第章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)天津天獅學(xué)院黃金棟疑問“虛擬現(xiàn)實(shí)”到底是“虛擬的”還是“現(xiàn)實(shí)的”？“虛擬現(xiàn)實(shí)”是一項(xiàng)技術(shù)還是一門藝術(shù)？數(shù)字城市規(guī)劃數(shù)字城市規(guī)劃數(shù)字城市規(guī)劃數(shù)字城市規(guī)劃數(shù)字城市規(guī)劃數(shù)字仿真數(shù)字仿真數(shù)字仿真數(shù)字仿真數(shù)字仿真地理勘測地理勘測虛擬手術(shù)產(chǎn)品展示產(chǎn)品展示產(chǎn)品展示虛擬游覽虛擬游覽虛擬游覽數(shù)字虛擬校園園數(shù)字虛擬校園園數(shù)字虛擬校園園數(shù)字虛擬校園園數(shù)字虛擬校園園數(shù)字虛擬校園園虛擬天獅學(xué)院院虛擬天獅學(xué)院院虛擬天獅學(xué)院院虛擬天獅學(xué)院院疑問“虛擬現(xiàn)實(shí)””到底是“虛虛擬的”還是是“現(xiàn)實(shí)的””？“虛擬現(xiàn)實(shí)””是一項(xiàng)技術(shù)術(shù)還是一門藝藝術(shù)？課程安排序號教學(xué)內(nèi)容學(xué)時1第1章

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論3學(xué)時2第2章

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件設(shè)備3學(xué)時3第3章

虛擬現(xiàn)實(shí)的相關(guān)技術(shù)及軟件3學(xué)時4第4章

虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言VRML5學(xué)時5第5章

虛擬現(xiàn)實(shí)建模工具3dsMax7學(xué)時6第6章

虛擬現(xiàn)實(shí)制作工具Cult3D5學(xué)時7第7章

綜合實(shí)例制作4學(xué)時合計(jì)30學(xué)時課程考核總成績＝出勤成績××30%＋作作業(yè)成績×30%＋作品品成績×40%出勤成績來源源于隨機(jī)點(diǎn)名和課堂小測作業(yè)成績主要要指課后作業(yè)作品成績主要要指虛擬現(xiàn)實(shí)作品品參考教材講授教材：申申蔚曾文琪琪.虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù).清清華大學(xué)出出版社.2009.8參考資料：劉劉怡張洪定定崔欣.虛虛擬現(xiàn)實(shí)VRML程序序設(shè)計(jì).南南開大學(xué)出版版社.2007.1第1章虛虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)概論1.1 虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的發(fā)展史1.2 虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的概念1.3 虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的特征1.4 虛擬擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的的分類1.5 虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的應(yīng)用領(lǐng)域1.6 虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的研究現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)（VirtualReality）簡稱VR技術(shù)，是是20世紀(jì)末末逐漸興起的的一門綜合性性信息技術(shù)，，融合了數(shù)字字圖像處理、、計(jì)算機(jī)圖形形學(xué)、人工智智能、多媒體體、傳感器、、網(wǎng)絡(luò)以及并并行處理等多多個信息技術(shù)術(shù)分支的最新新發(fā)展成果。。1.1 虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的發(fā)展史1929年，，EdwardLink設(shè)計(jì)出用用于訓(xùn)練飛行行員的模擬器器1956年，，MortonHeilig開發(fā)出多通道道仿真體驗(yàn)系系統(tǒng)Sensorama1.1 虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的發(fā)展史1965年，，IvanSutherland發(fā)表論文““UltimateDisplay”（終極極的顯示）1968年，，IvanSutherland研制成功了了帶跟蹤器的的頭盔式立體體顯示器（HeadMountedDisplay，，HMD）1.1 虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的發(fā)展史1972年，，NolanBushnell開開發(fā)出第一個個交互式電子子游戲Pong1977年，，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第一個個數(shù)據(jù)手套——SayreGlove20世紀(jì)80年代，美國國國家航空航航天局（NASA）組織織了一系列有有關(guān)VR技術(shù)術(shù)的研究：：1984年年，NASAAmes研究中心的的M.McGreevy和J.Humphries開發(fā)出用于于火星探測的的虛擬環(huán)境視視覺顯示器；；1987年年，JimHumphries設(shè)設(shè)計(jì)了雙目全全方位監(jiān)視器器（BOOM）的最早原原型。1.1 虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的發(fā)展史1990年，，在美國達(dá)拉拉斯召開的Siggraph會議上上，明確提出出VR技術(shù)研研究的主要內(nèi)內(nèi)容包括實(shí)時時三維圖形生生成技術(shù)、多多傳感器交互互技術(shù)和高分分辨率顯示技技術(shù)，為VR技術(shù)的發(fā)展展確定了研究究方向。從20世紀(jì)90年代開始始，VR技術(shù)術(shù)的研究熱潮潮也開始向民民間的高科技技企業(yè)轉(zhuǎn)移。。著名的VPL公司開發(fā)發(fā)出第一套傳傳感手套命名名為“DataGloves”，第第一套HMD命名為“EyePhones”。。進(jìn)入21世紀(jì)紀(jì)后，VR技技術(shù)更是進(jìn)入入軟件高速發(fā)發(fā)展的時期，，

一些有代代表性的VR軟件開發(fā)系系統(tǒng)不斷在發(fā)發(fā)展完善，如如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的概念虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)是指利用計(jì)計(jì)算機(jī)生成一一種模擬環(huán)境境，并通過多多種專用設(shè)備備使用戶“投投入”到該環(huán)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)用戶與該環(huán)環(huán)境直接進(jìn)行行自然交互的的技術(shù)。1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的概念典型的VR系系統(tǒng)主要由計(jì)計(jì)算機(jī)軟、硬硬件系統(tǒng)（包包括VR軟件件和VR環(huán)境境數(shù)據(jù)庫）和和VR輸入、、輸出設(shè)備等等組成。1.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的特征VR技術(shù)的三三角形交互性（Interactivity）沉浸感（Immersion）想象力（Imagination））1.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的特征VR技術(shù)的交交互性：指用戶對虛擬擬環(huán)境中對象象的可操作程程度和從虛擬擬環(huán)境中得到到反饋的自然然程度（包括括實(shí)時性）。。主要借助于各各種專用設(shè)備備（如頭盔顯顯示器、數(shù)據(jù)據(jù)手套等）產(chǎn)產(chǎn)生，從而使使用戶以自然然方式如手勢勢、體勢、語語言等技能，，如同在真實(shí)實(shí)世界中一樣樣操作虛擬環(huán)環(huán)境中的對象象。1.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的特征VR技術(shù)的沉沉浸感：又稱臨場感，，是指用戶感感到作為主角角存在于虛擬擬環(huán)境中的真真實(shí)程度。VR技術(shù)最主主要的特征。。影響沉浸感的的主要因素包包括多感知性性、自主性、、三維圖像中中的深度信息息、畫面的視視野、實(shí)現(xiàn)跟跟蹤的時間或或空間響應(yīng)及及交互設(shè)備的的約束程度等等。1.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的特征VR技術(shù)的想想象力：指用戶在虛擬擬世界中根據(jù)據(jù)所獲取的多多種信息和自自身在系統(tǒng)中中的行為，通通過邏輯判斷斷、推理和聯(lián)聯(lián)想等思維過過程，隨著系系統(tǒng)的運(yùn)行狀狀態(tài)變化而對對其未來進(jìn)展展進(jìn)行想象的的能力。對適當(dāng)?shù)膽?yīng)用用對象加上虛虛擬現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)創(chuàng)意和想象力力，可以大幅幅度提高生產(chǎn)產(chǎn)效率、減輕輕勞動強(qiáng)度、、提高產(chǎn)品開開發(fā)質(zhì)量。1.4虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)的分類桌桌面式VR系系統(tǒng)（DesktopVR）沉沉浸式VR系系統(tǒng)（ImmersiveVR））增增強(qiáng)式VR系系統(tǒng)（AugmentedVR））分分布式VR系系統(tǒng)（DistributedVR）1.4虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)的分類桌桌面式VR系系統(tǒng)使用個人計(jì)算算機(jī)和低級工工作站來產(chǎn)生生三維空間的的交互場景。。用戶會受到周周圍現(xiàn)實(shí)環(huán)境境的干擾而不不能獲得完全全的沉浸感，，但由于其成成本相對較低低桌面式VR系統(tǒng)仍然比比較普及。1.4虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)的分類沉沉浸式VR系系統(tǒng)利用頭盔顯示示器、洞穴式式顯示設(shè)備和和數(shù)據(jù)手套等等交互設(shè)備把把用戶的視覺覺、聽覺和其其他感覺封閉閉起來，而使使用戶真正成成為VR系統(tǒng)統(tǒng)內(nèi)部的一個個參與者，產(chǎn)產(chǎn)生一種身臨臨其境、全心心投入并沉浸浸其中的體驗(yàn)驗(yàn)。與桌面式VR系統(tǒng)相比，，沉浸式VR系統(tǒng)的主要要特點(diǎn)在于高高度的實(shí)時性性和沉浸感。。1.4虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)的分類增增強(qiáng)式VR系系統(tǒng)允許用戶對現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行行觀察的同時時，將虛擬圖圖像疊加在真真實(shí)物理對象象之上。為用戶提供與與所看到的真真實(shí)環(huán)境有關(guān)關(guān)的、存儲在在計(jì)算機(jī)中的的信息，從而而增強(qiáng)用戶對對真實(shí)環(huán)境的的感受，又被被稱為疊加式式或補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)實(shí)式VR系統(tǒng)統(tǒng)?？梢允褂霉鈱W(xué)學(xué)技術(shù)或視頻頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)。。1.4虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)的分類分分布式VR系系統(tǒng)指基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)構(gòu)建的虛擬環(huán)環(huán)境，將位于于不同物理位位置的多個用用戶或多個虛虛擬環(huán)境通過過網(wǎng)絡(luò)相連接接并共享信息息，從而使用用戶的協(xié)同工工作達(dá)到一個個更高的境界界。主要被應(yīng)用于于遠(yuǎn)程虛擬會會議、虛擬醫(yī)醫(yī)學(xué)會診、多多人網(wǎng)絡(luò)游戲戲、虛擬戰(zhàn)爭爭演習(xí)等領(lǐng)域域。1.5虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域域教教育育與訓(xùn)練設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)與規(guī)劃科科學(xué)學(xué)計(jì)算可視化化商商業(yè)業(yè)領(lǐng)域藝藝術(shù)術(shù)與娛樂1.5虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域域教教育育與訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)能使學(xué)習(xí)者者能直接、自自然地與虛擬擬對象進(jìn)行交交互，以各種種形式參與事事件的發(fā)展變變化過程，并并獲得最大的的控制和操作作整個環(huán)境的的自由度。1、仿真教學(xué)學(xué)與實(shí)驗(yàn)2、特殊教育育3、多種專業(yè)業(yè)訓(xùn)練4、應(yīng)急演練練和軍事演習(xí)習(xí)1.5虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域域設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)與規(guī)劃虛擬現(xiàn)實(shí)已被被看作是設(shè)計(jì)計(jì)領(lǐng)域中唯一一的開發(fā)工具具。它可以避避免傳統(tǒng)方式式在原型制造造、設(shè)計(jì)和生生產(chǎn)過程中的的重復(fù)工作，，有效的降低低成本，應(yīng)用用領(lǐng)域包括汽汽車制造業(yè)、、城市規(guī)劃、、建筑設(shè)計(jì)等等。1.5虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域域科科學(xué)學(xué)計(jì)算可視化化科學(xué)可視化的的功能就是將將大量字母、、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成比原始始數(shù)據(jù)更容易易理解的各種種圖像，并允允許參與者借借助各種虛擬擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)設(shè)備檢查這些些“可見的””數(shù)據(jù)。它通常被用于于建立分子結(jié)結(jié)構(gòu)、地震以以及地球環(huán)境境等模型。1.5虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域域商商業(yè)業(yè)領(lǐng)域VR技術(shù)被逐逐步應(yīng)用于網(wǎng)網(wǎng)上銷售、客客戶服務(wù)、電電傳會議及虛虛擬購物中心心等商業(yè)領(lǐng)域域。它可以使使客戶在購買買前先看到產(chǎn)產(chǎn)品的外貌與與內(nèi)在，甚至至在虛擬世界界中使用它，，因此對產(chǎn)品品的推廣和銷銷售都很有幫幫助。1.5虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域域藝藝術(shù)術(shù)與娛樂VR技術(shù)所具具有的身臨其其境感及實(shí)時時交互性還能能將靜態(tài)的藝藝術(shù)（如油畫畫、雕刻等））轉(zhuǎn)化為動態(tài)態(tài)的形式，使使觀賞者更好好地欣賞作者者的思想藝術(shù)術(shù)，包括虛擬擬畫廊、虛擬擬音樂廳、文文物保護(hù)等方方面。娛樂是VR系系統(tǒng)的另一個個重要應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域，市場上上已經(jīng)推出了了多款VR環(huán)環(huán)境下的電腦腦游戲，帶給給游戲者強(qiáng)烈烈的感官刺激激。1.6虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的研究現(xiàn)狀狀國國外的的研究現(xiàn)狀美國是VR技技術(shù)的發(fā)源地地，有美國宇宇航局（NASA）、麻麻省理工學(xué)院院（MIT））媒體實(shí)驗(yàn)室室、華盛頓大大學(xué)人機(jī)界面面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室室（HITLab）等等許多知名的的研究機(jī)構(gòu)。。美國在虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的基基礎(chǔ)研究主要要集中在感知知、用戶界面面、后臺軟件件和硬件四個個方面。1.6虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的研究現(xiàn)狀狀國國外的的研究現(xiàn)狀英國主要有四四個從事VR技術(shù)研究的的中心，包括括Windustries公司、BritishAerospace公司、DimensionInternational公司、、DivisonLTD公司等。。日本主要致力力于建立大規(guī)規(guī)模VR知識識庫和人機(jī)接接口方面的研研究項(xiàng)目上，，在VR游戲戲方面的研究究也處于領(lǐng)先先地位。此外，國外還還研制出多個個用于開發(fā)應(yīng)應(yīng)用程序的VR軟件開發(fā)發(fā)平臺，例如如美國Sense8公司司的WorldToolKit（WTK），愛愛荷華州立大大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)應(yīng)用中心的的VRJuggler，DenebRobotics公司的ENVISION，英國Superscape公公司的VRT，Division公公司的dVISE等。。1.6虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的研究現(xiàn)狀狀國國內(nèi)的的研究現(xiàn)狀我國從20世世紀(jì)80年代代起開始研究