虚拟现实概述1

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1、虚拟现实（VR）,1961年，美国科学家海里戈提出了构建虚拟布鲁克林城的构想，他希望观众可以通过他设计的系统体验漫步在布鲁克林城市街道上的感受。是最早看到虚拟现实技术前景的人。,一、虚拟现实技术的产生与发展,虚拟现实的概念来自萨瑟兰的“终极显示”。 1965年，萨瑟兰在一篇论文中提出了“终极显示”的概念：认为可以把计算机显示器作为通往虚拟世界的窗口。 对于这个概念，他是这样描述的：“通过这个窗口，人们可以看到一个虚拟的世界，富有挑战性的工作是怎样使那个虚拟世界看起来更加真实，在其中行动真实，听起来真实，感觉就像真实世界一样。”萨瑟兰的设想是计算机构建一个虚拟的物理世界，观众可以与其进行交互。,

2、后来到哈佛大学继续进行虚拟显示技术研究。1966年，他和他的学生鲍勃.斯普劳尔为波奇公司开发了世界上第一台数据头盔显示器。在这中双目并用的头盔上，图片被直接安装在眼睛前面的显示器上，当观众从这个头盔显示器中看到从楼顶上拍摄的地面照片时，显示了恐惧和惊慌。这个实验证明了仅利用双眼就可以实现沉浸的效应。,不久，萨瑟兰用计算机图像取代了照片，虽然只是一个虚构的虚拟空间，但它的效果已远远地超过了照片。,20世纪80年代以后，虚拟显示技术得到了长足的发展，加州大学伯克利分校的麦克.利威在萨瑟兰创造的3D虚拟空间的基础上继续创新，利用精巧的液晶显示器取代了笨重的阴极射线管显示器，同时它还发明了精确的头部定

3、位装置。,更加重要的发明出现在1984年，美国国家航空航天局艾米斯研究中心的科学家们利用晶体管集成电路系统设计了可携带的小型立体眼镜，“艾米斯虚拟工作站”计划将这一新发明的立体眼镜连接在高性能的计算机上，这样观众就可以通过它进入虚拟世界。,同时，斯坦福医学院的学生汤姆.奇摩尔曼发明了一种可以精确跟踪并反馈手部动作的“数据手套”，他在手套的关节处放上了小型的感应器，当移动手指时，计算机便可以获取手指动作的信息。和数据头盔相比，数据手套显示了较高的准确性和灵活性。,20世纪80年代，美国VPL公司创建人亚伦.拉尼尔提出。 虚拟现实技术通常是指利用计算机建模技术、空间、声音、视觉跟踪技术等综合技术生

4、成的集视、听、触觉为一体的交互式虚拟环境。 在这样的虚拟空间中，参与者可借助数据头盔显示器、数据手套、数据衣等设备与计算机进行交互，得到和真实世界极其相近的体验。,（1）虚拟世界生成设备 虚拟世界生成设备无疑可以是一台或多台高性能计算机。通常又可分为基于高性能个人计算机、基于高性能图形工作站和基于分布式异构计算机的虚拟现实系统三大类。 后两类用于沉浸式虚拟现实系统，而基于PC机的虚拟现实系统通常为非沉浸式系统。 虚拟现实所用的计算机是带有图形加速器和多条图形输出流水线的所谓高性能图形计算机。这是因为三维高真实感场景的生成与显示在虚拟现实系统中具有头等重要的地位。,二、虚拟现实系统的构成,虚拟世

5、界生成设备的主要功能包括： 视觉通道信号生成与显示三维高真实感图形建模与实时绘制。 听觉通道信号生成与显示三维真实感声音生成与播放。所谓三维真实感声音是具有动态方位感、距离感和三维空间效应的声音。 触觉与力觉通信信号与显示皮肤感知的触摸，温度、压力、纹理信号以及肌肉、失节、腱等感知的力信号的建模与反馈。 支持实时人机交互操作的功能三维空间定位、碰撞检测、语音识别以及人机实时对话功能。,（2）感知设备 感知设备是指将虚拟世界各类感知模型转变为人能接受的多通道刺激信号的设备。感知包括视、听、触（力）、嗅、味觉等多种通道。然而，成熟和相对成熟的感知信息产生和检测的技术，仅有视觉、听觉和力觉三种通道。

6、 视觉感知设备立体宽视场图形显示器。立体宽视场图形显示器可分为沉浸式和非沉浸式两大类。 听觉感知设备三维真实感声音的播放设备。常用的有耳机式、双扬声器组和多扬声器组三种。通常由专用声卡将单通道声源信号处理成具有双耳效应的真实感声音。 触觉（力觉）感知设备触觉（力觉）反馈装置。触觉和力觉实际是两种不同的感知。触觉包含的感知内容更丰富一些，例如应包含一般的接触感（类似于“摸到了一个面”的感觉），进一步应包含感知材料的质感（布料、海绵、橡胶、木材、金属、石料等等），纹理感（平滑、粗糙程度等）以及温度感等。力觉感知设备要求能反馈力的大小和方向，与触觉反馈装置相比，力反馈装置相对较成熟一些。,（3）跟踪

7、设备 跟踪设备是跟踪并检测位置和方位的装置，用于虚拟现实系统中基于自然方式的人机交互操作。目前，先进的跟踪定位系统可用于动态记录人体运动。 最常用的跟踪设备有基于机械臂原理、磁传感器原理、超声传感器原理和光传感器原理四种。 除机械臂式定位跟踪器以外，其它三种跟踪器都由一个（或多个）信号发射器以及数个接收器组成，发射器安装在虚拟现实系统中某个固定位置，接收器安装在被跟踪的部位。如安装在头部，通常用来跟踪视线方向；如安装在手部，通常用来跟踪交互设备数据手套的位置及其朝向；如果将多个接收器安装在贴身衣服的各个关节部位上，则实时记录人体各个活动关节的位置，经过软件处理可实时跟踪显示人的动作。,（4）人

8、机交互设备 应用手势、体势、眼神以及自然语言的人机交互设备，常见的有数据手套、数据衣服（带传感器的衣服）、眼球跟踪器以及语音综合和识别装置。,三、虚拟现实系统的硬件和软件,1虚拟现实系统的硬件 虚拟现实系统的硬件包括虚拟现实发生器以及输入输出设备。 （1）虚拟现实发生器 虚拟现实发生器用来处理和产生虚拟境界，是任何虚拟系统的核心。它一般由计算机加图形生成器或加速卡组成。计算机可以是个人计算机、工作站或者小型计算机。虚拟现实系统中的计算机主要完成三项任务：数据处理、数据输出、虚拟境界的管理和生成。系统中的计算机必须具有足够高的处理能力，以确保参与者与虚拟境界的交互能实时进行。,（2）虚拟现实输入

9、设备 有两类跟踪系统，分别是有源跟踪系统和无源系统。有源跟踪系统使用两路信号处理输入数据，这种系统通过发射器和传感器跟踪参与者的位置和取向。无源跟踪系统使用一路信号处理输入数据，只有一个传感器用来跟踪位置和方向。 （3）虚拟现实输出设备 虚拟现实系统的输出设备用于将电子信号转变成各种人体感宫可以感觉到的刺激。常用的虚拟现实系统输出设备有头戴式显示器和声音发生器。,2虚拟现实系统的软件 虚拟现实系统的软件用来进行境界构造，包括建模和绘制对象，给这些对象指定行为，提供交互性和编程。虚拟现实软件可分为工具包和创作工具。 工具包即程序库，一般用C或C等编制，利用它所提供的函数集合，熟练的程序员可以生成

10、具体的虚拟现实系统应用。VRML就是这样一个程序库。创作工具是带有图形用户界面的完整软件，通过创作工具只需简单编程就可生成虚拟境界。程序库一般比创作工具更灵活，绘制速度更快，但需要丰富的编程经验。 由于软件的方法对硬件的依赖性不高，相对来说容易实现，而且其适用的范围很广，因此目前发展很快，很多公司纷纷推出软件开发包，以及其它一些工具。,VRP软件简介 VRP是一款由中视典数字科技有限公司独立开发的具有完全自主知识产权的直接面向三维美工的一款虚拟现实软件，是目前中国虚拟现实领域，市场占有率最高的一款虚拟现实软件。,VRP适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、所见即所得。 VRP所有的操作都是

11、以美工可以理解的方式进行，不需要程序员参与。,1菜单栏 2 工具栏 3 Flash窗口 4功能分类面板 5主功能区面板 6视图区 7属性面板 8信息栏 9状态栏,（1）用户首先激活头盔，手套和话筒等输 入设备，为计算机提供输入信号； （2）VR软件收到由跟踪器和传感器送来 的输入信号加以处理； （3）对虚拟环境数据库做必要的更新，调整当前的虚拟环境场景，并将这一新视点下的三维视觉图像以及其他（如声音、触觉、力反馈等）信息立即传送给相应的输出设备（头盔显示器、耳机、数据手套等），以便用户及时获得感官上的虚拟效果，这一过程必须每秒钟发生多次才能使用户感受到实时连续的效果。,典型的VR系统结构,四、

12、用户与虚拟世界交互的过程,进入20 世纪90 年代后，基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能，人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地涌入市场，这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。,五、虚拟现实技术的应用,自然、文化遗产的保护和弘扬 虚拟人机工程学 军事与航天 制造工业,教育与训练 医学领域 商业领域 影视娱乐 规划与设计,六、虚拟现实技术的特征,沉浸性 VR技术最主要的技术特征是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由观察者变成参与者，沉浸其中并参与虚拟世界的活动。,交互性 交互性（Interactivity）的产生，主要借助于VR

13、系统中的特殊硬件设备（如数据手套、力反馈装置等），使用户能通过自然的方式，产生同在真实世界中一样的感觉。,想像性 想像性（Imagination）指虚拟的环境是人想像出来的，同时这种想像体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。,七、虚拟现实系统的关键技术,（1）动态环境建模技术 虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。,（2）实时三维图形

14、生成技术 三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧秒，最好是高于30帧秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，提高刷新频率。这里，图形生成的硬件体系结构以及在虚拟现实的真实感图形生成中用于加速的各种有效技术是关键所在。,（3）立体显示和传感器技术 虚拟现实依赖于立体显示和传感器技术的发展，立体显示技术涉及到人眼的生理原理以及在计算机上如何产生深度线索的技术。 现有的硬件系统如头盔显示器、单目镜及可移动视觉显示器有待进一步研究，光学显示还存在许多局限性；传感器技术中需解决设备的可靠性、可重复性、精确性及安全性等问题，各种

15、类型传感器的性能急需提高。,（4）应用系统开发工具 虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。,（5）系统集成技术 由子虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等。,八、虚拟现实作品,据构成虚拟现实系统的技术设备以及带给观众的不同体验，可以将虚拟现实的艺术作品分为桌面级、沉浸级、增强现实级和分布式四个层次。结合艺术家的作品，不同层

16、次的虚拟显示系统可分为：桌面式虚拟现实；沉浸式虚拟现实；增强现实式虚拟显示；分布式虚拟现实。,1桌面式VR系统（Desktop VR） 桌面式VR系统仅使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互场景。它把计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的一个窗口，参与者需要使用手拿输入设备或位置跟踪器来驾驭虚拟环境和操纵虚拟场景中的各种物体。 在桌面VR系统中，参与者虽然坐在监视器前面，但可以通过计算机屏幕观察360范围内的虚拟环境；可以通过交互操作，使虚拟环境的物体平移和旋转，以便从各个方向观看物体，也可以利用“through walk”进入功能在虚拟环境中浏览。但参与者并没有完全沉浸，他仍然会受到周围现实环境的干扰。 桌面VR系统虽然缺乏完全的沉浸感，但它仍然比较普及，这主要是出于其成本相对来说较低。在桌面VR系统中，用户借助三维眼镜或安装在计算机屏幕上方的立体观察器、液晶显示光学眼镜等一些廉价的设备，就可以产生一种三维空间的幻觉来增加沉浸的感觉；而它采用的标准CRT显示器和立体图像显示技术，又使得系