虚拟现实技术与应用实践iapt.docx

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1、内容提要本书是新世纪高职高专教改项目成果教材。在书中主要介绍了虚拟现实技术的基本概念、虚拟现实系统的组成、虚拟现实系统的硬件设备、虚拟现实的相关技术、虚拟现实技术在现实世界中的应用。全书共有6 个章节，内容包括：概论、虚拟现实系统的硬件设备、虚拟现实系统的相关技术与软件、全景技术、网络三维互动Cult3D、虚拟现实建模语言VRML。附录中附有VRML 的关键字和域参考等。本书内容较为全面且涉及面广，在编写时本着侧重于普及、推广及应用的原则，内容方面没有过多涉及有关虚拟现实技术的算法理论及程序等。本书既介绍了虚拟现实技术的必要理论，又介绍了具有代表性的虚拟现实软件的使用，并采用实例进行讲解，使读

2、者能在较短的时间内达到入门及应用的效果。本书适合于高等职业学校、高等专科学校、成人高校、本科院校举办的二级职业技术学院，也可供示范性软件职业技术学院、继续教育学院、民办高校、技能型紧缺人才培养使用，还可供本科院校、计算机专业人员和爱好者参考使用。图书在版编目（CIP）数据虚拟现实技术与应用胡小强主编. 北京：高等教育出版社，2004.4ISBN 7-04-014758-0. 虚 . 胡 . 虚拟技术-高等学校-教材 . TP391中国版本图书馆 CIP 数据核字（2004）第024745 号策划编辑 冯 英 责任编辑 焦建虹 封面设计 王凌波 责任绘图 宗小梅版式设计 王艳红 责任校对 存 怡

3、 责任印制出版发行 高等教育出版社 购书热线 010 - 64054588社址 北京市西城区德外大街 4 号 免费咨询 800-810-0598邮政编码 100011 网址 总机 010 - 82028899 经 销 新华书店北京发行所印 刷开 本 7871092 1/16 版次 年 月第 1 版印 张 14.5 印次 年 月第 次印刷字 数 350 000 定价 18.50 元本书如有缺页、倒页、脱页等质量问题，请到所购图书销售部门联系调换。版权所有 侵权必究前 言近几年来，虚拟现实（Virtual Reality）技术成为一项十分热门的技术，越来越多的人员投身到这个研究领域，致力于虚拟现实

4、技术的研究、开发及应用推广。虚拟现实技术、理论分析和科学实验已成为人类探索客观世界规律的三大手段。据权威人士断言，虚拟现实技术将是21 世纪信息技术的代表，由此可见其重要性。虚拟现实技术给我们带来了什么？第一，它改变了我们的观念，从以前的“以计算机为中心”变为“人是信息技术的主体”；第二，它改进了人机交互方式，由过去人机之间枯燥、被动的方式变成了人通过手和声音等自然的交互方式与机器交流，人机融为一体；第三，改变了人们生活与娱乐的方式。总之，虚拟现实技术的出现必将对我们的生活、工作带来巨大的冲击，虚拟现实技术是一个值得关注的重要技术。虚拟现实技术是20 世纪以来科学技术进步的结晶，在虚拟现实系统

5、中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。也正是由于这些特点及其在应用中的魅力，深深地吸引了科技界的研究人员进行孜孜不倦的探索，但同时我们也意识到，我国虚拟现实技术的水平离人们心目中追求的目标尚有较大的距离，与国外虚拟现实技术的研究与应用也存在较大的差距，因此该项技术需要我们进一步研究、开发及完善。现在存在的问题有：硬件方面相应的交互设备较少，现有的设备价格十分昂贵；软件工具方面存在着语言专业性过强、通用性差、开发费用高等问题。同时，有关嗅觉和味觉的建模和传感技术在虚拟现实中的应用还没有实现，即使对于目前相对较成熟的视觉、听觉和触觉的建模和再

6、现技术，要达到理想的真实感和实时性仍然有较大的距离。美国一家杂志社在评选影响未来的十大科学技术时，评选结果为Internet 位居第一，虚拟现实技术名列第二。最近几年来，Internet 的应用变得十分广泛，媒体也吵得沸沸扬扬，相比之下，虚拟现实技术仍像刚刚问世的电脑、互联网络一样，还没有引起人们的足够重视。该项技术在国内介绍较少，业界也重视不足。基于以上几个原因，我们觉得有必要在高等教育中增加有关虚拟现实技术的教学内容，吸引更多的人去了解它、关注它、研究它、应用它，以推动我国虚拟现实技术的发展。目前虚拟现实技术的应用面较广，涉及军事、航空、教育、建筑、医学、工业、文化、艺术与娱乐等领域。本书

7、在编写中主要侧重于虚拟现实技术的应用，在书中介绍虚拟现实技术的基本概念、虚拟现实系统的硬件设备、虚拟现实中的相关技术，还介绍了基于实用的几个桌面虚拟现实工具软件，而有关虚拟现实技术的理论如建模方法、优化、压缩算法及程序等内容可参阅其他有关资料。本书在介绍虚拟现实技术必要理论的同时，主要侧重于系统介绍虚拟现实系统的硬件与软件以及桌面虚拟现实工具软件的使用。全书共有6 个章节：II 前言第1 章概论，主要介绍虚拟现实技术的概念、组成、特性，并对虚拟现实技术在各领域的应用及国内外的研究现状、应用现状作了介绍。第 2 章虚拟现实系统的硬件设备，主要介绍虚拟世界的生成设备、虚拟世界的感知设备、空间位置跟

8、踪定位设备和面向自然的人机交互设备的功能、特点及应用情况。第 3 章虚拟现实系统的相关技术与软件，主要介绍有关的环境建模技术、实时三维图形绘制技术、三维虚拟声音的显示技术、面向自然的交互与传感技术和碰撞检测技术及基于网络的Web3D 技术等。第 4 章全景技术，主要介绍全景技术的分类、特点及全景照片的拍摄方法与原则，并给出了几种全景图制作实例。第 5 章网络三维互动Cult3D，主要介绍了一种用于网络互动展示的软件Cult3D，并通过实例讲解，使读者能掌握其基本的使用方法。第 6 章虚拟现实建模语言VRML，VRML 是一种广泛应用于互联网的虚拟建模语言。本章讲述了其发展状况、语法、浏览器的使

9、用等，并通过实例来讲解VRML 语言的使用。本书在编写中注重实用，在内容方面力求做到全面而系统，使读者能通过此书快速入门并达到掌握应用的目的。本书第 1、2、3、4、5 章由胡小强编写，第6 章由吴北新编写，在编写过程中得到况扬、汪艳、徐翔红、高昆等同志的帮助，在此表示感谢。本书承浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室多媒体与虚拟现实研究室主任潘志庚研究员主审，在此，对他所提的宝贵意见表示感谢，编者对此也已作了相应的修改与补充。另外，需要本书相关软件及素材的读者可以通过 E-mail 与VRBook 联系。由于当前虚拟现实技术发展迅速，加之作者水平有限，时间仓促，书中错漏之处在所难免，恳

10、请读者批评指正。编 者于江西科技师范学院2004 年2 月出版说明为认真贯彻中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定和面向21 世纪教育振兴行动计划，研究高职高专教育跨世纪发展战略和改革措施，整体推进高职高专教学改革，教育部决定组织实施新世纪高职高专教育人才培养模式和教学内容体系改革与建设项目计划（教高20003 号，以下简称计划）。计划的目标是：“经过五年的努力，初步形成适应社会主义现代化建设需要的具有中国特色的高职高专教育人才培养模式和教学内容体系。”计划的研究项目涉及高职高专教育的地位、作用、性质、培养目标、培养模式、教学内容与课程体系、教学方法与手段、教学管理等诸多方面，重

11、点是人才培养模式的改革和教学内容体系的改革，先导是教育思想的改革和教育观念的转变。与此同时，为了贯彻落实教育部关于加强高职高专教育人才培养工作的意见（教高20002 号）的精神，教育部高等教育司决定从2000年起，在全国各省市的高等职业学校、高等专科学校、成人高等学校以及本科院校的职业技术学院（以下简称高职高专院校）中广泛开展专业教学改革试点工作，目标是：在全国高职高专院校中，遴选若干专业点，进行以提高人才培养质量为目的、人才培养模式改革与创新为主题的专业教学改革试点，经过几年的努力，力争在全国建成一批特色鲜明、在国内同类教育中具有带头作用的示范专业，推动高职高专教育的改革与发展。教育部计划和

12、专业试点等新世纪高职高专教改项目工作开展以来，各有关高职高专院校投入了大量的人力、物力和财力，在高职高专教育人才培养目标、人才培养模式以及专业设置、课程改革等方面做了大量的研究、探索和实践，取得了不少成果。为使这些教改项目成果能够得以固化并更好地推广，从而总体上提高高职高专教育人才培养的质量，我们组织了有关高职高专院校进行了多次研讨，并从中遴选出了一些较为成熟的成果，组织编写了一批“新世纪高职高专教改项目成果”教材。这些教材结合教改项目成果，反映了最新的教学改革方向，很值得广大高职高专院校借鉴。新世纪高职高专教改项目成果教材适用于高等职业学校、高等专科学校、成人高校及本科院校举办的二级职业技术

13、学院、继续教育学院和民办高校使用。高等教育出版社2002 年11 月30 日目 录 I目录第 1 章概论贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 11.1 虚拟现实技术概述贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 21.1.1 VR 技术的发展过程贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 21.1.2 VR 技术的概念与构成贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 31.1.3 VR 技术的特征及意义贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 51.1.4 VR 技术与三维动画技术的异同贩贩贩贩贩 71.2 虚拟现实系统的分类贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 81.2.1 沉浸式VR 系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 81.2.2 桌

14、面式VR 系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 101.2.3 增强式VR 系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩111.2.4 分布式VR 系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩111.3 虚拟现实技术的应用贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 131.3.1 军事与航空航天贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 131.3.2 教育与训练贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 161.3.3 商业应用贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 191.3.4 建筑设计与规划贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 201.3.5 医学领域的应用贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 211.3.6 工业应用贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩

15、贩贩贩贩贩贩贩贩 221.3.7 影视娱乐界的应用贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 231.4 虚拟现实技术研究现状与研究方向贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 241.4.1 VR 技术的现状贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 241.4.2 VR 技术的局限性贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 261.4.3 VR 技术的研究方向贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 27本章小结贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 27习题与思考题贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 28第 2 章虚拟现实系统的硬件设备 贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 292.1 虚

16、拟世界的生成设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 292.2 虚拟世界的感知设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 312.2.1 视觉感知设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩312.2.2 听觉感知设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩412.2.3 触觉、力觉感知设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩422.3 空间位置跟踪定位设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩442.3.1 磁跟踪系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩452.3.2 光学跟踪系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩462.3.3 机械跟踪系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩462.3.4 声学跟踪系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩

17、472.3.5 惯性位置跟踪系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩482.3.6 图像提取跟踪系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩482.4 面向自然的人机交互设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩482.4.1 数据手套贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩482.4.2 数据衣贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩502.4.3 三维控制器贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩512.4.4 三维模型数字化仪贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩52本章小结贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩53习题与思考题贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩54第 3 章虚拟现实系统的相关技术与

18、软件 贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩553.1 环境建模技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩553.1.1 几何建模技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩563.1.2 物理建模技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩563.1.3 行为建模技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩573.2 实时三维图形绘制技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩573.2.1 基于几何图形的实时绘制技术 贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩583.2.2 基于图像的实时绘制技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩593.3 三维虚拟声音的显示技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩603.3.1 三维虚拟声音的概念与作用贩贩贩贩贩贩

19、贩603.3.2 三维虚拟声音的特征贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩61_II 目录3.3.3 人类的听觉模型与头相关转移函数 613.3.4 语音识别与合成技术 623.4 自然交互与传感技术 633.4.1 手势识别 633.4.2 面部表情识别 643.4.3 眼动跟踪 643.4.4 触觉、力觉反馈传感技术 653.5 碰撞检测技术 663.6 虚拟现实工具软件 673.7 Web3D 技术与软件 683.7.1 Web3D 技术特点 683.7.2 Web3D 应用工具软件 693.7.3 Web3D 应用与发展 72本章小结 73习题与思考题 73第 4 章全景技术 744.1 全景技术概

20、述 744.1.1 全景技术的特点及应用 754.1.2 全景技术的分类 754.2 常见全景技术软件 774.2.1 QuickTime VR 784.2.2 IPIX 全景图片技术 794.2.3 PixMaker 全景图片技术 804.2.4 PhotoVista 全景图片技术 804.2.5 Jietusoft 全景图片技术 804.3 全景图制作硬件 804.3.1 数码相机 814.3.2 鱼眼镜头 824.3.3 全景头 834.4 全景照片拍摄方法与原则 854.4.1 全景照片的拍摄方法 854.4.2 数码相机的拍摄原则 884.5 全景图制作实例 894.5.1 柱形全景

21、制作实例 894.5.2 球形与立方体形全景制作实例 944.5.3 对象全景制作实例 101本章小结105习题与思考题105第 5 章网络三维互动Cult3D 1065.1 Cult3D 概述1065.1.1 Cult3D 应用简介1075.1.2 Cult3D 的组成1095.1.3 Cult3D 的工作流程1095.1.4 Cult 3D 模型的导出 1105.2 Cult3D 窗口简介 1175.2.1 Scene Graph（场景图形）窗口 1175.2.2 Actions（行为）窗口 1185.2.3 Event Map（事件映射）窗口1215.2.4 Stage Window（演

22、示窗口）1235.2.5 Object position and orientation（对象位置和方向）窗口1245.2.6 Events（事件）窗口1245.2.7 Object properties（对象属性）窗口 1255.3 Cult3D 应用1255.3.1 制作基本三维演示1255.3.2 制作三维交互演示1315.3.3 Cult3D 的应用展示144本章小结150习题与思考题150第 6 章虚拟现实建模语言VRML1516.1 VRML 虚拟现实建模语言1516.1.1 VRML 基本概念1516.1.2 VRML 文件的基本特点1526.1.3 VRML 场景的编辑与浏览1

23、556.2 在场景中建造基本几何模型1596.2.1 外形节点Shape 的使用1596.2.2 构建虚拟场景的几何造型geometry 域159目 录 I II6.2.3 创建基本几何造型 1606.2.4 在虚拟场景中添加文本造型 1636.3 在场景中构建复杂造型 1656.3.1 虚拟场景中点、线、面的创建 1656.3.2 构造离散点的集合造型 1656.3.3 构造空间折线造型 1676.3.4 构造空间平面集合造型 1686.4 设置虚拟造型的外观 1706.4.1 设置虚拟对象的外观和材质 1706.4.2 为几何体添加纹理 1736.4.3 纹理的变换 1756.5 虚拟造型

24、群节点的使用 1756.5.1 编组节点的使用 1756.5.2 空间坐标变换节点的使用 1776.6 构建虚拟现实的环境 1796.6.1 给虚拟场景添加背景 1796.6.2 给虚拟场景添加光照 1826.7 虚拟对象的动画效果1916.7.1 时间传感器节点的使用1916.7.2 利用插补器构造动画1926.8 虚拟对象交互功能的实现1976.8.1 检测器的基本功能1976.8.2 各类检测器的基本作用与使用1976.9 3DSMAX 与VRML 2076.9.1 3DSMAX 的场景导出2076.9.2 在3DSMAX 中插入VRML节点2076.9.3 VRML 文件的压缩 211

25、本章小结 211习题与思考题212附录 A VRML 的关键字213附录B VRML 的域参考216参考文献219第1 章概 论学习目标：􀁺 掌握 VR 技术的基本概念􀁺 掌握 VR 技术的分类、特性􀁺 了解 VR 技术的应用􀁺 了解 VR 技术在国内外的研究状况􀁺 了解 VR 技术中目前存在的问题曾几何时，科幻小说家为我们描绘着一个梦想，人们可以通过电子或虚拟的方式来丰富我们的生活，梦想有一天，人类可以进入一个虚拟的世界，在那里可以通过替身（化身）在三维空间中进行探险、娱乐、工作以及与人交往。随着计算机

26、技术、网络技术、多媒体技术、三维图形技术等技术的发展，人类的这一梦想将变为现实，这就是虚拟现实技术。虚拟现实是从英文Virtual Reality 一词翻译过来的，Virtual 是虚假的意思，Reality 是真实的意思，合并起来就是虚拟现实（以下正文中简称VR），也就是说本来没有的事物和环境，通过各种技术虚拟出来，让你感觉就如同置身于真实世界中一样。VR 技术，又称虚拟实境或灵境技术，这项技术原本是美国军方开发研究出来的一项计算机技术。到20 世纪80 年代末才逐渐为各界所关注，它以计算机技术为主，利用并综合三维图形技术、多媒体技术、仿真技术、传感技术、显示技术、伺服技术等多种高科技的最新

27、发展成果，利用计算机等设备来产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多种感官体验的虚拟世界，从而使处于虚拟世界中的人产生一种身临其境的感觉。在这个虚拟世界中，人们可直接观察周围世界及物体的内在变化，与其中的物体之间进行自然的交互，并能实时产生与真实世界相同的感觉，使人与计算机融为一体。与传统的模拟技术相比，VR 技术的主要特征是：用户能够进入到一个由计算机系统生成的交互式的三维虚拟环境中，可以与之进行交互。通过参与者与仿真环境的相互作用，并利用人类本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，全方位地获取事物的各种空间信息和逻辑信息。随着计算机技术及相关技术的发展，在PC 机上实现VR

28、技术已成为可能。VR 技术、理论分析、科学实验已成为人类探索客观世界规律的三大手段。VR 技术的发展与普及，改变了过去人与计算机之间枯燥、生硬、被动的交流方式，使人机之间的交互变得更人性化，也同时改变了人们的工作方式和生活方式，改变了人的思想观念。VR 技术将深入到我们的生活中，成为一门艺术、一种文化。据有关权威人士断言，到21 世纪，人类将进入VR 的科技新时代，VR 技术将是2 第1章概论信息技术的代表。1.1 虚拟现实技术概述1.1.1 VR 技术的发展过程关于 VR，其实在很久以前就有人提出这一构想。早在20 世纪50 年代中期，计算机刚在美国、英国的一些大学出现，电子技术还处于以真空

29、电子管为基础的时候，美国的莫顿海利希就成功地利用电影技术，通过“拱廓体验”让观众经历了一次美国曼哈顿的想像之旅。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，VR 技术并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，才使得VR 技术得到广泛的应用。VR 技术的发展大致分为3 个阶段：20 世纪50 年代到70 年代，是VR 技术的探索阶段；20世纪80 年代初期到80 年代中期，是VR 技术系统化、从实验室走向实用的阶段；20 世纪80 年代末期到21 世纪初，是VR 技术高速发展的阶段。第一套具有V

30、R 思想的装置是莫顿海利希在1962 年研制的称为Sensorama 的具有多种感官刺激的立体电影系统，它是一套只能供个人观看立体电影的设备，采用模拟电子技术与娱乐技术相结合的全新技术，能产生立体声音效果，并能有不同的气味，座位也能根据剧情的变化摇摆或振动，观看时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。1965 年，计算机图形学的奠基者美国科学家艾凡萨瑟兰在一篇名为终极的显示的论文中，首次提出了一种假设，观察者不是通过屏幕窗口来观看计算机生成的虚拟世界，而是生成一种直接使观察者沉浸并能互动的环境。这一理论后来被

31、公认为在VR 技术中起着里程碑的作用，所以我们称他既是“计算机图形学”之父，也是“虚拟现实技术”之父。在随后几年中，艾凡萨瑟兰在麻省理工学院开始头盔式显示器的研制工作，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，艾凡萨瑟兰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（HMD），并发表了A Head-Mounted 3DDisplay的论文，他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，此举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

32、力反馈装置加入到这个系统中，并于1970 年研制出了第一个功能较齐全的HMD 系统。基于 20 世纪60 年代以来所取得的一系列成就，美国的Jaron Lanier 在20 世纪80 年代初正式提出了“Virtual Reality”一词。20 世纪80 年代，美国国家航空航天局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关VR 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VR 技术的广泛关注。1984 年，NASAAmes 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

33、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。进入 20 世纪90 年代后，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得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，而这些都为VR 系统的发展打下了良好的基础。在应用方面，1993 年11 月，宇航员通过VR 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，而用VR 技术设计的波音777 飞机是虚拟制造的典型应用实例，这是飞机设计史上第一次在设计过程中

34、没有采用实物模型。波音777 飞机由300 万个零件组成，所有的设计在一个由数百台工作站组成的虚拟世界中进行。设计师戴上头盔式显示器后，可以穿行于设计的虚拟“飞机”之中，审视“飞机”的各项设计指标。正是由于 VR 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，越来越激发了人们对VR 技术的兴趣。近十年来，国内外对此项技术的应用更加广泛，在军事、航空航天、科技开发、商业、医疗、教育、娱乐等多个领域得到越来越广泛的应用，并取得了巨大的经济效益和社会效益。正因为VR 技术是一个发展前景非常广阔的新技术，因此，人们对它的应用前景充满了憧憬。1.1.2 VR 技术的概念与构成VR 技

35、术是采用以计算机技术为核心的现代高科技技术，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。典型的 VR 系统主要由计算机、应用软件系统、输入输出设备、用户和数据库等组成，如图1-1 所示。图1-1 VR 系统1计算机在 VR 系统中，计算机负责虚拟世界的生成和人机交互的实现。由于虚拟世界本身具有高度复杂性，尤其在某些应用中，如航空航天世界的模拟、大型建筑物的立体显示、复杂场景的建模等，使得生成虚拟世界所需的计算量极为巨大，因此对VR 系统中计算机的配置提出了极高的要求。目前，低档的VR 系统的配置

36、是以PC 机为基础并配置3D 图形加速卡；中档的VR 系统一般采用SUN 或SGI 等公司的可视化工作站；高档的VR 系统则采用分布式的计算机系统，即由几台计算机协同工作。由此可见，计算机是VR 系统的心脏。2输入输出设备在 VR 系统中，为了实现人与虚拟世界的自然交互，必须采用特殊的输入输出设备，以识别用4 第1章概论户各种形式的输入，并实时生成相应的反馈信息。常用的方式为数据手套加空间位置跟踪定位设备，它可以感知运动物体的位置及旋转方向的变化，通过头盔式显示器等立体显示设备产生相应的图像和声音。通常头盔式显示器中配有空间位置跟踪定位设备，当用户头部的位置发生变化时，空间位置跟踪定位设备检测

37、到位置发生的相应变化，从而通过计算机得到物体运动位置等参数，并输出相应的具有深度信息及宽视野的三维立体图像和生成三维虚拟立体声音。3VR 的应用软件系统及数据库VR 的应用软件系统可完成的功能包括：虚拟世界中物体的几何模型、物理模型、行为模型的建立，三维虚拟立体声的生成，模型管理技术及实时显示技术，虚拟世界数据库的建立与管理等几部分。虚拟世界数据库主要用于存放整个虚拟世界中所有物体的各个方面的信息。图 1-2 所示的是基于头盔式显示器的VR 系统，它由计算机、头盔式显示器、数据手套、力反馈装置、话筒、耳机等设备组成。该系统首先由计算机生成一个虚拟世界，由头盔式显示器输出一个立体的显示，用户可以通过头的转动、手的移动、语音等与虚拟世界进行自然交互，计算机能根据用户输入的各种信息实时进行计算，即刻对交互行为进行反馈，由头盔式显示器更新相