虚拟现实

虚拟现实技术的应用王岚1-2虚拟现实技术的应用1虚拟现实技术的发展史2虚拟现实技术的概念3虚拟现实技术的特征4虚拟现实系统的组成和分类5虚拟现实技术的应用领域6虚拟现实技术的研究现状7虚拟现实技术的开发方法8虚拟现实技术的相关网址1-31虚拟现实技术的发展史虚拟现实技术（VirtualReality）简称VR技术，是20世纪末逐渐兴起的一门综合性信息技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体、传感器、网络以及并行处理等多个信息技术分支的最新发展成果。1-41虚拟现实技术的发展史1929年，EdwardLink设计出用于训练飞行员的模拟器1956年，MortonHeilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama1-51虚拟现实技术的发展史1965年，IvanSutherland发表论文“UltimateDisplay”（终极的显示）1968年，IvanSutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器（HeadMountedDisplay，HMD）1-61虚拟现实技术的发展史1972年，NolanBushnell开发出第一个交互式电子游戏Pong1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第一个数据手套——SayreGlove20世纪80年代，美国国家航空航天局（NASA）组织了一系列有关VR技术的研究：1984年，NASAAmes研究中心的M.McGreevy和J.Humphries开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器；1987年，JimHumphries设计了双目全方位监视器（BOOM）的最早原型。1-71虚拟现实技术的发展史1990年，在美国达拉斯召开的Siggraph会议上，明确提出VR技术研究的主要内容包括实时三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术，为VR技术的发展确定了研究方向。从20世纪90年代开始，VR技术的研究热潮也开始向民间的高科技企业转移。著名的VPL公司开发出第一套传感手套命名为“DataGloves”，第一套HMD命名为“EyePhones”。进入21世纪后，VR技术更是进入软件高速发展的时期，一些有代表性的VR软件开发系统不断在发展完善，如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。1-82虚拟现实技术的概念虚拟现实技术是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“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。1-92虚拟现实技术的概念典型的VR系统主要由计算机软、硬件系统（包括VR软件和VR环境数据库）和VR输入、输出设备等组成。1-103虚拟现实技术的特征VR技术的三角形交互性（Interactivity）沉浸感（Immersion）想象力（Imagination）1-113虚拟现实技术的特征VR技术的交互性：指用户对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度（包括实时性）。主要借助于各种专用设备（如头盔显示器、数据手套等）产生，从而使用户以自然方式如手势、体势、语言等技能，如同在真实世界中一样操作虚拟环境中的对象。1-123虚拟现实技术的特征VR技术的沉浸感：又称临场感，是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。VR技术最主要的特征。影响沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、三维图像中的深度信息、画面的视野、实现跟踪的时间或空间响应及交互设备的约束程度等。1-133虚拟现实技术的特征VR技术的想象力：指用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未来进展进行想象的能力。对适当的应用对象加上虚拟现实的创意和想象力，可以大幅度提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。1-14虚拟现实系统的基本组成虚拟世界、虚拟现实软件、计算机、输入设备和输出设备五大部分输入设备输入设备虚拟现实软件虚拟世界计算机4虚拟现实系统的组成和分类1-154虚拟现实系统的组成和分类（1）桌面式VR系统（DesktopVR）（2）沉浸式VR系统（ImmersiveVR）（3）增强式VR系统（AugmentedVR）（4）分布式VR系统（DistributedVR）虚拟现实系统的分类1-164虚拟现实系统的组成和分类（1）桌面式VR系统使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互场景。用户会受到周围现实环境的干扰而不能获得完全的沉浸感，但由于其成本相对较低桌面式VR系统仍然比较普及。虚拟现实系统的基本组成1-17利用头盔显示器、洞穴式显示设备和数据手套等交互设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为VR系统内部的一个参与者，产生一种身临其境、全心投入并沉浸其中的体验。与桌面式VR系统相比，沉浸式VR系统的主要特点在于高度的实时性和沉浸感。4虚拟现实系统的组成和分类虚拟现实系统的分类（2）沉浸式VR系统1-18（3）增强式VR系统允许用户对现实世界进行观察的同时，将虚拟图像叠加在真实物理对象之上。为用户提供与所看到的真实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强用户对真实环境的感受，又被称为叠加式或补充现实式VR系统。可以使用光学技术或视频技术实现。4虚拟现实系统的组成和分类虚拟现实系统的分类1-19指基于网络构建的虚拟环境，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。主要被应用于远程虚拟会议、虚拟医学会诊、多人网络游戏、虚拟战争演习等领域。4虚拟现实系统的组成和分类虚拟现实系统的分类（4）分布式VR系统1-205虚拟现实技术的应用领域（1）军事（2）医学（3）教育与训练（4）设计与规划（5）科学计算可视化（6）商业领域（7）艺术与娱乐（8）虚拟旅游1-21（1）虚拟现实之应用-军事军事是虚拟现实应用最早的领域如模拟飞行训练等1-22应用图例-军事模拟飞行训练基本飞行课程(STD)起落航线课程(PPL)仪器飞行课程(INS)长途飞行课程(CPL)1-23（2）虚拟现实之应用-医学教育训练虚拟现实的超因波显像系统、放射线治疗以及手术模型等等的技术。临床研究虚拟现实系統(如恐高症的治疗等)1-24应用图例-医学虚拟手术模型训练內视镜手术模拟器官具有弹性、变形等物理属性具有自由度定位功能的手术刀1-25（3）虚拟现实之应用-教育与培训教学虚拟现实技术能使学习者能直接、自然地与虚拟对象进行交互，以各种形式参与事件的发展变化过程，并获得最大的控制和操作整个环境的自由度。虚拟实境技术辅助的CAI教学法，提供给学习者一个更逼真、更具弹性、学习效果更好的学习环境。训练航空驾驶员的训练、战车的训练以及太空人训练、仿真教学与实验、特殊教育、多种专业训练、应急演练和军事演习等等。1-26应用图例-教育天文教室的太阳系1-27（4）虚拟现实之应用-设计与规划虚拟现实已被看作是设计领域中唯一的开发工具。它可以避免传统方式在原型制造、设计和生产过程中的重复工作，有效的降低成本，应用领域包括汽车制造、工厂规划、景观设计、建筑工业、室內设计、都市计划、航太设计、以及仪器制造等等。电脑辅助设计(CAD)结合虚拟现实技术1-28应用图例-装修设计专业3D设计逼真的表现动画功能虚拟实境全景环视1-29科学可视化的功能就是将大量字母、数字数据转换成比原始数据更容易理解的各种图像，并允许参与者借助各种虚拟现实输入设备检查这些“可见的”数据。它通常被用于建立分子结构、地震以及地球环境等模型。（5）虚拟现实之应用-科学计算可视化1-30VR技术被逐步应用于网上销售、客户服务、电传会议及虚拟购物中心等商业领域。它可以使客户在购买前先看到产品的外貌与内在，甚至在虚拟世界中使用它，因此对产品的推广和销售都很有帮助。（6）虚拟现实之应用-商业领域1-31（7）虚拟现实之应用-艺术与娱乐被动式虚拟实境如目前热门的PCGame主动式虚拟实境虚拟实境游戏机，游戏介面设计在3D环境中，使用者在其中随心所欲。虚拟人物和世界如虚拟主播、虚拟人等等VR技术所具有的身临其境感及实时交互性还能将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的形式，使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术，包括虚拟画廊、虚拟音乐厅、文物保护等方面。娱乐是VR系统的另一个重要应用领域，市场上已经推出了多款VR环境下的电脑游戏，带给游戏者强烈的感官刺激。1-32VR技术所具有的身临其境感及实时交互性还能用于在线的虚拟旅游，使观赏者更好地欣赏大自然的美景。旅游是VR系统的另一个重要应用领域，许多著名景点均有虚拟现实网站，在VR环境下的旅游，带给旅游者另一番感受。（8）虚拟现实之应用-虚拟旅游1-33虚拟现实的应用宇航员数码相机互动展示北京故宫Sprite灌篮高手培训产品展示旅游游戏开发基督教堂模拟室内样板房演示海军潜水艇虚拟小区文物保护房地产系统仿真城市规划米兰虚拟：美国是VR技术的发源地，有美国宇航局（NASA）、麻省理工学院（MIT）媒体实验室、华盛顿大学人机界面技术实验室（HITLab）等许多知名的研究机构。美国在虚拟现实领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。1-356虚拟现实技术的研究现状英国主要有四个从事VR技术研究的中心，包括Windustries公司、BritishAerospace公司、DimensionInternational公司、DivisonLTD公司等。日本主要致力于建立大规模VR知识库和人机接口方面的研究项目上，在VR游戏方面的研究也处于领先地位。此外，国外还研制出多个用于开发应用程序的VR软件开发平台，例如美国Sense8公司的WorldToolKit（WTK），爱荷华州立大学虚拟现实应用中心的VRJuggler，DenebRobotics公司的ENVISION，英国Superscape公司的VRT，Division公司的dVISE等。1-366虚拟现实技术的研究现状我国从20世纪80年代起开始研究VR技术。虽然起步较晚，但近年来政府有关部门非常重视，制定了开展VR技术的研究计划，并将其列入国家重点研究项目。国内的一些科学家和重点院校也已积极投入了对这一领域的研究。北京航空航天大学是国内最早进行VR技术研究、最有权威的单位之一。它于2000年8月成立了虚拟现实新技术教育部重点实验室。1-376虚拟现实技术的研究现状清华大学对虚拟现实及其临场感等方面进行了大量研究，比如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施及深度感实验测试等。浙江大学的CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——立体显示技术进行了研究，提出一种基于JPEG标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压缩速度。1-387虚拟现实技术的开发方法（1）语言（VRML）开发法（2）工具开发法（3）合成开发法1-39（1）VRML简介-浏览器VRML文档可以在Internet上传输，并通过WWW浏览器进行演示。例如，在常用的浏览器IE或NetscapeNavigator中都可以演示VRML文档，其中IE5.0或NetscapeNavigator4.0以上版本浏览器中都已经预装了VRML插件。如果在安装浏览器时未选择预装，也可以单独下载和安装VRML浏览插件，例如CosmoPlayer。我们可以从网站“”下载CosmoPlayer软件的最新版本，它支持IE和Netscape，是应用最广泛的一种浏览虚拟现实的插件。7虚拟现实技术的开发方法1-401.文