虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)2015-05-181概念目錄分類應(yīng)用領(lǐng)域研究現(xiàn)狀特征發(fā)展史2一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1929年，Edward Link設(shè)計(jì)出用于訓(xùn)練飛行員的模擬器。1956年，Morton Heilig開發(fā)出多通道仿真體驗(yàn)系統(tǒng)Sensorama 。3一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1965年，Ivan Sutherland發(fā)表論文“Ultimate Display”（終極的顯示）1968年，Ivan Sutherland研制成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器（Head Mounted Display，HMD） 4一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1972年，Nolan Bushnell開發(fā)出第一個(gè)交互式電子游戲Po

2、ng ；1977年，Dan Sandin、Tom DeFanti和Rich Sayre研制出第一個(gè)數(shù)據(jù)手套Sayre Glove；1984年，NASA Ames研究中心的M. McGreevy 和J. Humphries開發(fā)出用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器；1987年，Jim Humphries設(shè)計(jì)了雙目全方位監(jiān)視器（BOOM）的最早原型； 5一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1990年，在美國達(dá)拉斯召開的Siggraph會(huì)議上，明確提出VR技術(shù)研究的主要內(nèi)容包括實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)和高分辨率顯示技術(shù)，為VR技術(shù)的發(fā)展確定了研究方向。 從20世紀(jì)90年代開始，VR技術(shù)的研究熱潮也開始

3、向民間的高科技企業(yè)轉(zhuǎn)移。著名的VPL公司開發(fā)出第一套傳感手套命名為“DataGloves”，第一套HMD命名為“EyePhones”。進(jìn)入21世紀(jì)，VR技術(shù)進(jìn)入軟件高速發(fā)展的時(shí)期，一些有代表性的VR軟件開發(fā)系統(tǒng)不斷在發(fā)展完善。如MultiGen Vega、OpenSceneGraph6二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）簡稱VR技術(shù)，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。虛擬現(xiàn)實(shí)是20世紀(jì)末逐漸興起的一門綜合性信息技術(shù)，融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)

4、圖形學(xué)、人工智能、多媒體、傳感器、網(wǎng)絡(luò)以及并行處理等多個(gè)信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果。7 典型的VR系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)（包括VR軟件和VR環(huán)境數(shù)據(jù)庫）和VR輸入、輸出設(shè)備等組成。 二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念 8三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征I3VR技術(shù)三角形 交互性Interactivity沉浸感Immersion想象力Imagination93.1、VR技術(shù)的交互性指用戶對(duì)虛擬環(huán)境中對(duì)象的可操作程度和從虛擬環(huán)境中得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）。主要借助于各種專用設(shè)備（如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等）產(chǎn)生，從而使用戶以自然方式如手勢、體勢、語言等技能，如同在真實(shí)世界中一樣操作虛擬環(huán)境中的對(duì)象。103.

5、2、VR技術(shù)的沉浸感又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度，是VR技術(shù)最主要的特征。影響沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、三維圖像中的深度信息、畫面的視野、實(shí)現(xiàn)跟蹤的時(shí)間或空間響應(yīng)及交互設(shè)備的約束程度等 。113.3、VR技術(shù)的想象力指用戶在虛擬世界中根據(jù)所獲取的多種信息和自身在系統(tǒng)中的行為，通過邏輯判斷、推理和聯(lián)想等思維過程，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)變化而對(duì)其未來進(jìn)展進(jìn)行想象的能力。對(duì)適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對(duì)象加上虛擬現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)意和想象力，可以大幅度提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。12分類四、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類 桌面式VR系統(tǒng)Desktop VR 沉浸式VR系統(tǒng)Immersi

6、ve VR 增強(qiáng)式VR系統(tǒng)Augmented VR分布式VR系統(tǒng)Distributed VR 134.1、桌面式VR系統(tǒng)使用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站來產(chǎn)生三維空間的交互場景。用戶會(huì)受到周圍現(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾而不能獲得完全的沉浸感，但由于其成本相對(duì)較低桌面式VR系統(tǒng)仍然比較普及。 144.2、沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器、洞穴式顯示設(shè)備和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，而使用戶真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)參與者，產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入并沉浸其中的體驗(yàn)。與桌面式VR系統(tǒng)相比，沉浸式VR系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于高度的實(shí)時(shí)性和沉浸感。154.3、增強(qiáng)式VR系統(tǒng)允許用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行觀察的

7、同時(shí)，將虛擬圖像疊加在真實(shí)物理對(duì)象之上。為用戶提供與所看到的真實(shí)環(huán)境有關(guān)的、存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的信息，從而增強(qiáng)用戶對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，又被稱為疊加式或補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)式VR系統(tǒng)?？梢允褂霉鈱W(xué)技術(shù)或視頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)。164.4、分布式VR系統(tǒng)指基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的虛擬環(huán)境，將位于不同物理位置的多個(gè)用戶或多個(gè)虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相連接并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達(dá)到一個(gè)更高的境界。主要被應(yīng)用于遠(yuǎn)程虛擬會(huì)議、虛擬醫(yī)學(xué)會(huì)診、多人網(wǎng)絡(luò)游戲、虛擬戰(zhàn)爭演習(xí)等領(lǐng)域。17五、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 教育與訓(xùn)練設(shè)計(jì)與規(guī)劃科學(xué)計(jì)算可視化商業(yè)領(lǐng)域藝術(shù)與娛樂18VR技術(shù)被逐步應(yīng)用于網(wǎng)上銷售、客戶服務(wù)、電傳會(huì)議及虛擬購物中心等商業(yè)領(lǐng)域。它可以使

8、客戶在購買前先看到產(chǎn)品的外貌與內(nèi)在，甚至在虛擬世界中使用它，因此對(duì)產(chǎn)品的推廣和銷售都很有幫助。5.1、商業(yè)領(lǐng)域19科學(xué)可視化的功能就是將大量字母、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成比原始數(shù)據(jù)更容易理解的各種圖像，并允許參與者借助各種虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備檢查這些“可見的”數(shù)據(jù)。它通常被用于建立分子結(jié)構(gòu)、地震以及地球環(huán)境等模型。、5.2、科學(xué)計(jì)算可視化205.3、教育與訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能使學(xué)習(xí)者能直接、自然地與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互，以各種形式參與事件的發(fā)展變化過程，并獲得最大的控制和操作整個(gè)環(huán)境的自由度。1、仿真教學(xué)與實(shí)驗(yàn)2、特殊教育3、多種專業(yè)訓(xùn)練4、應(yīng)急演練和軍事演習(xí)21 虛擬現(xiàn)實(shí)已被看作是設(shè)計(jì)領(lǐng)域中唯一的開發(fā)工具。它可

9、以避免傳統(tǒng)方式在原型制造、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中的重復(fù)工作，有效的降低成本，應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車制造業(yè)、城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)等。5.4、設(shè)計(jì)與規(guī)劃22 VR技術(shù)所具有的身臨其境感及實(shí)時(shí)交互性還能將靜態(tài)的藝術(shù)（如油畫、雕刻等）轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的形式，使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術(shù)，包括虛擬畫廊、虛擬音樂廳、文物保護(hù)等方面。娛樂是VR系統(tǒng)的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，市場上已經(jīng)推出了多款VR環(huán)境下的電腦游戲，帶給游戲者強(qiáng)烈的感官刺激。5.5、藝術(shù)與娛樂23六、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀 國外的研究現(xiàn)狀 美國是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)源地，有美國宇航局（NASA）、麻省理工學(xué)院（MIT）媒體實(shí)驗(yàn)室、華盛頓大學(xué)人機(jī)界面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（HIT

10、 Lab）等許多知名的研究機(jī)構(gòu)。美國在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面。英國主要有四個(gè)從事VR技術(shù)研究的中心，包括Windustries公司、British Aerospace公司、Dimension International公司、Divison LTD公司等。日本主要致力于建立大規(guī)模VR知識(shí)庫和人機(jī)接口方面的研究項(xiàng)目上，在VR游戲方面的研究也處于領(lǐng)先地位。24六、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀 我國從20世紀(jì)80年代起開始研究VR技術(shù)。雖然起步較晚，但近年來政府有關(guān)部門非常重視，制定了開展VR技術(shù)的研究計(jì)劃，并將其列入國家重點(diǎn)研究項(xiàng)目。國內(nèi)的一些科學(xué)家和重點(diǎn)院校也已積極投入了對(duì)這一領(lǐng)域的研究。25六、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀 北京航空航天大學(xué)是國內(nèi)最早進(jìn)行VR技術(shù)研究、最有權(quán)威的單位之一。于2000年8月成立虛擬現(xiàn)實(shí)新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。清華大學(xué)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)及其臨場感等方面進(jìn)行了大量研究，比如球面屏幕顯示和圖像隨動(dòng)、克服立體圖閃爍的措施及深度感實(shí)驗(yàn)測試等。浙江大學(xué)的