2022年虚拟现实技术概述黄海 .pdf

1虚拟现实技术黄 海信箱：北京邮电大学信息与通信工程学院2成绩构成n平时成绩：60n作业、课堂表现n两次随机点名n期末成绩：40n考核方式：考查n理论学时：32n学分：260%40%平时成绩期末成绩注：学校若有新规定，按学校规定执行。3教材与参考书n教材n随堂课件n参考书n胡小强,虚拟现实技术,北京邮电大学出版社,2005.7n(美)GRIGORE C.BURDEA(法)PHILIPPE COIFFET著,魏迎梅 栾悉道等译,虚拟现实技术（第二版）,电子工业出版社,2005.84“虚”与“实”n昔者庄周梦为蝴蝶，栩栩然蝴蝶也，自喻适志与！不知 周也。俄然觉，则蘧蘧 然周也。不知 周之梦为蝴蝶与，蝴蝶 之梦为周与？庄子 齐物 论5“I think therefore I am”n柏拉图：真正的世界只是存在于我们的想象中。n笛卡尔：我思故我在！（我在故我思？）n“倘 若要颁发“最佳矛盾奖”，那么“虚拟现实”一词榜上 有名。”数字化生存 作者 尼葛洛庞帝戏言。6n记忆裂痕n虚拟 偶像（SIMONE，又名虚拟 情人、西蒙妮）10 11”、14、21 40”、13、22、12 40”n逃出克隆岛（The Island）n时空悍将（Virtuosity）7、15 30”、20、17n异次元骇客（The Thirteenth Floor，又名十三阶梯、十三度凶间）n黑客帝 国n名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 39 页 -2一、问题的提出89交互的需要n计算 机已成为 信息时代信息处 理的主要工具，成为人类与信息 空间 交流 的主要通道。而在这其中，人机交互 的界 面是一 个主 要的 障碍，特别 是非计算机专业人员如何来 克服这个障碍，轻松 自如地操作计算 机，应对信息 时代的挑战，是近几年研究的一 项热门 课题。n从计算 机发明到现在，人机界面主 要还是通过窗口，基于键盘、鼠标 的WIMP(Windows、Icon、Menu、Pointing、Device)模式，这种模 式是问接的、非直 觉的、有限的，这极 大地影响了用户对计算 机的使用，甚至影响到 人们的 工作与 生活。10科学计算可视化的需要n从60 年代末起，在计算 机技术 的支持下已对科 学计算提 出可视 化的要 求n不仅仅 是 获得和计算 数 据，并且 要 解释 数 据、理 解 数据。即把计算 所得的数字 信息 转换 为直 观 的、用视 频或声频信息 表 示 的、随时 间 和空间 变 化的物 理现 象或 模 拟 的物理现 象n先进 的 科 学计算 将 能洞察 到 传统 科 学 计算 所不 可 能看见的结果（To see the unsee），可视 化是 把 某些 不可见对象 或抽 象事物 转 化 为可见 的、可 感 知的 结果n“The purpose of computing is insight,not number”-Richard Hamming,Numerical Methods for Scientists and Engineers11n自90 年代 初起，在高性能 计算的支持下 要求实现 沉浸式、协同 式的可视化计算n人机 和 谐、定 性 定量结合 是 创造性 研究 的源泉，要求 不 仅仅是 观察 计算 所得的数 据，希望 还能 感受 计算 所 得的形 象结果 和 全局观念n研究 人 员甚至还 希望能沉浸在计算 所 得、计算 所创建 的三维空间中，能 交互地 控制、驾驭 和 修改所“看见 和感受 到”的计算 结果n为研究 人员 在认识 世界 和改造 世界 时，提供 了 有 效的、定性和 定 量相结合 的研究 手段，为 创建 和 谐的人 机 环境 提 供基础12n自90年代中旬以来，在网络 计算技术 的支持下 要求实现协同 式的可视化 计算n解决复杂 问题，必须跨领域合作集体攻关n网络 技术 已基 本成熟，基于网络 计算可 实现资源共享n基于统一的 开放体系框架结构、应用 程序接口和面 向对象的中间 件，已能实现“优势互补”、“即插即用”的协同 式的可视 化计算名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 39 页 -313n如今每天 面对着大量的信息 资讯n如何智能处理和高效 利用这 些来自于客 观世界的海量信息?n如何扩展 人类的感知通道，提高人类对 跨越时空事物和复杂 动态 事件的感知能力，实现 人与信息空间的 自然、和谐的交互?n这些都已渐渐 成为人类面临的一个新挑战，而虚拟现实技术 是解决这个挑战 最有效的方法途径，如图所示。14人海量信息客观世界虚拟现实技术WIMP界面信息社会中虚拟现实技术的应用15n目前，虚拟现实技术已 成为 计算 机相关领域 中 继多媒 体 技术、Internet网络 技术 之 后关注 及 研究、开 发 与应用 的热点，也 是目前 发展 最快 的一 项多 学科 综 合技术。n虚拟现实 从 英文“Virtual Reality”一词 翻 译 过来，“Virtual 的含义 即这个 世界 或环境 是虚拟 的，不是真 实 的，是 由计算 机 生 成的，存在于 计算 机内部 的世界，“Reality”的 含义 是现实 的世界 或 现实 的环境，这 里的“现实”实 际上是 泛指 在物 理意义 上 或功 能上存在于世界的任 何 事物 与环境，它可 以 是客 观存在的，也 可以 是在客 观 世界 难以 实现 或根 本无 法实现 的，把两者 结合 起来 就称 为虚拟现实，也 就是 说本 来 不存在的 事物 和环境，通过 各种 技术虚拟出来，感 觉到如 同处 在真 实世界的一 样。16n虚拟现实技术，又称“灵 境技术”、“虚拟 环境”、“赛伯 空间”等，这项 技术 原 来是美 国 军 方开 发 研究 出 来 的一项计算 机技术，主要用 于 军事上的 仿 真，一 直到20世 纪80年代 末，虚拟现实技术才 开始作为 一 个较完整 的体系 而受到 人们的 极 大 关 注。n是 20世纪以 来科 学技术 进 步 的结 晶，集中 体 现 了计算 机技术、计算 机 图 形 学、传感 技术、人 体 工程 学、人机 交互 理论等 多个领域 的最 新成 果。n以 计算 机技术为 主，利 用计算 机等 设备 来 产 生一 个 看 起来像真的，听 起来 像真的，摸起来 像真的三 维 虚拟 世界，这个 虚拟 世界是人 工建造 的，存在于 计算 机 内部 的环境。在这个 虚拟 世界中，能实时 产生与 真 实 世界 相同 的感 觉，使人 与虚拟 世界 融 为一体，人们 可 以 直接 观察 周围世界 及物体 的 内在变 化，与虚拟 世界中的物体 之间 进 行自然 的 交互(包括 感 知环境 并 干预 环境)。17n虚拟现实技术的发 展 与 普及，对我们 有 十分 重 大的意义。它改变 了过 去人与 计算 机之间 枯燥、生 硬、被动 的交流 方式，使 人 机 之问的 交互 变得更加 人 性化，为 人 机交互 界 面开创 了 新 的 研究 领域，为 智能 工程 的应用提 供 了新的界 面平台，为 各 类工程 的 大规 模数 据可视 化 提供 了 新的描述 方法，也 同 时 改变 了 人们的 工作方式 和生 活方式，改变 了 人们的思想 观念。n虚拟现实技术已成为 一 门艺术，是一 种 文化，深入 我们的生活中。据 有关权威 人 士断 言，在 21世纪，人 类将进 入 虚拟现实 的 科技新时 代，虚拟现实技术将是 信息 技术 的 代表，与多媒 体 技术、网络 技术 并称 为三 大前 景最 好 的计算 机技术。n同时，虚拟现实技术已 成为 继 科学实 验 和理论分 析之 后 人类认识 和 改造 客观 世界 第三种 手段。18n在20世纪的最 后十年中，哪些信息技术 对未来信息 社会产生深 刻影响n信息 资源环境 的普适化：信息 技术 的全面嵌入和普适应用n信息 资源环境 的智能化：基于面向对象方法 发展，发展面向Agent 技术n信息 资源环境 的协同化：人在 网络 中基于网格和海量信息 的处理n信息 资源环境 的沉浸化：可视 化计算和 虚拟现实技术名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 39 页 -419Original Food Chain Picture示例201980s Computer Food ChainMainframeVector SupercomputerMini ComputerWorkstationPC示例21MainframeVector SupercomputerMPPWorkstationPC1990s Computer Food ChainMini Computer(hitting wall soon)(future is bleak)示例22Computer Food Chain(Now and Future)示例23European Organization for Nuclear Research示例24示例名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 39 页 -525虚拟现实概念n虚拟现实 就是采 用 以 计算 机技术为核心 的现代 高 技术 生成 逼真的 视、听、触 觉一 体化的一 定范 围 的 虚拟 环境，用户可 以借助 必 要的 装备 以 自然 的方式与虚拟环境 中的物 体进 行交互作用、相 互影响，从而获得 亲临等 同真 实 环境 的 感受 和体 验。n虚拟现实（Virtual Reality,VR）技术 是 近年来计算机 领域 的又一 个研究热 点。虚拟现实技术充 分 利 用计算 机 硬件 和软 件的集 成技术，提 供 一 种实时、三维 的 虚拟 环境，用户 借助 必要的 设备（如头盔，手套等）以自然方式与虚拟环境 中的物体进 行 交互，从而 沉浸 于虚拟 环境 中，产生接近 真实 环境 的感受 和 体 验。虚拟 环境 是由 计算 机 生 成 的实时 动态 的三 维 立体逼 真图像，它 可 以 是某一 现实 世界的 再现，也 可以 是虚拟构想的世界。虚拟现实的发 展 对科 学 进 步和社 会 发展产 生 了深远 的 影响。26n关 于 虚拟现实 的 定义，可 以从 狭义 和 广义 两 个 层面来 理 解n所谓狭义的，被认为是一种先进的人 机界面(人机交互方式)，在这种情况下，虚拟现实技术 被称之为“基于自然的人 机界面”，在此环境中，用户 看到的是彩色 的、立体的景象，听到的是虚拟 环境中的声响，手、脚等可以感受 到虚拟环境 反馈给他 的作用力，由此使用户 产生一种身临其境的感觉。换言之，人以与感受真实世界一 样的(自然的)方式来感受 计算机生成的虚拟世界，具有与在真实世界中一 样的感觉。n广义的，即对虚拟想象(三维可视 化的)或真实三维世界的 模拟。它不仅仅是一 种界面，更主要的部分是内部的模拟。人机交互界面采用虚拟现实 的方式界面，对某个特 定环境 真实再现后，用户通过 自然的方式接受和响应模 拟环境 的各种感官刺激，与虚拟 世界中的人 及物体进行思想和行为等方 面的交流，使用户 产生身临其境的感觉。27n虚拟现实 系统 产 生的 虚拟 世界不 同 于一 般的 虚拟 世界，虚拟现实 产 生的 虚拟 世界 可 以称 作“三 维 的、由 计算 机生 成 的、存在于 计算 机内部 的 虚拟 世界”，这个 世界 或环境 是人 工 构造的，是存在于 计算 机 内部 的。这种 虚拟 的世界，通 常 有两种情 况。n一种 情 况是真 实 世界的 再现。如文 物 保护 中真 实 建筑 物的 虚拟重 建。这种 真 实建筑 物可 能是已 经 建 好的，或 是已 经 设 计好但尚未 建 成的，也 可 能是 原来完 好 的，现 在 被 破坏 了 的。n另一 种 情况 是完 全虚拟 的人 造世界。如 在虚拟 风 洞中，借助可视 化 技术 构造 的虚拟 风 洞 世界 或 在三 维 动 画设 计中 形成 的，人工 构造 的 虚拟 世界。如果 涉及界 面，则称 之 为“具 有虚拟现实 界 面的 由计算 机生 成的三 维虚拟 世界”。n而一 般 虚拟 世界的 定义，也 就成了“使 人有参与 感、可 与 之交互 的 非真 实的世界”，这种 世界 并 不一 定 是 由 计算 机 生 成的，人的 参与 感、沉浸性 也 不一 定 要像 虚拟现实 系统 那 样 强烈。28n综上所述，虚拟现实技术的定义可以归纳如下：n虚拟现实技术是 指采 用以 计算 机技术为核 心 的 现代 高 科 技生 成 逼真的 视、听、触觉 等 一体化的 虚拟 环境，用户 借助必 要的 设备 以 自然 的 方式与虚拟 世界中的物体进 行 交互，相 互影响，从而 产生 亲临 真 实环境 的 感受 和 体 验。这 里 所谓 虚拟 环境 指 计算 机 生成 的 具有色彩鲜 明 的 立 体图 形，它可 以 是某 一特 定现实 世界的真 实体 现，也 可 以 是纯粹 构 想的 虚拟 世界。必 要的 设备指包括 立 体 头盔 式 显 示器、数 据手 套、数 据衣 等 穿戴 于用户 身上的 设备 和 设 置 于现实 环境中的 传感 设备(不 直接 穿戴 在 身 上)。自然 交互 是指 用 日常使用 的方式 对 虚拟 环境 内 的物 体进 行 操作 并得到 实时 立 体反馈，如 手的 移 动、头的 转 动、人的 走动 等。29n虚拟现实 系统 中的虚拟 环境，可能有下列几种情况：n第 一 种情况 是 模 仿真实 世界中的 环境。例 如，建 筑物，武器 系统，或 战 场环境。这种 真 实 环境，可 能是 已经 存在的，也 可 能 是 已经设 计 好但 还 没 有 建成 的。为 了逼 真地模 仿真实 世界中的 环境，要求 逼 真 地建 立 几何模 型 和物 理 模型。环境 的动态 应 符 合物 理规 律。这 一类 虚拟现实 系统 的功 能，实 际是 系统 仿真。n演 示：居室 环境 的仿真 和 漫游30名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 39 页 -6313233n第二 种情况是人类主 观构造 的环境。例如，用于影视制作或电子 游戏的三 维动画。环境是虚构的，几何模 型和物理模型也可以完全虚构。这时，系统 的动画技术常用插值方法。n演示：三维动画场景34n第三种情况是模仿真实世界中的人 类不可见的环境。例如，分子 的结构，空气中速度、温度、压力的分布等。这种真实环境，是客 观存在的，但是人 类的视觉和听觉不 能感 觉到。对于分子 结构这类 微观环境，进行放大尺度的 模仿，使人能看到。对于空 气中速度这类 不可见的物 理量，可以用流 线显示速度（流线方向表示速度方向，流线密度表示速度大小）。这一类虚拟现实 系统 的功能，实 际是科学可视化。n演示：三维环 型分子结构、ParticleWorld35n从虚拟现实技术 的相关 概念可以看出，在人 机交互的方面有了很大的改进：n人机接口 形式的改进：传统的计算机常规交互使用计算 机 屏幕、键盘、鼠标、打印机等 接口设备，这 些设备很好地完成了各类数据和多媒 体信息的交互，但这类设备 是面向计算机 的。而在虚拟现实 系统中，采用头盔 式显示器、数据手套、空间 跟踪设备，通过这 些设备，人可以利用自己的视 觉、听觉、力觉等来感知环境，用自然的方式实现与 环境 互动。这些设备不是特别为计算机设计的，而是专门 为人设计的。这也是虚拟现实技术 中最 有特色的 内容，充分体现了计算机人机接口的新方向。n人机接口 内容的改进：计算机从20世纪40年代发明以来，最早的应用就是数值计算。当时，计算机 和用户 的交互 内容是与计算有关的数 值。此后，计算 机扩大到处 理数值、字符 串、文本等各类数据。近年来，计算 机更扩大到处理图像、图形、声音、语言 等多种媒体的信息。虚拟现实 系统 中，由计算机提供的不是“数 据”、“信息”，而是“环境”，以环境 为计算 机处理的对象和人机交互的内容。人机交互 内容的改进，开拓了计算 机应用的 新思路、体现了计算机应用的新方向。n人机接口 效果的改进：虚拟现实 系统 中，用户通过基 于自然 的特殊设备，得到逼真的感知效果，使人产生身 临其 境的感觉，好像人置身于真实世界中的一 样，这也就大大改进了人机 交互的效果，同时也体现了人机交互 的一 个发展要求。36n由 于 虚拟现实技术产生的 具有交互 作用 的虚拟 世界，使得 人机 交互 界面 更加 形 象和 逼 真，激 发 了人们 对 虚拟现实技术的兴趣。近十 年来，国内 外 对虚拟现实技术的 应用 较广泛，在军 事与 航空 航 天、科技 开 发、商 业、医疗、教 育、娱乐 等 多个 领域 也得到 越来 越广 泛 的应用，并取 得了 巨大 的经济 效 益与社 会 效益。正是 因为虚拟现实技术是一 个 发展前 景非 常广阔 的新技术，人们 对它 的 应用 前 景充 满 了憧憬。n美 国各 个国 家 计算 中心 和 有关部 门 都提 出迎 接21世 纪技术 发展 的相 应规 划，如：DOE 2000 和NSF的PACI等名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 39 页 -737国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006 2020 年）n信息 领域的前沿技术有 三项n智能感 知技术n自组织 网络 技术n虚拟现实技术38n虚拟现实技术：重点研究 心理学、控制 学、计算机图形学、数 据库设计、实时分 布系统、电子学和多媒 体技术等 多学科融合的技术，研究 医学、娱乐、艺术与教 育、军事及工业 制造管理等 多个相关领域 的虚拟现实技术和系统。摘自：国家中长期科学和技术发展规划纲 要（2006 2020 年），中华人民共和国国 务院2006年2月9日发布39n虚拟现实技术 专题：重点研究计算 机图形学、实时分布系统、人机交互、心理学、控制 学、电子学、人工智能和多媒 体技术等虚拟现实 相关 理论和技术，以及多 学科技术 的融合和集成；研制具有我国完全自主知识产权 的虚拟现实 应用 系统开发工具与开发环境；开发工业 制造、城市 规划、教育、军事、医学、文化等多个领域 的虚拟现实应用系统。863计算 机主题专 家组 40与“Virtual Reality”类似的概念及意译n70年代，M.W.Krueger曾 提出“人 工现实（Artificial Reality，简称 AR）”，它用来 说明 由Ivans Sutherland 在1968 年 开创 的 头盔 式三 维显 示 技术 以 来 的许多 人 工 仿真现实；n在1984 年，美 国科 幻作 家William Gibson提 出另一 个 词“电 脑 空间（Cyber Space）”,它 是指 在世界 范围内 同 时体验 人 工现实；n类似 的词 还 有：n“人 工 环境（Artificial Environments）”；n“人 工 合成 环境（Synthetic Environments）”；n“虚拟 环境（Virtual Environments）”；n在1989 年Jaron Lanier 创造 Virtual Reality一词。41虚拟现实发展的三个动力n追求、探求、需求(计算 机科学工作者 不断追求的三个目标：使计算 机系统 更快捷，更聪明，更和谐)n使人机界面、人机交互 自然、友好是计算 机科学工作者 不懈追求的目标。n计算 与仿真成为科学技术 探索除 理论 研究、科学实 验之外的第三种手段n人们在 许多领域所 需解决的问题 越来越需要有力的预测手段 和虚拟 环境。二、发展历程名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 39 页 -843虚拟现实的里程碑工作nIvan Sutherland 的“终极显示”n1966年MIT 研究了 HMD n1980年的 SIMNET计划n90年代的STOW计划44n虚拟现实 经过军事、企业界及学术实 验室 长时间研制开 发后才 进入民用领域。n虽 然 它在20世 纪80年代 后 期被 世人 关注，但早在20世纪50年代 中期 就 有 人提出 这 一构 想：计算 机刚在 美 国、英国 的一 些大学 相 继出现，电子技术还处 于以 真空 电子 管 为基 础 的时候，美 国 的Morton Heilig就成功 地 利用 电影 技术，通过“拱廓 体 验”让观 众 经历了 一 次沿 着美 国曼哈顿 的想象之 旅。但 由 于 当时各 方 面的条 件 制约，如 缺乏 相 应的 技术 支持、没 有 合适 的传播载 体、硬 件 处理设备 缺乏 等 原 因，虚拟现实技术没 有得到 很 大的发 展，直到 20世 纪80年代末，随 着计算 机技术 的 高 速发展及 互联 网技术 的 普及，才使 虚拟现实技术得到 广 泛 的应用。45n虚拟现实技术 的发 展大致分为三个阶段：n从20世纪的50年代到 70年代，是虚拟现实技术的探索 阶段；n80年代初期到80年代 中期，是虚拟现实技术 系统化，从实验室走 向实用的阶 段；n80年代末期 到本世纪初期，是虚拟现实技术 高速发展的阶 段。46n1962 年，美 国 电影 摄 影师Morton Heilig 研制 出一 套 称为Sensorama 的立体电 影 系统，这 是一 套只能供 一个人观看，具 有多种 感 官刺激 的 立 体显示设备，它 是模拟电子技术在 娱乐 方面的具 体 应用。在 观看 时，它 生 成立体的图像、立体的 声 音 效果，并 产生不同的 气 味，座位 也 能 根据剧 情的 变化产生 摇摆 或振动，还 能感 觉 到 有风在吹动。在 当时，这 套 设备 非 常 先进，但观 众 只 能观看，而 不能改变所看 到的和 所感受 到的世界，也 就 是 说无 交互操 作 功 能。47n1965年，计算 机图 形 学 的奠 基 者、图 灵 奖获得 者美 国科 学 家伊凡 苏泽兰(Ivan Sutherland)博 士在一 篇 名为“The Ultimate Display(终极的 显 示)”的论 文中，首 次提出 了 一 种全新 的、富有挑战 性 的图 形 显 示技术，即能否 不 通过计算 机屏幕 这个窗口来 观看 计算 机 生 成的 虚拟 世界，而 是使 观察 者直接 沉浸 在计算 机 生 成的虚拟 世界之中，就像我们生 活在客观世界中一 样：随 着 观察 者随 意地 转 动 头部与 身 体(即改变视点)，他 所看 到 场景(即 由计算 机 生成 的虚拟 世界)就 会随 之发生 变 化，同时，他 还可 以 用 手、脚 等 部位以 自然 的 方式与虚拟 世界 进行交互，虚拟 世界 会产 生 相 应的反 应，从而使 观察者有 一 种身临 其 境 的感觉。这一 理论 后来被 公 认在 虚拟现实技术 中 起着里 程 碑 的作用，所以 我们 称Ivan Sutherland既是“计算 机图形 学”之 父，也 是“虚拟现实技术”之 父。48n在随 后 几年 中，Ivan Sutherland在 麻省 理工学 院(MIT)开始头盔 式 显 示器(HMD)的研 制 工作，人们 戴上 这个 头盔 式 显示器就 会 产 生身临 其 境 的感觉。在1968 年，Ivan Sutherland使用 两 个可 以戴 在 眼睛 上的 阴 极射 线管(CRT)研 制出 了第 一个头盔 式 显示器，并 发表了“Head-Mounted 3D Display的论文，对 头盔 式 显 示 器装置 的 设计 要 求、构造 原 理进行 了 深入的 分 析，并描 绘 出 这个 装置 的设 计 原 型，成为 三维立 体 显示技术 的 奠基性 成 果。在第 一 个HMD 的 样 机完成 后 不 久，研制 者 们又 反复 研究，在此 基 础上 把 能 够模拟 力 量和触 觉的力反馈装置 加入 到这个 系统 中，并 于1970 年研 制 出了 一个功能 较 齐 全的头盔 式 显示器 系统，如 图1-3所示。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 39 页 -94950n基 于20世纪 60年代 以来 所 取得 的一 系列 成 就，美 国 的VPL公司 的创 始人JaronLanier 在 20世 纪80年代 初 正式提 出 了“Virtual Reality”一词。当时，研究 此 项 技术 的目 的是 提供一 种比 传统 计算 机 模拟 更 好的方法。n进 入20世纪 80年代，美 国 宇航 局(NASA)及 美国国 防 部 组织了 一系 列有 关 虚拟现实技术的研究，并 取得了 令 人瞩目 的 研究 成果，从而 引起了 人们 对虚拟现实技术的 广泛 关注。n1984 年，NASA Ames 研究 中 心 虚拟行 星 探测 实 验室 的M McGreevy 和 J Humphries 博士 组织 开发了用 于火星 探测的 虚拟 世界 视 觉显 示器，将火星 探测 器 发回 的数 据输入 计算机，为 地面研究 人 员构造 了火星 表 面的三 维 虚拟 世界。在 随后 的虚拟 交互 世界 工作 站(VIEW)项 目中，他们又 开 发了通用多 传感 个人 仿 真器 和遥 控 设备。51n1992年，Carolina Cruz-Neira等建 立 的大型VR系统 CAVE，在SIGGRAPH 92 上以独特 的 风貌 展现 在人们 面 前，标志着这 一 技术 已登 上 了 高新技术 的舞 台。nCAVE可 让 一 个或 多 个 人感到 被 高分 辨率的三 维 图像、声 音 彻底 包围。CAVE是由3个 后 投 影墙(3m 2.75m)，一 个下投 影 屏 作地板 形 成 的房间。高 分辨率(1280 512 像 素)投影 仪 以120Hz 的场刷 新 率 显示计算 机 生成 的 立体图像，同时，计算 机控制 的 放大器 通过 扬声器网转 播播 放的 声 音。在CAVE内部，用户 佩 戴 一副选择左、右图像的 立体光栅眼镜，最终 结果 是浸入 虚拟 环境的强 烈 感 觉。52CAVE53n1993年 的11月，宇 航 员利用 虚拟现实 系统 的 训练 成功 地 完成了从 航 天 飞机的 运输舱 内取 出新 的 望 远 镜面板 的 工作，波 音公司 在一 个由数 百 台 工作 站 组 成的 虚拟 世界中，用虚拟现实技术 设 计 出由300 万个 零件 组成 的波 音 777飞 机。n1996年 10月 31日，世界 第一 个 虚拟现实技术博览 会在 伦敦开幕。全 世界的人们 可以通过 因特 网 坐 在家中 参 观这个 没 有场地、没 有工作 人 员、没有 真 实展 品 的 虚拟 博览 会。这个 博览会 是 由英 国虚拟现实技术公司 和 英 国 每日 电 讯 电子版联合 举办 的。人们 首 先通过 电 话线 将 电 脑与因 特 网相 连，输入博览 会 的网址，即可 进入展 厅和 会场 等地，而且 全 部是 立体图像。展厅内 有大 量的展台，人们 可从 不同 角 度和 距离 观看展台 和 展品。如 果 用鼠标 点 一下 展台 上人物的 照片，这个人物 便 会“活”起来，甚至 向 你做 一 番介绍；如 果你 在参 观中看 到 一 扇门，你 只要 用鼠标 点击 一 下门 上的 把 手就 可以 将门打 开，并把 你带 到 另一个 房 问。54n1996年12月，世界 第一个虚拟现实 环球网在英国投入运行。这样，因特网用户便可以在一 个由立体虚拟现实 世界 组成的网络 中邀游，身临其境般地欣赏各地风光、参 观博览 会和到大学课堂 听讲座等等。输入世界最 大的虚拟现实技术 软件公司 之一 英国“超景”公司 的网址之后，电脑屏 上将 出现“超级城市”的 立体图像，并可 看到其中散步的人们。用户可从“市中心”出发参观虚拟超级 市场、游艺室、图书馆和大学等 地。如果遇到解说员，只需用鼠标在其像片上点一下，他就会用文字或声 音向用户 介绍有关情况。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 39 页 -1055三、国内虚拟现实研究现状57n主要研究单位n浙江 大学 CAD&CG国家重点实验室n北航虚拟现实技术与系统 国家重点实 验室n中国人民解放军国防科学技术大学n中国科 学院软件所、计算 所、心理所n北京理工大学n武汉大学 测绘遥 感信息 工程国家重点实 验室n清华大学 国家CAD支撑软件工程研究 中心n5859高效几何建 模60名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 39 页 -116162636465人机交互66名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 39 页 -126768697071并行绘制72名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 39 页 -1373分布式 虚拟战场四、VR技术的基本特性75n虚拟现实 系统 提 供了一 种 先进 的人 机 界面，它通过 为 用户提 供 视觉、听 觉、触觉 等 多 种直 观 而 自然 的 实时 感知 交互的 方法与 手段，最大程 度 地 方便 了用户 的 操 作，从而 减轻了用户 的负担、提高了 系统 的工作 效 率，其 效率 主要 由系统 的 沉浸程 度 与 交互 程 度 来 决定。美 国科 学 家Burdea G和Philippe Coiffet在 1993 年 世界 电子 年 会上发 表 了一篇题 为“Virtual Reality Systern and Applications”的文 章，在 该 文中提 出 一 个“虚拟现实技术的三 角 形”，它表 示出虚拟现实技术具 有的三 个 突 出特 征：沉浸性(Immersion)、交互 性(Interactivity)和 想象 性(Imagination)，如 图1-6 所示。76虚拟现实技术的三个特性77沉浸性n沉浸性 又称 浸 入 性，是 指 用户 感觉 到好 像完 全置身 于虚拟 世界之中一 样，被 虚拟 世界 所包围。虚拟现实技术的 主要技术特 征 就是让 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 由被动 的观察 者 变成 主动 的参与者，沉浸于 虚拟 世界之中，参与虚拟 世界的 各种活 动。比 较 理想的 虚拟 世界 可以 达 到使用户 难 以 分 辨真假 的 程度，甚至 超越 真 实，实现 比现实 更 逼 真的 照 明和 音 响等 效果。n虚拟现实 的 沉浸性 来源 于 对虚拟 世界的 多感 知性，除了我们常 见 的视觉 感 知、听觉 感 知外，还 有力 觉感 知、触 觉感知、运 动 感知、味 觉 感知、嗅 觉感 知、身体感 觉 等。n从 理论 上来 说，虚拟现实系统 应该 具备 人在 现实 客 观世界中具 有 的所有 感 知 功能。但 鉴于 目前 科学技术 的局 限 性，在 虚拟现实 系统 中，研究 与 应用 中 较为成 熟或相 对成 熟 的主要是视 觉 沉浸、听 觉 沉浸、触 觉沉浸、嗅觉 沉浸，有 关 味觉等 其他 的 感知技术 正在 研究 之中，还很 不成 熟。781视觉沉浸n视觉 通 道 是给人的 视 觉系统 提 供图形 显示。为 了提 供 给 用户 身临其 境 的 逼真感 觉，视觉通 道 应该满 足一 些 要求：显 示 的像 素应该足 够 小，使 人不 至于感 觉 到像素 的不 连 续；显 示 更 新的 频率应 该足 够高，使 人不 至于 感 觉到画 面的不 连续；要 提 供具 有双目 视 差 的图 形，形 成立体 视 觉；要 有足 够 大的视 场，理 想情况是 显 示 的画面 充 满 整个视 场。n虚拟现实 系统向 用户提 供虚拟 世界真 实的、直观的三 维 立体 视图，并直接接 受 用户 控制。在 虚拟现实 系统 中，产 生 视 觉方 面的沉浸性 是十 分 重 要的，视 觉 沉浸性 的建 立 依赖 于 用户 与合 成图像的 集 成，虚拟现实系统必须向 用户提 供 立体三 维效果 及较宽的 视 野，同时随 着 人的 运动，输出的 场景 也随 之 实时 地 改变。n较理 想的 视觉沉浸环境 是在 洞 穴式显 示设备(CAVE)中，采用多面 立 体 投影系统 可得到 较 强 的视觉 效果。另外，可 将 此系统与真 实 世界 隔离，避免 受到 外 面真实 世界的 影响，用户可获得完全沉浸 于虚拟 世界的 感觉。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 39 页 -14792听觉沉浸n声音通道是除视觉外的另一个重要感觉通道，如果在虚拟现实 系统 加入 与视觉同步的声音效果 作为 补充，在很大程度上 可提 高虚拟现实 系统 的沉浸效果。n在虚拟现实 系统 中，主要让用户 感觉到的是三 维虚拟声音，这与普通立体声 有所不同，普通立体声 可使人感觉声音来自于某个平面，而三维虚拟 声音可使听者能感 觉到声音来自于围绕双耳 的一 个球形中的任何位置。它可以模拟大 范围的声音效果，如闪电、雷鸣、波浪声等自然现 象的 声音在沉浸 式三维虚拟世界中，两 个物体碰撞 时，也 会出现 碰撞 的声音，并且用户 根据声音能准确判 断出声源 的位置。803触觉沉浸n在虚拟现实 系统 中，我们 可以借助 于各种特 殊的交互 设备，使用户 能体 验抓、握等操作的感觉。当然从现在技术 来说不可能达到与真实世界 完全相同 的触觉沉浸，将来也不可能，除非技术 发展到同人脑能进 行直接交流。n基于目前的技术 水平，我们 主要侧重于力反馈 方面。如使用 充气 式手套，在虚拟 世界中 与物体相接触时，能产生与真实世界 相同 的感觉，如用户在打球时，不仅能听到拍球 时发出的“嘭嘭”声，还能感受 到球对手的反作用力，即手上感到有一种受压迫的感觉。814嗅觉沉浸n有关嗅 觉的 模拟的 开 发是最 近几年 的一 个课 题，在日 本 最新开发 出 一 种嗅觉 模 拟 器，只要 把 虚拟 空间中的 水果放 到鼻尖 上一 闻，装置 就 会 在鼻尖 处释 放出 水果 的 香味。其基本原理 是 这 一装置 的 使用 者先 把能放 出 香味 的 环状的 嗅 觉提示装置套 在手上，头 上戴着 图像 显示 器，就 可以看 到 虚拟空间的 事 物。如 果看 到苹果 和香蕉 等 水果，用指尖 把 显示器拉 到 鼻尖 上，位 置 感知装置 就 会检 测出 显 示器和 环 状嗅觉提 示 装置 接近。环 状装置 里装 着八 个小 瓶，分 别 盛 着八种水 果 的 香料，一 旦 显示器 接近，气 泵就 会 根据显 示 器上的 水 果形 象释放 特 定 的香味，让 人闻 到水 果 的飘香。n虽然这 些 设备 还不是 很 成熟，但对 于虚拟现实技术来 说，是在 嗅 觉 研究 领域 的一 个突破。825身体 感觉沉浸、味觉沉浸等n在虚拟现实 系统 中，除了需要 实现以上的 各种感觉沉浸外，还有身体的各 种感觉、味觉感觉等，但基于现在的 科技水 平，人们 对这些沉浸性 的形成的机理 知之较 少，还处 于初级程度，有待进一步研究 与开 发。83交互性n在虚拟现实 系统 中，交互 性 的 实现与 传统 的多媒 体技术有 所不同n在传统 的 多媒 体 技术 中，人 机 之间的 交互 工具从计算 机发 明直到 现 在，主要是 通过键盘 与 鼠标 进 行 一维、二 维的 交互n虚拟现实 系统 强 调 人 与虚拟 世界之间要以自然 的 方式 进行 交互，如 人的 走动、头 的转动、手的 移 动 等，通过这 些，用户与虚拟 世界 进行 交互，并且 借助 于 虚拟现实 系统 中特 殊的 硬件设备(如 数 据手 套、力 反馈 设备 等)，以自然 的 方式与虚拟世界 进 行 交互，实时 产生在真 实世界中一 样的 感 知，甚至 连用户 本 人 都意 识 不 到计算 机 的存在。n例如，用户可 以 用 手 直接 抓 取 虚拟 世界中的物体，这 时手 有触摸 感，并可 以感 觉物 体的 重 量，能 区 分所拿 的是 石 头还 是海绵，并且 场景 中 被 抓的物 体 也立刻 随 着手的 运 动而 移动。84n虚拟现实技术的交互性具有以下特 点：n虚拟 环境