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虚拟现实MuRuiAssistantProfessor,Dept.ofMEE,XiamenUniversity,361005,ChinaEmail:[e-mail]参考文献汪成为.人类认识世界的帮手——虚拟现实.清华大学出版社，暨南大学出版社，2000年6月周祖德等.虚拟现实与虚拟制造.湖北科学技术出版社，2005年2月肖田园等.虚拟制造.清华大学出版社，2004年8月WilliamR.Sherman,AlanB.Craig.虚拟现实系统——接口、应用与设计.电子工业出版社，2004年11月李欣等.虚拟现实及其教育应用.科学出版社，2008年6月张树生等.虚拟制造技术.西北工业大学出版社，2006年2月虚拟制造概述DELMIA——数字化工厂虚拟现实（VirtualReality）虚拟现实技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。虚拟制造概述丰田公司利用VR技术改进上车下车的舒适度虚拟与现实Question?知识改变命运，数码改变生活，虚拟改变什么？什么是虚拟现实人类在不断地认识世界和改造世界时仍迫切需要各种强有力的工具，用工具来增强、延伸、扩大自己的感官、肢体和大脑的功能。能够基于对研究对象的认识，根据研究问题的需要，提供一个具有尽可能逼真的虚拟对象、虚拟环境的虚拟世界；帮助我们沉浸在这个虚实结合的环境中，身临其境地体验这个虚拟世界中的一切，在这样的环境中研究和分析问题；能够根据需要，灵活地扩大或缩小虚拟世界的时间尺度和空间尺度。例如，在数秒内观察地壳的演变历程，在数分钟内细细品味子弹穿过玻璃时的精细过程，亲眼领略火星探测车降落火星时的壮观场面。能够帮助我们跟虚拟世界交流，跟虚拟世界发生相互作用，我们不只是能够移动和触摸虚拟世界中的虚拟物体，还能在虚拟世界的街巷楼宇之间漫游。公众号：别墅8Dream：晋代儒学家陆机“文赋”：观古今于须臾，抚四海于一瞬。创建一个时域与空域可变的虚拟世界，人与这个世界的关系是：沉浸其中，超越其上，进出自如，交互作用。虚拟现实技术的前身中国古代（公元前468年-公元前376年）的战国时期据“墨子.鲁问”记载“公输般竹木为鹊，成而飞之，三日不下”。人们在风筝上系上竹哨，利用风吹竹哨，声如筝鸣，故称“风筝”。虚拟现实技术的诞生1961年MortonHeilig——Sensorama“沉浸式虚拟环境”概念的先驱者1962年J.C.R.Licklider被任命为美国国防高级研究计划局（DARPA）信息处的处长“人——计算机共生”(Man-ComputerSymbiosis)1962年，Licklider主持计算机图形处理的研讨会MIT:IvanSutherland——sketchpad1965年IvanSutherland发表“终极的显示”将计算机的显示屏进化为“观看虚拟世界的窗口”“只要运用恰当的计算机程序，就有可能在计算机的屏幕上重现文学上的爱丽丝漫游仙境的绚丽奇景”虚拟现实技术的发展60年代–IvanSutherland的“终极显示”，IvanSutherland的博士论文:SKETCHPAD:stereoHMD,positiontracking,andagraphicsengine–1966年Sutherland在MIT研究了HMD(HeadMountedDisplay)–1967，TomFurness:displaysystemsforpilotsIvanSutherland’sHMD(1966+)1966年，Sutherland在MIT林肯实验室开始研制人类的第一个头盔显示器（HMD）TX-2计算机、限幅除法器、矩阵乘法器、矢量生成器、头盔和头部位置跟踪器。NicolasNegroponte——推动虚拟现实应用的先锋1976年提出研制具有随机存取功能的多媒体系统。1979年在MIT成立了媒体实验室，特别邀请建筑大师贝聿铭设计了一座在多媒体技术、人机接口技术、人工智能技术、虚拟现实技术等领域中一直享有盛名的建筑。1981年，MichaelMcCreevey“空间感知和先进显示”虚拟现实技术的诞生1985年，MichaelMcCreevey建成了供航空和航天人员使用的虚拟现实环境。J.Zimmermn和JaronLanier(MIT)合作发明了一种在每个活动关节上都配有传感器的特殊手套。虚拟现实技术的诞生虚拟现实技术的发展70年代–1977，Brooks开发了力反馈系统GROPE–1977，SandinandSayre发明了具有弯曲度感知的数据手套–1979，Raab等人发明了Polhemus跟踪系统GROPE虚拟现实技术的发展80年代–1980年，SIMNET计划–1989年，JaronLanier杜撰了新词“virtualreality”–1989年，NASA发明LCDHMD，开发了“VirtualInterfaceEnvironmentWorkstation”(VIEW)虚拟现实技术的发展90年代–NASA的VIEW继续研究»Largesimulationandtrainingneeds;»Couldnotsendhumanstootherplanets;»Relativelysmallbudgets–STOW计划»TheSyntheticTheaterofWar-Architecture军事仿真–国内DVENET»1996年开始清华大学浙江大学北京航空航天大学上海大学中科院计算所虚拟现实技术的发展虚拟现实技术的概念背景–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»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»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（Toseetheunsee），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»“Thepurposeofcomputingisinsight,notnumber”---RichardHamming,NumericalMethodsforScientistsandEngineers虚拟现实技术的概念背景（续）–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»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»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»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虚拟现实技术的概念背景（续）–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»解决复杂问题，必须跨领域合作集体攻关»网络技术已基本成熟，基于网络计算可实现资源共享»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虚拟现实技术的概念背景（续）–总之，高性能计算机为沉浸式、协同式的可视化计算提供基础»高性能计算机和高性能网络技术»大量的、快速的、分布的、基于网络的数值计算»开放体系结构、中间件、人机接口和经验模型的建立»把数据映射成可视化的、具有某种物理属性的对象（虚物实化）»把实物转化为可融入虚拟环境的虚拟对象（实物虚化）虚拟现实技术的概念背景（续）–前30年计算机技术的发展，减少人的认知空间和计算机的处理空间的差异人思考问题的认知空间并行的多维的开放的归纳演绎传统计算机的处理空间串行的单维的封闭的预定程序建立和谐人机环境M大规模并行M多媒体O开放系统O面向对象N网络计算逐步减小人和机器间的隔阂虚拟现实技术的概念背景（续）–后20年计算机技术的发展，从MMOON到AKV有望实现和谐的人机环境»ArchiveStorageandProcessing--海量信息存储与处理»KnowledgeProcessing--知识处理»VisualizedComputing&VirtualReality--可视化计算与虚拟现实和谐的人机环境MMOONAKv虚拟现实技术的概念虚拟现实–VirtualReality–钱学森院士翻译为“灵境”–Virtual的英文本意是表现上具有真实事物的某些属性，但本质上是虚幻的。Reality的英文本义是真实而不是现实–是一种基于可计算信息的沉浸式人机交互环境–虚拟现实是利用计算机构造一个视景真实、动作真实、声音真实、感觉真实的虚拟环境(VirtualEnvironment)的技术虚拟现实技术的概念虚拟现实（续）–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（赵沁平等定义）–Ahigh-enduser-computerinterfacethatinvolvesreal-timesimulationandinteractionthroughmultiplesensorialchannels(vision,sound,touch,smell,taste)虚拟现实的定义狭义用于创建人造世界的计算机系统，在这个世界里，使用者有沉浸于其中的感觉，能在其内漫游并能操纵其内的物体。广义指由计算机技术所创建的三维环境。这个环境既可以是虚拟想象的三维环境（三维可视化），也可以是对真实世界的三维模拟。虚拟现实是利用计算机生成一种三维模拟环境，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实的定义传感设备包括：立体头盔、数据手套、数据衣等。自然交互指日常使用的方式对虚拟环境中的物体进行操作并得到实时立体反馈。虚拟现实技术的概念VR的特征–沉浸感（Immersion）用户产生一种沉浸于虚拟环境的感觉（视觉、听觉等）–交互性（Interaction）虚拟现实环境可以通过控制与监视装置影响或被使用者影响–想象性（Imagination）可感知形式反映了设计者的思想沉浸（Immersion）VR系统的核心，表示用户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力，用户在虚拟场景中有身临其境之感。交互性（Interaction）用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力，它是人机和谐的关键性因素。交互性包含对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度，以及虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等。VR是自主参考系，即以用户的视点变化进行虚拟交换。构想（Imagination）VR不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。因此，VR是启发人的创造性思维的活动。ImmersionImaginationInteraction虚拟现实特征—3I图虚拟现实与仿真的区别仿真技术虚拟现实多感知视觉、听觉视觉、听觉、触觉、力觉等存在感用户被视为“旁观者”用户沉浸其中，可视场景随用户的视点变化交互性不强调交互的实时性实时交互设备：三维立体眼镜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，有有线和无线之分，可支持逐行和隔行立体显示观察，也可用无线眼镜进行多人团体VR效果观察，是目前最为流行和经济适用的VR观察设备。设备：数据手套数据手套是虚拟现实应用的主要交互设备，它作为一只虚拟的手或控件用于3DVR场景的模拟交互，可进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制，有有线和无线、左手和右手之分，可用于WTK、Vega等3DVR或视景仿真软件环境中。设备：头盔显示器头盔显示器（又称数据头盔或数字头盔）是虚拟现实应用中的3DVR图形显示与