划1.5.31.5.3 科学计算可视化科学计算可视化1.5.41.5.4 商业领域商业领域1.5.51.5.5 艺术与娱乐艺术与娱乐1-20在日
19、常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.5虚拟现实技术的应用领域虚拟现实技术的应用领域1.5.1 教育与训练 虚拟现实技术能使学习者能直接、自然地与虚拟对虚拟现实技术能使学习者能直接、自然地与虚拟对象进行交互，以各种形式参与事件的发展变化过程，并象进行交互，以各种形式参与事件的发展变化过程，并获得最大的控制和操作整个环境的自由度。获得最大的控制和操作整个环境的自由度。1 1、仿真教学与实验、仿真教学与实验2 2、特殊教育、特殊教育3 3、多种专业训练、多种专业训练4 4、应急演练和军事演习、应急演练和军事演习1-21在日常生活中，
20、随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.5虚拟现实技术的应用领域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、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、成本，应用领域包括汽车制造业、城市规划、建筑设计等。建筑设计等。1-22在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了
21、什么1.5虚拟现实技术的应用领域虚拟现实技术的应用领域1.5.3 科学计算可视化 科学可视化的功能就是将大量字母、数字科学可视化的功能就是将大量字母、数字数据转换成比原始数据更容易理解的各种图像，数据转换成比原始数据更容易理解的各种图像，并允许参与者借助各种虚拟现实输入设备检查并允许参与者借助各种虚拟现实输入设备检查这些这些“可见的可见的”数据。数据。它通常被用于建立分子结构、地震以及地它通常被用于建立分子结构、地震以及地球环境等模型。球环境等模型。1-23在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.5虚拟现实技术的应用领域虚拟现
22、实技术的应用领域1.5.4 商业领域 VR技术被逐步应用于网上销售、客户服务、电传会议及虚拟购物中心等商业领域。它可以使客户在购买前先看到产品的外貌与内在，甚至在虚拟世界中使用它，因此对产品的推广和销售都很有帮助。1-24在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.5虚拟现实技术的应用领域虚拟现实技术的应用领域1.5.5 艺术与娱乐 VR VR技术所具有的身临其境感及实时交互性技术所具有的身临其境感及实时交互性还能将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动还能将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的形式，使观赏者更好地欣赏作者的思想
23、艺术态的形式，使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术，包括虚拟画廊、虚拟音乐厅、文物保护等方面。，包括虚拟画廊、虚拟音乐厅、文物保护等方面。娱乐是娱乐是VRVR系统的另一个重要应用领域，市系统的另一个重要应用领域，市场上已经推出了多款场上已经推出了多款VRVR环境下的电脑游戏，带给环境下的电脑游戏，带给游戏者强烈的感官刺激。游戏者强烈的感官刺激。1-25在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.6虚拟现实技术的研究现状虚拟现实技术的研究现状 1.6.1 国外的研究现状 l l美国是美国是VRVR技术的发源地，有美国宇航局技术的发源地，
24、有美国宇航局（NASANASA）、麻省理工学院（）、麻省理工学院（MITMIT）媒体实验室、）媒体实验室、华盛顿大学人机界面技术实验室（华盛顿大学人机界面技术实验室（HIT LabHIT Lab）等许多知名的研究机构。等许多知名的研究机构。l l美国在虚拟现实领域的基础研究主要集中在感美国在虚拟现实领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。1-26在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.6虚拟现实技术的研究现状虚拟现实技术的研究现状 1.6.1 国外的研究现状 l l
25、英国主要有四个从事英国主要有四个从事VRVR技术研究的中心，包括技术研究的中心，包括WindustriesWindustries公司、公司、British AerospaceBritish Aerospace公司、公司、Dimension InternationalDimension International公司、公司、Divison LTDDivison LTD公司等。公司等。l l日本主要致力于建立大规模日本主要致力于建立大规模VRVR知识库和人机接口方面的知识库和人机接口方面的研究项目上，在研究项目上，在VRVR游戏方面的研究也处于领先地位。游戏方面的研究也处于领先地位。l l此外，国
26、外还研制出多个用于开发应用程序的此外，国外还研制出多个用于开发应用程序的VRVR软件开软件开发平台，例如美国发平台，例如美国Sense8Sense8公司的公司的WorldToolKitWorldToolKit（WTKWTK），），爱荷华州立大学虚拟现实应用中心的爱荷华州立大学虚拟现实应用中心的VR JugglerVR Juggler，Deneb RoboticsDeneb Robotics公司的公司的ENVISIONENVISION，英国，英国SuperscapeSuperscape公司公司的的VRTVRT，Division Division 公司的公司的dVISEdVISE等。等。1-27在
27、日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.6虚拟现实技术的研究现状虚拟现实技术的研究现状 1.6.2 国内的研究现状 l l我国从我国从2020世纪世纪8080年代起开始研究年代起开始研究VRVR技术。虽然起步较晚，技术。虽然起步较晚，但近年来政府有关部门非常重视，制定了开展但近年来政府有关部门非常重视，制定了开展VRVR技术的技术的研究计划，并将其列入国家重点研究项目。国内的一些研究计划，并将其列入国家重点研究项目。国内的一些科学家和重点院校也已积极投入了对这一领域的研究。科学家和重点院校也已积极投入了对这一领域的研究。l l北
28、京航空航天大学是国内最早进行北京航空航天大学是国内最早进行VRVR技术研究、最有权技术研究、最有权威的单位之一。它于威的单位之一。它于20002000年年8 8月成立了虚拟现实新技术教月成立了虚拟现实新技术教育部重点实验室。育部重点实验室。1-28在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么1.6虚拟现实技术的研究现状虚拟现实技术的研究现状 1.6.2 国内的研究现状 l l清华大学对虚拟现实及其临场感等方面进行了大量研究，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比如球面屏幕
29、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。深度感实验测试等。l l浙江大学的浙江大学的CAD&CGCAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。l l西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术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，提出一种基于立体显示技术进行了研究，提出一种基于JPEGJPEG标准压缩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编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压缩速度。度。1-29在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么谢 谢