虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論

1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論人海量信息虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)客觀世界11.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基本概念虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：是指采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)等一體化的虛擬環(huán)境，用戶(hù)借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬世界中的物體進(jìn)行交互，相互影響，從而產(chǎn)生親臨真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。21.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基本概念虛擬現(xiàn)實(shí)在人機(jī)交互方面有了很大的改進(jìn)：人機(jī)接口形式的改變（常規(guī)接口設(shè)備->專(zhuān)用設(shè)備）人機(jī)接口內(nèi)容的改變（圖形圖像聲音等->環(huán)境）人機(jī)接口效果的改變（基于特殊設(shè)備得到逼真感知效果）31.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基本概念虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展1962年，美國(guó)電影攝影師MortonHeilig研制出一套稱(chēng)為Sensorama的立體電影系統(tǒng)，具有多種感官刺激的立體顯示設(shè)備。1965年，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的奠基者美國(guó)科學(xué)家IvanSurtherland博士在一篇名為“TheUltimateDisplay”的論文中首次提出了一種全新的、富有挑戰(zhàn)性的圖形顯示技術(shù)，即能否不通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕來(lái)觀看計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界，而是使觀察者直接沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界中。這一理論后來(lái)被認(rèn)為在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中起著里程碑的作用，我們稱(chēng)之為“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”之父。1968年，IvanSurtherland研制出了第一個(gè)頭盔式顯示器。20世紀(jì)八十年代，美國(guó)人JaronLanier正式提出了“VirtualReality”一詞。41.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基本概念1984年，美國(guó)宇航局（NASA）組織開(kāi)發(fā)了用于火星探測(cè)的虛擬世界視覺(jué)顯示器，將火星探測(cè)器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬世界。1993年，波音公司在一個(gè)由數(shù)百臺(tái)工作站組成的虛擬世界中，用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)出由300萬(wàn)個(gè)零件組成的波音777飛機(jī)。1996年10月，世界第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)博覽會(huì)在倫敦開(kāi)幕。1996年12月，世界第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)球網(wǎng)在英國(guó)投入運(yùn)行。…51.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基本概念虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成COMPUTER計(jì)算機(jī)SOFTWARESYSTEM應(yīng)用軟件系統(tǒng)DATABASE數(shù)據(jù)庫(kù)USER用戶(hù)I/ODEVICES輸入輸出設(shè)備61.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基本概念（1）計(jì)算機(jī)：負(fù)責(zé)虛擬世界的生成、人與虛擬世界的自然交互等功能的實(shí)現(xiàn)。通?？煞譃榛诟咝阅軅€(gè)人計(jì)算機(jī)、基于高性能圖形工作站、高度并行的計(jì)算機(jī)及基于分布式結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。71.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基本概念（2）輸入與輸出設(shè)備：用戶(hù)與虛擬世界之間要實(shí)現(xiàn)自然的交互，必須采用特殊的輸入與輸出設(shè)備，用以識(shí)別用戶(hù)各種形式的輸入，并實(shí)時(shí)生成相應(yīng)反饋信息。常用的設(shè)備有用于手勢(shì)輸入的數(shù)據(jù)手套、用于語(yǔ)音交互的三維聲音系統(tǒng)等。89高性能圖形計(jì)算機(jī)環(huán)形屏幕頭盔眼鏡三維顯示器三維鼠標(biāo)手套101.1虛虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)基本概概念（3）虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)的應(yīng)用用軟件：應(yīng)用軟件件完成的功功能有：虛虛擬世界中中物體的幾幾何模型、、物理模型型、運(yùn)動(dòng)模模型的建立立；三維虛虛擬立體聲聲的生成；；模型管理理技術(shù)及實(shí)實(shí)時(shí)顯示技技術(shù)、虛擬擬世界數(shù)據(jù)據(jù)庫(kù)的建立立與管理等等。（4）數(shù)據(jù)庫(kù)：存放整個(gè)個(gè)虛擬世界界中所有物物體的各方方面信息。。111.1虛虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)基本概概念基于頭盔式式顯示器的的典型虛擬擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)機(jī)、頭盔式式顯示器、、數(shù)據(jù)手套套、力反饋饋裝置、話話筒、耳機(jī)機(jī)等設(shè)備組組成。首先由計(jì)算算機(jī)生成一一個(gè)虛擬世世界，由頭頭盔式顯示示器輸出一一個(gè)立體的的顯示，用用戶(hù)可以采采用頭的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)、手的的移動(dòng)、語(yǔ)語(yǔ)音等與虛虛擬世界進(jìn)進(jìn)行自然交交互，計(jì)算算機(jī)能夠根根據(jù)用戶(hù)輸輸入的各種種信息實(shí)時(shí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算算，即對(duì)交交互行為進(jìn)進(jìn)行反饋，，由頭盔顯顯示器更新新相應(yīng)的場(chǎng)場(chǎng)景顯示，，由耳機(jī)輸輸出虛擬立立體聲音，，由力反饋饋裝置產(chǎn)生生觸覺(jué)（力力覺(jué)）反饋饋。121.2虛虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)的特征征3I交互性Interactivity想象性Imagination沉浸性Immersion美國(guó)科學(xué)家家BurdeaG.和PhilippeCoiffet在1993年年世界電子子年會(huì)上發(fā)發(fā)表了一篇篇題為“VirtualRealitySystemandApplication”的文文章，提出出了“虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的三角形形”，表示示出虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的三個(gè)突出出特征：沉浸性、交互性、想象性。131.2虛虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)的特征征（1）沉浸性：指用戶(hù)感感覺(jué)到好像像完全置身身于虛擬世世界之中一一樣，被虛虛擬世界所所包圍。包包括視覺(jué)沉沉浸、聽(tīng)覺(jué)覺(jué)沉浸、觸觸覺(jué)沉浸、、嗅覺(jué)沉浸浸、身體感感覺(jué)沉浸、、味覺(jué)沉浸浸等。（2）交互性：虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)調(diào)人與在虛虛擬世界之之間以自然然的方式進(jìn)進(jìn)行交互，，實(shí)時(shí)產(chǎn)生生在真實(shí)世世界中一樣樣的感知。。（3）想象性：虛擬的環(huán)環(huán)境是人想想象出來(lái)的的，同時(shí)體體現(xiàn)出設(shè)計(jì)計(jì)者相應(yīng)的的思想，因因而可以用用來(lái)實(shí)現(xiàn)一一定的目標(biāo)標(biāo)。141.3虛虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)分類(lèi)（1）沉浸式虛擬擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)（ImmersiveVR）：提供一個(gè)個(gè)完全沉浸浸的體驗(yàn)，，使用戶(hù)有有一種仿佛佛置身于真真實(shí)世界之之中的感覺(jué)覺(jué)，具有以以下五個(gè)特特點(diǎn)：具有高度實(shí)實(shí)時(shí)性能具有高度的的沉浸感具有良好的的系統(tǒng)集成成度與整合合性能具有良好的的開(kāi)放性能支持多種種輸入與輸輸出設(shè)備并并行工作常見(jiàn)的沉浸浸式虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有有：基于頭頭盔式顯示示器的系統(tǒng)統(tǒng)、投影式式虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)、遠(yuǎn)遠(yuǎn)程存在系系統(tǒng)151.3虛虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)分類(lèi)（2）桌面式虛擬擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)（DesktopVR））：也稱(chēng)窗口口虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)，利用個(gè)個(gè)人計(jì)算機(jī)機(jī)或初級(jí)圖圖形工作站站，以計(jì)算算機(jī)屏幕作作為用戶(hù)觀觀察虛擬世世界的一個(gè)個(gè)窗口，采采用立體圖圖形、自然然交互等技技術(shù)，產(chǎn)生生三維立體體空間的交交互場(chǎng)景，，通過(guò)包括括鍵盤(pán)、鼠鼠標(biāo)和力矩矩球等各種種輸入設(shè)備備操縱虛擬擬世界，實(shí)實(shí)現(xiàn)與虛擬擬世界的交交互。其特特點(diǎn)為：用戶(hù)處于不不完全沉浸浸的環(huán)境對(duì)硬件設(shè)備備要求極低低實(shí)現(xiàn)成本相相對(duì)較低161.3虛虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)分類(lèi)（3）增強(qiáng)式虛擬擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)（AggrandizeVR）：既可以允允許用戶(hù)看看到真實(shí)世世界，同時(shí)時(shí)也可以看看到疊加在在真實(shí)世界界上的虛擬擬對(duì)象。是是把真實(shí)環(huán)環(huán)境和虛擬擬環(huán)境組合合在一起的的一種系統(tǒng)統(tǒng)，既可減減少構(gòu)成復(fù)復(fù)雜真實(shí)環(huán)環(huán)境的計(jì)算算，又可對(duì)對(duì)實(shí)際物體體進(jìn)行操作作，真正達(dá)達(dá)到了亦真真亦幻的境境界。其特特點(diǎn)為：真實(shí)世界和和虛擬世界界融為一體體具有實(shí)時(shí)人人機(jī)交互功功能真實(shí)世界和和虛擬世界界在三維空空間中整合合常用于醫(yī)學(xué)學(xué)可視化、、軍用飛機(jī)機(jī)導(dǎo)航等領(lǐng)領(lǐng)域。171.3虛虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)分類(lèi)（4）分布式虛擬擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)（DistributedVR））：是虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)術(shù)發(fā)展和結(jié)結(jié)合的產(chǎn)物物，是一個(gè)個(gè)在網(wǎng)絡(luò)的的虛擬世界界中，位于于不同物理理位置的多多個(gè)用戶(hù)或或多個(gè)虛擬擬世界通過(guò)過(guò)網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)聯(lián)結(jié)共享信信息的系統(tǒng)統(tǒng)。其特點(diǎn)點(diǎn)為：各用戶(hù)具有有共享的虛虛擬工作空空間偽實(shí)體的行行為真實(shí)感感支持實(shí)時(shí)交交互，共享享時(shí)鐘多個(gè)用戶(hù)可可以各自不不同的方式式相互通信信資源信息共共享以及允允許用戶(hù)自自然操縱虛虛擬世界中中的對(duì)象181.4虛虛擬現(xiàn)實(shí)的的應(yīng)用領(lǐng)域域（1）用于于遙控機(jī)器器人的遙現(xiàn)現(xiàn)技術(shù)：遙現(xiàn)技術(shù)是是指當(dāng)實(shí)際際上在某一一個(gè)地方時(shí)時(shí)，可以產(chǎn)產(chǎn)生在另一一個(gè)地方的的感覺(jué)。例例如，在宇宇宙空間站站的開(kāi)發(fā)計(jì)計(jì)劃中，受受各種因素素的制約，，機(jī)器人的的遙控遙現(xiàn)現(xiàn)技術(shù)起了了至關(guān)重要要的作用。。（2）仿真真技術(shù)計(jì)算機(jī)生成成的具有沉沉浸感的環(huán)環(huán)境，它對(duì)對(duì)參與者生生成諸如視視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)覺(jué)、觸覺(jué)、、味覺(jué)等各各種感官信信息，給參參與者一種種身臨其境境的感覺(jué)。。例如：飛飛行仿真系系統(tǒng)、與與虛擬生生物對(duì)話、、作戰(zhàn)戰(zhàn)仿真系統(tǒng)統(tǒng)等。（3）對(duì)象象可視化技技術(shù)：在科學(xué)研究究中對(duì)研究究數(shù)據(jù)生成成可視化效效果以便觀觀察和研究究。例如：：虛擬風(fēng)洞洞。（4）虛擬擬實(shí)驗(yàn)室：：在研究工作作和學(xué)習(xí)過(guò)過(guò)程中，總總會(huì)有許多多實(shí)驗(yàn)需反反復(fù)進(jìn)行，，以期得到到不同條件件下的不同同結(jié)果，虛虛擬實(shí)驗(yàn)室室能提供這這樣一個(gè)平平臺(tái)。例如如：虛擬物物理實(shí)驗(yàn)室室。191.4虛虛擬現(xiàn)實(shí)的的應(yīng)用領(lǐng)域域（5）虛擬擬電力控制制室：使用虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研研制輔助設(shè)設(shè)計(jì)控制室室的系統(tǒng)。。（6）擴(kuò)增增實(shí)境：擴(kuò)增實(shí)境是是虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)最具實(shí)用用價(jià)值的應(yīng)應(yīng)用之一。。它在真實(shí)實(shí)環(huán)境的基基礎(chǔ)上把虛虛擬環(huán)境疊疊加進(jìn)去，，使二者有有機(jī)結(jié)合，，產(chǎn)生虛實(shí)實(shí)難辯、亦亦幻亦真的的感覺(jué)。例例如：當(dāng)人人進(jìn)入到一一商店購(gòu)某某物時(shí)，即即可在顯示示設(shè)備上顯顯示此物的的價(jià)格、性性能及各種種參數(shù)等。。20虛擬現(xiàn)實(shí)在在教育領(lǐng)域域的具體應(yīng)應(yīng)用虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境虛擬實(shí)驗(yàn)室虛擬實(shí)訓(xùn)基地虛擬仿真校園虛擬遠(yuǎn)程教育21虛擬現(xiàn)實(shí)在在軍事領(lǐng)域域的具體應(yīng)應(yīng)用虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境單兵模擬訓(xùn)練與與評(píng)判諸軍種聯(lián)合虛擬演演習(xí)進(jìn)行指揮員訓(xùn)練練