虚拟现实技术概述.pdf

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1、第一章虚拟现实技术概述 1.什么是虚拟现实技术 虚拟现实（Virtual Reality,简称 VR）技术是 20 世纪 90 年代以来 兴起的一种新型信息技术，它与多媒体、网络技术并称为三大前景最 好的计算机技术。它以计算机技术为主，利用并综合三维图形动技术、多媒体技术、仿真技术、传感技术、显示技术、伺服技术等多种咼科 技的最新发展成果，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

2、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。2.虚拟现实技术与三维动画技术的异同 VR 技术和三维动画技术有本质的区别：三维动画技术是依靠计算 机预先处理好的路径上所能看见的静止照片连续播放而形成的，不具 有任何交互性，即不是用户想看什么地方就能看到什么地方，用户只 能按照设计师预先固定好的一条线路去看某些场景，它给用户提供的 信息很少或不是所需的，

3、用户是被动的；而 VR 技术则截然不同，它 通过计算机实时计算场景，根据用户的需要把整个空间中所有的信息 真实地提供给用户，用户可依自己的路线行走，计算机会产生相应的 场景，真正做到“想得到，就看得到”。所以说交互性是两者最大的 不同。下面来看一个应用的实例。房地产展示是这两个技术最常用的领域。在现在的应用中，很多房地产公司采用三维动画技术来展示楼盘，其 设计周期长，模式固定，制作费用高；而同时在国内也已经有多家公 司采用 VR 技术来进行设计，其展示效果好，设计周期短，更重要的 是，它是基于真实数据的科学仿真，不仅可达到一般展示的功能，而 且还可以把业主带入到未来的建筑物里参观，还可展示如门

4、的高度、窗户朝向、某时间的日照、采光的多少、样板房的自我设计、与周围 环境的相互影响等。这些都是三维动画技术所无法比拟的。有关 VR 技术与三维动画技术的比较见表 1-1。表 1-1 比较项 目 VR 技术 三维动画技术 科学性 及场景 的选择 性 虚拟世界基于真实数据建立的 模型组合而成，属于科学仿真 系统。操纵者亲身体验三维空 间，可自由选择观察路径，有 身临其境的感觉 场景画面根据材料或想像 直接绘制而与真实的世界 和数据有较大的差距，属 于演示类乙术作品。只能 按预先假定的观察路径观 看。实时交 互性 操纵者可以实时感受到运动带 来的场景变化，具有双向互动 的功能 只能单向演示，场景变

5、化 的画面需要事先制作生成 空间立 体感 支持立体显示和二维立体声，具有三维空间真实感 不支持 演示时 间 没有时间限制，可真实详尽的 展示，性价比咼 受动画制作时间限制，无 法详尽展示，性价比低 方案应 用 的灵活 性 支持方案调整、评估、管理、信息查询等功能，同时又具有 更真实直观的演示功能 只具有简单的演示功能 3.虚拟现实技术的发展简史 VR 技术的发展大致分为 3 个阶段：20 世纪 50 年代到 70 年代末，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 年代末期到达 21 世纪初，是 VR

6、 技术高速发展的阶段。第一套具有 VR 思想的装置是莫顿。海利希在 1962 年研制的称为 Senorama 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。研制者们于 1970 年研制出了第一个功能较齐全的 HMD 系统。美国的 Jaron Lanier 在 20 世纪律 80 年代初正式提出了 Virtu

7、al 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。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。4.虚拟现实系统的构成 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 虚拟现实系统的一般构成 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

8、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。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，以识别用户各种形式的输入，并实时生成相应的 反馈信息。3.VR 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

9、于存放整个虚拟世界中所有物体的各个方面的信息。人葩媲啜塔临*图 1-2 典型虚拟现实系统的结构框图 5.虚拟现实技术的特征 VR 技术有 3 个主要特征：沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity)和想像性(Imagination)，如图 1-3 所示。1 沉没给(liwwrsiofl)构想怪(iintigvuLun)图 1-3(1)沉浸性 沉浸性(Immersion)是指用户感受到被虚拟世界所包围，好像完全 置身于虚拟世界中一样。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。

10、理想的虚拟世界应该达到 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 明和音响效果。(2)交互性 交互性(In teractivity)的产生，主要借助于 VR 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。(3)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。所以 说 VR技术不仅仅是一个媒体或一个高级用户界面，同时它还是为解 决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件。6.VR 技术的意义 正是由于 VR 技术的广

11、泛应用，并能够实现人与自然之间的和谐 交互，扩大对信息空间的感知通道，提高人类对跨越时空事物和复杂 动态事件的感知能力，把计算机应用提高到一个崭新的水平，其作用 和意义是十分重要的。首先是在观念上的转变，它使人们对计算机的应用从“以计算机为主 体”变成“以人为主体”。传统的信息处理环境一直强调的是“人适应计算机”，人与计算机通 常通过键盘与鼠标进行交互，这种交互是间接的，非直觉的和有限的。而VR 技术的目标或理念是要逐步使“计算机适应人”，人们要通过 视觉、听觉、触觉、嗅觉以及形体、手势或语言，参与到信息处理的 环境中去，并获得身临其境的体验。人们不必意识到自己在同计算机 打交道，而可以像在现

12、实世界中处理事情一样同计算机交流，这就把 人从操作计算机的复杂工作中解放出来，使用计算机无需学习，操作 也异常简单而方便。第二个转变发生在哲学中人们对“虚”和“实”之间的辩证关系 的理解上。虚和实的关系是一个古老的哲学话题。我们是处于真实的客观世界 中，还是只处于自己的感知世界中，一直是唯物论和唯心论争论的焦 点。以视觉为例，我们所看到的世界，不过是视网膜上的影像。过去,视网膜上的影像都是真实世界的反映，因此客观的真实世界同主观的 感知世界是一致的。现在，VR 导致了二重性，VR 的景物对人的感 官来说是实实在在存在的，但它又的的确确是虚构的东西，而且按照 虚构的东西行事，往往又会得出正确的结

13、果。因此这就引发了哲学上 要重新认识“虚”和“实”之间的关系的研究。7.虚拟现实系统的分类 在实际应用中，根据 VR 技术对沉浸程度的高低和交互程度的不 同，将 VR 系统划分了解 4 种类型：沉浸式 VR 系统、桌面式 VR 系 统、增强式VR 系统、分布式 VR 系统。其中桌面式 VR 系统因其技 术非常简单，需投入的成本也不高，在实际应用中较广泛。(1)桌面式 VR 系统 桌面式 VR 系统也称窗口 VR，见图 1-4 所示，它是利用个人计算 机或图形工作站等设备，采用立体图形、自然交互等技术，产生三维 立体空间的交互场景，利用计算机的屏幕作为观察虚拟世界的一个窗 口，通过各种输入设备实现与虚拟世界的交互。桌面式 VR 系统一般要求参与者使用空间位置跟踪定位设备和其他输 入设备，如数据手套和 6 个自由度的三维空间鼠标，使用户虽然坐在 监视器前，却可以通过计算机屏幕观察 360范围内的虚拟世界。在桌面式 VR 系统中，计算机的屏幕是用户观察虚拟世界的一个窗 口，在一些 VR 工具软件的帮助下，参与者可以在仿真过程中进行各 种设计。使用的硬件设备主要是立体眼镜和一些交互设备(如数据手 套、空间位置跟踪定位设备等)。立体眼镜观看计算机屏幕中虚拟三 维场景的立体效果，它所带来的立体视觉能使用户产生一定程度的沉