十六講虛擬現(xiàn)實(shí)課件

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）1961年，美國(guó)科學(xué)家海里戈提出了構(gòu)建虛擬布魯克林城的構(gòu)想，他希望觀眾可以通過(guò)他設(shè)計(jì)的系統(tǒng)體驗(yàn)漫步在布魯克林城市街道上的感受。是最早看到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)前景的人。一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展1961年，美國(guó)科學(xué)家海里戈提出了構(gòu)建虛擬布魯克林城的構(gòu)想，虛擬現(xiàn)實(shí)的概念來(lái)自薩瑟蘭的“終極顯示”。1965年，薩瑟蘭在一篇論文中提出了“終極顯示”的概念：認(rèn)為可以把計(jì)算機(jī)顯示器作為通往虛擬世界的窗口。對(duì)于這個(gè)概念，他是這樣描述的：“通過(guò)這個(gè)窗口，人們可以看到一個(gè)虛擬的世界，富有挑戰(zhàn)性的工作是怎樣使那個(gè)虛擬世界看起來(lái)更加真實(shí)，在其中行動(dòng)真實(shí)，聽(tīng)起來(lái)真實(shí)，感覺(jué)就像真實(shí)世界一樣?！彼_瑟蘭的設(shè)想是計(jì)算機(jī)構(gòu)建一個(gè)虛擬的物理世界，觀眾可以與其進(jìn)行交互。虛擬現(xiàn)實(shí)的概念來(lái)自薩瑟蘭的“終極顯示”。后來(lái)到哈佛大學(xué)繼續(xù)進(jìn)行虛擬顯示技術(shù)研究。1966年，他和他的學(xué)生鮑勃.斯普勞爾為波奇公司開(kāi)發(fā)了世界上第一臺(tái)數(shù)據(jù)頭盔顯示器。在這中雙目并用的頭盔上，圖片被直接安裝在眼睛前面的顯示器上，當(dāng)觀眾從這個(gè)頭盔顯示器中看到從樓頂上拍攝的地面照片時(shí)，顯示了恐懼和驚慌。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了僅利用雙眼就可以實(shí)現(xiàn)沉浸的效應(yīng)。不久，薩瑟蘭用計(jì)算機(jī)圖像取代了照片，雖然只是一個(gè)虛構(gòu)的虛擬空間，但它的效果已遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)了照片。后來(lái)到哈佛大學(xué)繼續(xù)進(jìn)行虛擬顯示技術(shù)研究。1966年，他和他的20世紀(jì)80年代以后，虛擬顯示技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，加州大學(xué)伯克利分校的麥克.利威在薩瑟蘭創(chuàng)造的3D虛擬空間的基礎(chǔ)上繼續(xù)創(chuàng)新，利用精巧的液晶顯示器取代了笨重的陰極射線管顯示器，同時(shí)它還發(fā)明了精確的頭部定位裝置。20世紀(jì)80年代以后，虛擬顯示技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，加州大學(xué)更加重要的發(fā)明出現(xiàn)在1984年，美國(guó)國(guó)家航空航天局艾米斯研究中心的科學(xué)家們利用晶體管集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)了可攜帶的小型立體眼鏡，“艾米斯虛擬工作站”計(jì)劃將這一新發(fā)明的立體眼鏡連接在高性能的計(jì)算機(jī)上，這樣觀眾就可以通過(guò)它進(jìn)入虛擬世界。更加重要的發(fā)明出現(xiàn)在1984年，美國(guó)國(guó)家航空航天局艾米斯研究同時(shí)，斯坦福醫(yī)學(xué)院的學(xué)生湯姆.奇摩爾曼發(fā)明了一種可以精確跟蹤并反饋手部動(dòng)作的“數(shù)據(jù)手套”，他在手套的關(guān)節(jié)處放上了小型的感應(yīng)器，當(dāng)移動(dòng)手指時(shí)，計(jì)算機(jī)便可以獲取手指動(dòng)作的信息。和數(shù)據(jù)頭盔相比，數(shù)據(jù)手套顯示了較高的準(zhǔn)確性和靈活性。同時(shí)，斯坦福醫(yī)學(xué)院的學(xué)生湯姆.奇摩爾曼發(fā)明了一種可以精確跟蹤20世紀(jì)80年代，美國(guó)VPL公司創(chuàng)建人亞倫.拉尼爾提出。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通常是指利用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)、空間、聲音、視覺(jué)跟蹤技術(shù)等綜合技術(shù)生成的集視、聽(tīng)、觸覺(jué)為一體的交互式虛擬環(huán)境。在這樣的虛擬空間中，參與者可借助數(shù)據(jù)頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等設(shè)備與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互，得到和真實(shí)世界極其相近的體驗(yàn)。20世紀(jì)80年代，美國(guó)VPL公司創(chuàng)建人亞倫.拉尼爾提出。（1）虛擬世界生成設(shè)備虛擬世界生成設(shè)備無(wú)疑可以是一臺(tái)或多臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)。通常又可分為基于高性能個(gè)人計(jì)算機(jī)、基于高性能圖形工作站和基于分布式異構(gòu)計(jì)算機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)三大類(lèi)。后兩類(lèi)用于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，而基于PC機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通常為非沉浸式系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)所用的計(jì)算機(jī)是帶有圖形加速器和多條圖形輸出流水線的所謂高性能圖形計(jì)算機(jī)。這是因?yàn)槿S高真實(shí)感場(chǎng)景的生成與顯示在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中具有頭等重要的地位。二、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成（1）虛擬世界生成設(shè)備二、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬世界生成設(shè)備的主要功能包括：①

視覺(jué)通道信號(hào)生成與顯示——三維高真實(shí)感圖形建模與實(shí)時(shí)繪制。②

聽(tīng)覺(jué)通道信號(hào)生成與顯示——三維真實(shí)感聲音生成與播放。所謂三維真實(shí)感聲音是具有動(dòng)態(tài)方位感、距離感和三維空間效應(yīng)的聲音。③

觸覺(jué)與力覺(jué)通信信號(hào)與顯示——皮膚感知的觸摸，溫度、壓力、紋理信號(hào)以及肌肉、失節(jié)、腱等感知的力信號(hào)的建模與反饋。④

支持實(shí)時(shí)人機(jī)交互操作的功能——三維空間定位、碰撞檢測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別以及人機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)話功能。虛擬世界生成設(shè)備的主要功能包括：（2）感知設(shè)備

感知設(shè)備是指將虛擬世界各類(lèi)感知模型轉(zhuǎn)變?yōu)槿四芙邮艿亩嗤ǖ来碳ば盘?hào)的設(shè)備。感知包括視、聽(tīng)、觸（力）、嗅、味覺(jué)等多種通道。然而，成熟和相對(duì)成熟的感知信息產(chǎn)生和檢測(cè)的技術(shù)，僅有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和力覺(jué)三種通道。①

視覺(jué)感知設(shè)備——立體寬視場(chǎng)圖形顯示器。立體寬視場(chǎng)圖形顯示器可分為沉浸式和非沉浸式兩大類(lèi)。②

聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備——三維真實(shí)感聲音的播放設(shè)備。常用的有耳機(jī)式、雙揚(yáng)聲器組和多揚(yáng)聲器組三種。通常由專(zhuān)用聲卡將單通道聲源信號(hào)處理成具有雙耳效應(yīng)的真實(shí)感聲音。③

觸覺(jué)（力覺(jué)）感知設(shè)備——觸覺(jué)（力覺(jué)）反饋裝置。觸覺(jué)和力覺(jué)實(shí)際是兩種不同的感知。觸覺(jué)包含的感知內(nèi)容更豐富一些，例如應(yīng)包含一般的接觸感（類(lèi)似于“摸到了一個(gè)面”的感覺(jué)），進(jìn)一步應(yīng)包含感知材料的質(zhì)感（布料、海綿、橡膠、木材、金屬、石料等等），紋理感（平滑、粗糙程度等）以及溫度感等。力覺(jué)感知設(shè)備要求能反饋力的大小和方向，與觸覺(jué)反饋裝置相比，力反饋裝置相對(duì)較成熟一些。（2）感知設(shè)備（3）跟蹤設(shè)備跟蹤設(shè)備是跟蹤并檢測(cè)位置和方位的裝置，用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中基于自然方式的人機(jī)交互操作。目前，先進(jìn)的跟蹤定位系統(tǒng)可用于動(dòng)態(tài)記錄人體運(yùn)動(dòng)。

最常用的跟蹤設(shè)備有基于機(jī)械臂原理、磁傳感器原理、超聲傳感器原理和光傳感器原理四種。

除機(jī)械臂式定位跟蹤器以外，其它三種跟蹤器都由一個(gè)（或多個(gè)）信號(hào)發(fā)射器以及數(shù)個(gè)接收器組成，發(fā)射器安裝在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中某個(gè)固定位置，接收器安裝在被跟蹤的部位。如安裝在頭部，通常用來(lái)跟蹤視線方向；如安裝在手部，通常用來(lái)跟蹤交互設(shè)備數(shù)據(jù)手套的位置及其朝向；如果將多個(gè)接收器安裝在貼身衣服的各個(gè)關(guān)節(jié)部位上，則實(shí)時(shí)記錄人體各個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)的位置，經(jīng)過(guò)軟件處理可實(shí)時(shí)跟蹤顯示人的動(dòng)作。（3）跟蹤設(shè)備（4）人機(jī)交互設(shè)備應(yīng)用手勢(shì)、體勢(shì)、眼神以及自然語(yǔ)言的人機(jī)交互設(shè)備，常見(jiàn)的有數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服（帶傳感器的衣服）、眼球跟蹤器以及語(yǔ)音綜合和識(shí)別裝置。（4）人機(jī)交互設(shè)備三、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件和軟件1．虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件包括虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)生器以及輸入輸出設(shè)備。（1）虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)生器

虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)生器用來(lái)處理和產(chǎn)生虛擬境界，是任何虛擬系統(tǒng)的核心。它一般由計(jì)算機(jī)加圖形生成器或加速卡組成。計(jì)算機(jī)可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站或者小型計(jì)算機(jī)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)主要完成三項(xiàng)任務(wù)：數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出、虛擬境界的管理和生成。系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)必須具有足夠高的處理能力，以確保參與者與虛擬境界的交互能實(shí)時(shí)進(jìn)行。三、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件和軟件1．虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件（2）虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備有兩類(lèi)跟蹤系統(tǒng)，分別是有源跟蹤系統(tǒng)和無(wú)源系統(tǒng)。有源跟蹤系統(tǒng)使用兩路信號(hào)處理輸入數(shù)據(jù)，這種系統(tǒng)通過(guò)發(fā)射器和傳感器跟蹤參與者的位置和取向。無(wú)源跟蹤系統(tǒng)使用一路信號(hào)處理輸入數(shù)據(jù)，只有一個(gè)傳感器用來(lái)跟蹤位置和方向。（3）虛擬現(xiàn)實(shí)輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸出設(shè)備用于將電子信號(hào)轉(zhuǎn)變成各種人體感宮可以感覺(jué)到的刺激。常用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)輸出設(shè)備有頭戴式顯示器和聲音發(fā)生器。（2）虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備2．虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的軟件虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的軟件用來(lái)進(jìn)行境界構(gòu)造，包括建模和繪制對(duì)象，給這些對(duì)象指定行為，提供交互性和編程。虛擬現(xiàn)實(shí)軟件可分為工具包和創(chuàng)作工具。工具包即程序庫(kù)，一般用C或C＋＋等編制，利用它所提供的函數(shù)集合，熟練的程序員可以生成具體的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用。VRML就是這樣一個(gè)程序庫(kù)。創(chuàng)作工具是帶有圖形用戶(hù)界面的完整軟件，通過(guò)創(chuàng)作工具只需簡(jiǎn)單編程就可生成虛擬境界。程序庫(kù)一般比創(chuàng)作工具更靈活，繪制速度更快，但需要豐富的編程經(jīng)驗(yàn)。由于軟件的方法對(duì)硬件的依賴(lài)性不高，相對(duì)來(lái)說(shuō)容易實(shí)現(xiàn)，而且其適用的范圍很廣，因此目前發(fā)展很快，很多公司紛紛推出軟件開(kāi)發(fā)包，以及其它一些工具。2．虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的軟件 VRP軟件簡(jiǎn)介

VRP是一款由中視典數(shù)字科技有限公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直接面向三維美工的一款虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，是目前中國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，市場(chǎng)占有率最高的一款虛擬現(xiàn)實(shí)軟件。VRP適用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、高度可視化、所見(jiàn)即所得。VRP所有的操作都是以美工可以理解的方式進(jìn)行，不需要程序員參與。 VRP軟件簡(jiǎn)介VRP適用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、高度1．菜單欄2．工具欄3．Flash窗口4．功能分類(lèi)面板5．主功能區(qū)面板6．視圖區(qū)7．屬性面板8．信息欄9．狀態(tài)欄1．菜單欄2．工具欄3．Flash窗口4．功能（1）用戶(hù)首先激活頭盔，手套和話筒等輸

入設(shè)備，為計(jì)算機(jī)提供輸入信號(hào)；（2）VR軟件收到由跟蹤器和傳感器送來(lái)

的輸入信號(hào)加以處理；（3）對(duì)虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)做必要的更新，調(diào)整當(dāng)前的虛擬環(huán)境場(chǎng)景，并將這一新視點(diǎn)下的三維視覺(jué)圖像以及其他（如聲音、觸覺(jué)、力反饋等）信息立即傳送給相應(yīng)的輸出設(shè)備（頭盔顯示器、耳機(jī)、數(shù)據(jù)手套等），以便用戶(hù)及時(shí)獲得感官上的虛擬效果，這一過(guò)程必須每秒鐘發(fā)生多次才能使用戶(hù)感受到實(shí)時(shí)連續(xù)的效果。

典型的VR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四、用戶(hù)與虛擬世界交互的過(guò)程（1）用戶(hù)首先激活頭盔，手套和話筒等輸?shù)湫偷腣R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四、

進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)制作成為可能，人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新，新穎、實(shí)用的輸入輸出設(shè)備不斷地涌入市場(chǎng)，這些都為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像五、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用自然、文化遺產(chǎn)的保護(hù)和弘揚(yáng)虛擬人機(jī)工程學(xué)軍事與航天制造工業(yè)教育與訓(xùn)練醫(yī)學(xué)領(lǐng)域商業(yè)領(lǐng)域影視娛樂(lè)規(guī)劃與設(shè)計(jì)五、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用自然、文化遺產(chǎn)的保護(hù)和弘揚(yáng)教育與訓(xùn)練十六講虛擬現(xiàn)實(shí)六、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

沉浸性

VR技術(shù)最主要的技術(shù)特征是讓用戶(hù)覺(jué)得自己是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬世界中的一部分，使用戶(hù)由觀察者變成參與者，沉浸其中并參與虛擬世界的活動(dòng)。

交互性

交互性（Interactivity）的產(chǎn)生，主要借助于VR系統(tǒng)中的特殊硬件設(shè)備（如數(shù)據(jù)手套、力反饋裝置等），使用戶(hù)能通過(guò)自然的方式，產(chǎn)生同在真實(shí)世界中一樣的感覺(jué)。

想像性

想像性（Imagination）指虛擬的環(huán)境是人想像出來(lái)的，同時(shí)這種想像體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者相應(yīng)的思想，因而可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的目標(biāo)。六、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征 沉浸性 交互性 想像性七、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)（1）動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容。動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù)（有規(guī)則的環(huán)境），而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺(jué)建模技術(shù)，兩者的有機(jī)結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。七、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)（1）動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)（2）實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”生成。為了達(dá)到實(shí)時(shí)的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15幀／秒，最好是高于30幀／秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的前提下，提高刷新頻率。這里，圖形生成的硬件體系結(jié)構(gòu)以及在虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感圖形生成中用于加速的各種有效技術(shù)是關(guān)鍵所在。（2）實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)（3）立體顯示和傳感器技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)依賴(lài)于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，立體顯示技術(shù)涉及到人眼的生理原理以及在計(jì)算機(jī)上如何產(chǎn)生深度線索的技術(shù)?，F(xiàn)有的硬件系統(tǒng)如頭盔顯示器、單目鏡及可移動(dòng)視覺(jué)顯示器有待進(jìn)一步研究，光學(xué)顯示還存在許多局限性；傳感器技術(shù)中需解決設(shè)備的可靠性、可重復(fù)性、精確性及安全性等問(wèn)題，各種類(lèi)型傳感器的性能急需提高。（3）立體顯示和傳感器技術(shù)（4）應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場(chǎng)合和對(duì)象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對(duì)象可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量。為了達(dá)到這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實(shí)的開(kāi)發(fā)工具。（5）系統(tǒng)集成技術(shù)由子虛擬現(xiàn)實(shí)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識(shí)別和合成技術(shù)等。（4）應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具（5）系統(tǒng)集成技術(shù)八、虛擬現(xiàn)實(shí)作品據(jù)構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備以及帶給觀眾的不同體驗(yàn)，可以將虛擬現(xiàn)實(shí)的藝術(shù)作品分為桌面級(jí)、沉浸級(jí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)級(jí)和分布式四個(gè)層次。結(jié)合藝術(shù)家的作品，不同層次的虛擬顯示系統(tǒng)可分為：桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)；沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)式虛擬顯示；分布式虛擬現(xiàn)實(shí)。八、虛擬現(xiàn)實(shí)作品據(jù)構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備以及帶給觀眾的不1．桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）

桌面式VR系統(tǒng)僅使用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站來(lái)產(chǎn)生三維空間的交互場(chǎng)景。它把計(jì)算機(jī)的屏幕作為用戶(hù)觀察虛擬環(huán)境的一個(gè)窗口，參與者需要使用手拿輸入設(shè)備或位置跟蹤器來(lái)駕馭虛擬環(huán)境和操縱虛擬場(chǎng)景中的各種物體。在桌面VR系統(tǒng)中，參與者雖然坐在監(jiān)視器前面，但可以通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕觀察360°范圍內(nèi)的虛擬環(huán)境；可以通過(guò)交互操作，使虛擬環(huán)境的物體平移和旋轉(zhuǎn)，以便從各個(gè)方向觀看物體，也可以利用“throughwalk”進(jìn)入功能在虛擬環(huán)境中瀏覽。但參與者并沒(méi)有完全沉浸，他仍然會(huì)受到周?chē)F(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾。桌面VR系統(tǒng)雖然缺乏完全的沉浸感，但它仍然比較普及，這主要是出于其成本相對(duì)來(lái)說(shuō)較低。在桌面VR系統(tǒng)中，用戶(hù)借助三維眼鏡或安裝在計(jì)算機(jī)屏幕上方的立體觀察器、液晶顯示光學(xué)眼鏡等一些廉價(jià)的設(shè)備，就可以產(chǎn)生一種三維空間的幻覺(jué)來(lái)增加沉浸的感覺(jué)；而它采用的標(biāo)準(zhǔn)CRT顯示器和立體圖像顯示技術(shù)，又使得系統(tǒng)分辨率較高，價(jià)格也比較便宜；另外，聲卡和內(nèi)部信號(hào)處理電路也可以通過(guò)廉價(jià)的硬件產(chǎn)生真實(shí)性很強(qiáng)的聲音效果。桌面VR系統(tǒng)通常用于工程CAD、建筑設(shè)計(jì)、培訓(xùn)、教育及某些醫(yī)療應(yīng)用。1．桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）2．沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）

沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等各種交互設(shè)備把用戶(hù)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其他感覺(jué)封閉起來(lái)，而使用戶(hù)真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)參與者，并能利用這些交互設(shè)備操作和駕馭虛擬環(huán)境，產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺(jué)，一般用于娛樂(lè)、或驗(yàn)證某一猜想假設(shè)、訓(xùn)練、模擬、預(yù)演、檢驗(yàn)、體驗(yàn)等。常見(jiàn)的沉浸式系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)等。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：（1）具有高度的實(shí)時(shí)性能。（2）具有高度的沉浸感。（3）能支持多種I/O交互設(shè)備并行。2．沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）3．增強(qiáng)式VR系統(tǒng)

增強(qiáng)式VR系統(tǒng)允許用戶(hù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行觀察的同時(shí)，通過(guò)穿透型頭戴式顯示器將計(jì)算機(jī)虛擬圖像疊加在現(xiàn)實(shí)世界之上，為操作員提供與他所看到的現(xiàn)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)操作員對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受因此又被稱(chēng)為補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。與其他各類(lèi)VR系統(tǒng)相比，補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)式的虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是利用VR技術(shù)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界、仿真現(xiàn)實(shí)世界，而且要利用它來(lái)增強(qiáng)參與者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，也就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中無(wú)法感知或不方便的感受。人們可以按日常的工作方式對(duì)周?chē)奈矬w進(jìn)行操作或研究，但同時(shí)又可以從計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境中得到同步的、有關(guān)活動(dòng)的指導(dǎo)信息。目前，這樣的工作方式已經(jīng)有了一些實(shí)驗(yàn)性的例子，如計(jì)算機(jī)指導(dǎo)的復(fù)印機(jī)修理；在菱形空間框架中安裝鋁構(gòu)件；電線束在安裝到飛機(jī)上之前的捆綁等。其中一個(gè)典型的實(shí)例是戰(zhàn)機(jī)飛行員的平視顯示器，它能將儀表讀數(shù)和武器瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而集中精力盯著敵人的飛機(jī)或?qū)Ш狡?。它的工作原理是：在這種頭戴式顯示器中，光源產(chǎn)生的圖像被光學(xué)系統(tǒng)引導(dǎo)到組合器，組合器是一種專(zhuān)用屏幕，它對(duì)于從真實(shí)環(huán)境進(jìn)來(lái)的光線呈現(xiàn)透明特性，但對(duì)準(zhǔn)它的光線卻被頭戴式顯示器的光學(xué)系統(tǒng)反射掉，這樣就使得操作員可以清晰地看到計(jì)算機(jī)圖形與其即時(shí)環(huán)境重合在—起的現(xiàn)實(shí)效果。3．增強(qiáng)式VR系統(tǒng)4．分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR，DVR）

分布式VR系統(tǒng)是指基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境。它在沉浸式VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將位于不同物理位置的多個(gè)用戶(hù)或多個(gè)虛擬環(huán)境通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連接，并共享信息，從而使用戶(hù)的協(xié)同工作達(dá)到一個(gè)更高的境界。VR系統(tǒng)之所以運(yùn)行在分布式環(huán)境，一方面是它可以充分利用分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的強(qiáng)大計(jì)算能力，另一方面是因?yàn)橛行?yīng)用本身具有分布特性。例如，許多VR應(yīng)用要求若干人能同時(shí)參與同一個(gè)虛擬環(huán)境，即協(xié)同工作的VR。這些人既可能在同一個(gè)地方，也可能在世界上各個(gè)不同的地方，彼此間只通過(guò)遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起。前面所述的那些VR技術(shù)雖然可以使動(dòng)態(tài)的虛擬環(huán)境栩栩如生，但它們都無(wú)法解決資源共享的問(wèn)題，應(yīng)用DVR系統(tǒng)就可以滿(mǎn)足這類(lèi)需求。分布式VR系統(tǒng)最重要的特性是它們對(duì)于多用戶(hù)協(xié)作模擬的協(xié)調(diào)適應(yīng)能力，即操作系統(tǒng)必須能在不同計(jì)算機(jī)上處理不相似的虛擬世界，因此分布式VR系統(tǒng)需要使用專(zhuān)用的操作系統(tǒng)——分布式操作系統(tǒng)。另外，DVR系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)時(shí)，還必須考慮很多網(wǎng)絡(luò)通信因素，如網(wǎng)絡(luò)帶寬、分布機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)延遲以及通信可靠性等。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品異地設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、大規(guī)模軍事訓(xùn)練、多用戶(hù)游戲等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。4．分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR，DVR）杰弗里.肖是一位著名的澳大利亞交互藝術(shù)家，后來(lái)移居德國(guó)，任德國(guó)ZMK影像研究所主任?！兑锥某鞘小?989年曼哈頓城市的信息被轉(zhuǎn)換成一些數(shù)據(jù)，觀眾通過(guò)自行車(chē)的車(chē)把和腳踏板來(lái)控制自己在虛擬世界的方向和速度，漫游虛擬的曼哈頓。此后，又制作了荷蘭的阿姆斯特丹和德國(guó)的卡爾斯魯厄兩個(gè)城市的虛擬漫游版本。杰弗里.肖是一位著名的澳大利亞交互藝術(shù)家，后來(lái)移居德國(guó)，任德《洞穴》1998世界上獨(dú)一無(wú)二的利用木頭人作為界面與虛擬世界進(jìn)行交互的裝置藝術(shù)作品。在一個(gè)洞窟狀的環(huán)境中，當(dāng)你拿起木頭人的時(shí)候，它即開(kāi)始驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)和投影系統(tǒng)將圖像投向周?chē)膲Ρ?，你可以打開(kāi)木頭人的眼睛，高舉它的手臂、擺動(dòng)大腿等，隨意利用它來(lái)控制影像世界，投在六個(gè)方向的屏幕上的圖像隨著木頭人的動(dòng)作而發(fā)生千變?nèi)f化的組合，營(yíng)造了一個(gè)具有高度沉浸感的影像世界?！抖囱ā?998世界上獨(dú)一無(wú)二的利用木頭人作為界面與虛擬世界《魯爾》2000提供了一個(gè)體驗(yàn)此地區(qū)被毀壞的煤礦、建筑、礦渣場(chǎng)等場(chǎng)景的虛擬空間。一個(gè)在甲烷爆炸中喪生的94名礦工的公墓、一個(gè)世界上最大的煉焦廠等。虛擬空間中的這些歷史痕跡，留給人們深刻的印象，讓人們?cè)谶@些虛擬的煤礦和廢墟中漫游，認(rèn)識(shí)到世界上許多美好的地方正在因工業(yè)化發(fā)展而遭到破壞。《魯爾》2000提供了一個(gè)體驗(yàn)此地區(qū)被毀壞的煤礦、建筑、礦渣《超越曼扎納爾》2000加州的曼扎納爾是第二次世界大戰(zhàn)中收容日裔美國(guó)人的集中營(yíng)，荒涼卻非常美麗。日裔美國(guó)藝術(shù)家塔米克.蒂爾和伊朗作家、舞臺(tái)美術(shù)家扎拉.胡什曼德合作利用二戰(zhàn)中的真實(shí)照片和3D技術(shù)再現(xiàn)了第二次世界大戰(zhàn)時(shí)曼扎納爾集中營(yíng)的情景，按照真實(shí)歷史資料復(fù)原的真人大小圖像被投影在屏幕上，觀眾可以利用操作桿在夢(mèng)幻的空間中移動(dòng)?！冻铰{爾》2000加州的曼扎納爾是第二次世界大戰(zhàn)中收容EVE：瓦爾基里平臺(tái)：OculusRift，ProjectMorpheus作為最萬(wàn)眾矚目的VR游戲，《EVE：瓦爾基里》將成為一款縮小PC玩家和VR玩家差距的游戲?！禘VE：瓦爾基里》能在更多的設(shè)備上運(yùn)行，甚至還將登陸PS4，為游戲機(jī)玩家提供恢宏的宇宙體驗(yàn)?？赡艽龠M(jìn)VR的普及，同時(shí)游戲分別登陸兩款VR頭顯時(shí)，還將促進(jìn)頭顯改進(jìn)。EVE：瓦爾基里平臺(tái)：OculusRift，Project《羅賓遜：旅程它采用有名的頂級(jí)游戲引擎CryEngine，把玩家送到一個(gè)布滿(mǎn)恐龍和充滿(mǎn)奇妙景象的遙遠(yuǎn)大陸?！读_賓遜：旅程它采用有名的頂級(jí)游戲引擎CryEngine，把《廚房》Kitchen平臺(tái)：ProjectMorpheus《廚房》是一款由Capcom開(kāi)發(fā)的VR游戲，并在E3大會(huì)上演示。體驗(yàn)過(guò)《廚房》的玩家都稱(chēng)這是他們體驗(yàn)過(guò)的最恐怖的游戲之一。《廚房》Kitchen平臺(tái)：ProjectMorphHoloLens版《我的世界》(Minecraft)平臺(tái)：微軟HoloLens以一種全新的方式來(lái)體驗(yàn)這款備受歡迎的沙盒游戲。從技術(shù)上看，HoloLens是一款增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，就是說(shuō)它會(huì)把電腦生成的畫(huà)面疊加于真實(shí)世界中。HoloLens版《我的世界》(Minecraft)平臺(tái)時(shí)間機(jī)器(TimeMachine)平臺(tái)：OculusRift《時(shí)間機(jī)器》是由開(kāi)發(fā)《貧民區(qū)冒險(xiǎn)記》(Papo&Yo)的MinorityMedia打造的一款新游戲。從《貧民區(qū)冒險(xiǎn)記》中一個(gè)孩子為躲避嗜酒父親進(jìn)入自己幻想世界的奇幻故事，到《時(shí)間機(jī)器》中穿越時(shí)間，探索水下恐龍的奇妙經(jīng)歷，Minority再次為大家?guī)?lái)驚喜?！稌r(shí)間機(jī)器》結(jié)合了《口袋妖怪快照》(PokemeonSnap)和《侏羅紀(jì)公園》(JurassicPark)的游戲特點(diǎn)，成為另一款適配OculusRift的特別VR游戲。在游戲中，你將乘坐時(shí)光機(jī)回到過(guò)去，掃描史前海底的各種生物。但當(dāng)你看到這些海底生物時(shí)，不能傷害它們，如果它們受到了任何傷害，會(huì)立即引起巨大的動(dòng)蕩。對(duì)一些轉(zhuǎn)瞬即逝的時(shí)光，你能夠減慢時(shí)間的流逝，但你必須足夠接近這些致命的生物，對(duì)它們進(jìn)行掃描以便獲取更多的信息，然后將信息傳回到今天。游戲中，被傳回來(lái)的信息將提供給游客，讓他們更加了解過(guò)去已滅絕的那些怪獸。時(shí)間機(jī)器(TimeMachine)平臺(tái)：OculusRi深海(TheDeep)平臺(tái)：ProjectMorpheus它在眾多VR游戲中脫穎而出——一條大鯊魚(yú)。索尼位于倫敦的游戲開(kāi)發(fā)工作室意識(shí)到，現(xiàn)在并沒(méi)有很多游戲中出現(xiàn)大鯊魚(yú)，把海洋中最大掠奪者放進(jìn)游戲，并用ProjectMorpheus體驗(yàn)最緊張刺激的場(chǎng)景。深海(TheDeep)平臺(tái)：ProjectMorphe鬼影實(shí)錄(ParanormalActivity)《重返恐龍島》無(wú)處可逃(EdgeofNowhere)鬼影實(shí)錄(ParanormalActivity)《重返恐龍?zhí)摂M現(xiàn)實(shí)（VR）虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）1961年，美國(guó)科學(xué)家海里戈提出了構(gòu)建虛擬布魯克林城的構(gòu)想，他希望觀眾可以通過(guò)他設(shè)計(jì)的系統(tǒng)體驗(yàn)漫步在布魯克林城市街道上的感受。是最早看到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)前景的人。一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展1961年，美國(guó)科學(xué)家海里戈提出了構(gòu)建虛擬布魯克林城的構(gòu)想，虛擬現(xiàn)實(shí)的概念來(lái)自薩瑟蘭的“終極顯示”。1965年，薩瑟蘭在一篇論文中提出了“終極顯示”的概念：認(rèn)為可以把計(jì)算機(jī)顯示器作為通往虛擬世界的窗口。對(duì)于這個(gè)概念，他是這樣描述的：“通過(guò)這個(gè)窗口，人們可以看到一個(gè)虛擬的世界，富有挑戰(zhàn)性的工作是怎樣使那個(gè)虛擬世界看起來(lái)更加真實(shí)，在其中行動(dòng)真實(shí)，聽(tīng)起來(lái)真實(shí)，感覺(jué)就像真實(shí)世界一樣?！彼_瑟蘭的設(shè)想是計(jì)算機(jī)構(gòu)建一個(gè)虛擬的物理世界，觀眾可以與其進(jìn)行交互。虛擬現(xiàn)實(shí)的概念來(lái)自薩瑟蘭的“終極顯示”。后來(lái)到哈佛大學(xué)繼續(xù)進(jìn)行虛擬顯示技術(shù)研究。1966年，他和他的學(xué)生鮑勃.斯普勞爾為波奇公司開(kāi)發(fā)了世界上第一臺(tái)數(shù)據(jù)頭盔顯示器。在這中雙目并用的頭盔上，圖片被直接安裝在眼睛前面的顯示器上，當(dāng)觀眾從這個(gè)頭盔顯示器中看到從樓頂上拍攝的地面照片時(shí)，顯示了恐懼和驚慌。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了僅利用雙眼就可以實(shí)現(xiàn)沉浸的效應(yīng)。不久，薩瑟蘭用計(jì)算機(jī)圖像取代了照片，雖然只是一個(gè)虛構(gòu)的虛擬空間，但它的效果已遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)了照片。后來(lái)到哈佛大學(xué)繼續(xù)進(jìn)行虛擬顯示技術(shù)研究。1966年，他和他的20世紀(jì)80年代以后，虛擬顯示技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，加州大學(xué)伯克利分校的麥克.利威在薩瑟蘭創(chuàng)造的3D虛擬空間的基礎(chǔ)上繼續(xù)創(chuàng)新，利用精巧的液晶顯示器取代了笨重的陰極射線管顯示器，同時(shí)它還發(fā)明了精確的頭部定位裝置。20世紀(jì)80年代以后，虛擬顯示技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，加州大學(xué)更加重要的發(fā)明出現(xiàn)在1984年，美國(guó)國(guó)家航空航天局艾米斯研究中心的科學(xué)家們利用晶體管集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)了可攜帶的小型立體眼鏡，“艾米斯虛擬工作站”計(jì)劃將這一新發(fā)明的立體眼鏡連接在高性能的計(jì)算機(jī)上，這樣觀眾就可以通過(guò)它進(jìn)入虛擬世界。更加重要的發(fā)明出現(xiàn)在1984年，美國(guó)國(guó)家航空航天局艾米斯研究同時(shí)，斯坦福醫(yī)學(xué)院的學(xué)生湯姆.奇摩爾曼發(fā)明了一種可以精確跟蹤并反饋手部動(dòng)作的“數(shù)據(jù)手套”，他在手套的關(guān)節(jié)處放上了小型的感應(yīng)器，當(dāng)移動(dòng)手指時(shí)，計(jì)算機(jī)便可以獲取手指動(dòng)作的信息。和數(shù)據(jù)頭盔相比，數(shù)據(jù)手套顯示了較高的準(zhǔn)確性和靈活性。同時(shí)，斯坦福醫(yī)學(xué)院的學(xué)生湯姆.奇摩爾曼發(fā)明了一種可以精確跟蹤20世紀(jì)80年代，美國(guó)VPL公司創(chuàng)建人亞倫.拉尼爾提出。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通常是指利用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)、空間、聲音、視覺(jué)跟蹤技術(shù)等綜合技術(shù)生成的集視、聽(tīng)、觸覺(jué)為一體的交互式虛擬環(huán)境。在這樣的虛擬空間中，參與者可借助數(shù)據(jù)頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等設(shè)備與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互，得到和真實(shí)世界極其相近的體驗(yàn)。20世紀(jì)80年代，美國(guó)VPL公司創(chuàng)建人亞倫.拉尼爾提出。（1）虛擬世界生成設(shè)備虛擬世界生成設(shè)備無(wú)疑可以是一臺(tái)或多臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)。通常又可分為基于高性能個(gè)人計(jì)算機(jī)、基于高性能圖形工作站和基于分布式異構(gòu)計(jì)算機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)三大類(lèi)。后兩類(lèi)用于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，而基于PC機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通常為非沉浸式系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)所用的計(jì)算機(jī)是帶有圖形加速器和多條圖形輸出流水線的所謂高性能圖形計(jì)算機(jī)。這是因?yàn)槿S高真實(shí)感場(chǎng)景的生成與顯示在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中具有頭等重要的地位。二、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成（1）虛擬世界生成設(shè)備二、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬世界生成設(shè)備的主要功能包括：①

視覺(jué)通道信號(hào)生成與顯示——三維高真實(shí)感圖形建模與實(shí)時(shí)繪制。②

聽(tīng)覺(jué)通道信號(hào)生成與顯示——三維真實(shí)感聲音生成與播放。所謂三維真實(shí)感聲音是具有動(dòng)態(tài)方位感、距離感和三維空間效應(yīng)的聲音。③

觸覺(jué)與力覺(jué)通信信號(hào)與顯示——皮膚感知的觸摸，溫度、壓力、紋理信號(hào)以及肌肉、失節(jié)、腱等感知的力信號(hào)的建模與反饋。④

支持實(shí)時(shí)人機(jī)交互操作的功能——三維空間定位、碰撞檢測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別以及人機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)話功能。虛擬世界生成設(shè)備的主要功能包括：（2）感知設(shè)備

感知設(shè)備是指將虛擬世界各類(lèi)感知模型轉(zhuǎn)變?yōu)槿四芙邮艿亩嗤ǖ来碳ば盘?hào)的設(shè)備。感知包括視、聽(tīng)、觸（力）、嗅、味覺(jué)等多種通道。然而，成熟和相對(duì)成熟的感知信息產(chǎn)生和檢測(cè)的技術(shù)，僅有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和力覺(jué)三種通道。①

視覺(jué)感知設(shè)備——立體寬視場(chǎng)圖形顯示器。立體寬視場(chǎng)圖形顯示器可分為沉浸式和非沉浸式兩大類(lèi)。②

聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備——三維真實(shí)感聲音的播放設(shè)備。常用的有耳機(jī)式、雙揚(yáng)聲器組和多揚(yáng)聲器組三種。通常由專(zhuān)用聲卡將單通道聲源信號(hào)處理成具有雙耳效應(yīng)的真實(shí)感聲音。③

觸覺(jué)（力覺(jué)）感知設(shè)備——觸覺(jué)（力覺(jué)）反饋裝置。觸覺(jué)和力覺(jué)實(shí)際是兩種不同的感知。觸覺(jué)包含的感知內(nèi)容更豐富一些，例如應(yīng)包含一般的接觸感（類(lèi)似于“摸到了一個(gè)面”的感覺(jué)），進(jìn)一步應(yīng)包含感知材料的質(zhì)感（布料、海綿、橡膠、木材、金屬、石料等等），紋理感（平滑、粗糙程度等）以及溫度感等。力覺(jué)感知設(shè)備要求能反饋力的大小和方向，與觸覺(jué)反饋裝置相比，力反饋裝置相對(duì)較成熟一些。（2）感知設(shè)備（3）跟蹤設(shè)備跟蹤設(shè)備是跟蹤并檢測(cè)位置和方位的裝置，用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中基于自然方式的人機(jī)交互操作。目前，先進(jìn)的跟蹤定位系統(tǒng)可用于動(dòng)態(tài)記錄人體運(yùn)動(dòng)。

最常用的跟蹤設(shè)備有基于機(jī)械臂原理、磁傳感器原理、超聲傳感器原理和光傳感器原理四種。

除機(jī)械臂式定位跟蹤器以外，其它三種跟蹤器都由一個(gè)（或多個(gè)）信號(hào)發(fā)射器以及數(shù)個(gè)接收器組成，發(fā)射器安裝在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中某個(gè)固定位置，接收器安裝在被跟蹤的部位。如安裝在頭部，通常用來(lái)跟蹤視線方向；如安裝在手部，通常用來(lái)跟蹤交互設(shè)備數(shù)據(jù)手套的位置及其朝向；如果將多個(gè)接收器安裝在貼身衣服的各個(gè)關(guān)節(jié)部位上，則實(shí)時(shí)記錄人體各個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)的位置，經(jīng)過(guò)軟件處理可實(shí)時(shí)跟蹤顯示人的動(dòng)作。（3）跟蹤設(shè)備（4）人機(jī)交互設(shè)備應(yīng)用手勢(shì)、體勢(shì)、眼神以及自然語(yǔ)言的人機(jī)交互設(shè)備，常見(jiàn)的有數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服（帶傳感器的衣服）、眼球跟蹤器以及語(yǔ)音綜合和識(shí)別裝置。（4）人機(jī)交互設(shè)備三、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件和軟件1．虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件包括虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)生器以及輸入輸出設(shè)備。（1）虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)生器

虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)生器用來(lái)處理和產(chǎn)生虛擬境界，是任何虛擬系統(tǒng)的核心。它一般由計(jì)算機(jī)加圖形生成器或加速卡組成。計(jì)算機(jī)可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站或者小型計(jì)算機(jī)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)主要完成三項(xiàng)任務(wù)：數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出、虛擬境界的管理和生成。系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)必須具有足夠高的處理能力，以確保參與者與虛擬境界的交互能實(shí)時(shí)進(jìn)行。三、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件和軟件1．虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件（2）虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備有兩類(lèi)跟蹤系統(tǒng)，分別是有源跟蹤系統(tǒng)和無(wú)源系統(tǒng)。有源跟蹤系統(tǒng)使用兩路信號(hào)處理輸入數(shù)據(jù)，這種系統(tǒng)通過(guò)發(fā)射器和傳感器跟蹤參與者的位置和取向。無(wú)源跟蹤系統(tǒng)使用一路信號(hào)處理輸入數(shù)據(jù)，只有一個(gè)傳感器用來(lái)跟蹤位置和方向。（3）虛擬現(xiàn)實(shí)輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸出設(shè)備用于將電子信號(hào)轉(zhuǎn)變成各種人體感宮可以感覺(jué)到的刺激。常用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)輸出設(shè)備有頭戴式顯示器和聲音發(fā)生器。（2）虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備2．虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的軟件虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的軟件用來(lái)進(jìn)行境界構(gòu)造，包括建模和繪制對(duì)象，給這些對(duì)象指定行為，提供交互性和編程。虛擬現(xiàn)實(shí)軟件可分為工具包和創(chuàng)作工具。工具包即程序庫(kù)，一般用C或C＋＋等編制，利用它所提供的函數(shù)集合，熟練的程序員可以生成具體的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用。VRML就是這樣一個(gè)程序庫(kù)。創(chuàng)作工具是帶有圖形用戶(hù)界面的完整軟件，通過(guò)創(chuàng)作工具只需簡(jiǎn)單編程就可生成虛擬境界。程序庫(kù)一般比創(chuàng)作工具更靈活，繪制速度更快，但需要豐富的編程經(jīng)驗(yàn)。由于軟件的方法對(duì)硬件的依賴(lài)性不高，相對(duì)來(lái)說(shuō)容易實(shí)現(xiàn)，而且其適用的范圍很廣，因此目前發(fā)展很快，很多公司紛紛推出軟件開(kāi)發(fā)包，以及其它一些工具。2．虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的軟件 VRP軟件簡(jiǎn)介

VRP是一款由中視典數(shù)字科技有限公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直接面向三維美工的一款虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，是目前中國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，市場(chǎng)占有率最高的一款虛擬現(xiàn)實(shí)軟件。VRP適用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、高度可視化、所見(jiàn)即所得。VRP所有的操作都是以美工可以理解的方式進(jìn)行，不需要程序員參與。 VRP軟件簡(jiǎn)介VRP適用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、高度1．菜單欄2．工具欄3．Flash窗口4．功能分類(lèi)面板5．主功能區(qū)面板6．視圖區(qū)7．屬性面板8．信息欄9．狀態(tài)欄1．菜單欄2．工具欄3．Flash窗口4．功能（1）用戶(hù)首先激活頭盔，手套和話筒等輸

入設(shè)備，為計(jì)算機(jī)提供輸入信號(hào)；（2）VR軟件收到由跟蹤器和傳感器送來(lái)

的輸入信號(hào)加以處理；（3）對(duì)虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)做必要的更新，調(diào)整當(dāng)前的虛擬環(huán)境場(chǎng)景，并將這一新視點(diǎn)下的三維視覺(jué)圖像以及其他（如聲音、觸覺(jué)、力反饋等）信息立即傳送給相應(yīng)的輸出設(shè)備（頭盔顯示器、耳機(jī)、數(shù)據(jù)手套等），以便用戶(hù)及時(shí)獲得感官上的虛擬效果，這一過(guò)程必須每秒鐘發(fā)生多次才能使用戶(hù)感受到實(shí)時(shí)連續(xù)的效果。

典型的VR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四、用戶(hù)與虛擬世界交互的過(guò)程（1）用戶(hù)首先激活頭盔，手套和話筒等輸?shù)湫偷腣R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四、

進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)制作成為可能，人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新，新穎、實(shí)用的輸入輸出設(shè)備不斷地涌入市場(chǎng)，這些都為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像五、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用自然、文化遺產(chǎn)的保護(hù)和弘揚(yáng)虛擬人機(jī)工程學(xué)軍事與航天制造工業(yè)教育與訓(xùn)練醫(yī)學(xué)領(lǐng)域商業(yè)領(lǐng)域影視娛樂(lè)規(guī)劃與設(shè)計(jì)五、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用自然、文化遺產(chǎn)的保護(hù)和弘揚(yáng)教育與訓(xùn)練十六講虛擬現(xiàn)實(shí)六、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

沉浸性

VR技術(shù)最主要的技術(shù)特征是讓用戶(hù)覺(jué)得自己是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬世界中的一部分，使用戶(hù)由觀察者變成參與者，沉浸其中并參與虛擬世界的活動(dòng)。

交互性

交互性（Interactivity）的產(chǎn)生，主要借助于VR系統(tǒng)中的特殊硬件設(shè)備（如數(shù)據(jù)手套、力反饋裝置等），使用戶(hù)能通過(guò)自然的方式，產(chǎn)生同在真實(shí)世界中一樣的感覺(jué)。

想像性

想像性（Imagination）指虛擬的環(huán)境是人想像出來(lái)的，同時(shí)這種想像體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者相應(yīng)的思想，因而可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的目標(biāo)。六、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征 沉浸性 交互性 想像性七、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)（1）動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容。動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù)（有規(guī)則的環(huán)境），而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺(jué)建模技術(shù)，兩者的有機(jī)結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。七、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)（1）動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)（2）實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”生成。為了達(dá)到實(shí)時(shí)的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15幀／秒，最好是高于30幀／秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的前提下，提高刷新頻率。這里，圖形生成的硬件體系結(jié)構(gòu)以及在虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感圖形生成中用于加速的各種有效技術(shù)是關(guān)鍵所在。（2）實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)（3）立體顯示和傳感器技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)依賴(lài)于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，立體顯示技術(shù)涉及到人眼的生理原理以及在計(jì)算機(jī)上如何產(chǎn)生深度線索的技術(shù)?，F(xiàn)有的硬件系統(tǒng)如頭盔顯示器、單目鏡及可移動(dòng)視覺(jué)顯示器有待進(jìn)一步研究，光學(xué)顯示還存在許多局限性；傳感器技術(shù)中需解決設(shè)備的可靠性、可重復(fù)性、精確性及安全性等問(wèn)題，各種類(lèi)型傳感器的性能急需提高。（3）立體顯示和傳感器技術(shù)（4）應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場(chǎng)合和對(duì)象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對(duì)象可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量。為了達(dá)到這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實(shí)的開(kāi)發(fā)工具。（5）系統(tǒng)集成技術(shù)由子虛擬現(xiàn)實(shí)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識(shí)別和合成技術(shù)等。（4）應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具（5）系統(tǒng)集成技術(shù)八、虛擬現(xiàn)實(shí)作品據(jù)構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備以及帶給觀眾的不同體驗(yàn)，可以將虛擬現(xiàn)實(shí)的藝術(shù)作品分為桌面級(jí)、沉浸級(jí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)級(jí)和分布式四個(gè)層次。結(jié)合藝術(shù)家的作品，不同層次的虛擬顯示系統(tǒng)可分為：桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)；沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)式虛擬顯示；分布式虛擬現(xiàn)實(shí)。八、虛擬現(xiàn)實(shí)作品據(jù)構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備以及帶給觀眾的不1．桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）

桌面式VR系統(tǒng)僅使用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站來(lái)產(chǎn)生三維空間的交互場(chǎng)景。它把計(jì)算機(jī)的屏幕作為用戶(hù)觀察虛擬環(huán)境的一個(gè)窗口，參與者需要使用手拿輸入設(shè)備或位置跟蹤器來(lái)駕馭虛擬環(huán)境和操縱虛擬場(chǎng)景中的各種物體。在桌面VR系統(tǒng)中，參與者雖然坐在監(jiān)視器前面，但可以通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕觀察360°范圍內(nèi)的虛擬環(huán)境；可以通過(guò)交互操作，使虛擬環(huán)境的物體平移和旋轉(zhuǎn)，以便從各個(gè)方向觀看物體，也可以利用“throughwalk”進(jìn)入功能在虛擬環(huán)境中瀏覽。但參與者并沒(méi)有完全沉浸，他仍然會(huì)受到周?chē)F(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾。桌面VR系統(tǒng)雖然缺乏完全的沉浸感，但它仍然比較普及，這主要是出于其成本相對(duì)來(lái)說(shuō)較低。在桌面VR系統(tǒng)中，用戶(hù)借助三維眼鏡或安裝在計(jì)算機(jī)屏幕上方的立體觀察器、液晶顯示光學(xué)眼鏡等一些廉價(jià)的設(shè)備，就可以產(chǎn)生一種三維空間的幻覺(jué)來(lái)增加沉浸的感覺(jué)；而它采用的標(biāo)準(zhǔn)CRT顯示器和立體圖像顯示技術(shù)，又使得系統(tǒng)分辨率較高，價(jià)格也比較便宜；另外，聲卡和內(nèi)部信號(hào)處理電路也可以通過(guò)廉價(jià)的硬件產(chǎn)生真實(shí)性很強(qiáng)的聲音效果。桌面VR系統(tǒng)通常用于工程CAD、建筑設(shè)計(jì)、培訓(xùn)、教育及某些醫(yī)療應(yīng)用。1．桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）2．沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）

沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等各種交互設(shè)備把用戶(hù)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其他感覺(jué)封閉起來(lái)，而使用戶(hù)真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)參與者，并能利用這些交互設(shè)備操作和駕馭虛擬環(huán)境，產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺(jué)，一般用于娛樂(lè)、或驗(yàn)證某一猜想假設(shè)、訓(xùn)練、模擬、預(yù)演、檢驗(yàn)、體驗(yàn)等。常見(jiàn)的沉浸式系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)等。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：（1）具有高度的實(shí)時(shí)性能。（2）具有高度的沉浸感。（3）能支持多種I/O交互設(shè)備并行。2．沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）3．增強(qiáng)式VR系統(tǒng)

增強(qiáng)式VR系統(tǒng)允許用戶(hù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行觀察的同時(shí)，通過(guò)穿透型頭戴式顯示器將計(jì)算機(jī)虛擬圖像疊加在現(xiàn)實(shí)世界之上，為操作員提供與他所看到的現(xiàn)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)操作員對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受因此又被稱(chēng)為補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。與其他各類(lèi)VR系統(tǒng)相比，補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)式的虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是利用VR技術(shù)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界、仿真現(xiàn)實(shí)世界，而且要利用它來(lái)增強(qiáng)參與者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，也就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中無(wú)法感知或不方便的感受。人們可以按日常的工作方式對(duì)周?chē)奈矬w進(jìn)行操作或研究，但同時(shí)又可以從計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境中得到同步的、有關(guān)活動(dòng)的指導(dǎo)信息。目前，這樣的工作方式已經(jīng)有了一些實(shí)驗(yàn)性的例子，如計(jì)算機(jī)指導(dǎo)的復(fù)印機(jī)修理；在菱形空間框架中安裝鋁構(gòu)件；電線束在安裝到飛機(jī)上之前的捆綁等。其中一個(gè)典型的實(shí)例是戰(zhàn)機(jī)飛行員的平視顯示器，它能將儀表讀數(shù)和武器瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而集中精力盯著敵人的飛機(jī)或?qū)Ш狡?。它的工作原理是：在這種頭戴式顯示器中，光源產(chǎn)生的圖像被光學(xué)系統(tǒng)引導(dǎo)到組合器，組合器是一種專(zhuān)用屏幕，它對(duì)于從真實(shí)環(huán)境進(jìn)來(lái)的光線呈現(xiàn)透明特性，但對(duì)準(zhǔn)它的光線卻被頭戴式顯示器的光學(xué)系統(tǒng)反射掉，這樣就使得操作員可以清晰地看到計(jì)算機(jī)圖形與其即時(shí)環(huán)境重合在—起的現(xiàn)實(shí)效果。3．增強(qiáng)式VR系統(tǒng)4．分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR，DVR）

分布式VR系統(tǒng)是指基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境。它在沉浸式VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將位于不同物理位置的多個(gè)用戶(hù)或多個(gè)虛擬環(huán)境通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連接，并共享信息，從而使用戶(hù)的協(xié)同工作達(dá)到一個(gè)更高的境界。VR系統(tǒng)之所以運(yùn)行在分布式環(huán)境，一方面是它可以充分利用分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的強(qiáng)大計(jì)算能力，另一方面是因?yàn)橛行?yīng)用本身具有分布特性。例如，許多VR應(yīng)用要求若干人能同時(shí)參與同一個(gè)虛擬環(huán)境，即協(xié)同工作的VR。這些人既可能在同一個(gè)地方，也可能在世界上各個(gè)不同的地方，彼此間只通過(guò)遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起。前面所述的那些VR技術(shù)雖然可以使動(dòng)態(tài)的虛擬環(huán)境栩栩如生，但它們都無(wú)法解決資源共享的問(wèn)題，應(yīng)用DVR系統(tǒng)就可以滿(mǎn)足這類(lèi)需求。分布式VR系統(tǒng)最重要的特性是它們對(duì)于多用戶(hù)協(xié)作模擬的協(xié)調(diào)適應(yīng)能力，即操作系統(tǒng)必須能在不同計(jì)算機(jī)上處理不相似的虛擬世界，因此分布式VR系統(tǒng)需要使用專(zhuān)用的操作系統(tǒng)——分布式操作系統(tǒng)。另外，DVR系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)時(shí)，還必須考慮很多網(wǎng)絡(luò)通信因素，如網(wǎng)絡(luò)帶寬、分布機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)延遲以及通信可靠性等。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品異地設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、大規(guī)模軍事訓(xùn)練、多用戶(hù)游戲等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。4．分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR，DVR）杰弗里.肖是一位著名的澳大利亞交互藝術(shù)家，后來(lái)移居德國(guó)，任德國(guó)ZMK影像研究所主任?！兑锥某鞘小?989年曼哈頓城市的信息被轉(zhuǎn)換成一些數(shù)據(jù)，觀眾通過(guò)自行車(chē)的車(chē)把和腳踏板來(lái)控制自己在虛擬世界的方向和速度，漫游虛擬的曼哈頓。此后，又制作了荷蘭的阿姆斯特丹和德國(guó)的卡爾斯魯厄兩個(gè)城市的虛擬漫游版本。杰