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1第1章绪论1.1虚拟现实技术的概念1.2虚拟现实技术的基本特征1.3虚拟现实技术的基本类型1.4虚拟现实技术的发展1.5虚拟现实技术的应用1.6虚拟现实技术的基本内容1.7虚拟现实系统的体系结构1.8增强现实技术1.9混合现实第1页第1章绪论1.1虚拟现实技术的概念人类有许多梦想，一些梦想已经变为现实，而有一些梦想也许永远都不可能实现。然而，有一种技术却能使一切梦想全部在感知中实现，这就是虚拟现实技术（VirtualReality，简称VR）。虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，由于它生成的视觉环境是立体的、音效是立体的，人机交互是和谐友好的，因此虚拟现实技术将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，即计算机创造的环境将人们陶醉在流连忘返的工作环境之中。虚拟现实（VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，它集多媒体、网络技术、传感技术等多种先进技术为一体，是当今前景最好的计算机技术之一。第2页第1章绪论1.1虚拟现实技术的概念虚拟环境虚拟房间虚拟汽车虚拟人1.1虚拟现实技术的概念第5页第1章绪论1.1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第6页第1章绪论1.1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2第7页第1章绪论1.1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第8页第1章绪论1.1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）第9页第1章绪论1.1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第10页第1章绪论1.1虚拟现实技术的概念背景（续）–后20年计算机技术的发展，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–虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信，甚至与气象、地理、美学、心理学和社会学等相关。第11页第1章绪论1.1虚拟现实技术的概念科学技术的发展使得人们对信息的需求越来越多，人门对信息的接受和理解变得也愈重要，人门不再满足通过数字、图像的方式观察信息的处理结果，而迫切需要通过视觉、听觉、触觉、嗅觉、以及形体、手势或口令，并直接参与到信息的处理环境中，获得身临其境的感觉。第12页第1章绪论1.1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3第13页第1章绪论1.1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。–Ahigh-enduser-computerinterfacethatinvolvesreal-timesimulationandinteractionthroughmultiplesensorialchannels(vision,sound,touch,smell,taste).第14页第1章绪论1.1虚拟现实技术的概念定义:虚拟环境是相对于实环境的，并有人的操作和参与而形成的一种虚构的、视觉上的、听觉上的、感觉上、嗅觉上的存在，是一种物理意义上的人机交互和抽象组合，而这种存在是由计算机系统产生的。在实环境中，人们可以直接的感受到实际的物体和存在，并与其进行交互和远程操作。而虚拟环境是一种利用显示技术虚构的环境，只是在感觉上能够体验到的一种境界。虚拟环境第1章绪论1.1虚拟现实技术的概念1.2虚拟现实技术的基本特征1.3虚拟现实技术的基本类型1.4虚拟现实技术的发展1.5虚拟现实技术的应用1.6虚拟现实技术的基本内容1.7虚拟现实系统的体系结构1.8增强现实技术1.9混合现实第17页第1章绪论第18页第1章绪论1.2虚拟现实技术的基本特征虚拟环境实质上不在是建立在一维的数字化信息空间，而是建立在一个多维信息空间的集成化环境，而虚拟现实(VirtualRealityVR)技术是支撑这种集成环境的关键技术，是一种新的人—机界面形式，它为用户（参与者）提供了一种临境(immersive)和多感觉通道（multi-sensory）的体验，试图寻求一种最佳的人-机通讯方式。虚拟现实也被称为人工环境(artificalenvironments)、电脑空间(cyberspace)、人工合成环境(syntheticenvironments)、虚拟环境(VirtualEnvironment)。4第19页第1章绪论1.2虚拟现实技术的基本特征虚拟现实技术近年来在技术研究领域十分活跃，它包容了计算机图形学、多媒体技术、人工智能技术、人机接口技术、传感器技术、并行实时计算技术和人的行为学等关键技术，是多媒体技术的一种发展境界。与传统计算机相比，VR系统有着三个重要的特点：–临境(immersion)；–交互性(interactivity)；–想象(imagination)。这三者都与人密切相关。可以简单地说，VR是计算机图形学和人-机交互技术的发展产物。但从更广泛的意义上讲，VR是人与技术系统完美的结合，人在整个系统占有重要的地位。ImmersionImaginationInteractionI3第20页第1章绪论1.2虚拟现实技术的基本特征虚拟技术三角形第21页第1章绪论1.2虚拟现实技术的基本特征沉浸感(Iimmersion)是指用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度(例如可视场景应随着视点的变化而变化)，甚至超越真实，如实现比现实更逼真的照明和音响效果等。交互性(Iinteraction)是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如，用户可以用手直接抓取虚拟环境中的物体，这时手有触摸感，并可以感觉物体的重量，场景中被抓的物体也立刻随着手的移动而移动。想象(Imagination)是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。第1章绪论1.1虚拟现实技术的概念1.2虚拟现实技术的基本特征1.3虚拟现实技术的基本类型1.4虚拟现实技术的发展1.5虚拟现实技术的应用1.6虚拟现实技术的基本内容1.7虚拟现实系统的体系结构1.8增强现实技术1.9混合现实第22页第1章绪论1.3虚拟现实技术的基本类型虚拟现实系统可分为四大类：–桌面虚拟现实系统（DesktopVR）–临境虚拟现实系统(ImmersiveVR)–增强性的虚拟现实系统(AugmentedReality)–分布式虚拟现实系统(DistributedVR)第23页第1章绪论1.3.1桌面VR系统(简易型虚拟现实系统）桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部设备包括立体眼镜、3D控制器使监视器或者鼠标，追踪球，力矩球等。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，但这种系统的特点是结构简单、价格低廉，组成灵活，易于普及推广，是一套经济实用的系统。5桌面VR也称为窗口中的VR,这类系统由于采用标准的CRT显示器和立体(Stereoscopic)显示技术，其分辨率较高，价格较便宜。在使用时,桌面VR系统设定一个虚拟观察者的位置。桌面VR系统通常用于工程CAD、建筑设计以及某些医疗应用。特点：–桌面虚拟现实技术就是使用个人计算机或工作站去产生虚拟境界。将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。1.3.1桌面VR系统(简易型虚拟现实系统）–参与者使用位置跟踪和另一个手控输入设备，如六自由度鼠标器、游戏操纵杆、力矩球等，使其虽然坐在监视器前面，但可通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟景物。–桌面虚拟现实系统虽然使参与者沉浸的程度要差,但技术上便于实现，成本低，这对于许多用户来说是很有吸引力的。–桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，但应用比较广泛。常见桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实QuickTimeVR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。1.3.1桌面VR系统(简易型虚拟现实系统）1.3.2临境VR虚拟系统(ImmersiveVR)沉浸型虚拟现实系统提供完全沉浸的体验。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。沉浸式虚拟现实要使用特殊的硬件设备，如头盔和数据手套。头盔实际上有三个不同的部分：头盔显示器（HMD:Head-MountedDisplay）、头盔定位装置和立体声耳机。头盔显示器又叫虚拟现实眼镜，它可以将两幅具有一定视差的图像，通过左右显示屏直接提供给参与者的眼睛，使他观看到具有深度感的立体图象，而将所有无关的视觉信息滤除掉。1.3.2临境VR虚拟系统(Immer