（中职）虚拟现实技术与应用【03】第1章 虚拟现实技术概述 电子课件.pptx

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1、（中职）虚拟现实技术与应用【03】第1章 虚拟现实技术概述 电子课件虚拟现实技术概论INTRODUCTION TO VIRTUAL REALITY TECHNOLOGINTRODUCTION TO VIRTUAL REALITY TECHNOLOG第一章 虚拟现实技术虚拟现实技术概况01 虚拟现实技术分类02虚拟现实动态交互感知设备03虚拟现实技术发展历史04学习目标1.1 虚拟现实技术概况l我想在座大家都有过做梦的经历。大家流连于美梦之中而不能自拔。或被噩梦所惊醒，但又沉浸于其中。是因为梦既有现实的真实感，而又非真实的存在，在虚幻与真实之间营造了一种现实不可能达到的神奇意境。1.1.1.什么

2、是虚拟现实什么是虚拟现实图1-1 梦境一般真实而虚幻的三维幻境技术l那么今天我将给大家讲的是，营造出梦境一般真实而虚幻的三维幻境技术，虚拟现实技术。1.1 虚拟现实技术概况l虚拟现实是基于计算机的高新技术，因为它有梦境一般的真实和虚幻，所以称之为灵境技术。它是用计算机模拟产生的三维虚拟空间，通过多种交互设备，使参与者能沉浸其中，得到与现实一般，真实感受的技术。1.1.1.什么是虚拟现实什么是虚拟现实图1-2 使用设备感知虚拟现实1.1 虚拟现实技术概况1.1.1.什么是虚拟现实什么是虚拟现实图1-3 虚拟现实是一项综合集成技术l它是一项综合集成技术，涉及到计算机图形学、人机交互技术，传感技术，

3、人工智能等技术领域。1.1 虚拟现实技术概况1.1.1.什么是虚拟现实什么是虚拟现实图1-4 虚拟现实是交互互动技术l一方面，让人的视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等感官产生真实的感觉，另一方面，人们又可以通过相应的设备与虚拟环境中的对象进行交互互动，产生思维体验的真实感。l沉浸性：是指受众体验的真实性。它包括了受众在虚拟现实环境中，视、听、嗅、味、触等方面的感官的真实体验，能让受众忘记真实的环境，沉浸在虚拟世界之中，有如梦境一般的感觉。1.1.2.沉浸性、交互性、构想性三个主要特征沉浸性、交互性、构想性三个主要特征图1-5 沉浸在虚拟世界之中1.1 虚拟现实技术概况l交互性：是指受众通过设备与虚

4、拟环境中的对象进行互动信息交流，如通过定位设备和力反馈设备可以让受众能感受到象在现实环境中取物一样真实。它与沉浸性具有相互依存的关系，也是构成真实感的重要组成部分。图1-6 与虚拟环境中的对象进行互动信息交流1.1.2.沉浸性、交互性、构想性三个主要特征沉浸性、交互性、构想性三个主要特征1.1 虚拟现实技术概况l构想性：l一是指虚拟现实创作者可以通过超越现实的束缚，构想出非现实、非客观存在的环境，让人产生穿越、梦境般的真实感受。l二是指受众在虚拟现实环境中通过交互性与沉浸性而产生的丰富的想象空间。图1-7 通过交互性与沉浸性而产生的丰富的想象空间1.1.2.沉浸性、交互性、构想性三个主要特征沉

5、浸性、交互性、构想性三个主要特征1.1 虚拟现实技术概况l什么是虚拟现实？l虚拟现实的主要特征是什么，如何理解？1.1.2.作业作业1.1 虚拟现实技术概况1.2 虚拟现实技术分类l通过上一讲，我们已经了解到了虚拟现实技术是基于计算机作用于人体感官的技术，它是在计算机系统上构建的视、听、嗅、味、触等方面的体感系统，即虚拟现实系统，根据所实现的功能效果和技术的不同，可以将其划分为：沉浸式虚拟现实技术、分布式虚拟现实技术、桌面式虚拟现实技术、增强式虚拟现实技术、纯软件虚拟现实技术和可穿戴虚拟现实技术等。1.2 虚拟技术分类虚拟技术分类图1-7 虚拟现实的类型1.2 虚拟现实技术分类l桌面虚拟现实系

6、统（Desktop VR System）是一套基于普通计算机平台虚拟现实系统。利用立体显示器，产生虚拟场景，参与者使用位置跟踪器、数据手套、力反馈器、三维鼠标、或其它手控输入设备，实现虚拟现实技术的重要技术特征：沉浸感、交互性、构想性的特征。1.2.1 桌面虚拟现实系统桌面虚拟现实系统图1-8 桌面虚拟现实系统1.2 虚拟现实技术分类l在桌面虚拟现实系统中，计算机的屏幕是参观者观察虚拟境界的一个窗口，应用专业软件设计各种环境。通过立体显示器观看虚拟三维场景的立体效果，它所带来的立体视觉能使参与着产生一定程度的投入感。1.2.1 桌面虚拟现实系统桌面虚拟现实系统图1-9 立体显示器观看虚拟三维场

7、景的立体效果1.2 虚拟现实技术分类l桌面虚拟现实（VR）系统中主要的功能块包括计算机系统、显示系统、利用摄像头的光学跟踪系统、音响系统甚至网络系统等。在桌面虚拟现实（VR）系统中，人们将面对一种显示屏幕，通过这个窗口可以看到一个虚拟世界。窗口中的景象看起来真实，听起来生动，操作起来物体的行为感人，如：汽车模拟器、飞机模拟器、电子会议等都属于桌面VR系统。这类系统的优点是用户比较自由，不需要佩带头盔和耳机，也不需要带数据手套和跟踪器，并且可以允许多个用户同时加入系统，对用户数的限制较小。但桌面VR系统难以解决双目视觉竞争问题，难以构造用户沉浸于其中的虚拟环境。而沉浸式虚拟现实系统从根本上解决了

8、这一问题。1.2.1 桌面虚拟现实系统桌面虚拟现实系统图1-10 桌面虚拟现实1.2 虚拟现实技术分类l沉浸式虚拟现实系统要求用户戴上立体显示头盔、数据手套、数据衣等，使用户在与计算机产生的三维图形交互中，形成一个虚拟的三维环境。用户在这个三维虚拟环境中，可以行走、飞行运动，可以多感知地如：视觉、听觉、力觉、触觉等与三维虚拟物体交互，其真实性感觉或效果，与人在现实环境中相类似。由于虚拟现实把人在三维虚拟世界中的感觉和行为现实化，因此把这样的虚拟现实系统称为沉浸式虚拟现实系统（Immersive VR System）。1.2.2 沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统图1-11 沉浸式虚拟现实系统

9、要求用户戴上立体显示头盔1.2 虚拟现实技术分类l沉浸式虚拟现实系统利用封闭的三维立体视景和音响系统，使得用户“进入”计算机系统所产生的虚拟世界中，从而产生身临其境的效果。这是一类较高级的虚拟现实系统，它把用户的个人视点完全沉浸到虚拟世界中。按照沉浸式虚拟现实设备的不同，沉浸式虚拟现实系统又可分为基于头盔显示器的虚拟现实系统，和基于多屏显示或投影的空穴形沉浸式虚拟现实系统：环幕式、工作墙、全息工作台、球形等。1.2.2 沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统图1-11 沉浸式虚拟现实系统包括头盔显示器的虚拟现实系统和空穴形沉浸式虚拟现实系统1.2 虚拟现实技术分类l基于头盔显示器沉浸式虚拟现实系

10、统利用各种头盔显示器把人的视觉、听觉和其他感觉封闭在一起，通过数据手套、头部跟踪器（砣螺仪）、重力感应等交互装置，使用户完全置于计算机生成的环境中，从而产生一种身在虚拟环境中的错觉。计算机通过用户所戴的数据手套和跟踪器可以测试出用户的运动和姿态，并将测得的数据反馈到生成的视景中，产生身临其境的效果。1.2.2 沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统图1-12 基于头盔沉浸式虚拟现实系统 1.2 虚拟现实技术分类lCAVE（Cave Automatic Virtual Environment）空穴形沉浸式虚拟现实系统，在外形上是使用投影系统，围绕着观察者具有多个图像画面的虚拟现实系统，多个投影面组

11、成一个空间结构。理论上CAVE是基于计算机图形学把高分辨率的立体投影技术和三维计算机图形技术、音响技术、传感器技术等有机结合，产生一个供多人使用的完全沉浸的虚拟环境。1.2.2 沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统图1-12 空穴形沉浸式虚拟现实系统 1.2 虚拟现实技术分类lCAVE是由三个后投影屏作墙，一个下投影屏作地板形成的一个封闭的空间。高分辨率投影仪以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所选定的声音。在CAVE环境中，用户（一人或多人）感到被高分辨率的三维图像、声音所彻底包围，体验到沉浸入虚拟环境的强烈感觉。l较早的一个实际系统是“壁

12、橱式大教堂”（the Closet Cathedral），它能够使实际处于较小空间的观众，产生处于极其广阔的环境中的印象。1.2.2 沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统图1-13 空穴形沉浸式虚拟现实系统 1.2 虚拟现实技术分类l在CAVE虚拟环境中，用户就可实现交互的探索，体验到实时的体感回应。lCAVE的典型应用包括交互式分子造型、未来科学探索的可视化、声音模拟、机械制造、建筑设计、天气模拟及医学造型等。CAVE沉浸式虚拟现实系统，如图1-14所示。1.2.2 沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统图1-14 在空穴形沉浸式虚拟现实系统中，体验到实时的体感回应 1.2 虚拟现实技术分类l

13、在CAVE中，观察者视点位置通过位置传感器实时反馈给计算机，计算机实时生成各屏幕的图像，然后在各屏幕上计算出立体图像，观察者戴上立体眼镜就可以看到三维空间立体效果，体验身临其境的感觉。l如果系统中配备三维交互跟踪设备，观察者不需移动，只要操作手上的按钮，就可以大范围地调节观察范围，真正体验在空间中诸如“漫游”、“飞行”等特殊效果，这些特殊效果和感觉在非CAVE系统中是无法体验的。1.2.2 沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统图1-14 在空穴形沉浸式虚拟现实系统中，体验到实时的体感回应 1.2 虚拟现实技术分类l分布式虚拟现实系统是更为高级的系统，他在沉浸式虚拟现实系统的基础上应用计算机网络

14、将多个用户连在一起，共享同一虚拟空间，进行交互，协作完成一项任务，从而为用户提供一个更为真实的人工合成环境。1.2.3 分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统图1-15 多个用户连在一起 1.2 虚拟现实技术分类l分布式虚拟现实系统（Distributed VR System）是虚拟现实与网络通讯技术的结合。网络通讯技术包括【因特网（Internet）、内联网（Intranet）和外联网（Extranet）、信息高速公路（Information Super-highway）】1.2.3 分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统图1-15 内联网的协作 1.2 虚拟现实技术分类l近年来，随着网络的发展

15、，虚拟现实研究领域，出现了另一个新的研究方向，即在线虚拟现实方向。在线虚拟现实是指分布在不同地域的人，通过网络连接到一个计算机产生的网上三维环境，用户在该三维环境中，可以行走、飞行，也可以与虚拟物体或其他用户相互交互。l分布式虚拟现实系统的基础是计算机网络技术、实时图像压缩技术等，它的关键是分布式交互仿真协议。随着高速网、宽带网的发展以及计算机计算和三维图形处理能力的提高，沉浸式虚拟现实技术将会逐渐地与因特网/万维网融合在一起，分布式虚拟环境也同时成为沉浸式虚拟环境。1.2.3 分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统 1.2 虚拟现实技术分类l在分布式虚拟环境中，每个独立的虚拟现实系统称为一个“

16、节点”或“主机”。每个用户在虚拟环境中用“实体”（Entity）表示，也称为“化身”（Avatar）或“对象”（Object）。在线虚拟现实一般把人与人之间的社会交互作为系统的重点。在线虚拟现实通常被称为分布式虚拟现实系统。1.2.3 分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统图1-16 分布式虚拟现实系统 1.2 虚拟现实技术分类l增强现实（Augmented Reality，简称AR）是它通过电脑技术，将真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到同一个画面或空间。它不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。1.2.4 增强现实系统增强现实系统图1-17 增强现实 1

17、.2 虚拟现实技术分类l增强现实将现实环境中不存在的虚拟对象准确“放置”在真实环境中，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，并呈现给使用者一个感官效果真实的新环境。l因此增强现实系统具有虚实结合、实时交互的新特点。增强现实技术的不断发展也提出了混合现实（MR、XR）的概念。1.2.4 增强现实系统增强现实系统图1-17 增强现实 1.2 虚拟现实技术分类l增强现实将现实环境中不存在的虚拟对象准确“放置”在真实环境中，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，并呈现给使用者一个感官效果真实的新环境。l因此增强现实系统具有虚实结合、实时交互的新特点。增强现实技术的不断发展也提出了混合现实（MR

18、、XR）的概念。1.2.4 增强现实系统增强现实系统图1-17 增强现实 1.2 虚拟现实技术分类l纯软件虚拟现实系统，也称大众化模式。纯软件是针对开发者而言的，是一个相对的概念，是在无需增加虚拟现实专用硬件设备设计与开发的前提下，利用传统的计算机、通用虚拟现实硬件设备（比如说头显、游戏操作杆等）、网络和虚拟现实软件环境实现的虚拟现实技术。特点是投资最少，效果最显著，属于民用范围。适合于个人、小集体开发使用。是既经济又实惠的一种虚拟现实的开发模式。虚拟现实软件的典型代表，X3D、VRML、JAVA3D、OpenGL以及Vega等软件产品。本书将着重介绍以软件虚拟现实技术为平台的纯软件虚拟现实技

19、术。适合于个人、工程技术人员以及小型开发团队使用。属于经济实用型虚拟现实的开发模式。1.2.5 纯软件虚拟现实系统纯软件虚拟现实系统 图1-18 纯软件虚拟现实系统1.2 虚拟现实技术分类l虚拟现实可穿戴系统，即应用可穿戴式交互设备构建的虚拟现实系统。l虚拟现实让我们正在进入科幻时代，从前只能在科幻片里才能看到的东西，正在一件件出现在现实生活中。l如眼镜、手套、手表、服饰、鞋、首饰等虚拟现实可穿戴式交互传感设备。即在这些穿戴中物件加入传感器或显示器。1.2.6 虚拟现实可穿戴系统虚拟现实可穿戴系统 图1-19 虚拟现实可穿戴系统虚拟现实可穿戴系统1.2 虚拟现实技术分类l虚拟现实系统有哪些类型

20、，请简要说明它们各自有什么特点？作业作业 1.3 虚拟现实动态交互感知设备l在上一讲的学习中，我们已经了解了虚拟现实的不同类型。不同类型虚拟现实系统都需要不同的设备做支撑，即便是最简易的虚拟现实系统，如果要达到沉浸感与交互性和构想性，至少需要把平面的计算机屏幕或投影屏幕改为三维显示屏幕，或三维显示头盔，来实现视觉上的沉浸感；需要增加具有定位功能的交互操纵杆来实现基本的交互互动功能。如果对虚拟现实有更多的功能要求的话，那就需要更为复杂的动态交互感知设备。l如：三维立体眼镜、3D头盔显示器（HMD）、数据手套（Data Glove）、数据衣（Data Suit）、跟踪设备（Tracking Equ

21、ipment）、控制球（Sphere Controller）、三维立体声耳机（Three Dimensional Earphone）、三维立体扫描仪和三维立体投影设备等。1.3 虚拟现实动态交互感知设备虚拟现实动态交互感知设备1.3 虚拟现实动态交互感知设备l三维立体眼镜，是用于3D模拟场景VR效果的观察装置，它利用液晶光阀 高速切换左右眼图像原理，来增加沉浸感，支持逐行和隔行立体显示观察，它可分为有线和无线两大类，是目前最为流行和经济适用的VR观察设备。1.3.1 三维立体眼镜三维立体眼镜图1-20 三维立体眼镜1.3 虚拟现实动态交互感知设备l有线立体眼镜的镜框上装有电池和液晶调制器控制的

22、镜片，立体监视器装有红外线发射器，根据监视器显示左右眼视图的频率发射红外控制信号。有线立体眼镜的液晶调制器接收到红外控制信号后，调制左右镜片上液晶光阀的通断状态，控制左右镜片的透明和不透明状态。轮流高速切换镜片的通断，使左右眼睛分别只能看到监视器上显示的左右图像。有线立体眼镜的图像质量好，价格高，活动范围有限。l无线立体眼镜是在立体眼镜的左右镜片上，利用两片正交的偏振滤光片，分别只容许一个方向的偏振光通过。监视显示器前还安装有一块与显示屏同样尺寸的液晶立体调制器，监视器显示的左右眼图像经液晶立体调制后形成左偏振光和右偏振光，然后，分别透过无线立体眼镜的左右镜片，实现左右眼分别只能看到监视器上显

23、示的左右图像的目的。无线立体眼镜价格低廉，适合于大众消费。1.3.1 三维立体眼镜三维立体眼镜1.3 虚拟现实动态交互感知设备l数据手套是虚拟现实应用的基本交互设备，它作为一只虚拟的手或控件用于三维虚拟现实场景的模拟交互，可操控虚拟物体。数据手套具有有线和无线、左手和右手之分。在数据手套上有一个附加在手背上的传感器，和手指上的弯曲的柔件传感器，各个柔件传感器可用于测定手指的关节角度。它在任何时刻计算出手的位置和方向和手指弯曲度。1.3.2 数据手套数据手套图1-20 数据手套1.3 虚拟现实动态交互感知设备l数据数据头盔盔又又称称头盔显示器（Head Mounted Display，HMD）是

24、沉浸式虚拟现实系统中最主要硬件设备，用于观测和显示虚拟现实系统三维立体场景和造型。它是将小型显示器的影像透过自由曲面棱镜变成具有身临其境三维立体的视觉效果，具有头戴式显示器功能，使用方便、快捷，可以直接与计算机相连。辅以空间跟踪定位器，可对沉浸式虚拟现实系统三维场景进行自由观察和移动。1.3.3 数据头盔数据头盔图1-21 数据头盔数据头盔1.3 虚拟现实动态交互感知设备l头盔显示器通常固定于用户的头部，用两个LCD或LED显示，分别向左右眼睛显示由虚拟现实场景中生成的图像，左右两个显示屏中的图像是由计算机图形控制部分分别驱动的，屏幕上的两幅图像存在着视差，类似人类的双眼视差，大脑最终将融合这

25、两幅图像获得三维立体效果。l头盔显示器上装有头部位置跟踪设备，虚拟现实用户头部的动作和视觉能够得到实时跟踪，计算机随时可以得知用户头部的位置及运动方向。并随着用户头部的运动，相应地改变呈现在用户视野中的图像，提高了用户的沉浸感，获得了更好的三维立体视觉效果。1.3.3 数据头盔数据头盔图1-22 数据头盔工作原理数据头盔工作原理1.3 虚拟现实动态交互感知设备l三维空间跟踪球是虚拟现实系统中的另一基本的交互设备，该设备用于六个自由度虚拟现实场景的模拟交互，可从不同的角度和方位对虚拟空间三维物体进行观察、浏览、操纵。作为三维空间跟踪定位器，既可作为3D鼠标来使用，也可以与数据手套以及立体眼镜联合

26、使用。1.3.4虚拟现实三维空间跟踪球虚拟现实三维空间跟踪球图1-23 三维空间跟踪球1.3 虚拟现实动态交互感知设备l三维空间跟踪球和3D鼠标，在三维空间有6个自由度，三个平移运动方向，即物体沿着X轴、Y轴、Z轴三个自由度运动；围绕三个旋转轴运动，即物体围绕X轴、Y轴、Z轴旋转形成6个自由度在三维立体空间任意驰骋。l三维空间跟踪球利用6个自由度进行操作，它装在一个凹形支架上可以扭转、挤压、按下、拉出和摇晃等。其中，变形测定器可以测量用户施加在该球上的力度，该装置还配有传感器测量物体6个自由度操作情况，实现完善三维交互过程。1.3.4虚拟现实三维空间跟踪球虚拟现实三维空间跟踪球图1-24 三维

27、空间跟踪球 1.3 虚拟现实动态交互感知设备l三维空间跟踪定位器是虚拟现实系统中用于空间跟踪定位的装置，一般与其他虚拟现实设备结合使用，如：数据头盔、立体眼镜、数据手套等，使参与者在空间上能够自由移动、旋转，不局限于固定的空间位置，操作更加灵活、自如、随意。三维空间跟踪定位器有六个自由度和三个自由之分，根据用户使用情况选择相应产品。1.3.5虚拟现实三维空间跟踪定位器虚拟现实三维空间跟踪定位器图1-25 三维空间跟踪定位器1.3 虚拟现实动态交互感知设备l力反馈器是虚拟现实研究中的一种重要的设备，该设备能使参与者实现虚拟环境中除视觉、听觉之外的第三感觉触觉和力反馈感，进一步增强虚拟环境的交互性

28、，从而真正体会到虚拟世界中的交互真实感，该设备广泛应用于虚拟医疗、虚拟装配等诸多领域。l1触觉反馈装置：视觉的触觉反馈、电刺激式和神经肌肉刺激式触觉反馈、充气式触觉反馈、振动式触觉反馈。l 2力反馈装置：机械臂式、操纵杆式。1.3.6 虚拟现实力反馈器虚拟现实力反馈器图1-26力反馈器1.3 虚拟现实动态交互感知设备l虚拟现实三维模型数字化仪（三维扫描仪）是一种先进的三维建模设备，该设备与计算机系统相连。三维模型数字化仪利用CCD成像、激光扫描等技术实现三维模型的采样，利用配套的矢量化软件对三维模型数据进行数字化。该设备特别适合于建立一些不规则三维物体造型，如人体器官、骨骼、雕像的三维建模等1

29、.3.6 虚拟现实三维模型数字化仪虚拟现实三维模型数字化仪图1-27 虚拟现实三维模型数字化仪1.3 虚拟现实动态交互感知设备l三维立体显示器摆脱了以往的技术约束，不需要任何编程开发，就可以实现三维模型的立体显示，在看电影、玩游戏、体验VR时，只要用肉眼即可观察到突出的立体显示效果，不需要带任何立体眼镜设备。1.3.7 虚拟现实立体显示器虚拟现实立体显示器图1-27 三维立体显示器1.3 虚拟现实动态交互感知设备l现在常的虚拟现实设备有哪些，请举例说明它们在虚拟现实系统中的作用与特点？作业作业1.4 虚拟现实技术发展l人类从一开始就有对未来世界充满着幻想，也希望能把现实的世界以另一种形态还原传

30、递给别人，于是就有了绘画、摄影、戏剧、电影、动画等艺术形式的产生，经历了几百上千年的努力，才实现了从静态到动态的表达，但也只能以平面的方面向受众展示，直到上个计算机的出现，也伴随着虚拟现实的概念产生，才改变了以平面信息传播的历史。1.4 虚拟现实技术发展虚拟现实技术发展图1-29 虚拟现实发展20 世纪初期20 世纪 50 年代思想萌芽20 世纪 50 年代20 世纪 70 年代技术探索20 世纪 70 年代初20 世纪90 年代技术成型2004年-2016技术普及2016年-今天深度发展期l20 世纪90 年代初2004年产业成熟1.4 虚拟现实技术发展l虚拟现实技术并不是近几年才出现的新鲜

31、事物，它从梦想到真正落实成产品的历史，几乎可以与电子计算机的历史相比肩。虚拟现实是一项跨学科的综合性技术，因此它的发展必然受到不同学科发展进程的影响。伴随着电子计算机技术、人机交互技术、计算机网络与通信等技术的发展，虚拟现实的发展走过了半个多世纪，期间经历了多次发展热潮。1.4.1 虚拟现实技术的发展历史沿革虚拟现实技术的发展历史沿革图1-30 虚拟现实发展1.4 虚拟现实技术发展l1.思想萌芽阶段（20 世纪初期20 世纪 50 年代）人类对虚拟现实的探索是从各种仿真模拟器开始的。1929 年 林格.伊.尔(Link E.A)发明了一种飞行模拟器，让乘坐者可以体验飞行的感觉。可以说，这是人类

32、模拟仿真物理现实世界的初次尝试。1935 年，小说家 斯坦利基温鲍姆（Stanley G.Weinbaum）在小说中描述了一款虚拟现实眼镜，以眼镜为基础，包括视觉、嗅觉、触觉等全方位沉浸式体验的虚拟现实概念，该小说被认为是世界上率先提出虚拟现实概念的作品。1.4.1 虚拟现实技术的发展历史沿革虚拟现实技术的发展历史沿革图1-31 林格.伊.尔(Link E.A)发明的飞行模拟器1.4 虚拟现实技术发展2.技术探索阶段（20 世纪 50 年代20 世纪 70 年代）l电影摄影师 摩登海里戈（Morton Heilig）1960年提交了虚拟现实发明申请专利，1962 年 构造了一个多感知、仿真环境

33、的虚拟现实系统，这套被称为 传感器模拟器（Sensorama Simulator）的系统也是历史上第一套虚拟现实系统。它能够提供真实的 3D 体验，例如，用户在观看摩托车行驶的画面时，不仅能看到立体、彩色、变化的街道画面，还能听到立体声，感受到行车的颠簸、扑面而来的风，还能闻到相应的芳香。传感器模拟器还曾经被美国空军引进，用来进行飞行训练。1.4.1 虚拟现实技术的发展历史沿革虚拟现实技术的发展历史沿革图1-32 摩登海里戈 发明的传感器模拟器图1-31 摩登海里戈 海力申请专利时的格头戴设备的设计图1.4 虚拟现实技术发展2.技术探索阶段（20 世纪 50 年代20 世纪 70 年代）l19

34、65 年，美国国防部高级研究计划署（Adoanced Research Projects Agency，ARPA）信息处理技术办公室主任伊凡沙日尔兰德（Ivan Sutherland）发表了一篇论文。文章指出，应该将计算机显示屏幕作为“一个观察虚拟世界的窗口”，计算机系统能够使该窗口中的景象、声音、事件和行为非常逼真。这篇文章给计算机界提出了一个具有挑战性的目标，人们把这篇论文称为是研究虚拟现实的开端。1.4.1 虚拟现实技术的发展历史沿革虚拟现实技术的发展历史沿革图1-33 虚拟现实之父 Ivan Sutherland1.4 虚拟现实技术发展2.技术探索阶段（20 世纪 50 年代20 世纪

35、 70 年代）l在 1968 年 伊凡沙日尔兰德（Ivan Sutherland）和学生 Bob Sproull 在麻省理工学院的林肯实验室研制出第一个头盔显示器（Head-Mounted Display，HMD），也被称为 The Sword of Damocles（达摩克利斯之剑）。1.4.1 虚拟现实技术的发展历史沿革虚拟现实技术的发展历史沿革图1-31 The Sword of Damocles（达摩克利斯之剑）1.4 虚拟现实技术发展l3、技术成熟阶段（20 世纪 80 年代初20 世纪 80 年代末）l20 世纪 80 年代，Eric Howlett 发明了额外视角系统（缩写为 L

36、EEP 系统），这套系统可以将静态图片变成 3D 图片。1987 年，另外一位著名的计算机科学家 Jaron Lanier，同样制造了一款价值 10 万美元的虚拟现实头盔，被称为第一款真正投放市场的虚拟现实商业产品。1.4.1 虚拟现实技术的发展历史沿革虚拟现实技术的发展历史沿革图1-32 商业级虚拟现实头盔l该阶段，虚拟现实进入快速发展期，虚拟现实的主要研究内容及基本特征初步明朗，在军事演练、航空航天、复杂设备研制等重要应用领域有了广泛的应用。1.4 虚拟现实技术发展l4.全面发展阶段（20 世纪 90 年代初2004年）l这一阶段虚拟现实技术从研究转向了应用。进入 20 世纪 90 年代，

37、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。各种游戏与虚拟现实引擎出现，人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入/输出设备不断地进入市场，这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。l1991年首款消费级的VR Virtually 1000CS问世，开启了VR商业化探索之路，紧接其后，1993世嘉推出SegaVR，1995任天堂推出Virtual Boy，1998索尼头戴显示器，2000SEO HMD问世，视角可转120度。l计算机三维软件也从图形工作站进入家用PC，计算机系统也向图形化界面转化，计算机技术全面普及，这为

38、VR的发展提供了有力的技术基础保障。并为后一阶段的普及性发展打下了基础。1.4.1 虚拟现实技术的发展历史沿革虚拟现实技术的发展历史沿革图1-32 商业级虚拟现实头盔1.4 虚拟现实技术发展l5.技术普及阶段（2004年2016年）l这一阶段虚拟现实技术从研究转向了应用。这是VR全面普及发展时期，这一时期除了硬件得到了快速发展外，软件的发展把VR从工业级的应用推向了全面的发展，2004年象法国达索公司的Virtools Dev 2.1实时以图形化的界面引擎出现，成为微软XBox认可系统。其特点是方便易用应用领域广。它能让没有程序基础的美术人员通过内置的行为模组快速生成自己想要的游戏类型，使虚拟

39、现实内容开发变得及易上手。l特别是智能手机的图形处理能力变得越来越强大，谷歌纸盒加智能手机使VR变得及为平民化，而推进了VR的普及。1.4.1 虚拟现实技术的发展历史沿革虚拟现实技术的发展历史沿革图1-33 Virtools界面图1-34 谷歌纸盒+智能手机=VR系统1.4 虚拟现实技术发展l7.深度发展阶段（2016年现在）l这一阶段虚拟现实技术VR的暴化期，各种VR产品出现，也出现了除VR、AR之外的MR到XR的产品，高端和低端两头并行发展，并随5G的成熟，VR平台产品也开始出现。迎来大规模的商业化应用。虚拟现实技术已经达到推出消费级产品的程度。1.4.1 虚拟现实技术的发展历史沿革虚拟现

40、实技术的发展历史沿革图1-35 2016年11月1日零点，淘宝VR购物产品Buy+正式上线1.4 虚拟现实技术发展l虚拟现实技术属于前沿技术中信息技术部分的三大技术之一。重点研究电子学、心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统和多媒体技术等多学科融合的技术，研究医学、娱乐、艺术、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。1.4.2 虚拟现实产业的构成与发展虚拟现实产业的构成与发展图1-35 VR应用1.4 虚拟现实技术发展l虚拟现实产业链l虚拟现实产业链中，工具和设备类可细分为输入设备、输出设备、显示设备、拍摄设备以及相关软件等；内容制作可细分为影视、游戏、声音等内容

41、；分发平台可细分为应用商店、社交影院、实体体验店、网站、播放器等内容；行业应用可细分为工业、军事、医疗、教育、房地产、旅游、会展等内容；相关服务可细分为平台、媒体和孵化器等内容。1.4.2 虚拟现实产业的构成与发展虚拟现实产业的构成与发展图1-36 VR产业全景图1.4 虚拟现实技术发展l1.市场规模增长迅速l投资银行 Digi-Capital 的报告显示，到 2020 年全球虚拟现实市场规模为 300 亿美元。研究机构 ABI-Research 预测，VR/AR 设备出货量将由 2015 年的 150 万台增长至 2020 年的4300 万台，年复合增长率高达 106%，到 2025 年甚至

42、可能达到智能手机出货量的一半。1.4.2 虚拟现实产业发展前景虚拟现实产业发展前景图1-37 中国VR产业发展1.4 虚拟现实技术发展l1.市场规模增长迅速l高盛发布的下一个通用计算平台报告称，基于标准预期，2025 年全球军事领域VR/AR 市场规模将达 15 亿美元；医疗、教育、零售领域的 VR/AR 市场规模将分别达到 51 亿美元、7 亿美元和 16 亿美元；游戏、视频娱乐、直播领域的 VR/AR 市场规模将分别达到116 亿美元、32 亿美元和 41 亿美元。1.4.2 虚拟现实产业发展前景虚拟现实产业发展前景图1-38 VR产业的分布发展1.4 虚拟现实技术发展l1.技术和产品成熟

43、l技术走向成熟l屏幕刷新率、屏幕分辨率和设备计算能力等逐渐成熟，输入设备姿态矫正、复位功能、精准度、延迟，传输设备提速和无线化，更小体积硬件下的续航能力和存储容量，配套系统和中间件开发等技术也将日趋完善。1.4.2 虚拟现实产业发展前景虚拟现实产业发展前景1.4 虚拟现实技术发展l1.技术和产品成熟l内容更加丰富l目前已经有大量内容公司投入到虚拟现实内容的开发制作中，未来几年，包括 PGC、UGC、影视剧、直播以及游戏等虚拟现实内容的数量和质量将会得到质的提升。基于这些内容，虚拟现实设备的普及率和活跃率将得到坚实的保障。1.4.2 虚拟现实产业发展前景虚拟现实产业发展前景1.4 虚拟现实技术发

44、展l1.技术和产品成熟l产品主流形态发生更迭l虚拟现实产品主要包括计算机端、移动端和一体机三种形态。其中，计算机端具有高配置、体验效果佳等优势，是目前最被推崇和看好的虚拟现实形态，也是市场上数量最多的虚拟现实产品。相对而言，虽然被众多手机厂商捧起的移动虚拟现实更方便，但在体验上与计算机端产品相差很大，在虚拟现实最主要的沉浸感和交互性方面难以达到用户的要求，当前仍难以满足多数人的需求。而作为技术含量最高的虚拟现实一体机，既包含了移动虚拟现实的方便性和便捷性，同时也包含了计算机端虚拟现实的高体验感，在虚拟现实领域毫无疑问是最优秀的产品。1.4.2 虚拟现实产业发展前景虚拟现实产业发展前景1.4 虚拟现实技术发展图1-39 虚拟现实发展参考图1.4 虚拟现实技术发展图1-40产业布局参考图l虚拟现实经历了哪几个发展时期，并请简述每一个时期的特征或标志成就？l你如何看待虚拟现实的未来发展？1.4.5作业作业1.4 虚拟现实技术发展本章较为全面地介绍了虚拟现实的概念、特征、分类、设备支持和虚拟现实的发展历程以及产业现状。虚拟现实的发展与计算机的发展紧密联系在一起，是人类应用计算机设备表达人类创造想象的一种先进的手段，我们在学习的过程中应该充分发挥大家的聪明才智，把所学的知识灵活应用于我们的创造表现之中。让我们把梦想截止虚拟的翅膀，在理想的国度里自由的翱翔。本章小结