第一章 虚拟现实技术概述

虚拟现实技术与应用任课教师:郑德华1.什么叫虚拟现实技术虚拟现实技术（VirtualReality简称VR)是一种模拟人类视觉、听觉、力觉、触觉等感知行为的高度逼真的人机交互技术，是在数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、人—机接口技术、计算机仿真技术及传感器技术等许多信息技术基础上发展起来的一门多学科的交叉技术。第一章虚拟现实技术概述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。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上的区别,可以说交互性是两者最大的不同。可见下表: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，属于演示类艺术作品。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，场景变化的画面需要事先制作生成空间立体感支持立体显示和三维立体声，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，性价比高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VR技术与三维动画技术的比较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技术高速发展的阶段。4.虚拟现实系统的构成典型的虚拟现实系统主要是由计算机、应用软件系统、输入输出设备、用户和数据库等组成。如图：计算机输入输出设备应用软件系统数据库用户典型虚拟现实系统的结构框图5.虚拟现实技术的特征虚拟现实技术有3个主要特征：沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和想像性（Imagination）。(1)沉浸性沉浸性（Immersion）又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。(2)交互性交互性（Interactivity）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。6.虚拟现实系统的分类在实际应用中，根据虚拟现实技术对沉浸程度的高低和交互程度的不同，将虚拟现实系统划分为以下4种类型:(1)桌面式VR系统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。立体眼镜桌面式VR系统具有以下主要特点：①缺少完全沉浸感，参与者不完全沉浸，因为即使戴上立体眼镜，仍然会受到周围现实世界的干扰。②对硬件要求极低③应用比较普遍，因为它的成本相对较低(2)沉浸式VR系统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在虚拟环境中、并能全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有：①基于头盔式显示器的系统②投影式虚拟现实系统③远程存在系统沉浸式VR系统的特点①高度的沉浸感。②高度实时性。利用头盔显示器和数据手套等交互设备进行的飞机战斗游戏(3)增强式VR系统它既允许用户看到真实世界，同时也能看到叠加在真实世界上的虚拟对象，它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统。常见的增强式VR系统有：①基于台式图形显示器的系统。②基于单眼显示器的系统（一个眼睛看到显示屏上的虚拟世界，另一只眼睛看到的是真实世界）。③基于透视式头盔显示器的系统。增强式VR系统有以下3个特点：①真实世界和虚拟世界融为一体。②具有实时人机交互功能。③真实世界和虚拟世界是在三维空间中整合的。在房间原有的基础上进行虚拟设计（4）分布式VR系统它在沉浸式VR系统的基础上，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。分布式VR系统具有以下5个特点：①各用户具有共享的虚拟工作空间。②伪实体的行为真实感。③支持实时交互，共享时钟。④多个用户可用各自不同的方式相互通信。⑤资源信息共享以及允许用户自然操纵虚拟世界中的对象。虚拟战场8.虚拟现实技术的研究现状及研究方向(1)国外研究现状①美国是VR技术的发源地。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR技术发展的水平。目前美国在该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。②英国在VR技术的研究与开发的某些方面，如分布式并行处理、辅助设备（触觉反聩设备等）设计、应用研究等方面，在欧洲是领先的。③在德国，主要从事虚拟世界的感知、虚拟环境的控制和显示、机器人远程控制、VR在空间领域的应用、宇航员的训练、分子结构的模拟研究等。④日本主要致力于建立大规模VR知识库的研究，另外在VR游戏方面的研究也做了很多的工作。(2)国内研究现状①清华大学对虚拟现实及其临场感等方面进行了大量的研究。②北京科技大学成功开发出了纯交互式汽车模拟驾驶培训系统。③北京航空航天大学开发了直升飞机虚拟仿真器、坦克虚拟住仿真器、虚拟战场环境观察器、计算机兵力生成器。国内还有浙江大学、西安交通大学、南京大学、国防科技大学、天津大学、北京理工大学、西北大学、山东大学、大连海事大学和香港中文大学等高校以及其他民营研究机构进行了相关的研究。（3）目前虚拟现实技术的局限性①硬件设备的局限性。②软件的局限性。③应用的局限性。④效果的局限性。（4）VR技术的研究方向①感知研究领域②人机交互界面③高效的VR软件和算法④廉价的VR硬件系统