虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)29

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院教育科學(xué)學(xué)院第1章虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)概概論1.1虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的發(fā)展史史1.2虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的概念1.3虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的特征1.4虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)的的分類1.5虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域1.6虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的研究現(xiàn)現(xiàn)狀1.1虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的發(fā)展展史虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)（（VirtualReality）簡稱VR技術(shù)，是是20世紀(jì)末逐逐漸興起起的一門門綜合性性信息技技術(shù)，融融合了數(shù)數(shù)字圖像像處理、、計(jì)算機(jī)機(jī)圖形學(xué)學(xué)、人工工智能、、多媒體體、傳感感器、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)以及及并行處處理等多多個(gè)信息息技術(shù)分分支的最最新發(fā)展展成果。。1.1虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的發(fā)展展史1929年，EdwardLink設(shè)計(jì)出用用于訓(xùn)練練飛行員員的模擬擬器1956年，MortonHeilig開發(fā)出多多通道仿仿真體驗(yàn)驗(yàn)系統(tǒng)Sensorama1.1虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的發(fā)展展史1965年，IvanSutherland發(fā)表論文文“UltimateDisplay”（終極的的顯示））1968年，IvanSutherland研制成功功了帶跟跟蹤器的的頭盔式式立體顯顯示器（（HeadMountedDisplay，HMD）1.1虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的發(fā)展展史1972年，NolanBushnell開發(fā)出第第一個(gè)交交互式電電子游戲戲Pong1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第第一個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)手套套——SayreGlove20世紀(jì)80年代，美美國國家家航空航航天局（（NASA）組織了了一系列列有關(guān)VR技術(shù)的研研究：：1984年，NASAAmes研究中心心的M.McGreevy和J.Humphries開發(fā)出用用于火星星探測的的虛擬環(huán)環(huán)境視覺覺顯示器器；1987年，JimHumphries設(shè)計(jì)了雙雙目全方方位監(jiān)視視器（BOOM）的最早早原型。。1.1虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的發(fā)展展史1990年，在美美國達(dá)拉拉斯召開開的Siggraph會(huì)議上，，明確提提出VR技術(shù)研究究的主要要內(nèi)容包包括實(shí)時(shí)時(shí)三維圖圖形生成成技術(shù)、、多傳感感器交互互技術(shù)和和高分辨辨率顯示示技術(shù)，，為VR技術(shù)的發(fā)發(fā)展確定定了研究究方向。。從20世紀(jì)90年代開始始，VR技術(shù)的研研究熱潮潮也開始始向民間間的高科科技企業(yè)業(yè)轉(zhuǎn)移。。著名的的VPL公司開發(fā)發(fā)出第一一套傳感感手套命命名為““DataGloves”，第一套套HMD命名為““EyePhones””。進(jìn)入21世紀(jì)后，，VR技術(shù)更是是進(jìn)入軟軟件高速速發(fā)展的的時(shí)期，，一些有代代表性的的VR軟件開發(fā)發(fā)系統(tǒng)不不斷在發(fā)發(fā)展完善善，如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。1.2虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的概念虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)是是指利用用計(jì)算機(jī)機(jī)生成一一種模擬擬環(huán)境，，并通過過多種專專用設(shè)備備使用戶戶“投入入”到該該環(huán)境中中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)用戶與與該環(huán)境境直接進(jìn)進(jìn)行自然然交互的的技術(shù)。。1.2虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的概念典型的VR系統(tǒng)主要要由計(jì)算算機(jī)軟、、硬件系系統(tǒng)（包包括VR軟件和VR環(huán)境數(shù)據(jù)據(jù)庫）和和VR輸入、輸輸出設(shè)備備等組成成。1.3虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的特征VR技術(shù)的三三角形交互性（（Interactivity）沉浸感（Immersion）想象力（（Imagination）1.3虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的特征VR技術(shù)的交交互性：：指用戶對對虛擬環(huán)環(huán)境中對對象的可可操作程程度和從從虛擬環(huán)環(huán)境中得得到反饋饋的自然然程度（（包括實(shí)實(shí)時(shí)性））。主要借助助于各種種專用設(shè)設(shè)備（如如頭盔顯顯示器、、數(shù)據(jù)手手套等））產(chǎn)生，，從而使使用戶以以自然方方式如手手勢、體體勢、語語言等技技能，如如同在真真實(shí)世界界中一樣樣操作虛虛擬環(huán)境境中的對對象。1.3虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的特征VR技術(shù)的沉沉浸感：：又稱臨場場感，是是指用戶戶感到作作為主角角存在于于虛擬環(huán)環(huán)境中的的真實(shí)程程度。VR技術(shù)最主主要的特特征。影響沉浸浸感的主主要因素素包括多多感知性性、自主主性、三三維圖像像中的深深度信息息、畫面面的視野野、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)跟蹤的的時(shí)間或或空間響響應(yīng)及交交互設(shè)備備的約束束程度等等。1.3虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的特征VR技術(shù)術(shù)的想象象力：指用戶在在虛擬世世界中根根據(jù)所獲獲取的多多種信息息和自身身在系統(tǒng)統(tǒng)中的行行為，通通過邏輯輯判斷、、推理和和聯(lián)想等等思維過過程，隨隨著系統(tǒng)統(tǒng)的運(yùn)行行狀態(tài)變變化而對對其未來來進(jìn)展進(jìn)進(jìn)行想象象的能力力。對適當(dāng)?shù)牡膽?yīng)用對對象加上上虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)創(chuàng)意和想想象力，，可以大大幅度提提高生產(chǎn)產(chǎn)效率、、減輕勞勞動(dòng)強(qiáng)度度、提高高產(chǎn)品開開發(fā)質(zhì)量量。1.4虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)的的分類1.4..1桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）1.4..2沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）1.4..3增強(qiáng)式VR系統(tǒng)（AugmentedVR）1.4..4分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR）1.4虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)的的分類1.4..1桌桌面式式VR系系統(tǒng)使用個(gè)人人計(jì)算機(jī)機(jī)和低級級工作站站來產(chǎn)生生三維空空間的交交互場景景。用戶會(huì)受受到周圍圍現(xiàn)實(shí)環(huán)環(huán)境的干干擾而不不能獲得得完全的的沉浸感感，但由由于其成成本相對對較低桌桌面式VR系統(tǒng)仍然然比較普普及。1.4虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)的的分類1.4..2沉沉浸式式VR系系統(tǒng)利用頭盔盔顯示器器、洞穴穴式顯示示設(shè)備和和數(shù)據(jù)手手套等交交互設(shè)備備把用戶戶的視覺覺、聽覺覺和其他他感覺封封閉起來來，而使使用戶真真正成為為VR系統(tǒng)內(nèi)部部的一個(gè)個(gè)參與者者，產(chǎn)生生一種身身臨其境境、全心心投入并并沉浸其其中的體體驗(yàn)。與桌面式式VR系統(tǒng)相比比，沉浸浸式VR系統(tǒng)的主主要特點(diǎn)點(diǎn)在于高高度的實(shí)實(shí)時(shí)性和和沉浸感感。1.4虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)的的分類1.4..3增增強(qiáng)式式VR系系統(tǒng)允許用戶戶對現(xiàn)實(shí)實(shí)世界進(jìn)進(jìn)行觀察察的同時(shí)時(shí)，將虛虛擬圖像像疊加在在真實(shí)物物理對象象之上。。為用戶提提供與所所看到的的真實(shí)環(huán)環(huán)境有關(guān)關(guān)的、存存儲(chǔ)在計(jì)計(jì)算機(jī)中中的信息息，從而而增強(qiáng)用用戶對真真實(shí)環(huán)境境的感受受，又被被稱為疊疊加式或或補(bǔ)充現(xiàn)現(xiàn)實(shí)式VR系統(tǒng)?？梢允褂糜霉鈱W(xué)技技術(shù)或視視頻技術(shù)術(shù)實(shí)現(xiàn)。。1.4虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)的的分類1.4..4分分布式式VR系系統(tǒng)指基于網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建的虛擬擬環(huán)境，，將位于于不同物物理位置置的多個(gè)個(gè)用戶或或多個(gè)虛虛擬環(huán)境境通過網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)相連連接并共共享信息息，從而而使用戶戶的協(xié)同同工作達(dá)達(dá)到一個(gè)個(gè)更高的的境界。。主要被應(yīng)應(yīng)用于遠(yuǎn)遠(yuǎn)程虛擬擬會(huì)議、、虛擬醫(yī)醫(yī)學(xué)會(huì)診診、多人人網(wǎng)絡(luò)游游戲、虛虛擬戰(zhàn)爭爭演習(xí)等等領(lǐng)域。。1.5虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域1.5..1教育與訓(xùn)訓(xùn)練1.5..2設(shè)計(jì)與規(guī)規(guī)劃1.5..3科學(xué)計(jì)算算可視化化1.5..4商業(yè)領(lǐng)域域1.5..5藝術(shù)與娛娛樂1.5虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域1.5..1教教育與訓(xùn)訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)能能使學(xué)習(xí)習(xí)者能直直接、自自然地與與虛擬對對象進(jìn)行行交互，，以各種種形式參參與事件件的發(fā)展展變化過過程，并并獲得最最大的控控制和操操作整個(gè)個(gè)環(huán)境的的自由度度。1、仿真教教學(xué)與實(shí)實(shí)驗(yàn)2、特殊教教育3、多種專專業(yè)訓(xùn)練練4、應(yīng)急演演練和軍軍事演習(xí)習(xí)1.5虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域1.5..2設(shè)設(shè)計(jì)與規(guī)規(guī)劃虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)已被看看作是設(shè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域域中唯一一的開發(fā)發(fā)工具。。它可以以避免傳傳統(tǒng)方式式在原型型制造、、設(shè)計(jì)和和生產(chǎn)過過程中的的重復(fù)工工作，有有效的降降低成本本，應(yīng)用用領(lǐng)域包包括汽車車制造業(yè)業(yè)、城市市規(guī)劃、、建筑設(shè)設(shè)計(jì)等。。1.5虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域1.5..3科科學(xué)計(jì)算算可視化化科學(xué)可視視化的功功能就是是將大量量字母、、數(shù)字?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換換成比原原始數(shù)據(jù)據(jù)更容易易理解的的各種圖圖像，并并允許參參與者借借助各種種虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)輸入入設(shè)備檢檢查這些些“可見見的”數(shù)數(shù)據(jù)。它通常被被用于建建立分子子結(jié)構(gòu)、、地震以以及地球球環(huán)境等等模型。。1.5虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域1.5..4商商業(yè)領(lǐng)域域VR技術(shù)被逐逐步應(yīng)用用于網(wǎng)上上銷售、、客戶服服務(wù)、電電傳會(huì)議議及虛擬擬購物中中心等商商業(yè)領(lǐng)域域。它可可以使客客戶在購購買前先先看到產(chǎn)產(chǎn)品的外外貌與內(nèi)內(nèi)在，甚甚至在虛虛擬世界界中使用用它，因因此對產(chǎn)產(chǎn)品的推推廣和銷銷售都很很有幫助助。1.5虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域1.5..5藝藝術(shù)與娛娛樂VR技術(shù)所具具有的身身臨其境境感及實(shí)實(shí)時(shí)交互互性還能能將靜態(tài)態(tài)的藝術(shù)術(shù)（如油油畫、雕雕刻等））轉(zhuǎn)化為為動(dòng)態(tài)的的形式，，使觀賞賞者更好好地欣賞賞作者的的思想藝藝術(shù)，包括虛虛擬畫廊廊、虛擬擬音樂廳廳、文物物保護(hù)等等方面。。娛樂是VR系統(tǒng)的另另一個(gè)重重要應(yīng)用用領(lǐng)域，，市場上上已經(jīng)推推出了多多款VR環(huán)境下的的電腦游游戲，帶帶給游戲戲者強(qiáng)烈烈的感官官刺激。。1.6虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的研究現(xiàn)現(xiàn)狀1.6..1國國外外的研究究現(xiàn)狀美國是VR技術(shù)的發(fā)發(fā)源地，，有美國國宇航局局（NASA）、麻省省理工學(xué)學(xué)院（MIT）媒體實(shí)實(shí)驗(yàn)室、、華盛頓頓大學(xué)人人機(jī)界面面技術(shù)實(shí)實(shí)驗(yàn)室（（HITLab）等許多多知名的的研究機(jī)機(jī)構(gòu)。美國在虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)領(lǐng)域的的基礎(chǔ)研研究主要要集中在在感知、、用戶界界面、后后臺軟件件和硬件件四個(gè)方方面。1.6虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的研究現(xiàn)現(xiàn)狀1.6..1國國外外的研究究現(xiàn)狀英國主要要有四個(gè)個(gè)從事VR技術(shù)研究究的中心心，包括括Windustries公司、BritishAerospace公司、DimensionInternational公司、DivisonLTD公司等。。日本主要要致力于于建立大大規(guī)模VR知識庫和和人機(jī)接接口方面面的研究究項(xiàng)目上上，在VR游戲方面面的研究究也處于于領(lǐng)先地地位。此外，國國外還研研制出多多個(gè)用于于開發(fā)應(yīng)應(yīng)用程序序的VR軟件開發(fā)發(fā)平臺，，例如美美國Sense8公司的WorldToolKit（WTK），愛荷荷華州立立大學(xué)虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)應(yīng)用中中心的VRJuggler，DenebRobotics公司的ENVISION，英國Superscape公司的VRT，Division公司的dVISE等。1.6虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的的研究現(xiàn)現(xiàn)狀1.6..2國國內(nèi)內(nèi)的研究究現(xiàn)狀我國從20世紀(jì)80年代起開開始研究究VR技術(shù)。雖雖然起步步較晚，，但近年年來政府府有關(guān)部部門非常常重視，，制定了了開展VR技術(shù)的研研究計(jì)劃劃，并將