一章 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用任課教師:鄭德華1.什么么叫虛擬擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)（（VirtualReality簡稱稱VR))是一一種模擬擬人類視視覺、聽聽覺、力力覺、觸觸覺等感感知行為為的高度度逼真的的人機(jī)交交互技術(shù)術(shù)，是在在數(shù)字圖圖像處理理、計(jì)算算機(jī)圖形形學(xué)、多多媒體技技術(shù)、人人—機(jī)接接口技術(shù)術(shù)、計(jì)算算機(jī)仿真真技術(shù)及及傳感器器技術(shù)等等許多信信息技術(shù)術(shù)基礎(chǔ)上上發(fā)展起起來的一一門多學(xué)學(xué)科的交交叉技術(shù)術(shù)。第一章虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)概述與傳統(tǒng)的的模擬技技術(shù)相比比，VR技術(shù)的的主要特特征是：：用戶能能夠進(jìn)入入到一個(gè)個(gè)由計(jì)算算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)生成的的交互式式的三維維虛擬環(huán)環(huán)境中，，可以與與之進(jìn)行行交互。。2.虛擬擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)與三三維動(dòng)畫畫技術(shù)的的異同VR技術(shù)術(shù)和三維維動(dòng)畫技技術(shù)有本本質(zhì)上的的區(qū)別,,可以說說交互性性是兩者者最大的的不同。?？梢娤孪卤?比較項(xiàng)目VR技術(shù)三維動(dòng)畫技術(shù)科學(xué)性及場景的選擇性虛擬世界基于真實(shí)數(shù)據(jù)建立的模型組合而成，屬于科學(xué)仿真系統(tǒng)。操縱者親身體驗(yàn)三維空間，可自由選擇觀察路徑，有身臨其境的感覺場景畫面根據(jù)材料或想像直接繪制而與真實(shí)的世界和數(shù)據(jù)有較大的差距，屬于演示類藝術(shù)作品。只能按預(yù)先假定的觀察路徑觀看。實(shí)時(shí)交互性操縱者可以實(shí)時(shí)感受到運(yùn)動(dòng)帶來的場景變化，具有雙向互動(dòng)的功能只能單向演示，場景變化的畫面需要事先制作生成空間立體感支持立體顯示和三維立體聲，具有三維空間真實(shí)感不支持演示時(shí)間沒有時(shí)間限制，可真實(shí)詳盡的展示，性價(jià)比高受動(dòng)畫制作時(shí)間限制，無法詳盡展示，性價(jià)比低方案應(yīng)用的靈活性支持方案調(diào)整、評估、管理、信息查詢等功能，同時(shí)又具有更真實(shí)直觀的演示功能只具有簡單的演示功能VR技術(shù)術(shù)與三維維動(dòng)畫技技術(shù)的比比較3.虛擬擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)的發(fā)發(fā)展簡史史VR技術(shù)術(shù)的發(fā)展展大致分分為3個(gè)個(gè)階段：：20世紀(jì)紀(jì)50年年代到70年代代末，是是VR技技術(shù)的的探索階階段；20世紀(jì)紀(jì)80年年代初期期到80年代中中期，是是VR技技術(shù)系統(tǒng)統(tǒng)化、從從實(shí)驗(yàn)室室走向?qū)崒?shí)用的階階段；20世紀(jì)紀(jì)80年年代末期期到達(dá)21世紀(jì)紀(jì)初，是是VR技技術(shù)高速速發(fā)展的的階段。。4.虛擬擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)的構(gòu)構(gòu)成典型的虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)主主要是由由計(jì)算機(jī)機(jī)、應(yīng)用用軟件系系統(tǒng)、輸輸入輸出出設(shè)備、、用戶和和數(shù)據(jù)庫庫等組成成。如圖圖：計(jì)算機(jī)輸入輸出出設(shè)備應(yīng)用軟件件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫用戶典型虛擬擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)的結(jié)結(jié)構(gòu)框圖圖5.虛擬擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)的特特征虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)有有3個(gè)主主要特征征：沉浸浸性（Immersion））、交互互性（Interactivity）和想想像性（（Imagination））。(1)沉沉浸性沉浸性（（Immersion）又稱稱臨場感感，指用用戶感到到作為主主角存在在于模擬擬環(huán)境中中的真實(shí)實(shí)程度。。(2)交交互性性交互性（（Interactivity）的的產(chǎn)生，，主要借借助于VR系統(tǒng)統(tǒng)中的特特殊硬件件設(shè)備（（如數(shù)據(jù)據(jù)手套、、力反饋饋裝置等等），使使用戶能能通過自自然的方方式，產(chǎn)產(chǎn)生同在在真實(shí)世世界中一一樣的感感覺。(3)想想像性性想像性（（Imagination））指虛擬擬的環(huán)境境是人想想像出來來的，同同時(shí)這種種想像體體現(xiàn)出設(shè)設(shè)計(jì)者相相應(yīng)的思思想，因因而可以以用來實(shí)實(shí)現(xiàn)一定定的目標(biāo)標(biāo)。6.虛擬擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)的分分類在實(shí)際應(yīng)應(yīng)用中，，根據(jù)虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)對對沉浸程程度的高高低和交交互程度度的不同同，將虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)劃劃分為以以下4種種類型::(1)桌桌面式式VR系系統(tǒng)它是利用用個(gè)人計(jì)計(jì)算機(jī)或或圖形工工作站等等設(shè)備，，采用立立體圖形形、自然然交互等等技術(shù)，，產(chǎn)生三三維立體體空間的的交互場場景，利利用計(jì)算算機(jī)的屏屏幕作為為觀察虛虛擬世界界的一個(gè)個(gè)窗口，，通過各各種輸入入設(shè)備實(shí)實(shí)現(xiàn)與虛虛擬世界界的交互互。立體眼鏡鏡桌面式VR系統(tǒng)統(tǒng)具有以以下主要要特點(diǎn)：：①缺少完完全沉浸浸感，參參與者不不完全沉沉浸，因因?yàn)榧词故勾魃狭⒘Ⅲw眼鏡鏡，仍然然會受到到周圍現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界界的干擾擾。②對硬件件要求極極低③應(yīng)用比比較普遍遍，因?yàn)闉樗某沙杀鞠鄬^低(2)沉沉浸式式VR系系統(tǒng)它利用頭頭盔式顯顯示器或或其它設(shè)設(shè)備，把把參與者者的視覺覺、聽覺覺和其它它感覺封封閉起來來，并提提供一個(gè)個(gè)新的、、虛擬的的感覺空空間，并并利用位位置跟蹤蹤器、數(shù)數(shù)據(jù)手套套、其它它手控輸輸入設(shè)備備、聲音音等使得得參與者者產(chǎn)生一一種身在在虛擬環(huán)環(huán)境中、、并能全全心投入入和沉浸浸其中的的感覺。。常見的的沉浸式式系統(tǒng)有有：①基于頭頭盔式顯顯示器的的系統(tǒng)②投影式式虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)③遠(yuǎn)程存存在系統(tǒng)統(tǒng)沉浸式VR系統(tǒng)統(tǒng)的特點(diǎn)點(diǎn)①高度度的沉浸浸感。②高度度實(shí)時(shí)性性。利用頭盔盔顯示器器和數(shù)據(jù)據(jù)手套等交互設(shè)設(shè)備進(jìn)行行的飛機(jī)機(jī)戰(zhàn)斗游游戲(3)增增強(qiáng)式式VR系系統(tǒng)它既允許許用戶看看到真實(shí)實(shí)世界，，同時(shí)也也能看到到疊加在在真實(shí)世世界上的的虛擬對對象，它它是把真真實(shí)環(huán)境境和虛擬擬環(huán)境結(jié)結(jié)合起來來的一種種系統(tǒng)。。常見的的增強(qiáng)式式VR系系統(tǒng)有：：①基于臺臺式圖形形顯示器器的系統(tǒng)統(tǒng)。②基于單單眼顯示示器的系系統(tǒng)（一一個(gè)眼睛睛看到顯顯示屏上上的虛擬擬世界，，另一只只眼睛看看到的是是真實(shí)世世界）。。③基于透透視式頭頭盔顯示示器的系系統(tǒng)。增強(qiáng)式VR系統(tǒng)統(tǒng)有以下下3個(gè)特特點(diǎn)：①真實(shí)實(shí)世界和和虛擬世世界融為為一體。。②具有有實(shí)時(shí)人人機(jī)交互互功能。。③真實(shí)實(shí)世界和和虛擬世世界是在在三維空空間中整整合的。。在房間原原有的基基礎(chǔ)上進(jìn)進(jìn)行虛擬擬設(shè)計(jì)（4）分分布式VR系統(tǒng)統(tǒng)它在沉浸浸式VR系統(tǒng)的的基礎(chǔ)上上，將位位于不同同物理位位置的多多個(gè)用戶戶或多個(gè)個(gè)虛擬環(huán)環(huán)境通過過網(wǎng)絡(luò)相相連接，，并共享享信息，，從而使使用戶的的協(xié)同工工作達(dá)到到一個(gè)更更高的境境界。分布式VR系統(tǒng)統(tǒng)具有以以下5個(gè)個(gè)特點(diǎn)：：①各用用戶具有有共享的的虛擬工工作空間間。②偽實(shí)實(shí)體的行行為真實(shí)實(shí)感。③支持持實(shí)時(shí)交交互，共共享時(shí)鐘鐘。④多個(gè)個(gè)用戶可可用各自自不同的的方式相相互通信信。⑤資源源信息共共享以及及允許用用戶自然然操縱虛虛擬世界界中的對對象。虛擬戰(zhàn)場場8.虛擬擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)的研研究現(xiàn)狀狀及研究究方向(1)國國外研研究現(xiàn)狀狀①美國是是VR技技術(shù)的發(fā)發(fā)源地。。美國VR研究究技術(shù)的的水平基基本上就就代表國國際VR技術(shù)發(fā)發(fā)展的水水平。目目前美國國在該領(lǐng)領(lǐng)域的基基礎(chǔ)研究究主要集集中在感感知、用用戶界面面、后臺臺軟件和和硬件四四個(gè)方面面。②英國在在VR技技術(shù)的研研究與開開發(fā)的某某些方面面，如分分布式并并行處理理、輔助助設(shè)備（（觸覺反反聵設(shè)備備等）設(shè)設(shè)計(jì)、應(yīng)應(yīng)用研究究等方面面，在歐歐洲是領(lǐng)領(lǐng)先的。。③在德國國，主要要從事虛虛擬世界界的感知知、虛擬擬環(huán)境的的控制和和顯示、、機(jī)器人人遠(yuǎn)程控控制、VR在空空間領(lǐng)域域的應(yīng)用用、宇航航員的訓(xùn)訓(xùn)練、分分子結(jié)構(gòu)構(gòu)的模擬擬研究等等。④日本主主要致力力于建立立大規(guī)模模VR知知識庫的的研究，，另外在在VR游游戲方面面的研究究也做了了很多的的工作。。(2)國國內(nèi)研研究現(xiàn)狀狀①清華大大學(xué)對虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)及其臨臨場感等等方面進(jìn)進(jìn)行了大大量的研研究。②北京科科技大學(xué)學(xué)成功開開發(fā)出了了純交互互式汽車車模擬駕駕駛培訓(xùn)訓(xùn)系統(tǒng)。。③北京航航空航天天大學(xué)開開發(fā)了直直升飛機(jī)機(jī)虛擬仿仿真器、、坦克虛虛擬住仿仿真器、、虛擬戰(zhàn)戰(zhàn)場環(huán)境境觀察器器、計(jì)算算機(jī)兵力力生成器器。國內(nèi)還有有浙江大大學(xué)、西西安交通通大學(xué)、、南京大大學(xué)、國國防科技技大學(xué)、、天津大大學(xué)、北北京理工工大學(xué)、、西北大大學(xué)、山山東大學(xué)學(xué)、大連連海事大大學(xué)和香香港中文