虛擬現(xiàn)實(shí)背景了解

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的相關(guān)概念和關(guān)鍵特性了解虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成了解虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程8.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)是近年來(lái)一項(xiàng)十分活躍的研究與應(yīng)用技術(shù)。從20世紀(jì) 80年代被人們關(guān)注以來(lái)，發(fā)展極為迅速。目前已經(jīng)在教育學(xué)習(xí)(E-Learning)、數(shù)字娛樂(lè)(Games)、虛擬導(dǎo)覽(Virtual tour)、數(shù)字城市(Digital City)、模擬訓(xùn)練(E-training)、 工業(yè)仿真(Industry Simulation)、虛擬醫(yī)療(Virtual Medical)、數(shù)字典藏(Digital Preservation)

2、電子商務(wù)(EC)等從軍事到民用的諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是二十一世紀(jì)信息技術(shù)的代表，它融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、 多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是對(duì)這些技術(shù)更高層次的集成、 滲透與綜合應(yīng)用。8.1.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念自1962年，美國(guó)青年Morton Heilig發(fā)明了實(shí)感全景仿真機(jī)開(kāi)始，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來(lái)越 受到人們的關(guān)注。艾凡薩瑟蘭(Ivan Sutherland)領(lǐng)導(dǎo)研制成功的第一個(gè)頭盔顯示器于1970 年1月1日進(jìn)行了首次的正式演示。Virtual Reality的概念由美國(guó)VPL Research公司的創(chuàng)始 人加隆蘭里爾(Jaron Lani

3、er)在1989年正式提出來(lái)，中文通常譯作“虛擬現(xiàn)實(shí)”。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體 化的特定范圍內(nèi)虛擬的環(huán)境(如飛機(jī)駕駛艙、分子結(jié)構(gòu)世界)。用戶(hù)使用必要的特定裝備(如 數(shù)字化服裝、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)鞋以及頭盔、立體眼鏡等)，就可以自然地與虛擬環(huán)境中的客 體進(jìn)行交互，相互影響，從而產(chǎn)生親臨現(xiàn)場(chǎng)的感受和體驗(yàn)。8.1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征自從人類(lèi)發(fā)明計(jì)算機(jī)以來(lái)，人機(jī)的和諧交互一直是人們追求的方向。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供 了一種先進(jìn)的人機(jī)界面，它通過(guò)為用戶(hù)提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)等多種直觀而自然的實(shí) 時(shí)交互的方法與手段，最大程度的方便了用戶(hù)的操作，從而減輕了用

4、戶(hù)的負(fù)擔(dān)、提高了系統(tǒng) 的工作效率。美國(guó)科學(xué)家Burdea G.和Philippe Coiffet在1993年世界電子年會(huì)上發(fā)表了一篇 題為“Virtual Reality System and Applications ”的文章，在該文中提出一個(gè)“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 的三角形”，它表示出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有的三個(gè)突出特征：沉浸性(Immersion).交互性(Interactivity)和想象性(Imagination),如圖 8-1 所示。交互性(Interactivity)沉浸性（Immersion）想象性（Imagination）圖8-1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三個(gè)特性虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三個(gè)特性：（1）沉浸性沉

5、浸性又稱(chēng)浸入性，是指用戶(hù)感覺(jué)到好象完全置身于虛擬世界之中一樣，被虛擬世界所 包圍。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要技術(shù)特征就是讓用戶(hù)覺(jué)得自己是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬世界中 的一部分，使用戶(hù)由被動(dòng)的觀察者變成主動(dòng)的參與者，沉浸于虛擬世界之中，參與虛擬世界 的各種活動(dòng)。比較理想的虛擬世界可以達(dá)到使用戶(hù)難以分辨真假的程度，甚至超越真實(shí)，實(shí) 現(xiàn)比現(xiàn)實(shí)更逼真的照明和音響等效果。虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性來(lái)源于對(duì)虛擬世界的多感知性，除了我們常見(jiàn)的視覺(jué)感知、聽(tīng)覺(jué)感知 外，還有力覺(jué)感知、觸覺(jué)感知、運(yùn)動(dòng)感知、味覺(jué)感知、嗅覺(jué)感知、身體感覺(jué)等。從理論上來(lái) 講，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)該具備人在現(xiàn)實(shí)客觀世界中具有的所有感知功能。但鑒于目前科學(xué)技術(shù) 的

6、局限性，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，研究與應(yīng)用較為成熟或者相對(duì)成熟的主要是視覺(jué)沉浸（立體 顯示）、聽(tīng)覺(jué)沉浸（立體聲X觸覺(jué)沉浸（力反饋）、嗅覺(jué)沉浸（虛擬嗅覺(jué)），有關(guān)味覺(jué)等其他 的感知技術(shù)正在研究之中，還很不成熟。（2）交互性在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，交互性的實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)的多媒體技術(shù)有所不同，在傳統(tǒng)的多媒體技術(shù) 中，人機(jī)之間的交互工具從計(jì)算機(jī)發(fā)明直到現(xiàn)在，主要是通過(guò)鍵盤(pán)與鼠標(biāo)進(jìn)行一維、二維的 交互，而虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)人與虛擬世界之間要以自然的方式進(jìn)行交互，并且借助于虛擬現(xiàn) 實(shí)系統(tǒng)中特殊的硬件設(shè)備（如數(shù)據(jù)手套、力反饋設(shè)備等），以自然的方式與虛擬世界進(jìn)行交 互，實(shí)時(shí)產(chǎn)生在真實(shí)世界中一樣的感知，甚至連用戶(hù)本人都意識(shí)不到計(jì)算

7、機(jī)的存在。例如， 用戶(hù)可以配戴力反饋數(shù)據(jù)手套，用手直接抓取虛擬世界中的物體，這時(shí)手有觸摸感，并且可 以感覺(jué)到物體的重量，能區(qū)分所拿的是石頭還是海綿，并且場(chǎng)景中被抓的物體也立刻隨著手 的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)。（3）想象性想象性是指虛擬的環(huán)境是人想象出來(lái)的，同時(shí)這種想象體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者相應(yīng)的思想，因而 可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的目標(biāo)。所以說(shuō)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅僅是一個(gè)媒體或一個(gè)高級(jí)用戶(hù)界面，它 同時(shí)還可以是為解決工程、醫(yī)學(xué)、軍事等方面的問(wèn)題而由開(kāi)發(fā)者設(shè)計(jì)出來(lái)的應(yīng)用軟件，通常 它以夸大的形式反映設(shè)計(jì)者的思想，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與設(shè)計(jì)者并行操作， 為發(fā)揮他們的創(chuàng)造性而設(shè)計(jì)的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，為人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界提供

8、了一種全新的方 法和手段，它可以使人類(lèi)突破時(shí)間與空間，去經(jīng)歷和體驗(yàn)世界；可以使人類(lèi)進(jìn)入宏觀或微觀 世界進(jìn)行研究和探索；也可以完成那些因?yàn)槟承l件限制難以完成的事情。8.1.3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等新技術(shù)的高速發(fā)展及應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也發(fā)展迅速，并 呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，其內(nèi)涵也已經(jīng)大大擴(kuò)展。虛擬現(xiàn)實(shí)的分類(lèi)主要可以從兩種角度來(lái) 劃分，一方面是虛擬世界模型的建立方式；另一方面是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能和實(shí)現(xiàn)方式。1.按虛擬世界模型的建立方式分類(lèi)我們說(shuō)虛擬現(xiàn)實(shí)就是人們利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立一個(gè)虛擬世界，而虛擬世界的建模有兩種 方式，一種是通過(guò)影片縫合成一個(gè)三維虛擬環(huán)境，也就是所謂的影像

9、式虛擬現(xiàn)實(shí)；另外一種 三維虛擬環(huán)境的模型是人們運(yùn)用建模工具軟件(如Max、Maya等)手工繪制的多邊形構(gòu)成， 即 3D/VR 虛擬現(xiàn)實(shí)(Polygon base VR)。影像式虛擬現(xiàn)實(shí)影像式虛擬現(xiàn)實(shí)又分為針對(duì)環(huán)境的全景虛擬現(xiàn)實(shí)和針對(duì)物體的環(huán)物虛擬現(xiàn)實(shí)兩類(lèi)，如圖 8-2、圖8-3所示。在基于全景圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，虛擬場(chǎng)景是按以下步驟生成的：首先利用采集的離 散圖像或連續(xù)的視頻作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理形成全景圖像；然后通過(guò)合適的空間模型把多 幅全景圖像組織為虛擬全景空間。用戶(hù)在這個(gè)空間中可以進(jìn)行前進(jìn)、后退、環(huán)視、仰視、俯 視、近看、遠(yuǎn)看等操作。全景虛擬現(xiàn)實(shí)主要應(yīng)用在旅游景觀及酒店建筑等環(huán)境展示。

10、環(huán)物虛擬現(xiàn)實(shí)是以所拍攝物體為中心，采集一系列連續(xù)的幀序列，然后縫合成三維物體， 可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、拉遠(yuǎn)、拉近觀看。環(huán)物虛擬現(xiàn)實(shí)主要用于博物館文物數(shù)字化及在線(xiàn)商品展示 方面。圖8-2全景虛擬現(xiàn)實(shí)圖8-3環(huán)物虛擬現(xiàn)實(shí)(2) 3D/VR虛擬現(xiàn)實(shí)3D/VR虛擬現(xiàn)實(shí)(Polygon base Virtual Reality)是使用三維模型設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)多個(gè)多 邊形組合成一個(gè)三維模型，再給模型增加上紋理、材質(zhì)、貼圖等完成虛擬場(chǎng)景及人物的三維呈現(xiàn)。3D/VR虛擬現(xiàn)實(shí)如圖8-4所示。影像式虛擬現(xiàn)實(shí)與3D/VR虛擬現(xiàn)實(shí)相比，前者能夠提供高度逼真的效果、最大限度的 保存真實(shí)物體的原有信息，但只能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)及有限度的拉遠(yuǎn)

11、、拉近觀看，交互性不夠；而后 者由于手工建模，有誤差的存在，很難達(dá)到影像式虛擬現(xiàn)實(shí)所能保存原始信息的程度，但其 能夠提供豐富的交互行為，方便用戶(hù)對(duì)虛擬世界進(jìn)行各種自然、和諧的交互。圖8-4 3D/VR虛擬現(xiàn)實(shí)2.按虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能和實(shí)現(xiàn)方式分類(lèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅指那些采用高檔可視化工作站、高檔頭盔顯示器等一系列昂貴設(shè)備的 技術(shù)，也包括一切與其有關(guān)的具有自然交互、逼真體驗(yàn)的技術(shù)與方法。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的目的 在于達(dá)到真實(shí)的體驗(yàn)和基于自然的交互，而對(duì)一般的單位或個(gè)人不可能承受昂貴的硬件設(shè)備 及相應(yīng)軟件的價(jià)格，現(xiàn)在人們根據(jù)不同用戶(hù)應(yīng)用的需要，提供了桌面式、沉浸式、增強(qiáng)式、 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等從初級(jí)到各

12、種高端應(yīng)用的解決方案。桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(Desktop VR)是應(yīng)用最為方便、靈活的一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。它拋 開(kāi)其他或復(fù)雜或大型或昂貴的虛擬現(xiàn)實(shí)輸出設(shè)備，用戶(hù)采用個(gè)人計(jì)算機(jī)作為可視化輸出設(shè)備， 搭配主動(dòng)立體眼鏡觀看立體效果；而在輸入設(shè)備部分，我們可以選用基本的鼠標(biāo)鍵盤(pán)進(jìn)行操 作，也可以根據(jù)需要搭配三維鼠標(biāo)、追蹤球、力矩球、空間位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套甚至于力 反饋設(shè)備進(jìn)行仿真過(guò)程的各種設(shè)計(jì)。桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)如圖8-5所示。圖8-5桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要具有以下三個(gè)特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)成本低，應(yīng)用方便、靈活。對(duì)硬件設(shè)備要求極低，最簡(jiǎn)單的方式可以通過(guò)CRT顯示器計(jì)算機(jī)配合主動(dòng)立

13、體眼鏡 來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。用戶(hù)處于不完全沉浸的環(huán)境，會(huì)受到周?chē)F(xiàn)實(shí)世界的干擾，缺少身臨其境的感受， 因此有時(shí)候?yàn)榱嗽鰪?qiáng)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的效果，在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中還可以借助立體投影 設(shè)備，增大顯示屏幕，達(dá)到增加沉浸感及多人觀看的目的。對(duì)于從事虛擬現(xiàn)實(shí)研究工作的初始階段的開(kāi)發(fā)者及應(yīng)用者，實(shí)現(xiàn)成本低、應(yīng)用方便靈活， 實(shí)用性強(qiáng)的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是非常合適的解決方案。（2）沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（Immersive VR）是一種高級(jí)的、較理想的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它提供 一個(gè)完全沉浸的體驗(yàn)，使用戶(hù)有一種仿佛置身于真實(shí)世界之中的感覺(jué)。它通常采用洞穴式立 體顯示裝置（CAVE系統(tǒng)）或頭盔式顯示器

14、（HMD）等設(shè)備，首先把用戶(hù)的時(shí)間、聽(tīng)覺(jué)和 其他感覺(jué)封閉起來(lái)，并提供一個(gè)新的、虛擬的感覺(jué)空間，利用三維鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套、空間位 置跟蹤器等輸入設(shè)備和視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等設(shè)備，使用戶(hù)產(chǎn)生一種身臨其境、完全投入和沉浸于其 中的感覺(jué)，如圖8-6所示。圖8-6沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有以下五個(gè)特點(diǎn)：具有高度沉浸感。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用多種輸入、輸出設(shè)備從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、甚 至于觸覺(jué)、嗅覺(jué)等各方面來(lái)模擬，營(yíng)造一個(gè)虛擬的世界，并使用戶(hù)與真實(shí)世界隔離，不受外 面真實(shí)世界的影響，沉浸于虛擬世界之中。具有高度實(shí)時(shí)性與交互性。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，要達(dá)到與真實(shí)世界相同的感受， 必須具有高度實(shí)時(shí)性能。具有良好的系

15、統(tǒng)集成度與整合性能。為了實(shí)現(xiàn)用戶(hù)產(chǎn)生全方位的沉浸，就必須要多 種設(shè)備與多種相關(guān)軟件相互作用，且相互之間不能有影響，所以系統(tǒng)必須有良好的兼容與整 合性能。具有良好的開(kāi)放性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之所以發(fā)展迅速是因?yàn)樗捎昧似渌冗M(jìn)技術(shù)的 成果。在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中要盡可能利用最先進(jìn)的硬件設(shè)備、軟件技術(shù)，這就要求虛擬 現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能方便地改進(jìn)硬件設(shè)備與軟件技術(shù)，因此必須用比以往更靈活的方式構(gòu)造虛擬現(xiàn)實(shí) 系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)體系。能支持多種輸入、輸出設(shè)備并行工作。為了實(shí)現(xiàn)沉浸性，可能需要多個(gè)設(shè)備綜合應(yīng) 用，如用手拿一個(gè)物體，就必須要數(shù)據(jù)手套、空間位置跟蹤器等設(shè)備同步工作。所以說(shuō)，支 持多種輸入與輸出設(shè)備的并行處理

16、是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一項(xiàng)必備技術(shù)。常見(jiàn)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程 存在系統(tǒng)?；陬^盔式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是采用頭盔顯示器來(lái)實(shí)現(xiàn)單用戶(hù)的立體視覺(jué)輸出、立體聲音輸 出的環(huán)境，它把現(xiàn)實(shí)世界與之隔離，使用戶(hù)從聽(tīng)覺(jué)到視覺(jué)都能投入到虛擬環(huán)境中去，可以使 用戶(hù)完全沉浸。投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是采用一個(gè)或多個(gè)大屏幕投影來(lái)實(shí)現(xiàn)大畫(huà)面的立體視覺(jué)效果和立 體聲音效果，使多個(gè)用戶(hù)同時(shí)具有完全投入的感覺(jué)。遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)是一種遠(yuǎn)程控制形式，也稱(chēng)遙操作系統(tǒng)。它由人、人機(jī)接口、遙操作機(jī)器 人組成。實(shí)際上是遙操作機(jī)器人代替了計(jì)算機(jī)，這里的環(huán)境是機(jī)器人工作的真實(shí)環(huán)境，這個(gè) 環(huán)境是遠(yuǎn)離用戶(hù)的，可能

17、是人類(lèi)無(wú)法進(jìn)入的工作環(huán)境（如核環(huán)境、高溫、高危等環(huán)境），這 時(shí)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可使人自然地感受這種環(huán)境，并完成此環(huán)境下的工作。（3）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR Augmented Reality）是一個(gè)較新的研究領(lǐng)域，是一種利用計(jì)算機(jī)對(duì)使用 者所看到的真實(shí)世界產(chǎn)生的附加信息進(jìn)行景象增強(qiáng)或擴(kuò)張的技術(shù)。Azuma是這樣定義增強(qiáng) 現(xiàn)實(shí)的：虛實(shí)結(jié)合，實(shí)時(shí)交互，三維注冊(cè)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是利用附加的圖形或文字信息，對(duì)周?chē)鎸?shí)世界的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)地進(jìn)行增強(qiáng)。 在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，使用者可以在看到周?chē)鎸?shí)環(huán)境的同時(shí)，看到計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的增強(qiáng)信息。 這種增強(qiáng)的信息可以是在真實(shí)環(huán)境中與真實(shí)環(huán)境共存的虛擬物體，也可以是關(guān)于存在

18、的真實(shí) 物體的非幾何信息。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在虛擬現(xiàn)實(shí)與真實(shí)世界之間的溝壑上架起了一座橋梁。因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用 潛力是相當(dāng)巨大的。例如，可以利用疊加在周?chē)h(huán)境上的圖形信息和文字信息，以指導(dǎo)操作 者對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作、維護(hù)或是修理，而不需要操作者去查閱手冊(cè)，甚至不需要操作者具有工 作經(jīng)驗(yàn)；既可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的虛實(shí)結(jié)合技術(shù)進(jìn)行輔助教學(xué)，同時(shí)增進(jìn)學(xué)生的理性認(rèn)識(shí) 和感性認(rèn)識(shí)；也可以使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行高度專(zhuān)業(yè)化訓(xùn)練等等。圖8-7增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔顯示器實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的一個(gè)方法是使用光學(xué)透射頭盔顯示器（optical see-through HMD），如圖 8-7所示。使用者可以透過(guò)放置在眼前的半透、半反的光學(xué)合成器看

19、到外部真實(shí)環(huán)境的景物， 同時(shí)也可以看到光學(xué)合成器反射的由頭盔內(nèi)部顯示器上計(jì)算機(jī)生成的圖像。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)頭 部的時(shí)候，眼睛所看到的視野隨之變動(dòng)，同時(shí)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的增強(qiáng)信息也應(yīng)該隨之做相應(yīng)的變 化。因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)出回路中人的頭部位置和指向，以便能夠根據(jù) 這些信息實(shí)時(shí)確定所要添加的虛擬信息在真實(shí)空間坐標(biāo)中的映射位置，并將這些信息實(shí)時(shí)顯 示在圖像的正確位置。這就是三維環(huán)境注冊(cè)系統(tǒng)所要完成的任務(wù)。因此三維環(huán)境注冊(cè)技術(shù)一 直是計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究的重要方面，也是主要的難點(diǎn)。三維環(huán)境定位注冊(cè)所要完成的任務(wù)是實(shí)時(shí)地檢測(cè)出使用者頭部的位置和視線(xiàn)方向，計(jì)算 機(jī)根據(jù)這些信息確定所要添加的虛擬信息在投影

20、平面中的映射位置，并將這些信息實(shí)時(shí)顯示 在顯示屏的正確位置。注冊(cè)定位技術(shù)的好壞直接決定增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的成功與否。（4）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)的同步發(fā)展和相互促進(jìn)成為全世界信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的主 要特征。特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速崛起，使得信息應(yīng)用系統(tǒng)在深度和廣度上發(fā)生了本質(zhì)性的變 化，分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（DVR）即是一個(gè)較為典型的實(shí)例。所謂DVR是指一個(gè)支持多人 實(shí)時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互的軟件系統(tǒng)，每個(gè)用戶(hù)在一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，通過(guò)計(jì)算機(jī)與其它用 戶(hù)進(jìn)行交互，并共享信息。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的目標(biāo)是在“沉浸式”虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將地理上分布的多 個(gè)用戶(hù)或多個(gè)虛擬世界通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接在一起

21、，使每個(gè)用戶(hù)同時(shí)參與到一個(gè)虛擬空間，通過(guò)聯(lián) 網(wǎng)的計(jì)算機(jī)與其他用戶(hù)進(jìn)行交互，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷，以達(dá)到協(xié)同工作的目的。它將虛擬現(xiàn) 實(shí)的應(yīng)用提升到了一個(gè)更高的境界。8.1.4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前在軍事與航空、娛樂(lè)、醫(yī)學(xué)、機(jī)器人方面的應(yīng)用 占據(jù)主流，其次是在教育及藝術(shù)商業(yè)領(lǐng)域，另外在可視化計(jì)算、制造業(yè)等領(lǐng)域也有相當(dāng)?shù)谋?例，并且現(xiàn)在的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。（1）軍事模擬虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)根源可以追溯到軍事領(lǐng)域，軍事應(yīng)用是推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力， 直到現(xiàn)在依然是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的最大應(yīng)用領(lǐng)域，在軍事和航天領(lǐng)域早已理解仿真和模擬訓(xùn)練 的重要性。當(dāng)前趨勢(shì)是增加技術(shù)復(fù)雜性和縮短軍用硬

22、件的生命周期，這要求仿真器是靈活的、 可升級(jí)的和可聯(lián)網(wǎng)的，并允許遠(yuǎn)地仿真，不需要到仿真器現(xiàn)場(chǎng)。在隊(duì)伍仿真中也需要網(wǎng)絡(luò)， 它比單用戶(hù)更真實(shí)，要求虛擬現(xiàn)實(shí)是可聯(lián)網(wǎng)的、靈活的和可升級(jí)的，滿(mǎn)足軍事和航天仿真的 需要。此外，美國(guó)政府把發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)看成保持美國(guó)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的戰(zhàn)略部署的一部分，并開(kāi)始 了 “高性能計(jì)算和計(jì)算機(jī)通訊”計(jì)劃（HPCC）。在這個(gè)計(jì)劃中，自主開(kāi)發(fā)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬 件、軟件和應(yīng)用，給虛擬現(xiàn)實(shí)的研究與開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了極大的推動(dòng)。采用VR技術(shù)構(gòu)建武器裝備模擬器和各種聯(lián)網(wǎng)虛擬訓(xùn)練環(huán)境進(jìn)行軍事訓(xùn)練，其突出的特 點(diǎn)是不僅能夠大大減少實(shí)戰(zhàn)和實(shí)裝訓(xùn)練中的人員、物資損失，節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)，提高訓(xùn)練質(zhì)量， 而且還不受自

23、然地理環(huán)境等其他條件的約束和限制。目前VR技術(shù)在軍事訓(xùn)練領(lǐng)域主要集中在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、單兵模擬訓(xùn)練、近戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練 和諸軍種聯(lián)合虛擬演習(xí)、指揮員訓(xùn)練等方面，它可以縮短學(xué)習(xí)周期、提高指揮決策能力，大 大增強(qiáng)軍隊(duì)的作戰(zhàn)效率。（2）工業(yè)仿真隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用從軍工大幅進(jìn)入民用市場(chǎng)。如在工業(yè)設(shè)計(jì)中，虛擬樣 機(jī)就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)對(duì)每個(gè)變化產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD） 模型和書(shū)數(shù)據(jù)以及計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）仿真和分析的結(jié)果，所生成的一種具有沉浸感和 真實(shí)感、并可進(jìn)行直觀交互的產(chǎn)品樣機(jī)。波音公司對(duì)777系列飛機(jī)的設(shè)計(jì)、沃爾沃公司對(duì)新 型汽車(chē)內(nèi)部的儀表和控制部件的布置、Cat

24、erpillar公司對(duì)挖土機(jī)駕駛員鏟斗動(dòng)作的可見(jiàn)性的 改進(jìn)等等，都是這種新技術(shù)成功應(yīng)用的典范。虛擬制造技術(shù)與20世紀(jì)80年代提出來(lái)，在90年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，得到 人們的極大重視而獲得迅速發(fā)展。虛擬制造是采用計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在分布技術(shù)環(huán) 境中開(kāi)展群組協(xié)同作業(yè)，支持企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的異地設(shè)計(jì)、制造和裝配，是CAD/CAM等技 術(shù)的高級(jí)階段。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、仿真技術(shù)等在計(jì)算機(jī)上建立起的虛擬制造環(huán)境是一種接 近人們自然活動(dòng)的“自然”環(huán)境，人們的視覺(jué)、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)都與實(shí)際環(huán)境接近。人們?cè)谶@樣 的環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，可以充分發(fā)揮技術(shù)人員的想象力和創(chuàng)造能力，相互協(xié)作發(fā)揮集體 智慧，大大提高

25、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期。目前應(yīng)用主要在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、虛擬裝配、 產(chǎn)品加工過(guò)程仿真、虛擬樣機(jī)等幾個(gè)方面。虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)被世界上一些大型企業(yè)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)企業(yè)提高開(kāi)發(fā)效率，加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力，減少?zèng)Q策失誤，降低企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)起到了重要的作用。虛 擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入，使工業(yè)設(shè)計(jì)的手段和思想發(fā)生質(zhì)的飛躍，更加符合社會(huì)發(fā)展的需要，可 以說(shuō)在工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是可行且必要的。（3）數(shù)字城市在城市規(guī)劃、工程建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被作為輔助開(kāi)發(fā)工具。由于城市規(guī)劃的 關(guān)聯(lián)性和前瞻性要求較高，在城市規(guī)劃中，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)發(fā)揮著巨大的作用。例如，許多城 市都有自己的近期、中期、遠(yuǎn)景規(guī)

26、劃，在規(guī)劃中需要考慮各個(gè)建筑同周?chē)h(huán)境是否和諧相容， 新建筑是否同周?chē)械慕ㄖf(xié)調(diào)，以避免建成建筑物后，才發(fā)現(xiàn)它破壞了城市原來(lái)的風(fēng)格 和合理布局。另外隨著近些年房地產(chǎn)業(yè)的火暴，針對(duì)各種樓盤(pán)的規(guī)劃展示以及虛擬售房等建 筑虛擬漫游系統(tǒng)迅速普及應(yīng)用。因而數(shù)字城市領(lǐng)域?qū)θ碌目梢暬夹g(shù)需求是最為迫切、也 是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最普遍的領(lǐng)域之一。（4）數(shù)字娛樂(lè)娛樂(lè)上的應(yīng)用是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引用最廣闊的領(lǐng)域，從早期的立體電影到現(xiàn)代高級(jí)的沉浸 式游戲，其豐富的感覺(jué)能力與3D顯示世界使得虛擬現(xiàn)實(shí)成為理想的視頻游戲工具。由于在 娛樂(lè)方面對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感要求不是太高，所以近幾年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)在該方面發(fā)展較為迅猛。作為傳輸顯示

27、信息的媒體，虛擬現(xiàn)實(shí)在未來(lái)藝術(shù)領(lǐng)域方面所具有的潛在應(yīng)用能力也不可 低估。虛擬現(xiàn)實(shí)所具有的臨場(chǎng)參與及實(shí)時(shí)交互能力可以將靜態(tài)的藝術(shù)（如油畫(huà)、雕刻等）轉(zhuǎn) 化為動(dòng)態(tài)的，可以使觀賞者更具參與性的欣賞作品，理解作者所表達(dá)的藝術(shù)思想。如虛擬博 物館，利用網(wǎng)絡(luò)或光盤(pán)等載體實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)，虛擬把玩真實(shí)世界中難以實(shí)際觸摸、觀賞的文 物。（5）數(shù)字教學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用很多，尤其在建筑、機(jī)械、物理、生物、化學(xué)等相對(duì)抽象 學(xué)科教學(xué)中有著質(zhì)的突破。它不僅適用于課堂教學(xué)，使之更形象生動(dòng)，也適用于互動(dòng)實(shí)驗(yàn)中。另外將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于技能培訓(xùn)領(lǐng)域，可以大大節(jié)約成本，并且針對(duì)一些高危工作 環(huán)境的功能技能培訓(xùn)，保證了工作的

28、安全性。比較典型的應(yīng)用是訓(xùn)練飛行員的模擬器及汽車(chē) 駕駛的培訓(xùn)系統(tǒng)。交互式飛機(jī)模擬駕駛器是一種小型的動(dòng)感模擬設(shè)備，艙體內(nèi)前面是顯示屏 幕，配備飛行手柄和戰(zhàn)斗手柄，在虛擬的飛機(jī)駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)中，學(xué)員可以反復(fù)操作控制設(shè)備， 學(xué)習(xí)在各種天氣情況下駕駛飛機(jī)起飛、降落，通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到熟練掌握駕駛技術(shù)的目的。（6）電子商務(wù)在商業(yè)方面，近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品展示及推銷(xiāo)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 全方位地對(duì)商品進(jìn)行展覽，展示商品的多種功能；另外還能模擬工作時(shí)的情景，包括聲音、 圖像等效果，比單純使用文字或圖片宣傳更加具有吸引力。這種展示可用于Internet中，可 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的三維互動(dòng)，為電子商務(wù)服務(wù)，

29、同時(shí)顧客在選購(gòu)商品時(shí)可根據(jù)自己的意愿自由組 合，并實(shí)時(shí)看到它的效果。8.2虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成一個(gè)典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、輸入輸出設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)瀏覽軟件（應(yīng) 用軟件系統(tǒng)）等組成。用戶(hù)以計(jì)算機(jī)為核心，通過(guò)輸入輸出設(shè)備與應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的虛擬世界 進(jìn)行交互。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成如圖8-8所示。圖8-8虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成（1）計(jì)算機(jī)在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的心臟，有人也稱(chēng)之為虛擬世界的發(fā)動(dòng)機(jī)。它負(fù)責(zé)虛 擬世界的生成、人與虛擬世界的自然交互等功能的實(shí)現(xiàn)。（2）輸入輸出設(shè)備在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶(hù)與虛擬世界之間要實(shí)現(xiàn)自然的交互，這必須采用特殊的輸入與 輸出設(shè)備，用以識(shí)別用戶(hù)各種形式的信息輸入，并實(shí)時(shí)

30、生成逼真的反饋信息。（3）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用軟件在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件完成的功能有：虛擬世界中物體的模型的建立；虛擬世 界的實(shí)時(shí)渲染及顯示；三維立體聲音的生成等等。8.2.1虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的首要目標(biāo)是建立一個(gè)虛擬的世界，處于虛擬世界中的人與系統(tǒng)之間是 相互作用，相互影響的。特別要指出的是，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中要求人與虛擬世界之間必須是 基于自然的人機(jī)全方位交互。當(dāng)人完全沉浸于計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界之中時(shí)，我們常用的計(jì) 算機(jī)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等交互設(shè)備就變得無(wú)法適應(yīng)要求了，而必須采用其他手段及設(shè)備來(lái)與虛擬世 界進(jìn)行交互，即人對(duì)虛擬世界采用自然的輸入方式，虛擬世界要根據(jù)其輸入進(jìn)行實(shí)時(shí)場(chǎng)景自

31、 然輸出。1 .輸入設(shè)備（1）3D鼠標(biāo)器普通鼠標(biāo)只能感受在平面運(yùn)動(dòng)，而3D鼠標(biāo)如圖8-9所示則可讓用戶(hù)感受到在 三維空間中的運(yùn)動(dòng)。推、拉、傾斜或轉(zhuǎn)動(dòng)操控器，就能對(duì)三維物體和環(huán)境進(jìn)行同步平移、 縮放和旋轉(zhuǎn)。圖8-9 3D鼠標(biāo)圖8-10數(shù)據(jù)手套（2）數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套是一種被廣泛使用的傳感設(shè)備，如圖8-10所示。它戴在用戶(hù)手上，作為一只 虛擬的手用于與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行交互，可以在虛擬世界中進(jìn)行物體抓取、移動(dòng)、裝配、操 縱、控制等操作，并把手指和手掌伸屈時(shí)的各種姿態(tài)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī) 通過(guò)應(yīng)用程序識(shí)別出用戶(hù)的手在虛擬世界中操作時(shí)的姿勢(shì)，執(zhí)行相應(yīng)的操作。在實(shí)際應(yīng)用中， 數(shù)據(jù)手套還必須配有

32、空間位置跟蹤器，檢測(cè)手在空間中的實(shí)際方位及其運(yùn)動(dòng)方向。（3）位置追蹤器三維定位跟蹤設(shè)備是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中關(guān)鍵傳感設(shè)備之一，如圖8-11所示。它的任務(wù)是 檢測(cè)位置與方位，并將其數(shù)據(jù)報(bào)告給虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中用來(lái)跟蹤用戶(hù)的頭部 或者身體的某個(gè)部位的空間位置和角度，一般與其它虛擬設(shè)備結(jié)合使用。圖8-12 3D掃描儀圖8-11位置跟蹤器（4）3D掃描儀三維掃描儀是一種三維模型輸入設(shè)備，如圖8-12所示。它是當(dāng)前使用的對(duì)實(shí)際物體三 維建模的重要工具，能快速方便地將真實(shí)世界的立體彩色的物體轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的 數(shù)字信號(hào)，為實(shí)物數(shù)字化提供了有效的手段。（5）動(dòng)作采集器運(yùn)動(dòng)采集系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)連接的運(yùn)

33、動(dòng)捕捉攝像機(jī)和其它相應(yīng)設(shè)備來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)捕捉和 分析，如圖8-13所示。捕捉的數(shù)據(jù)既可簡(jiǎn)單到記錄軀體部件的空間位置，也可復(fù)雜到記錄 臉部和肌肉群的細(xì)致運(yùn)動(dòng)。圖8-13運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)Vicon系統(tǒng)是一套專(zhuān)業(yè)化的運(yùn)動(dòng)采集系統(tǒng)，工作過(guò)程中有四個(gè)最主要的環(huán)節(jié)：校準(zhǔn)、 捕捉、后臺(tái)處理、數(shù)據(jù)處理。校準(zhǔn)：校準(zhǔn)過(guò)程實(shí)際上就是定位各個(gè)攝像機(jī)位置的過(guò)程。捕捉:將光學(xué)跟蹤器粘貼在身體的相應(yīng)部位，在不方便粘貼的部位，將提供相應(yīng)的部件， 便于跟蹤器的固定。之后只需要使用鼠標(biāo)在計(jì)算機(jī)軟件操縱介面中點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，就可以進(jìn) 行捕捉工作。后臺(tái)處理：包括全自動(dòng)三維數(shù)據(jù)重建、跟蹤器自動(dòng)識(shí)別等功能。這些功能的實(shí)現(xiàn)需要計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)完成大

34、量的計(jì)算工作。數(shù)據(jù)處理:處理運(yùn)動(dòng)采集系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，由Vicon產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以被Maya、Softimage、 3D Studio MAX等軟件支持。2.輸出設(shè)備(1)頭盔顯示器頭盔顯示器又稱(chēng)數(shù)據(jù)頭盔或數(shù)字頭盔，如圖8-14所示。用于沉浸式虛擬實(shí)境的體驗(yàn)， 可單獨(dú)與主機(jī)相連以接受來(lái)自主機(jī)的立體或非立體圖形信號(hào)，通常的頭盔顯示器的視野范圍 為70，角度30度左右，一般和頭部位置跟蹤器配合使用，使用者可以不受外界環(huán)境的干 擾，在視覺(jué)上可以達(dá)到沉浸式效果，較立體眼鏡好很多。圖8-14頭盔顯示器圖8-15主動(dòng)立體眼鏡3D立體眼鏡液晶立體眼鏡(主動(dòng)立體眼鏡)如圖8-15所示。3D立體眼鏡搭配CRT顯示器

35、，是虛 擬現(xiàn)實(shí)用戶(hù)最便捷、最經(jīng)濟(jì)的立體體驗(yàn)方式。3D立體顯示器普通的計(jì)算機(jī)屏幕只能顯示三維物體的透視圖，而裸眼立體顯示器是不需要佩帶助視眼 鏡的立體顯示設(shè)備，如圖8-16所示。它使用特殊的光學(xué)元件改變顯示器和人眼的成像系統(tǒng)。 利用通用的TFT LCD液晶顯示器作為圖像顯示部件，通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)符合立體顯示照明原理 的照明板部件，與液晶盒精密裝配在一起組成裸眼立體顯示屏，配合電路系統(tǒng)和顯示軟件完 成裸眼立體顯示器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖8-16裸眼立體顯示器圖8-17 CAVE立體展示系統(tǒng)(4) CAVE展示系統(tǒng)CAVE (洞穴式)系統(tǒng)如圖8-17所示，是一種基于多通道視景同步技術(shù)和立體顯示技術(shù) 的房間式投影可視協(xié)同環(huán)境，該系統(tǒng)可提供一個(gè)房間大小的最