虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述(DOC 82)

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)概述1什么是是虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)是20世紀(jì)90年代以來興起的一種新型信息技術(shù)，它與多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并稱為三大前景最好的計(jì)算機(jī)技術(shù)。它以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主，利用并綜合三維圖形動(dòng)技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、伺服技術(shù)等多種高科技的最新發(fā)展成果，利用計(jì)算機(jī)等設(shè)備來產(chǎn)生一個(gè)逼真的三維視覺、觸覺、嗅覺等多種感官體驗(yàn)的虛擬世界，從而使處于虛擬世界中的人產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。在這個(gè)虛擬世界中，人們可直接觀察周圍世界及物體的內(nèi)在變化，與其中的物體之間進(jìn)行自然的交互，并能實(shí)時(shí)產(chǎn)生與真實(shí)世界相同的感覺，使人與計(jì)算機(jī)融為一體。與傳統(tǒng)的

2、模擬技術(shù)相比，VR技術(shù)的主要特征是：用戶能夠進(jìn)入到一個(gè)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成的交互式的三維虛擬環(huán)境中，可以與之進(jìn)行交互。通過參與者與仿真環(huán)境的相互作用，并利用人類本身對(duì)所接觸事物的感知和認(rèn)知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維，全方位地獲取事物的各種空間信息和邏輯信息。2虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與與三維動(dòng)畫畫技術(shù)的異異同VR技術(shù)和和三維動(dòng)畫畫技術(shù)有本本質(zhì)的區(qū)別別：三維動(dòng)動(dòng)畫技術(shù)是是依靠計(jì)算算機(jī)預(yù)先處處理好的路路徑上所能能看見的靜靜止照片連連續(xù)播放而而形成的，不不具有任何何交互性，即即不是用戶戶想看什么么地方就能能看到什么么地方，用用戶只能按按照設(shè)計(jì)師師預(yù)先固定定好的一條條線路去看看某些場景景，它給用用戶提供的的信息很少

3、少或不是所所需的，用用戶是被動(dòng)動(dòng)的；而VVR技術(shù)則則截然不同同，它通過過計(jì)算機(jī)實(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算場場景，根據(jù)據(jù)用戶的需需要把整個(gè)個(gè)空間中所所有的信息息真實(shí)地提提供給用戶戶，用戶可可依自己的的路線行走走，計(jì)算機(jī)機(jī)會(huì)產(chǎn)生相相應(yīng)的場景景，真正做做到“想得到，就就看得到”。所以說說交互性是是兩者最大大的不同。下面來看一一個(gè)應(yīng)用的的實(shí)例。房房地產(chǎn)展示示是這兩個(gè)個(gè)技術(shù)最常常用的領(lǐng)域域。在現(xiàn)在在的應(yīng)用中中，很多房房地產(chǎn)公司司采用三維維動(dòng)畫技術(shù)術(shù)來展示樓樓盤，其設(shè)設(shè)計(jì)周期長長，模式固固定，制作作費(fèi)用高；而同時(shí)在在國內(nèi)也已已經(jīng)有多家家公司采用用VR技術(shù)術(shù)來進(jìn)行設(shè)設(shè)計(jì)，其展展示效果好好，設(shè)計(jì)周周期短，更更重要的是是，它是

4、基基于真實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)的科學(xué)學(xué)仿真，不不僅可達(dá)到到一般展示示的功能，而而且還可以以把業(yè)主帶帶入到未來來的建筑物物里參觀，還還可展示如如門的高度度、窗戶朝朝向、某時(shí)時(shí)間的日照照、采光的的多少、樣樣板房的自自我設(shè)計(jì)、與周圍環(huán)環(huán)境的相互互影響等。這些都是是三維動(dòng)畫畫技術(shù)所無無法比擬的的。有關(guān)VVR技術(shù)與與三維動(dòng)畫畫技術(shù)的比比較見表11-1。表1-1 比較項(xiàng)目VR技術(shù)三維動(dòng)畫技技術(shù)科學(xué)性及場場景的選擇擇性虛擬世界基基于真實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)建立的的模型組合合而成，屬屬于科學(xué)仿仿真系統(tǒng)。操縱者親親身體驗(yàn)三三維空間，可可自由選擇擇觀察路徑徑，有身臨臨其境的感感覺 場景畫面根根據(jù)材料或或想像直接接繪制而與與真實(shí)的世世界和數(shù)據(jù)

5、據(jù)有較大的的差距，屬屬于演示類類藝術(shù)作品品。只能按按預(yù)先假定定的觀察路路徑觀看。實(shí)時(shí)交互性操縱者可以以實(shí)時(shí)感受受到運(yùn)動(dòng)帶帶來的場景景變化，具具有雙向互互動(dòng)的功能能只能單向演演示，場景景變化的畫畫面需要事事先制作生生成 空間立體感支持立體顯顯示和三維維立體聲，具具有三維空空間真實(shí)感感 不支持演示時(shí)間沒有時(shí)間限限制，可真真實(shí)詳盡的的展示，性性價(jià)比高 受動(dòng)畫制作作時(shí)間限制制，無法詳詳盡展示，性性價(jià)比低 方案應(yīng)用的靈活性支持方案調(diào)調(diào)整、評(píng)估估、管理、信息查詢?cè)兊裙δ?，同同時(shí)又具有有更真實(shí)直直觀的演示示功能 只具有簡單單的演示功功能3虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的發(fā)展簡史史VR技術(shù)的的發(fā)展大致致分為3個(gè)個(gè)階段：20

6、世紀(jì)550年代到到70年代代末，是VVR 技術(shù)術(shù)的探索階階段；20世紀(jì)880年代初初期到800年代中期期，是VRR技術(shù)系統(tǒng)統(tǒng)化、從實(shí)實(shí)驗(yàn)室走向向?qū)嵱玫碾A階段；20世紀(jì)880年代末末期到達(dá)221世紀(jì)初初，是VRR技術(shù)高速速發(fā)展的階階段。第一套具有有VR思想想的裝置是是莫頓。海海利希在11962年年研制的稱稱為Sennoramma的具有有多種感官官刺激的立立體電影系系統(tǒng)，它是是一套只能能供個(gè)人觀觀看立體的的設(shè)備，采采用模擬電電子技術(shù)與與娛樂技術(shù)術(shù)相結(jié)合的的全新技術(shù)術(shù)，能產(chǎn)生生立體聲音音效果，并并能有不同同的氣味，座座位也能根根據(jù)劇情的的變化搖擺擺或振動(dòng)，觀觀看時(shí)還能能感覺到有有風(fēng)在吹動(dòng)動(dòng)。在隨后幾

7、年年中，艾凡凡.薩瑟蘭蘭在麻省理理工學(xué)院開開始頭盔式式顯示器的的研制工作作，人們戴戴上這個(gè)頭頭盔式顯示示器，就會(huì)會(huì)產(chǎn)生身臨臨其境的感感覺。研制者們于于19700年研制出出了第一個(gè)個(gè)功能較齊齊全的HMMD系統(tǒng)。美國的Jaaron Laniier在220世紀(jì)律律80年代代初正式提提出了Viirtuaal Reealitty 一詞詞。20世紀(jì)880年代,美國國家家航空航天天局(NAASA)及及美國國防防部組織了了一系列有有關(guān)VR技技術(shù)的研究究,并取得得了令人矚矚目的研究究成果。進(jìn)入20世世紀(jì)90年年代后,迅迅速發(fā)展的的計(jì)算機(jī)硬硬件技術(shù)與與不斷改進(jìn)進(jìn)的計(jì)算機(jī)機(jī)軟件系統(tǒng)統(tǒng)相匹配，使使得基于大大型數(shù)據(jù)集集

8、合的聲音音和圖像的的實(shí)時(shí)動(dòng)畫畫制作成為為可能，人人機(jī)交互系系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)不斷創(chuàng)新新，新穎、實(shí)用的輸輸入輸出設(shè)設(shè)備不斷地地涌入市場場。4虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的的構(gòu)成典型的VRR系統(tǒng)主要要由計(jì)算機(jī)機(jī)、應(yīng)用軟軟件系統(tǒng)、輸入輸出出設(shè)備、用用戶和數(shù)據(jù)據(jù)庫等組成成，如圖11-1所示示。圖1-1 虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)的一一般構(gòu)成1.計(jì)算機(jī)機(jī)在VR系統(tǒng)統(tǒng)中，計(jì)算算機(jī)負(fù)責(zé)虛虛擬世界的的生成和人人機(jī)交互的的實(shí)現(xiàn)。由由于虛擬世世界本身具具有高度復(fù)復(fù)雜性，尤尤其在某些些應(yīng)用中，如如航空航天天世界的模模擬、大型型建筑物的的立體顯示示、復(fù)雜場場景的建模模等，使得得生成虛擬擬世界所需需的計(jì)算量量極為巨大大，因此對(duì)對(duì)VR系統(tǒng)統(tǒng)中計(jì)算機(jī)機(jī)的

9、配置提提出了極高高的要求。2.輸入輸輸出設(shè)備在VR系統(tǒng)統(tǒng)中，為了了實(shí)現(xiàn)人與與虛擬世界界的自然交交互，必須須采用特殊殊的輸入輸輸出設(shè)備，以以識(shí)別用戶戶各種形式式的輸入，并并實(shí)時(shí)生成成相應(yīng)的反反饋信息。3.VR的的應(yīng)用軟件件系統(tǒng)及數(shù)數(shù)據(jù)庫VR的應(yīng)用用軟件系統(tǒng)統(tǒng)可完成的的功能包括括：虛擬世世界中物體體的幾何模模型、物理理模型、行行為模型的的建立，三三維虛擬立立體聲的生生成，模型型管理技術(shù)術(shù)及實(shí)時(shí)顯顯示技術(shù)，虛虛擬世界數(shù)數(shù)據(jù)庫的建建立與管理理等幾部分分。虛擬世世界數(shù)據(jù)庫庫主要用于于存放整個(gè)個(gè)虛擬世界界中所有物物體的各個(gè)個(gè)方面的信信息。圖1-2 典型虛擬擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框框圖5虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的特征

10、VR技術(shù)有有3個(gè)主要要特征：沉沉浸性（IImmerrsionn）、交互互性（Innteraactivvity）和和想像性（IImagiinatiion），如如圖1-33所示。圖1-3（1）沉浸浸性沉浸性（IImmerrsionn）是指用用戶感受到到被虛擬世世界所包圍圍，好像完完全置身于于虛擬世界界中一樣。VR技術(shù)術(shù)最主要的的技術(shù)特征征是讓用戶戶覺得自己己是計(jì)算機(jī)機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)創(chuàng)建的虛擬擬世界中的的一部分，使使用戶由觀觀察者變成成參與者，沉沉浸其中并并參與虛擬擬世界的活活動(dòng)。理想想的虛擬世世界應(yīng)該達(dá)達(dá)到使用戶戶難以分辨辨真假的程程度，甚至至超越真實(shí)實(shí)，實(shí)現(xiàn)比比現(xiàn)實(shí)更逼逼真的照明明和音響效效果。（2）

11、交互互性交互性（IInterractiivityy）的產(chǎn)生生，主要借借助于VRR系統(tǒng)中的的特殊硬件件設(shè)備（如如數(shù)據(jù)手套套、力反饋饋裝置等），使使用戶能通通過自然的的方式，產(chǎn)產(chǎn)生同在真真實(shí)世界中中一樣的感感覺。想像性想像性（IImagiinatiion）指指虛擬的環(huán)環(huán)境是人想想像出來的的，同時(shí)這這種想像體體現(xiàn)出設(shè)計(jì)計(jì)者相應(yīng)的的思想，因因而可以用用來實(shí)現(xiàn)一一定的目標(biāo)標(biāo)。所以說說VR技術(shù)術(shù)不僅僅是是一個(gè)媒體體或一個(gè)高高級(jí)用戶界界面，同時(shí)時(shí)它還是為為解決工程程、醫(yī)學(xué)、軍事等方方面的問題題而由開發(fā)發(fā)者設(shè)計(jì)出出來的應(yīng)用用軟件。6VR技技術(shù)的意義義正是由于VVR技術(shù)的的廣泛應(yīng)用用，并能夠夠?qū)崿F(xiàn)人與與自然之間

12、間的和諧交交互，擴(kuò)大大對(duì)信息空空間的感知知通道，提提高人類對(duì)對(duì)跨越時(shí)空空事物和復(fù)復(fù)雜動(dòng)態(tài)事事件的感知知能力，把把計(jì)算機(jī)應(yīng)應(yīng)用提高到到一個(gè)嶄新新的水平，其其作用和意意義是十分分重要的。首先是在觀觀念上的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變，它使使人們對(duì)計(jì)計(jì)算機(jī)的應(yīng)應(yīng)用從“以計(jì)算機(jī)機(jī)為主體”變成“以人為主主體”。傳統(tǒng)的信息息處理環(huán)境境一直強(qiáng)調(diào)調(diào)的是“人適應(yīng)計(jì)計(jì)算機(jī)”，人與計(jì)計(jì)算機(jī)通常常通過鍵盤盤與鼠標(biāo)進(jìn)進(jìn)行交互，這這種交互是是間接的，非非直覺的和和有限的。而VR技技術(shù)的目標(biāo)標(biāo)或理念是是要逐步使使“計(jì)算機(jī)適適應(yīng)人”，人們要要通過視覺覺、聽覺、觸覺、嗅嗅覺以及形形體、手勢勢或語言，參參與到信息息處理的環(huán)環(huán)境中去，并并獲得身臨臨其境

13、的體體驗(yàn)。人們們不必意識(shí)識(shí)到自己在在同計(jì)算機(jī)機(jī)打交道，而而可以像在在現(xiàn)實(shí)世界界中處理事事情一樣同同計(jì)算機(jī)交交流，這就就把人從操操作計(jì)算機(jī)機(jī)的復(fù)雜工工作中解放放出來，使使用計(jì)算機(jī)機(jī)無需學(xué)習(xí)習(xí)，操作也也異常簡單單而方便。第二個(gè)轉(zhuǎn)變變發(fā)生在哲哲學(xué)中人們們對(duì)“虛”和“實(shí)”之間的辯辯證關(guān)系的的理解上。虛和實(shí)的關(guān)關(guān)系是一個(gè)個(gè)古老的哲哲學(xué)話題。我們是處處于真實(shí)的的客觀世界界中，還是是只處于自自己的感知知世界中，一一直是唯物物論和唯心心論爭論的的焦點(diǎn)。以以視覺為例例，我們所所看到的世世界，不過過是視網(wǎng)膜膜上的影像像。過去，視視網(wǎng)膜上的的影像都是是真實(shí)世界界的反映，因因此客觀的的真實(shí)世界界同主觀的的感知世界界是

14、一致的的?，F(xiàn)在，VVR導(dǎo)致了了二重性，VVR的景物物對(duì)人的感感官來說是是實(shí)實(shí)在在在存在的，但但它又的的的確確是虛虛構(gòu)的東西西，而且按按照虛構(gòu)的的東西行事事，往往又又會(huì)得出正正確的結(jié)果果。因此這這就引發(fā)了了哲學(xué)上要要重新認(rèn)識(shí)識(shí)“虛”和“實(shí)”之間的關(guān)關(guān)系的研究究。7虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的的分類在實(shí)際應(yīng)用用中，根據(jù)據(jù)VR技術(shù)術(shù)對(duì)沉浸程程度的高低低和交互程程度的不同同，將VRR系統(tǒng)劃分分了解4種種類型：沉沉浸式VRR系統(tǒng)、桌桌面式VRR系統(tǒng)、增增強(qiáng)式VRR系統(tǒng)、分分布式VRR系統(tǒng)。其其中桌面式式VR系統(tǒng)統(tǒng)因其技術(shù)術(shù)非常簡單單，需投入入的成本也也不高，在在實(shí)際應(yīng)用用中較廣泛泛。（1）桌面面式VR系系統(tǒng)桌面式V

15、RR系統(tǒng)也稱稱窗口VRR，見圖11-4所示示，它是利利用個(gè)人計(jì)計(jì)算機(jī)或圖圖形工作站站等設(shè)備，采采用立體圖圖形、自然然交互等技技術(shù)，產(chǎn)生生三維立體體空間的交交互場景，利利用計(jì)算機(jī)機(jī)的屏幕作作為觀察虛虛擬世界的的一個(gè)窗口口，通過各各種輸入設(shè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)與與虛擬世界界的交互。桌面式VRR系統(tǒng)一般般要求參與與者使用空空間位置跟跟蹤定位設(shè)設(shè)備和其他他輸入設(shè)備備，如數(shù)據(jù)據(jù)手套和66個(gè)自由度度的三維空空間鼠標(biāo)，使使用戶雖然然坐在監(jiān)視視器前，卻卻可以通過過計(jì)算機(jī)屏屏幕觀察360范范圍內(nèi)的虛虛擬世界。在桌面式VVR系統(tǒng)中中，計(jì)算機(jī)機(jī)的屏幕是是用戶觀察察虛擬世界界的一個(gè)窗窗口，在一一些VR工工具軟件的的幫助下，參參與

16、者可以以在仿真過過程中進(jìn)行行各種設(shè)計(jì)計(jì)。使用的的硬件設(shè)備備主要是立立體眼鏡和和一些交互互設(shè)備（如如數(shù)據(jù)手套套、空間位位置跟蹤定定位設(shè)備等等）。立體體眼鏡觀看看計(jì)算機(jī)屏屏幕中虛擬擬三維場景景的立體效效果，它所所帶來的立立體視覺能能使用戶產(chǎn)產(chǎn)生一定程程度的沉浸浸感。有時(shí)時(shí)為了增強(qiáng)強(qiáng)桌面式VVR系統(tǒng)的的效果，在在桌面式VVR系統(tǒng)中中還可以加加入專業(yè)的的投影設(shè)備備，以達(dá)到到增大屏幕幕觀看范圍圍的目的。桌面式VRR系統(tǒng)具有有以下主要要特點(diǎn)：對(duì)硬件要求求極低，有有時(shí)只需要要計(jì)算機(jī)或或是增加數(shù)數(shù)據(jù)手套、空間位置置跟蹤定位位設(shè)備等。缺少完全沉沉浸感，參參與者不完完全沉浸，因因?yàn)榧词勾鞔魃狭Ⅲw眼眼鏡，仍然然會(huì)受

17、到周周圍現(xiàn)實(shí)世世界的干擾擾。應(yīng)用比較普普遍，因?yàn)闉樗某杀颈鞠鄬?duì)較低低，而且它它也具備了了沉浸式VVR系統(tǒng)的的一些技術(shù)術(shù)要求。作為開發(fā)者者和應(yīng)用者者來說，從從成本角度度考慮，采采用桌面式式VR技術(shù)術(shù)往往被認(rèn)認(rèn)為是從事事VR研究究工作的必必經(jīng)階段。圖1-4 桌面式VVR系統(tǒng)（2）沉浸浸式VR系系統(tǒng)沉浸式VRR系統(tǒng)利用用頭盔顯示示器和數(shù)據(jù)據(jù)手套等各各種交互設(shè)設(shè)備把用戶戶的視覺、聽覺和其其他感覺封封閉起來，而而使用戶真真正成為VVR系統(tǒng)內(nèi)內(nèi)部的一個(gè)個(gè)參與者，并并能利用這這些交互設(shè)設(shè)備操作和和駕馭虛擬擬環(huán)境，產(chǎn)產(chǎn)生一種身身臨其境、全心投入入和沉浸其其中的感覺覺（見圖11-5）。沉浸式VVR系統(tǒng)的的基本

18、組成成如圖1-6所示。圖1-5沉沉浸式VRR系統(tǒng)演示示實(shí)例沉浸式VRR系統(tǒng)的特特點(diǎn)高度的沉浸浸感。沉浸浸式VR系系統(tǒng)采用多多種輸入與與輸出設(shè)備備來營造一一個(gè)虛擬的的世界，并并使用戶沉沉浸于其中中，同時(shí)還還可以使用用戶與真實(shí)實(shí)世界完全全隔離，不不受外面真真實(shí)世界的的影響。高度實(shí)時(shí)性性。在虛擬擬世界中要要達(dá)到與真真實(shí)世界相相同的感覺覺，如當(dāng)人人運(yùn)動(dòng)時(shí)，空空間位置跟跟蹤定位設(shè)設(shè)備需及時(shí)時(shí)檢測到，并并且經(jīng)過計(jì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算算，輸出相相應(yīng)的場景景變化，并并且這個(gè)變變化必需是是及時(shí)的，延延遲時(shí)間要要很小。圖1-6 沉浸式VVR系統(tǒng)的的基本組成成沉浸式VRR系統(tǒng)的分分類常見的沉浸浸式VR系系統(tǒng)有：基基于頭盔式式

19、顯示器的的VR系統(tǒng)統(tǒng)、投影式式VR系統(tǒng)統(tǒng)、遙在系系統(tǒng)?；陬^盔式式顯示器采采用頭盔式式顯示器或或投影式VVR系統(tǒng)是是或投影式式顯示系統(tǒng)統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)完完全投入。它把現(xiàn)實(shí)實(shí)世界與之之隔離，使使參與者從從聽覺到視視覺都能投投入到虛擬擬環(huán)境中去去。遙在系統(tǒng)是是一種遠(yuǎn)程程控制形式式，常用于于VR系統(tǒng)統(tǒng)與機(jī)器人人技術(shù)相結(jié)結(jié)合的系統(tǒng)統(tǒng)。（3）增強(qiáng)強(qiáng)式VR系系統(tǒng)增強(qiáng)式VRR系統(tǒng)簡稱稱增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)實(shí)（AR），它它既允許用用戶看到真真實(shí)世界，同同時(shí)也能看看到疊加在在真實(shí)世界界上的虛擬擬對(duì)象，它它是把真實(shí)實(shí)環(huán)境和虛虛擬環(huán)境結(jié)結(jié)合起來的的一種系統(tǒng)統(tǒng)，既可減減少構(gòu)成復(fù)復(fù)雜場景的的開銷（因因?yàn)椴糠痔撎摂M環(huán)境由由真實(shí)環(huán)境境構(gòu)成），

20、又又可對(duì)實(shí)際際物體進(jìn)行行操作（因因?yàn)椴糠治镂矬w是真實(shí)實(shí)環(huán)境）。增強(qiáng)式VRR系統(tǒng)有以以下3個(gè)特特點(diǎn)：真實(shí)世界和和虛擬世界界融為一體體。具有實(shí)時(shí)人人機(jī)交互功功能。真實(shí)世界和和虛擬世界界是在三維維空間中整整合的。（4）分布布式VR系系統(tǒng)分布式VRR系統(tǒng)是VVR技術(shù)的的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)術(shù)發(fā)展和結(jié)結(jié)合的產(chǎn)物物，是一個(gè)個(gè)在網(wǎng)絡(luò)的的虛擬世界界中，位于于不同物理理位置的多多個(gè)用戶或或多個(gè)虛擬擬世界，通通過網(wǎng)絡(luò)連連接成共享享信息的系系統(tǒng)。DVVR系統(tǒng)的的目標(biāo)是在在沉浸式VVR系統(tǒng)的的基礎(chǔ)上，將將地理上分分布的多個(gè)個(gè)用戶或多多個(gè)虛擬世世界通過網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接在在一起，使使每個(gè)用戶戶同時(shí)加入入到一個(gè)虛虛擬空間里里（真實(shí)感感三維立

21、體體圖形、立立體聲），通通過聯(lián)網(wǎng)的的計(jì)算機(jī)與與其他用戶戶進(jìn)行交互互，共同體體驗(yàn)虛擬經(jīng)經(jīng)歷，以達(dá)達(dá)到協(xié)同工工作的目的的，它將虛虛擬提升到到了一個(gè)更更高的境界界。VR系統(tǒng)運(yùn)運(yùn)行在分布布式世界中中有2個(gè)方方面的原因因：一方面面是充分利利用分布式式計(jì)算機(jī)系系統(tǒng)提供的的強(qiáng)大計(jì)算算能力；另另一方面是是有些應(yīng)用用本身具有有分布特性性，如多人人通過網(wǎng)絡(luò)絡(luò)進(jìn)行游戲戲和虛擬戰(zhàn)戰(zhàn)爭模擬等等。分布式VRR系統(tǒng)的特特點(diǎn)：各用戶具有有共享的虛虛擬工作空空間。偽實(shí)體的行行為真實(shí)感感。支持實(shí)時(shí)交交互，共享享時(shí)鐘。多個(gè)用戶可可用各自不不同的方式式相互通信信。資源信息共共享以及允允許用戶自自然操縱世世界中的對(duì)對(duì)象。目前，分布布式

22、VR技技術(shù)主要被被應(yīng)用于遠(yuǎn)遠(yuǎn)程虛擬會(huì)會(huì)議、虛擬擬醫(yī)學(xué)會(huì)診診、多人通通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)進(jìn)行游戲或或虛擬戰(zhàn)爭爭模擬（見見圖1-77所示）等等領(lǐng)域。圖1-7 虛擬戰(zhàn)爭爭模擬虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)的研究究現(xiàn)狀及研研究方向VR技術(shù)領(lǐng)領(lǐng)域幾乎是是所有發(fā)達(dá)達(dá)國家都在在大力研究究的前沿領(lǐng)領(lǐng)域，它的的發(fā)展速度度非常迅速速?；赩VR技術(shù)的的研究主要要有VR技技術(shù)與VRR應(yīng)用兩大大類。在國國外VR技技術(shù)研究方方面研究得得較好的有有美國、德德國、英國國、日本、韓國等國國家。在國國內(nèi)，浙江江大學(xué)、北北京航空航航天大學(xué)等等單位在VVR方面的的研究工作作開展得比比較早，成成果也較多多。(1) 國國外研究現(xiàn)現(xiàn)狀 美國是是VR技術(shù)術(shù)的發(fā)源地

23、地，因而大大多數(shù)研究究機(jī)構(gòu)都在在美國。美國宇航局局（NASSA）。AAmes實(shí)實(shí)驗(yàn)室一直直是許多VVR技術(shù)思思想的發(fā)源源地。早在在19811年，他們們就開始研研究空間信信息顯示，11984年年又開始了了虛擬視覺覺環(huán)境顯示示（VIVVED）項(xiàng)項(xiàng)目。后來來，其研究究人員Sccott Fishher還開開發(fā)了虛擬擬界面環(huán)境境(VIEEW)工作作站。Ammes完善善了HMDD，并將VVPL的數(shù)數(shù)據(jù)手套工工程化，使使其成為可可用性較高高的產(chǎn)品。目前，AAmes把把研究的重重點(diǎn)放在對(duì)對(duì)空間站操操縱的實(shí)時(shí)時(shí)仿真上。北卡羅來納納大學(xué)（UUNC）對(duì)對(duì)VR的研研究主要在在四個(gè)方面面：分子建建模、航空空駕駛問題題、

24、外科手手術(shù)仿真、建筑仿真真。他們解解決了分子子結(jié)構(gòu)的可可視化，并并已用于藥藥物和化學(xué)學(xué)材料的研研究。Loma Lindda大學(xué)醫(yī)醫(yī)學(xué)中心是是一所經(jīng)常常從事高難難度或有爭爭議醫(yī)學(xué)項(xiàng)項(xiàng)目研究的的單位。他他們成功地地將計(jì)算機(jī)機(jī)圖形及VVR的設(shè)備備用于探討討與神經(jīng)疾疾病相關(guān)的的問題。他他們巧妙地地將VPLL的數(shù)據(jù)手手套作為測測量手顫動(dòng)動(dòng)的工具，將將手的運(yùn)動(dòng)動(dòng)實(shí)時(shí)地在在計(jì)算機(jī)上上用圖形表表示出來，從從而進(jìn)行分分析診斷。施樂公司研研究中心在在VR領(lǐng)域域主要從事事利用VRR技術(shù)建立立“未來辦公公室”的研究。SRI研究究中心主要要從事定位位光標(biāo)、視視覺顯示器器、光學(xué)部部件、觸覺覺與力反饋饋、三維輸輸入裝置及及

25、語言交互互等研究。英國在VRR技術(shù)的研研究與開發(fā)發(fā)的某些方方面，如分分布式并行行處理、輔輔助設(shè)備（觸觸覺反聵設(shè)設(shè)備等）設(shè)設(shè)計(jì)、應(yīng)用用研究等方方面，在歐歐洲是領(lǐng)先先的。在德國，以以德國FhhG-IGGD圖形研研究所和德德國計(jì)算機(jī)機(jī)技術(shù)中心心（GMDD）為代表表。它主要要從事虛擬擬世界的感感知、虛擬擬環(huán)境的控控制和顯示示、機(jī)器人人遠(yuǎn)程控制制、VR在在空間領(lǐng)域域的應(yīng)用、宇航員的的訓(xùn)練、分分子結(jié)構(gòu)的的模擬研究究等。德國的計(jì)算算機(jī)圖形研研究所（IIGD）測測試平臺(tái)，主主要用于評(píng)評(píng)估VR技技術(shù)對(duì)未來來系統(tǒng)和界界面的影響響，向用戶戶和生產(chǎn)者者提供通向向先進(jìn)的可可視化、模模擬技術(shù)和和VR技術(shù)術(shù)的途徑。日本主要

26、致致力于建立立大規(guī)模VVR知識(shí)庫庫的研究，另另外在VRR游戲方面面的研究也也做了很多多的工作 。東京大大學(xué)的原島島研究室開開展了3項(xiàng)項(xiàng)研究：人人類面部表表情特征的的提取、三三維結(jié)構(gòu)的的判定和三三維形狀的的表示以及及動(dòng)態(tài)圖像像的提取。東京大學(xué)學(xué)的廣瀨研研究室重點(diǎn)點(diǎn)研究VRR的可視化化問題。為為了克服當(dāng)當(dāng)前顯示和和交互技術(shù)術(shù)的局限性性，他們開開發(fā)了一種種虛擬全息息系統(tǒng)。他他們的成果果有一個(gè)類類似CAVVE的系統(tǒng)統(tǒng)，用HMMD在建筑筑群中漫游游，制造出出飛行仿真真器等。筑波大學(xué)工工程機(jī)械學(xué)學(xué)院研究了了一些力反反饋顯示方方法。他們們開發(fā)了99自由度的的觸覺輸入入器并開發(fā)發(fā)了虛擬行行走原型系系統(tǒng)，步行行

27、者只要腳腳上穿上全全方向的滑滑動(dòng)裝置，他他就能交替替邁動(dòng)左腳腳和右腳。(2) 國國內(nèi)研究現(xiàn)現(xiàn)狀2003年年，由浙江江大學(xué)CAAD&CGG國家重點(diǎn)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牽牽頭，由浙浙江大學(xué)、中科院軟軟件所、清清華大學(xué)、北京航空空航天大學(xué)學(xué)等聯(lián)合申申報(bào)的20002年度度國家重重點(diǎn)基礎(chǔ)研研究發(fā)展規(guī)規(guī)劃（即即973項(xiàng)項(xiàng)目）中的的“虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)的基礎(chǔ)理理論、算法法及其實(shí)現(xiàn)現(xiàn)”獲批準(zhǔn)立立項(xiàng)。對(duì)虛虛擬環(huán)境的的建立、自自然人機(jī)交交互、增強(qiáng)強(qiáng)式VR、分布式VVR、VRR在產(chǎn)品創(chuàng)創(chuàng)新中的應(yīng)應(yīng)用等技術(shù)術(shù)進(jìn)行聯(lián)合合攻關(guān)。北京航空航航天大學(xué)計(jì)計(jì)算機(jī)系是是國內(nèi)最早早進(jìn)行VRR研究的機(jī)機(jī)構(gòu)之一，他他們首先進(jìn)進(jìn)行了一些些基礎(chǔ)知識(shí)識(shí)方面的研研

28、究，并著著重研究了了虛擬世界界中物體物物理特性的的表示與處處理，在VVR中的視視覺接口方方面開發(fā)出出了部分硬硬件，并提提出了有關(guān)關(guān)算法及實(shí)實(shí)現(xiàn)方法。他們還實(shí)實(shí)現(xiàn)了分布布式虛擬世世界網(wǎng)絡(luò)設(shè)設(shè)計(jì)，建立立了網(wǎng)上VVR研究論論壇，可以以提供實(shí)時(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)態(tài)數(shù)據(jù)庫，提提供VR演演示世界，提提供用于飛飛行員訓(xùn)練練的VR系系統(tǒng)，提供供開發(fā)VRR系統(tǒng)的開開發(fā)平臺(tái)，并并將要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)與有關(guān)單單位的遠(yuǎn)程程連接。開開發(fā)了直升升機(jī)虛擬仿仿真器、坦坦克虛擬仿仿真器、虛虛擬戰(zhàn)場環(huán)環(huán)境觀察器器、計(jì)算機(jī)機(jī)兵力生成成器。清華大學(xué)計(jì)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)和技術(shù)系系對(duì)VR和和臨場感的的方面進(jìn)行行了研究，例例如球面屏屏幕顯示和和圖像隨動(dòng)動(dòng)、克服立

29、立體圖閃爍爍的措施和和深度感實(shí)實(shí)驗(yàn)等方面面都具有不不少獨(dú)特的的方法。他他們還針對(duì)對(duì)室內(nèi)環(huán)境境中水平特特征豐富的的特點(diǎn)，提提出借助圖圖像變換，使使立體視覺覺圖像中對(duì)對(duì)應(yīng)水平特特征呈現(xiàn)形形狀一致性性，以利于于實(shí)現(xiàn)特征征匹配，并并獲取物體體三維結(jié)構(gòu)構(gòu)的新穎算算法。對(duì)虛虛擬現(xiàn)實(shí)及及其臨場感感等方面進(jìn)進(jìn)行了大量量研究，其其中有不少少方案和方方法都獨(dú)具具特色，比比如球面屏屏幕顯示和和圖像隨動(dòng)動(dòng)、克服立立體圖閃爍爍的措施和和深度感實(shí)實(shí)驗(yàn)測試等等。北京科技大大學(xué)成功開開發(fā)出了純純交互式汽汽車模擬駕駕駛培訓(xùn)系系統(tǒng)。該系系統(tǒng)的三維維圖形非常常逼真，虛虛擬環(huán)境與與真實(shí)的駕駕駛環(huán)境幾幾乎沒有什什么差別，因因此投入使使

30、用后效果果良好。西安交通大大學(xué)信息工工程研究所所對(duì)VR中中的關(guān)鍵技技術(shù)立體顯顯示技術(shù)進(jìn)行了了研究。他他們?cè)诜治鑫鋈祟愐曈X覺特性的基基礎(chǔ)上提出出了一種基基于JPEEG標(biāo)準(zhǔn)壓壓縮編碼的的新方案，并并獲得了較較高的壓縮縮比、信噪噪比以及解解壓速度，并并且已經(jīng)通通過實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果證明了了這種方案案的優(yōu)越性性。20044年南京大大學(xué)成立了了南京大學(xué)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)與教學(xué)媒媒體研究中中心，對(duì)VVR技術(shù)及及應(yīng)用進(jìn)行行研究，并并把重點(diǎn)放放在虛擬體體育仿真、數(shù)字文化化遺產(chǎn)保護(hù)護(hù)和自然人人機(jī)交互等等方面。國內(nèi)在VVR方面有有較多研究究成果的其其他單位還還有國防科科技大學(xué)、天津大學(xué)學(xué)、北京理理工大學(xué)、中國科學(xué)學(xué)院自動(dòng)化化研

31、究所、西北大學(xué)學(xué)、山東大大學(xué)、大連連海事大學(xué)學(xué)和香港中中文大學(xué)等等。(3) 目目前虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的局限性 硬件設(shè)設(shè)備的局限限性1.相關(guān)設(shè)設(shè)備普遍存存在使用不不方便、效效果不佳等等情況2.硬件設(shè)設(shè)備品種有有待進(jìn)一步步擴(kuò)展3.VR系系統(tǒng)應(yīng)用的的相關(guān)設(shè)備備價(jià)格也比比較昂貴且且局限性很很大 軟件的的局限性從軟件上來來說，現(xiàn)在在大多數(shù)VVR軟件普普遍存在語語言專業(yè)較較強(qiáng)，通用用性較差，易易用性差等等問題。同同時(shí)，由于于硬件設(shè)備備的諸多局局限性，使使得軟件的的開發(fā)費(fèi)用用也十分巨巨大，并且且軟件所能能實(shí)現(xiàn)的效效果受到時(shí)時(shí)間和空間間的影響較較大，很多多算法及許許多相關(guān)理理論也不成成熟。 應(yīng)用的的局限性從應(yīng)用

32、上來來說，現(xiàn)階階段VR技技術(shù)的主要要應(yīng)用在軍軍事領(lǐng)域較較多，在各各高?？蒲醒蟹矫孑^多多，在教育育領(lǐng)域、工工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，有有待進(jìn)一步步加強(qiáng)。未未來的發(fā)展展應(yīng)努力向向民用方向向發(fā)展，并并在不同的的行業(yè)發(fā)揮揮作用。 效果的的局限性1.虛擬世世界的表示示側(cè)重幾何何表示，缺缺乏逼真的的物理、行行為模型。2.在虛擬擬世界的感感知方面，有有關(guān)視覺合合成研究多多，聽覺、觸覺（力力覺）關(guān)注注較少，真真實(shí)性與實(shí)實(shí)時(shí)性不足足。3.在與虛虛擬世界的的交互中，自自然交互性性不夠，在在語音識(shí)別別等人工智智能方面的的效果還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能令人人滿意。（4）VRR技術(shù)的研研究方向 感知研研究領(lǐng)域在聽覺方面面應(yīng)加強(qiáng)聽聽覺

33、模型的的建立，提提高虛擬立立體聲的效效果，并積積極開展非非聽覺研究究；在觸覺覺方面，要要開發(fā)各種種用于人類類觸覺系統(tǒng)統(tǒng)的基礎(chǔ)研研究和VRR觸覺設(shè)備備的計(jì)算機(jī)機(jī)控制的機(jī)機(jī)械裝置。 人機(jī)交交互界面開展獨(dú)立于于應(yīng)用系統(tǒng)統(tǒng)的交互技技術(shù)和方法法的研究，建建立軟件技技術(shù)交換機(jī)機(jī)構(gòu)以支持持代碼共享享、重用和和軟件投資資，并鼓勵(lì)勵(lì)開發(fā)通用用型軟件維維護(hù)工具。 高效的的VR軟件件和算法 積極開發(fā)滿滿足VR技技術(shù)建模要要求的新一一代工具軟軟件及算法法、虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)建模語語言的研究究、復(fù)雜場場景的快速速繪制及分分布式VRR技術(shù)的研研制。 廉價(jià)的的VR硬件件系統(tǒng)VR技術(shù)的的主要研究究方向是在在外部空間間的實(shí)用跟跟蹤技術(shù)

34、、力反饋技技術(shù)、嗅覺覺技術(shù)及面面向自然的的交互硬件件設(shè)備。 智能虛虛擬環(huán)境智能虛擬環(huán)環(huán)境是虛擬擬環(huán)境和人人工智能與與人工生命命兩種技術(shù)術(shù)的結(jié)合。它涉及多多個(gè)不同學(xué)學(xué)科，包括括計(jì)算機(jī)圖圖形、虛擬擬環(huán)境、人人工智能與與人工生命命、仿真、機(jī)器人等等。虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)的交互互設(shè)備三維交互設(shè)設(shè)備用于把把各種信息息輸入計(jì)算算機(jī)，并向向用戶提供供相應(yīng)的反反饋，它們們是使參與與者能以人人類自然技技術(shù)與虛擬擬環(huán)境交互互的必要工工具。根據(jù)據(jù)傳感渠道道以及在功功能和目的的上的不同同，虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的的三維交互互設(shè)備主要要被分為三三維跟蹤傳傳感設(shè)備、立體顯示示設(shè)備、人人機(jī)交互設(shè)設(shè)備以及系系統(tǒng)集成設(shè)設(shè)備等幾大大類。1VR

35、的的三維跟蹤蹤傳感設(shè)備備虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)是在三三維空間中中與人交互互的技術(shù)，為為了能及時(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地地獲取人的的動(dòng)作信息息，需要有有各類高精精度、高可可靠的跟蹤蹤、定位設(shè)設(shè)備。例如如，為了感感知參與者者的視線，需需要跟蹤觀觀察者頭部部的位置和和方向；為為了在虛擬擬環(huán)境中移移動(dòng)物體或或參與者的的身體，就就要跟蹤觀觀察者各肢肢體的位置置，包括從從手到全身身各部位的的位置等。因此，必必須要研制制與三維交交互相適應(yīng)應(yīng)的跟蹤裝裝置（如圖圖2-1所所示），而而這種實(shí)時(shí)時(shí)跟蹤以及及交互裝置置主要依賴賴于傳感器器技術(shù)，它它是VR系系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)人機(jī)之間間溝通的極極其重要的的通信手段段，是實(shí)時(shí)時(shí)處理的關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。圖2

36、-1 Polhhemuss的Fasstrakk跟蹤定位位器VR的各種種應(yīng)用基本本上都是采采用跟蹤用用戶頭部或或手的運(yùn)動(dòng)動(dòng)，也有監(jiān)監(jiān)測使用者者的眼睛）即即視線）或或面部表情情的系統(tǒng)。常用的跟跟蹤傳感技技術(shù)主要有有電磁波、超聲波、機(jī)械、光光學(xué)和圖像像提取等幾幾種方法，它它們被廣泛泛地應(yīng)用在在頭盔顯示示器、數(shù)據(jù)據(jù)手套等三三維交互設(shè)設(shè)備的功能能設(shè)計(jì)中。（1）電磁磁波跟蹤器器這是一種最最為常用的的跟蹤器，它它使用一個(gè)個(gè)信號(hào)發(fā)生生器（3個(gè)個(gè)正交線圈圈組）產(chǎn)生生低頻電磁磁場，然后后由放置于于接收器中中的另外三三組正交線線圈組負(fù)責(zé)責(zé)接收，通通過獲得的的感生電流流和磁場場場強(qiáng)的9個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)來計(jì)計(jì)算被跟蹤蹤物體的位

37、位置和方向向（如圖22-2所示示）。電磁磁波跟蹤器器體積小、價(jià)格便宜宜、用戶運(yùn)運(yùn)動(dòng)自由，而而且敏感性性不依賴于于跟蹤方位位，但是其其系統(tǒng)延遲遲較長，跟跟蹤范圍小小，且準(zhǔn)確確度容易受受環(huán)境中大大的金屬物物體或其他他磁場的影影響。圖2-2 交流電磁磁跟蹤系統(tǒng)統(tǒng)的工作原原理（2）超聲聲波跟蹤器器超聲波跟蹤蹤器的工作作原理是發(fā)發(fā)射器發(fā)出出高頻超聲聲波脈沖（頻頻率20kkHz以上上）后，由由接收器計(jì)計(jì)算收到信信號(hào)的時(shí)間間差、相位位差或聲壓壓差等，就就可以跟蹤蹤物體的距距離和方位位了。超聲聲波跟蹤器器的性能適適中，成本本低廉，而而且不會(huì)受受外部磁場場和大塊金金屬物質(zhì)的的干擾。但但是，它的的敏感性卻卻容易受

38、接接收器的方方位和空氣氣密度的影影響。按照測量方方法的不同同，超聲波波位置跟蹤蹤技術(shù)通常?？梢苑譃闉閮纱箢?，它它們是飛行行時(shí)間測量量法和相位位相干測量量法。其中中，聲波飛飛行時(shí)間跟跟蹤是通過過測量聲波波的飛行時(shí)時(shí)間延遲來來確定距離離的。它同同時(shí)使用多多外發(fā)射器器和接收器器，以便獲獲得一系列列的距離量量，從而計(jì)計(jì)算出準(zhǔn)確確的位置和和方向。這這種方法具具有較好的的精確度和和響應(yīng)性，但但容易受到到外界噪音音脈沖的干干擾，同時(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸輸率還會(huì)隨隨著監(jiān)測范范圍的擴(kuò)大大而降低，因因而比較適適用于小范范圍內(nèi)的操操作環(huán)境。相位相干干跟蹤則是是通過比較較基準(zhǔn)信號(hào)號(hào)和傳感器器監(jiān)測到的的發(fā)射信號(hào)號(hào)之間的相相位差來

39、確確定距離的的。由于相相位可被連連續(xù)測量，因因而這種方方法具有較較高的數(shù)據(jù)據(jù)傳輸率。同時(shí)，多多次的濾波波還可以保保證系統(tǒng)監(jiān)監(jiān)測的精度度、響應(yīng)性性以及耐久久性等，而而不受到外外界噪聲的的干擾。（3）光學(xué)學(xué)跟蹤器光學(xué)跟蹤也也是一種較較為常見的的跟蹤技術(shù)術(shù)。這種跟跟蹤器可以以使用自然然光、激光光或紅外線線等作為光光源，但為為避免干擾擾用戶的觀觀察視線，目目前多采用用紅外線方方式。與電電磁波和超超聲波這兩兩種跟蹤器器相比，光光學(xué)系統(tǒng)的的可工作范范圍小，但但其數(shù)據(jù)處處理速度、響應(yīng)性都都非常好，因因而較適用用于頭部活活動(dòng)范圍相相當(dāng)受限、但要求具具有較高刷刷新率和精精確率的實(shí)實(shí)時(shí)應(yīng)用。（4）其他他空間跟蹤蹤

40、系統(tǒng) 機(jī)械跟跟蹤器 慣性跟跟蹤器 圖像提提取跟蹤器器2VR的的立體顯示示設(shè)備對(duì)虛擬世界界的沉浸感感主要依賴賴于人類的的視覺感知知，因而三三維立體視視覺是虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的第一傳傳感通道。雖然桌面面式VR系系統(tǒng)中可以以使用普通通的計(jì)算機(jī)機(jī)屏幕作為為顯示設(shè)備備，但它卻卻不能提供供大視野、雙眼的立立體視覺效效果。因此此，我們需需要一些專專門的立體體顯示設(shè)備備來增強(qiáng)用用戶在虛擬擬環(huán)境中視視覺沉浸感感的逼真程程度?，F(xiàn)階階段常用的的顯示設(shè)備備主要有立立體眼鏡、頭盔式顯顯示器、雙雙目全方位位顯示器、大屏幕投投影等。（1）頭盔盔式顯示器器頭盔式顯示示器（HMMD）是VVR系統(tǒng)中中普通采用用的一種立立體顯示設(shè)設(shè)

41、備，它通通常安裝在在頭部，并并用機(jī)械的的方法固定定，頭與頭頭盔之間不不能有相對(duì)對(duì)運(yùn)動(dòng)，在在HMD上上配有空間間位置跟蹤蹤定位設(shè)備備，能實(shí)時(shí)時(shí)檢測出頭頭部的位置置，VR系系統(tǒng)能HMMD的屏幕幕上顯示出出反映當(dāng)前前位置的場場景圖像。它通常由由兩個(gè)LCCD或CRRT顯示器器分別向左左右眼提供供圖像，這這兩個(gè)圖像像由計(jì)算機(jī)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)動(dòng)的，兩個(gè)個(gè)圖像間存存在著微小小的差別，類類似于“雙眼視差差”。通過大大腦將兩個(gè)個(gè)圖像融合合以獲得深深度感知，得得到一個(gè)立立體的圖像像。HMDD可以將參參與者與外外界完全隔隔離或部分分的隔離，因因而已成為為沉浸式VVR系統(tǒng)與與增強(qiáng)式VVR系統(tǒng)不不可缺少的的視覺輸出出設(shè)備，圖

42、圖2-3為為兩種頭盔盔式顯示器器。圖2-3 Virttual Reseearchh V8 和Proovieww60兩種種頭盔式顯顯示器（2）雙目目全方位顯顯示器（BBOOM）BOOM是是一種可移移動(dòng)式顯示示器。它由由兩個(gè)互相相垂直的機(jī)機(jī)械臂支撐撐，這不僅僅讓使用者者可以在半半徑約2米米的球面空空間內(nèi)自由由移動(dòng)，還還能將顯示示器的重量量加以巧妙妙的平衡而而使之始終終保持水平平，不受平平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)影響。在在支撐臂上上的每個(gè)節(jié)節(jié)點(diǎn)處都有有位置跟蹤蹤器，因此此BOOMM和頭盔顯顯示器一樣樣有實(shí)時(shí)的的觀測和交交互能力。與頭盔顯示示器相比，BBOOM采采用高分辨辨率的CRRT顯示器器，因而其其分辨率高高于

43、HMDD，且圖像像柔和。BBOOM的的位置及方方向跟蹤是是通過計(jì)算算機(jī)械臂節(jié)節(jié)點(diǎn)角度的的變化來實(shí)實(shí)現(xiàn)的，因因而其系統(tǒng)統(tǒng)延遲小，且且不受磁場場和超聲波波背景噪音音的影響。雖然它的的沉浸感稍稍差些，但但使用這種種設(shè)備可以以自由的進(jìn)進(jìn)出虛擬環(huán)環(huán)境，使用用者只要把把頭從觀測測點(diǎn)轉(zhuǎn)開，就就離開虛擬擬環(huán)境而進(jìn)進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世世界，因此此具有方便便靈活的應(yīng)應(yīng)用特點(diǎn)。BOOMM的缺點(diǎn)是是使用者的的運(yùn)動(dòng)受限限，這是因因?yàn)樵诠ぷ髯骺臻g中心心支撐架造造成了“死區(qū)”。圖2-4是一種種用于設(shè)計(jì)計(jì)核潛艇的的BOOMM顯示器。圖2-4 用于設(shè)計(jì)計(jì)核潛艇的的BOOMM顯示器（3）CRRT終端液晶光光閘眼鏡CRT終端端液晶光光閘眼鏡

44、立立體視覺系系統(tǒng)的工作作原理是：由計(jì)算機(jī)機(jī)分別產(chǎn)生生左、右眼眼的兩幅圖圖像，經(jīng)過過合成處理理后，采用用分時(shí)交替替的方法顯顯示于CRRT終端上上。用戶則則佩戴一副副與計(jì)算機(jī)機(jī)相連的液液晶光閘眼眼鏡，眼鏡鏡的左、右右鏡片在驅(qū)驅(qū)動(dòng)電信號(hào)號(hào)的作用下下，將以與與圖像顯示示同步的速速率交替“開”（透光）、“閉”（遮光），即即當(dāng)計(jì)算機(jī)機(jī)顯示左眼眼圖像時(shí)，右右眼透鏡將將被遮閉，而而當(dāng)計(jì)算機(jī)機(jī)顯示右眼眼圖像時(shí)，左左眼透鏡則則被遮閉。這樣做可可以讓用戶戶的左、右右眼分別只只看到相應(yīng)應(yīng)的左、右右圖像。根根據(jù)雙目視視差與深度度距離的正正比關(guān)系，人人的視覺生生理系統(tǒng)就就可以自動(dòng)動(dòng)將這兩幅幅視差圖像像融合成一一個(gè)立體視視

45、像了（如如圖2-55所示）。圖2-5 CRT終終端液晶光光閘眼鏡顯顯示CRT終端端液晶光光閘眼鏡相相對(duì)于頭盔盔顯示器和和BOOMM的特點(diǎn)： 設(shè)備價(jià)價(jià)格低、重重量輕使用用、舒適。 比頭盔盔顯示器的的形成的圖圖像清晰 圖像亮亮度不如普普通屏幕好好 沉浸感感較差。（4）大屏屏幕投影液晶光光閘眼鏡此設(shè)備要求求用于投影影的CRTT或數(shù)字投投影機(jī)要求求具有極高高的亮度和和分辨率，它它適合于在在較大的視視野內(nèi)產(chǎn)生生投影圖像像的應(yīng)用需需求（如圖圖2-6所所示）。例例如美國芝芝加哥大學(xué)學(xué)研制的CCAVE系系統(tǒng)。它構(gòu)構(gòu)造了一個(gè)個(gè)由4面投投影屏幕形形成的立方方體虛擬環(huán)環(huán)境，又被被稱為“洞穴”。各屏幕幕（背投式式）同

46、時(shí)顯顯示從某一一固定觀察察點(diǎn)看到的的所有視像像，由此提提供一種全全景式的環(huán)環(huán)境。該系系統(tǒng)需要復(fù)復(fù)雜而又昂昂貴的計(jì)算算機(jī)投影控控制系統(tǒng)：它通常采采用球面大大屏幕，投投影機(jī)位于于球心，具具有與雙攝攝像機(jī)立體體觀察器相相同的俯仰仰和偏轉(zhuǎn)兩兩個(gè)位置，并并始終保持持以觀察者者為正前方方在球屏上上相應(yīng)移動(dòng)動(dòng)，從而形形成一定的的視景環(huán)繞繞感。投影影式VR系系統(tǒng)對(duì)一些些公眾場合合中很理想想的，例如如藝術(shù)館或或娛樂中心心，因?yàn)閰⑴c者幾乎乎不需要任任何專用硬硬件，而且且還允許很很多人同時(shí)時(shí)享受一種種虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)的經(jīng)歷。圖2-6 大屏幕投投影液晶光光閘眼鏡顯顯示（5）三DD顯示器三D顯示器器不需要用用戶戴上專專門的

47、眼鏡鏡也能觀察察到立體的的圖像。這這項(xiàng)技術(shù)不不同于普通通顯示器中中的發(fā)射與與反射類型型，如圖22-7所示示，它把光光源從顯示示器的下面面向上發(fā)射射，通過顯顯示器內(nèi)部部的發(fā)射與與折射，使使用戶能看看到立體的的圖像。這這項(xiàng)技術(shù)的的一個(gè)顯著著優(yōu)點(diǎn)在于于對(duì)顯示器器周圍的環(huán)環(huán)境沒有任任何嚴(yán)格的的要求。這這種顯示器器目前面臨臨的主要問問題是制作作成本太高高，因而尚尚未商品化化，它屬于于新發(fā)明，在在未來有希希望成為三三維可視化化的一種理理想顯示工工具。圖2-7 三D顯示示器3虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的人機(jī)機(jī)交互設(shè)備備一般的跟蹤蹤、探測設(shè)設(shè)備都具有有簡單、緊緊湊和易于于操作等優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，但由由于它們自自身構(gòu)造的的限制，使使操作

48、者手手的活動(dòng)自自由度僅限限于在桌上上的一個(gè)小小區(qū)域中，減減弱了它與與虛擬世界界交互作用用的直觀性性。VR技技術(shù)的一項(xiàng)項(xiàng)重大突破破就是用手手來代替鍵鍵盤、鼠標(biāo)標(biāo)，作為人人與計(jì)算機(jī)機(jī)交互的一一種重要手手段。借助助各種專用用的設(shè)備代代替鍵盤、鼠標(biāo)，作作為人與計(jì)計(jì)算機(jī)交互互的一種重重要手段，操操作者不但但可以獲得得大范圍的的基于手勢勢的交互操操作，同時(shí)時(shí)可以通過過身體的各各個(gè)部位的的運(yùn)動(dòng)來感感知，增加加了人在虛虛擬空間中中的自由度度和靈活性性。（1）數(shù)據(jù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套（DData Glovve）是VPLL公司在11987年年推出的一一種傳感手手套的專有有名稱。到到現(xiàn)在，數(shù)數(shù)據(jù)手套是是一種被廣廣泛使用的

49、的傳感設(shè)備備，它是一一種戴在用用戶手上的的虛擬的手手，用于與與VR系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行交互互，可在虛虛擬世界中中進(jìn)行物體體抓取、移移動(dòng)、裝配配、操縱、控制，并并把手指伸伸屈時(shí)的各各種姿勢轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成數(shù)字字信號(hào)送給給計(jì)算機(jī)，計(jì)計(jì)算機(jī)通過過應(yīng)用程序序來識(shí)別出出用戶的手手在虛擬世世界中操作作時(shí)的姿勢勢，執(zhí)行相相應(yīng)的操作作。在實(shí)際際應(yīng)用中，數(shù)數(shù)據(jù)手套還還必須配有有空間位置置跟蹤定位位設(shè)備，檢檢測手的實(shí)實(shí)際位置和和方向。現(xiàn)在已經(jīng)有有多種傳感感數(shù)據(jù)手套套問世，它它們之間的的區(qū)別主要要在于采用用的傳感器器不同。目目前典型的的數(shù)據(jù)手套套有以下幾幾種：VPL數(shù)據(jù)據(jù)手套VPL數(shù)據(jù)據(jù)手套是由由輕質(zhì)的富富有彈性的的Lycrra材料

50、制制成.它采采用光纖作作為傳感器器,用于測測量手指關(guān)關(guān)節(jié)的彎曲曲程度.采采用光纖作作為傳感器器是因?yàn)楣夤饫w體積小小、重量輕輕，可方便便地安裝在在手套上。數(shù)據(jù)手套套的標(biāo)準(zhǔn)配配置是每個(gè)個(gè)手指上有有兩個(gè)傳感感器控制裝裝在手指背背面的兩條條光纖環(huán)，一一副數(shù)據(jù)手手套就裝有有10個(gè)傳傳感器，用用來測量手手指主要關(guān)關(guān)節(jié)的彎曲曲程度。賽伯手套賽伯手套（CCyberr Gloove）是為把美美國手語翻翻譯成英語語所設(shè)計(jì)的的。在手套套上織有多多個(gè)由兩片片應(yīng)變電阻阻片組成的的傳感器，它它在工作時(shí)時(shí)檢測成對(duì)對(duì)的應(yīng)變片片電阻變化化。當(dāng)手指指彎曲時(shí)一一片受到擠擠壓，另一一片受到拉拉伸，使兩兩個(gè)電阻片片的電阻分分別發(fā)生變變

51、化，通過過電橋換算算出相應(yīng)的的電壓變化化，再把此此數(shù)據(jù)量送送入到計(jì)算算機(jī)中處理理，從而檢檢測到各手手指的彎曲曲狀態(tài)。 DHMM手套這是一金屬屬結(jié)構(gòu)的傳傳感手套，通通常安裝在在用戶的手手臂上，其其安裝及拆拆卸過程相相對(duì)比較煩煩瑣，在每每次使用前前需進(jìn)行調(diào)調(diào)整。在每每個(gè)手指上上安裝有44個(gè)位置傳傳感器，共共采用200個(gè)霍爾傳傳感器安裝裝在手的每每個(gè)關(guān)節(jié)處處。DHMM傳感手套套響應(yīng)速度度快、分辨辨率高、精精度高，但但價(jià)格較高高。常用于于精度要求求較高的場場合。（2）數(shù)據(jù)據(jù)衣 數(shù)據(jù)衣是采采用與數(shù)據(jù)據(jù)手套同樣樣的原理制制成的，數(shù)數(shù)據(jù)衣是為為了讓VRR系統(tǒng)識(shí)別別全身運(yùn)動(dòng)動(dòng)而設(shè)計(jì)的的輸入裝置置。它將大大量的

52、光纖纖安裝在一一件緊身衣衣上，可以以檢測人的的四肢、腰腰部等部位位的活動(dòng)，以以及各關(guān)節(jié)節(jié)（如手腕腕、肘關(guān)節(jié)節(jié)）彎曲的的角度。它它能對(duì)人體體的大約550多個(gè)不不同的關(guān)節(jié)節(jié)進(jìn)行測量量，通過光光電轉(zhuǎn)換，將將身體的運(yùn)運(yùn)動(dòng)信息送送入計(jì)算機(jī)機(jī)進(jìn)行圖像像重建，如如圖2-88所示，目目前，這種種設(shè)備正處處于研發(fā)階階段，因?yàn)闉槊總€(gè)人的的身體差異異較大，存存在著如何何協(xié)調(diào)大量量傳感器之之間實(shí)時(shí)同同步性能等等各種問題題，但隨著著科技的進(jìn)進(jìn)步，此種種設(shè)備必將將有較大的的發(fā)展。數(shù)據(jù)衣主要要應(yīng)用在一一些復(fù)雜環(huán)環(huán)境中，對(duì)對(duì)物體進(jìn)行行的跟蹤和和對(duì)人體運(yùn)運(yùn)動(dòng)的跟蹤蹤與捕捉。圖2-8 數(shù)據(jù)衣（3）三維維控制器 三維空間間鼠標(biāo)三維

53、空間鼠鼠標(biāo)（3DD Mouuse）可以完成成虛擬空間間中6自由由度的操作作，其工作作原理是在在鼠標(biāo)內(nèi)部部安裝超聲聲波或電磁磁發(fā)射器，利利用配套的的接收設(shè)備備可檢測到到鼠標(biāo)在空空間中的位位置與方向向。三維空空間鼠標(biāo)與與其他設(shè)備備相比其成成本低，常常駐應(yīng)用于于建筑設(shè)計(jì)計(jì)等領(lǐng)域。 力矩球球力矩球（SSpacee Balll）的中心是是固定的，并并裝有6個(gè)個(gè)發(fā)光二極極管，球有有一個(gè)活動(dòng)動(dòng)的外層，也也裝有6個(gè)個(gè)相應(yīng)的光光接收器。當(dāng)使用者者用手對(duì)球球的外層施施加力或力力矩時(shí)，根根據(jù)彈簧形形變的法則則，6個(gè)光光傳感器測測出3個(gè)力力和3個(gè)力力矩的信息息，并將信信息傳送計(jì)計(jì)算機(jī)，即即可計(jì)算出出虛擬空間間中某物體

54、體的位置和和方向等。力矩球通常常被安裝在在固定平臺(tái)臺(tái)上，可以以用手作扭扭轉(zhuǎn)、擠壓壓、壓下、拉出、來來回?fù)u擺等等操作，它它采用發(fā)光光二極管和和光接收器器來測量力力，通過安安裝在球中中心的幾個(gè)個(gè)張力器來來測量出手手施加的力力，并將數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為為3個(gè)平移移運(yùn)動(dòng)和33個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)動(dòng)的值送送入計(jì)算機(jī)機(jī)中，如圖圖2-9所所示。力矩矩球的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)是簡單而而且耐用；缺點(diǎn)是可可以操縱物物體，但在在選取物體體時(shí)不夠直直觀，在使使用前一般般要進(jìn)行培培訓(xùn)與學(xué)習(xí)習(xí)。圖2-9 力矩球（4）三維維模型數(shù)字字化儀三維模型數(shù)數(shù)字化儀又又稱三維掃掃描儀或三三維掃描數(shù)數(shù)字化儀，是是一種先進(jìn)進(jìn)的三維模模型建立設(shè)設(shè)備，利用用CCD成成像、

55、激光光掃描等手手段實(shí)現(xiàn)物物體模型的的取樣，同同時(shí)通過配配套的矢量量化軟件對(duì)對(duì)三維模型型數(shù)據(jù)進(jìn)行行數(shù)字化，如如圖2-110所示。它特別適適合于建立立一些不規(guī)規(guī)則三維物物體模型，如如人體器官官和骨胳模模型、出土土文物、三三維數(shù)字模模型的建立立等，在醫(yī)醫(yī)療、動(dòng)植植物研究、文物保護(hù)護(hù)等VR應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域有有廣闊的應(yīng)應(yīng)用前景。圖2-100 三維模模型數(shù)字化化儀掃描石石膏像三維模型數(shù)數(shù)字化儀的的工作原理理是：由三三維模型數(shù)數(shù)字化儀向向被掃描的的物體發(fā)射射激光，通通過攝像機(jī)機(jī)從每個(gè)角角度掃描并并記錄下物物體各個(gè)面面的輪廓信信息，安裝裝在其上的的空間位置置跟蹤定位位設(shè)備也同同步記錄下下三維模型型數(shù)字化儀儀的位置及

56、及方向的變變換信息，將將這些數(shù)據(jù)據(jù)送入計(jì)算算機(jī)中，再再采用相應(yīng)應(yīng)的軟件進(jìn)進(jìn)行處理，得得到與物體體對(duì)應(yīng)的三三維模型。4VR硬硬件的系統(tǒng)統(tǒng)集成虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)中通常常包括大量量需要處理理來自各種種設(shè)備的感感知信息、模型和數(shù)數(shù)據(jù)，因此此，建立一一個(gè)以計(jì)算算機(jī)為核心心，將多種種I/O交交互設(shè)備協(xié)協(xié)調(diào)組合在在一起的硬硬件平臺(tái)，是是VR系統(tǒng)統(tǒng)集成的關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。計(jì)算機(jī)系系統(tǒng)作為虛虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)的核心心，必須具具有足夠強(qiáng)強(qiáng)大的功能能才能完成成實(shí)時(shí)處理理、數(shù)據(jù)輸輸入/輸出出、虛擬境境界的管理理和生成等等功能。它它一方面要要保障虛擬擬三維場景景的實(shí)時(shí)計(jì)計(jì)算和顯示示，盡量減減少延遲，另另一方面還還要協(xié)調(diào)各各種I/OO

57、交互設(shè)備備之間的工工作，以確確保系統(tǒng)整整體運(yùn)行的的性能，見見圖2-111。圖2-111 某一VVR硬件集集成系統(tǒng)的的組成第三章 虛虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)的相關(guān)關(guān)技術(shù)與軟軟件VR系統(tǒng)的的目標(biāo)是由由計(jì)算機(jī)生生成虛擬世世界，用戶戶能與之進(jìn)進(jìn)行視覺、聽覺、觸觸覺、嗅覺覺等全方位位交互。要要達(dá)到這種種目標(biāo)，除除了需要有有一些專業(yè)業(yè)的硬件設(shè)設(shè)備，還必必須有較多多的相關(guān)技技術(shù)及軟件件加以保證證。如要達(dá)達(dá)到觀察一一個(gè)三維場場景，并且且隨視角不不同能實(shí)時(shí)時(shí)顯示變化化的場景圖圖像。我們們知道只有有設(shè)備是遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的的，還必須須有相應(yīng)的的壓縮算法法等技術(shù)相相支持，由由此可見，實(shí)實(shí)現(xiàn)VR系系統(tǒng)除了需需要功能強(qiáng)強(qiáng)大的硬件件設(shè)備

58、支持持以外，對(duì)對(duì)其相關(guān)的的軟件和技技術(shù)也提出出了較高要要求。1環(huán)境建建模技術(shù)虛擬環(huán)境的的建立是VVR技術(shù)的的核心內(nèi)容容，虛擬環(huán)環(huán)境是建立立在建模基基礎(chǔ)之上的的，只有設(shè)設(shè)計(jì)出反映映研究對(duì)象象的真實(shí)有有效的模型型，VR系系統(tǒng)才有可可信度。虛虛擬環(huán)境建建模的目的的是獲取實(shí)實(shí)際環(huán)境的的三維數(shù)據(jù)據(jù)，并根據(jù)據(jù)應(yīng)用的需需要，利用用獲取的三三維數(shù)據(jù)建建立相應(yīng)的的虛擬環(huán)境境模型。VR系統(tǒng)中中環(huán)境的建建模技術(shù)與與其圖形建建模技術(shù)相相比，主要要特點(diǎn)表現(xiàn)現(xiàn)在以下33個(gè)方面： = 1 * GB3 虛擬環(huán)環(huán)境中可以以有很多物物體，往往往需要建造造大量完全全不同類型型的物體模模型。 = 2 * GB3 虛擬環(huán)環(huán)境中有些些物

59、體有自自己的行為為，而其他他圖形建模模系統(tǒng)中一一般只有構(gòu)構(gòu)造靜態(tài)的的物體，或或是物體簡簡單的運(yùn)動(dòng)動(dòng)。 = 3 * GB3 虛擬環(huán)環(huán)境中的物物體必須有有良好的操操縱性能，當(dāng)當(dāng)用戶與物物體進(jìn)行交交互時(shí)，物物體必須以以某種適當(dāng)當(dāng)?shù)姆绞絹韥碜鞒龇磻?yīng)應(yīng)。VR系統(tǒng)包包括三維視視覺和三維維聽覺建模模等。在當(dāng)當(dāng)前應(yīng)用中中，環(huán)境建建模一般主主要是三維維視覺建模模。三維視視覺建模又又是可分為為幾何建模模、物理建建模、行為為建模等。幾何建模模是基于幾幾何信息來來描述物體體模型的建建模方法，它它處理對(duì)物物體的幾何何形狀的表表示，研究究圖形數(shù)據(jù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基基本問題；物理建模模是涉及物物體的物理理屬性；行行為建模是是反映研

60、究究對(duì)象的物物理本質(zhì)及及其內(nèi)在的的工作機(jī)理理。（1）幾何何建模技術(shù)術(shù)幾何建模技技術(shù)主要研研究對(duì)象是是對(duì)物體幾幾何信息的的表示與處處理，它是是涉及表示示幾何信息息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)，以及相相關(guān)的構(gòu)造造與操縱數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的的算法建模模方法。幾何建模通通常采用以以下4種方方法： = 1 * GB3 利用VVR工具軟軟件來進(jìn)行行建模。如如：OpeenGL、Javaa3D、VVRML等等。 = 2 * GB3 直接從從某些商品品圖形庫中中選購所需需的幾何圖圖形，這樣樣可以避免免直接用多多邊形或三三角形拼構(gòu)構(gòu)某個(gè)對(duì)象象外形時(shí)煩煩瑣的過程程，也可節(jié)節(jié)省大量的的時(shí)間。 = 3 * GB3 利用常常用建模軟軟件來進(jìn)行行建