虛擬現(xiàn)實(shí)概率課件

第一章

虛擬現(xiàn)實(shí)概論主講教師：賈金原助教：楊寒冰聯(lián)系方式Q:605360422email:tongjissevr@同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院圖形圖像研究中心第一章

虛擬現(xiàn)實(shí)概論主講教師：賈金原第1章虛擬現(xiàn)實(shí)概論--大綱1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征1.5 虛擬現(xiàn)實(shí)與動(dòng)畫(huà)和游戲的區(qū)別1.6 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域1.8虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀第1章虛擬現(xiàn)實(shí)概論--大綱1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality）基本概念

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的計(jì)算機(jī)生成環(huán)境，用戶(hù)可以借助必要的裝備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互作用、相互影響，從而獲得親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)=Virtual+Reality虛擬現(xiàn)實(shí)是虛擬化的、數(shù)字化的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，它忠于現(xiàn)實(shí)，更可以超越現(xiàn)實(shí)！1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality）基本概念1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality）簡(jiǎn)稱(chēng)VR技術(shù)，是20世紀(jì)末逐漸興起的一門(mén)綜合性信息技術(shù)，融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、多媒體、傳感器、網(wǎng)絡(luò)以及并行處理等多個(gè)信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果。1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史虛擬現(xiàn)實(shí)1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1929年，EdwardLink設(shè)計(jì)出用于訓(xùn)練飛行員的模擬器1956年，MortonHeilig開(kāi)發(fā)出多通道仿真體驗(yàn)系統(tǒng)Sensorama1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1929年，EdwardLin1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1965年，IvanSutherland發(fā)表論文“UltimateDisplay”（終極的顯示）1968年，IvanSutherland研制成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器（HeadMountedDisplay，HMD）1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1965年，IvanSuth1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1972年，NolanBushnell開(kāi)發(fā)出第一個(gè)交互式電子游戲Pong1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第一個(gè)數(shù)據(jù)手套——SayreGlove20世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）組織了一系列有關(guān)VR技術(shù)的研究：1984年，NASAAmes研究中心的M.McGreevy和J.Humphries開(kāi)發(fā)出用于火星探測(cè)的虛擬環(huán)境視覺(jué)顯示器；1987年，JimHumphries設(shè)計(jì)了雙目全方位監(jiān)視器（BOOM）的最早原型。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1972年，NolanBus1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1990年，在美國(guó)達(dá)拉斯召開(kāi)的SIGGRAPH會(huì)議上為VR技術(shù)的發(fā)展確定了研究方向，明確提出VR技術(shù)研究的主要內(nèi)容包括:實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)、高分辨率顯示技術(shù)。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，VR技術(shù)的研究熱潮也開(kāi)始向民間的高科技企業(yè)轉(zhuǎn)移。著名的VPL公司開(kāi)發(fā)出第一套傳感手套命名為“DataGloves”，第一套HMD命名為“EyePhones”。進(jìn)入21世紀(jì)后，VR技術(shù)更是進(jìn)入軟件高速發(fā)展的時(shí)期，

一些有代表性的VR軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)不斷在發(fā)展完善，如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1990年，在美國(guó)達(dá)拉斯召開(kāi)的1.3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)介典型的VR系統(tǒng)主要由：計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)VR軟件VR環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

VR輸入設(shè)備VR輸出設(shè)備1.3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)介典型的VR系統(tǒng)主要由：1.4虛擬現(xiàn)實(shí)的特征傳統(tǒng)的三個(gè)特征（3個(gè)I）沉浸感(Immersion)參與者全身心地沉浸于計(jì)算機(jī)所生成的三維虛擬環(huán)境，并產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。交互性

(Interaction)參與者可以利用各種感官功能及人類(lèi)自然技能對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行交互考察與操作。構(gòu)想性(Imagination)參與者借助VR系統(tǒng)給出的逼真視聽(tīng)觸覺(jué)信號(hào)而產(chǎn)生的對(duì)虛擬空間的想象1.4虛擬現(xiàn)實(shí)的特征傳統(tǒng)的三個(gè)特征（3個(gè)I）1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征--沉浸感VR技術(shù)的沉浸感：又稱(chēng)臨場(chǎng)感，是指用戶(hù)感到作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度。VR技術(shù)最主要的特征。影響沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、三維圖像中的深度信息、畫(huà)面的視野、實(shí)現(xiàn)跟蹤的時(shí)間或空間響應(yīng)及交互設(shè)備的約束程度等。1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征--沉浸感VR技術(shù)的沉浸感：1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征--交互性VR技術(shù)的交互性：指用戶(hù)對(duì)虛擬環(huán)境中對(duì)象的可操作程度和從虛擬環(huán)境中得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）。主要借助于各種專(zhuān)用設(shè)備（如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等）產(chǎn)生，從而使用戶(hù)以自然方式如手勢(shì)、體勢(shì)、語(yǔ)言等技能，如同在真實(shí)世界中一樣操作虛擬環(huán)境中的對(duì)象。1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征--交互性VR技術(shù)的交互性：1.4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征—想象力VR技術(shù)的想象力：指用戶(hù)在虛擬世界中根據(jù)所獲取的多種信息和自身在系統(tǒng)中的行為，通過(guò)邏輯判斷、推理和聯(lián)想等思維過(guò)程，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)變化而對(duì)其未來(lái)進(jìn)展進(jìn)行想象的能力。對(duì)適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對(duì)象加上虛擬現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)意和想象力，可以大幅度提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量。1.4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征—想象力VR技術(shù)的想象力：1.5虛擬現(xiàn)實(shí)與三維動(dòng)畫(huà)的區(qū)別（1）真實(shí)性

三維動(dòng)畫(huà)－－場(chǎng)景畫(huà)面由動(dòng)畫(huà)制作人員根據(jù)材料或想象直接畫(huà)制而成，與真實(shí)的環(huán)境和數(shù)據(jù)有較大的差距，屬于演示類(lèi)藝術(shù)作品。虛擬現(xiàn)實(shí)－－虛擬環(huán)境由基于真實(shí)數(shù)據(jù)建立的數(shù)字模型組合而成，嚴(yán)格遵循工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，屬于科學(xué)仿真系統(tǒng)。操縱者親身體驗(yàn)虛擬三維空間，身臨其境。交互性三維動(dòng)畫(huà)－－只能如電影一樣單向演示，場(chǎng)景變化，瀏覽路徑，需要預(yù)先指定，無(wú)法改變。畫(huà)面需要事先制作生成，耗時(shí)、費(fèi)力、成本較高。沒(méi)有互動(dòng)性。

虛擬現(xiàn)實(shí)－－操縱者可以實(shí)時(shí)感受運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的場(chǎng)景變化，步移景異，并可親自布置場(chǎng)景，具有雙向互動(dòng)的功能。

1.5虛擬現(xiàn)實(shí)與三維動(dòng)畫(huà)的區(qū)別（1）真實(shí)性

1.5虛擬現(xiàn)實(shí)與三維動(dòng)畫(huà)的區(qū)別（2）時(shí)間性三維動(dòng)畫(huà)－－受動(dòng)畫(huà)制作時(shí)間限制，無(wú)法詳盡展示，性?xún)r(jià)比低。虛擬現(xiàn)實(shí)－－沒(méi)有時(shí)間限制，可真實(shí)詳盡地展示，并可以在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上導(dǎo)出動(dòng)畫(huà)視頻文件，同樣可以用于多媒體資料制作和宣傳，性?xún)r(jià)比高。應(yīng)用性三維動(dòng)畫(huà)－－只適合簡(jiǎn)單的演示功能。虛擬現(xiàn)實(shí)－－在實(shí)時(shí)三維環(huán)境中，支持方案調(diào)整、評(píng)估、管理、信息查詢(xún)等功能，適合較大型復(fù)雜工程項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、投標(biāo)、報(bào)批、管理等需要，同時(shí)又具有更真實(shí)和直觀的多媒體演示功能。

1.5虛擬現(xiàn)實(shí)與三維動(dòng)畫(huà)的區(qū)別（2）時(shí)間性1.5分布式虛擬現(xiàn)實(shí)與網(wǎng)絡(luò)游戲的區(qū)別網(wǎng)絡(luò)游戲一般是基于C/S需要安裝客戶(hù)端客戶(hù)端通常很大（對(duì)客戶(hù)端的配置有要求）以?shī)蕵?lè)為目的用戶(hù)通常有耐心等待下載和安裝（Web）VR不需要安裝客戶(hù)端Down-and-Play下載即觀看以宣傳和展示為目的用戶(hù)沒(méi)有耐心等待下載和安裝如果2分鐘內(nèi)還看不到東西就放棄了1.5分布式虛擬現(xiàn)實(shí)與網(wǎng)絡(luò)游戲的區(qū)別網(wǎng)絡(luò)游戲一般是基于C/1.6虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)

桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）增強(qiáng)式VR系統(tǒng)（AugmentedVR）分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR）基于網(wǎng)頁(yè)的VR系統(tǒng)（WebVR）

1.6虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)桌面式VR系統(tǒng)（Desktop1.6 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)

桌面式VR系統(tǒng)使用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站來(lái)產(chǎn)生三維空間的交互場(chǎng)景。用戶(hù)會(huì)受到周?chē)F(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾而不能獲得完全的沉浸感，但由于其成本相對(duì)較低桌面式VR系統(tǒng)仍然比較普及。1.6 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)桌面式VR系統(tǒng)使用個(gè)人計(jì)算機(jī)和1.6 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)

沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器、洞穴式顯示設(shè)備和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備把用戶(hù)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其他感覺(jué)封閉起來(lái)，而使用戶(hù)真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)參與者，產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入并沉浸其中的體驗(yàn)。與桌面式VR系統(tǒng)相比，沉浸式VR系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于高度的實(shí)時(shí)性和沉浸感。1.6 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器、1.6虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)

增強(qiáng)式VR系統(tǒng)(AugmentedReality,AR)允許用戶(hù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行觀察的同時(shí)，將虛擬圖像疊加在真實(shí)物理對(duì)象之上。為用戶(hù)提供與所看到的真實(shí)環(huán)境有關(guān)的、存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的信息，從而增強(qiáng)用戶(hù)對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，又被稱(chēng)為疊加式或補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)式VR系統(tǒng)。可以使用光學(xué)技術(shù)/視頻技術(shù)/傳感器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)中有虛，使實(shí)更實(shí)！增強(qiáng)虛擬混合現(xiàn)實(shí)1.6虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)增強(qiáng)式VR系統(tǒng)(Augmente1.6虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)

分布式VR系統(tǒng)(DVR)指基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的虛擬環(huán)境，將位于不同物理位置的多個(gè)用戶(hù)或多個(gè)虛擬環(huán)境通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連接并共享信息，從而使用戶(hù)的協(xié)同工作達(dá)到一個(gè)更高的境界。主要被應(yīng)用于遠(yuǎn)程虛擬會(huì)議、虛擬醫(yī)學(xué)會(huì)診、多人網(wǎng)絡(luò)游戲、虛擬戰(zhàn)爭(zhēng)演習(xí)等領(lǐng)域。1.6虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)分布式VR系統(tǒng)(DVR)指基于網(wǎng)1.6

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)

DistributedVirtualReality概念在互聯(lián)網(wǎng)上構(gòu)建一個(gè)逼真而互動(dòng)的三維虛擬空間特點(diǎn)分布于不同地理位置的多臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)允許多用戶(hù)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)1.6分布式虛擬現(xiàn)實(shí)

Distributed1.6分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)我擴(kuò)充的DVR的新3個(gè)I智能性(Intelligence)虛擬人H-Anim（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）DigitalStorytellingAIML、ICML（講故事、多人聊天、人機(jī)對(duì)話(huà)）集成性(Integration)圖形、圖像、音頻、視頻、文本、GIS、遙感影像等互聯(lián)網(wǎng)(Internet)-基于Web的VR－WebVR基于WebGraphics虛擬城市－虛擬社區(qū)SecondLife,GoogleEarth,VirtualEarth1.6分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)我擴(kuò)充的DVR的新3個(gè)I1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域教育與訓(xùn)練設(shè)計(jì)與規(guī)劃

科學(xué)計(jì)算可視化

商業(yè)領(lǐng)域

藝術(shù)與娛樂(lè)1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域教育與訓(xùn)練1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域教育與訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能使學(xué)習(xí)者能直接、自然地與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互，以各種形式參與事件的發(fā)展變化過(guò)程，并獲得最大的控制和操作整個(gè)環(huán)境的自由度。1、仿真教學(xué)與實(shí)驗(yàn)2、特殊教育3、多種專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練4、應(yīng)急演練和軍事演習(xí)1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域教育與訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)與規(guī)劃

虛擬現(xiàn)實(shí)已被看作是設(shè)計(jì)領(lǐng)域中唯一的開(kāi)發(fā)工具。它可以避免傳統(tǒng)方式在原型制造、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中的重復(fù)工作，有效的降低成本，應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車(chē)制造業(yè)、城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)等。1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)與規(guī)劃虛擬現(xiàn)實(shí)1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)計(jì)算可視化

科學(xué)可視化的功能就是將大量字母、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成比原始數(shù)據(jù)更容易理解的各種圖像，并允許參與者借助各種虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備檢查這些“可見(jiàn)的”數(shù)據(jù)。它通常被用于建立分子結(jié)構(gòu)、地震以及地球環(huán)境等模型。1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)計(jì)算可視化科學(xué)1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域商業(yè)領(lǐng)域VR技術(shù)被逐步應(yīng)用于網(wǎng)上銷(xiāo)售、客戶(hù)服務(wù)、電傳會(huì)議及虛擬購(gòu)物中心等商業(yè)領(lǐng)域。它可以使客戶(hù)在購(gòu)買(mǎi)前先看到產(chǎn)品的外貌與內(nèi)在，甚至在虛擬世界中使用它，因此對(duì)產(chǎn)品的推廣和銷(xiāo)售都很有幫助。1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域商業(yè)領(lǐng)域VR技術(shù)被1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域藝術(shù)與娛樂(lè)VR技術(shù)所具有的身臨其境感及實(shí)時(shí)交互性還能將靜態(tài)的藝術(shù)（如油畫(huà)、雕刻等）轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的形式，使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術(shù)，包括虛擬畫(huà)廊、虛擬音樂(lè)廳、文物保護(hù)等方面。娛樂(lè)是VR系統(tǒng)的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，市場(chǎng)上已經(jīng)推出了多款VR環(huán)境下的電腦游戲，帶給游戲者強(qiáng)烈的感官刺激。1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域藝術(shù)與娛樂(lè)VR技術(shù)1.8虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

國(guó)外的研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)介美國(guó)是VR技術(shù)的發(fā)源地，有美國(guó)宇航局（NASA）、麻省理工學(xué)院（MIT）媒體實(shí)驗(yàn)室、華盛頓大學(xué)人機(jī)界面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（HITLab）等許多知名的研究機(jī)構(gòu)。美國(guó)在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶(hù)界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面。1.8虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀國(guó)外的研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)介美國(guó)是V1.8 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

國(guó)外的研究現(xiàn)狀英國(guó)主要有四個(gè)從事VR技術(shù)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規(guī)模VR知識(shí)庫(kù)和人機(jī)接口方面的研究項(xiàng)目上，在VR游戲方面的研究也處于領(lǐng)先地位。此外，國(guó)外還研制出多個(gè)用于開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的VR軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，例如美國(guó)Sense8公司的WorldToolKit（WTK），愛(ài)荷華州立大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中心的VRJuggler，DenebRobotics公司的ENVISION，英國(guó)Superscape公司的VRT，Division公司的dVISE等。1.8 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀國(guó)外的研究現(xiàn)狀英國(guó)主要有1.8虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀我國(guó)從20世紀(jì)80年代起開(kāi)始研究VR技術(shù)。雖然起步較晚，但近年來(lái)政府有關(guān)部門(mén)非常重視，制定了開(kāi)展VR技術(shù)的研究計(jì)劃，并將其列入國(guó)家重點(diǎn)研究項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)的一些科學(xué)家和重點(diǎn)院校也已積極投入了對(duì)這一領(lǐng)域的研究。北京航空航天大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行VR技術(shù)研究、最有權(quán)威的單位之一。它于2000年8月成立了虛擬現(xiàn)實(shí)新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。2008年又升級(jí)為國(guó)家VR重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。1.8虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀我國(guó)從20世1.8虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀清華大學(xué)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)及其臨場(chǎng)感等方面進(jìn)行了大量研究，比如球面屏幕顯示和圖像隨動(dòng)、克服立體圖閃爍的措施及深度感實(shí)驗(yàn)測(cè)試等。浙江大學(xué)的CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)，還研制出了在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進(jìn)網(wǎng)格的快速生成算法。西安交通大學(xué)信息工程研究所對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)中的關(guān)鍵技術(shù)——立體顯示技術(shù)進(jìn)行了研究，提出一種基于JPEG標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼新方案，獲得了較高的壓縮比、信噪比以及解壓縮速度。1.8虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀清華大學(xué)對(duì)虛1.8虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

北京理工大學(xué)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)--頭盔顯示器、位置方位跟蹤器、光學(xué)數(shù)據(jù)手套等樣機(jī)，三維環(huán)境注冊(cè)定位算法、透視式融合顯示、立體顯示圖形生成等增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)，完成了國(guó)內(nèi)第一個(gè)實(shí)時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)系統(tǒng)，正在積極探討其在軍事、文化、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院在WebVR方面的工作簡(jiǎn)介國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀1.8虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀北京理工大學(xué)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵第一章

虛擬現(xiàn)實(shí)概論主講教師：賈金原助教：楊寒冰聯(lián)系方式Q:605360422email:tongjissevr@同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院圖形圖像研究中心第一章

虛擬現(xiàn)實(shí)概論主講教師：賈金原第1章虛擬現(xiàn)實(shí)概論--大綱1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征1.5 虛擬現(xiàn)實(shí)與動(dòng)畫(huà)和游戲的區(qū)別1.6 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域1.8虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀第1章虛擬現(xiàn)實(shí)概論--大綱1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality）基本概念

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的計(jì)算機(jī)生成環(huán)境，用戶(hù)可以借助必要的裝備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互作用、相互影響，從而獲得親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)=Virtual+Reality虛擬現(xiàn)實(shí)是虛擬化的、數(shù)字化的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，它忠于現(xiàn)實(shí)，更可以超越現(xiàn)實(shí)！1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality）基本概念1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality）簡(jiǎn)稱(chēng)VR技術(shù)，是20世紀(jì)末逐漸興起的一門(mén)綜合性信息技術(shù)，融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、多媒體、傳感器、網(wǎng)絡(luò)以及并行處理等多個(gè)信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果。1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史虛擬現(xiàn)實(shí)1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1929年，EdwardLink設(shè)計(jì)出用于訓(xùn)練飛行員的模擬器1956年，MortonHeilig開(kāi)發(fā)出多通道仿真體驗(yàn)系統(tǒng)Sensorama1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1929年，EdwardLin1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1965年，IvanSutherland發(fā)表論文“UltimateDisplay”（終極的顯示）1968年，IvanSutherland研制成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器（HeadMountedDisplay，HMD）1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1965年，IvanSuth1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1972年，NolanBushnell開(kāi)發(fā)出第一個(gè)交互式電子游戲Pong1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第一個(gè)數(shù)據(jù)手套——SayreGlove20世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）組織了一系列有關(guān)VR技術(shù)的研究：1984年，NASAAmes研究中心的M.McGreevy和J.Humphries開(kāi)發(fā)出用于火星探測(cè)的虛擬環(huán)境視覺(jué)顯示器；1987年，JimHumphries設(shè)計(jì)了雙目全方位監(jiān)視器（BOOM）的最早原型。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1972年，NolanBus1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1990年，在美國(guó)達(dá)拉斯召開(kāi)的SIGGRAPH會(huì)議上為VR技術(shù)的發(fā)展確定了研究方向，明確提出VR技術(shù)研究的主要內(nèi)容包括:實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)、高分辨率顯示技術(shù)。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，VR技術(shù)的研究熱潮也開(kāi)始向民間的高科技企業(yè)轉(zhuǎn)移。著名的VPL公司開(kāi)發(fā)出第一套傳感手套命名為“DataGloves”，第一套HMD命名為“EyePhones”。進(jìn)入21世紀(jì)后，VR技術(shù)更是進(jìn)入軟件高速發(fā)展的時(shí)期，

一些有代表性的VR軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)不斷在發(fā)展完善，如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展史1990年，在美國(guó)達(dá)拉斯召開(kāi)的1.3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)介典型的VR系統(tǒng)主要由：計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)VR軟件VR環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

VR輸入設(shè)備VR輸出設(shè)備1.3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)介典型的VR系統(tǒng)主要由：1.4虛擬現(xiàn)實(shí)的特征傳統(tǒng)的三個(gè)特征（3個(gè)I）沉浸感(Immersion)參與者全身心地沉浸于計(jì)算機(jī)所生成的三維虛擬環(huán)境，并產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。交互性

(Interaction)參與者可以利用各種感官功能及人類(lèi)自然技能對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行交互考察與操作。構(gòu)想性(Imagination)參與者借助VR系統(tǒng)給出的逼真視聽(tīng)觸覺(jué)信號(hào)而產(chǎn)生的對(duì)虛擬空間的想象1.4虛擬現(xiàn)實(shí)的特征傳統(tǒng)的三個(gè)特征（3個(gè)I）1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征--沉浸感VR技術(shù)的沉浸感：又稱(chēng)臨場(chǎng)感，是指用戶(hù)感到作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度。VR技術(shù)最主要的特征。影響沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、三維圖像中的深度信息、畫(huà)面的視野、實(shí)現(xiàn)跟蹤的時(shí)間或空間響應(yīng)及交互設(shè)備的約束程度等。1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征--沉浸感VR技術(shù)的沉浸感：1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征--交互性VR技術(shù)的交互性：指用戶(hù)對(duì)虛擬環(huán)境中對(duì)象的可操作程度和從虛擬環(huán)境中得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）。主要借助于各種專(zhuān)用設(shè)備（如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等）產(chǎn)生，從而使用戶(hù)以自然方式如手勢(shì)、體勢(shì)、語(yǔ)言等技能，如同在真實(shí)世界中一樣操作虛擬環(huán)境中的對(duì)象。1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征--交互性VR技術(shù)的交互性：1.4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征—想象力VR技術(shù)的想象力：指用戶(hù)在虛擬世界中根據(jù)所獲取的多種信息和自身在系統(tǒng)中的行為，通過(guò)邏輯判斷、推理和聯(lián)想等思維過(guò)程，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)變化而對(duì)其未來(lái)進(jìn)展進(jìn)行想象的能力。對(duì)適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對(duì)象加上虛擬現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)意和想象力，可以大幅度提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量。1.4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征—想象力VR技術(shù)的想象力：1.5虛擬現(xiàn)實(shí)與三維動(dòng)畫(huà)的區(qū)別（1）真實(shí)性

三維動(dòng)畫(huà)－－場(chǎng)景畫(huà)面由動(dòng)畫(huà)制作人員根據(jù)材料或想象直接畫(huà)制而成，與真實(shí)的環(huán)境和數(shù)據(jù)有較大的差距，屬于演示類(lèi)藝術(shù)作品。虛擬現(xiàn)實(shí)－－虛擬環(huán)境由基于真實(shí)數(shù)據(jù)建立的數(shù)字模型組合而成，嚴(yán)格遵循工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，屬于科學(xué)仿真系統(tǒng)。操縱者親身體驗(yàn)虛擬三維空間，身臨其境。交互性三維動(dòng)畫(huà)－－只能如電影一樣單向演示，場(chǎng)景變化，瀏覽路徑，需要預(yù)先指定，無(wú)法改變。畫(huà)面需要事先制作生成，耗時(shí)、費(fèi)力、成本較高。沒(méi)有互動(dòng)性。

虛擬現(xiàn)實(shí)－－操縱者可以實(shí)時(shí)感受運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的場(chǎng)景變化，步移景異，并可親自布置場(chǎng)景，具有雙向互動(dòng)的功能。

1.5虛擬現(xiàn)實(shí)與三維動(dòng)畫(huà)的區(qū)別（1）真實(shí)性

1.5虛擬現(xiàn)實(shí)與三維動(dòng)畫(huà)的區(qū)別（2）時(shí)間性三維動(dòng)畫(huà)－－受動(dòng)畫(huà)制作時(shí)間限制，無(wú)法詳盡展示，性?xún)r(jià)比低。虛擬現(xiàn)實(shí)－－沒(méi)有時(shí)間限制，可真實(shí)詳盡地展示，并可以在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上導(dǎo)出動(dòng)畫(huà)視頻文件，同樣可以用于多媒體資料制作和宣傳，性?xún)r(jià)比高。應(yīng)用性三維動(dòng)畫(huà)－－只適合簡(jiǎn)單的演示功能。虛擬現(xiàn)實(shí)－－在實(shí)時(shí)三維環(huán)境中，支持方案調(diào)整、評(píng)估、管理、信息查詢(xún)等功能，適合較大型復(fù)雜工程項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、投標(biāo)、報(bào)批、管理等需要，同時(shí)又具有更真實(shí)和直觀的多媒體演示功能。

1.5虛擬現(xiàn)實(shí)與三維動(dòng)畫(huà)的區(qū)別（2）時(shí)間性1.5分布式虛擬現(xiàn)實(shí)與網(wǎng)絡(luò)游戲的區(qū)別網(wǎng)絡(luò)游戲一般是基于C/S需要安裝客戶(hù)端客戶(hù)端通常很大（對(duì)客戶(hù)端的配置有要求）以?shī)蕵?lè)為目的用戶(hù)通常有耐心等待下載和安裝（Web）VR不需要安裝客戶(hù)端Down-and-Play下載即觀看以宣傳和展示為目的用戶(hù)沒(méi)有耐心等待下載和安裝如果2分鐘內(nèi)還看不到東西就放棄了1.5分布式虛擬現(xiàn)實(shí)與網(wǎng)絡(luò)游戲的區(qū)別網(wǎng)絡(luò)游戲一般是基于C/1.6虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)

桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）增強(qiáng)式VR系統(tǒng)（AugmentedVR）分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR）基于網(wǎng)頁(yè)的VR系統(tǒng)（WebVR）

1.6虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)桌面式VR系統(tǒng)（Desktop1.6 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)

桌面式VR系統(tǒng)使用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站來(lái)產(chǎn)生三維空間的交互場(chǎng)景。用戶(hù)會(huì)受到周?chē)F(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾而不能獲得完全的沉浸感，但由于其成本相對(duì)較低桌面式VR系統(tǒng)仍然比較普及。1.6 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)桌面式VR系統(tǒng)使用個(gè)人計(jì)算機(jī)和1.6 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)

沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器、洞穴式顯示設(shè)備和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備把用戶(hù)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其他感覺(jué)封閉起來(lái)，而使用戶(hù)真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)參與者，產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入并沉浸其中的體驗(yàn)。與桌面式VR系統(tǒng)相比，沉浸式VR系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于高度的實(shí)時(shí)性和沉浸感。1.6 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器、1.6虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)

增強(qiáng)式VR系統(tǒng)(AugmentedReality,AR)允許用戶(hù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行觀察的同時(shí)，將虛擬圖像疊加在真實(shí)物理對(duì)象之上。為用戶(hù)提供與所看到的真實(shí)環(huán)境有關(guān)的、存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的信息，從而增強(qiáng)用戶(hù)對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，又被稱(chēng)為疊加式或補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)式VR系統(tǒng)?？梢允褂霉鈱W(xué)技術(shù)/視頻技術(shù)/傳感器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)中有虛，使實(shí)更實(shí)！增強(qiáng)虛擬混合現(xiàn)實(shí)1.6虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)增強(qiáng)式VR系統(tǒng)(Augmente1.6虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)

分布式VR系統(tǒng)(DVR)指基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的虛擬環(huán)境，將位于不同物理位置的多個(gè)用戶(hù)或多個(gè)虛擬環(huán)境通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連接并共享信息，從而使用戶(hù)的協(xié)同工作達(dá)到一個(gè)更高的境界。主要被應(yīng)用于遠(yuǎn)程虛擬會(huì)議、虛擬醫(yī)學(xué)會(huì)診、多人網(wǎng)絡(luò)游戲、虛擬戰(zhàn)爭(zhēng)演習(xí)等領(lǐng)域。1.6虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)分布式VR系統(tǒng)(DVR)指基于網(wǎng)1.6

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)

DistributedVirtualReality概念在互聯(lián)網(wǎng)上構(gòu)建一個(gè)逼真而互動(dòng)的三維虛擬空間特點(diǎn)分布于不同地理位置的多臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)允許多用戶(hù)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)1.6分布式虛擬現(xiàn)實(shí)

Distributed1.6分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)我擴(kuò)充的DVR的新3個(gè)I智能性(Intelligence)虛擬人H-Anim（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）DigitalStorytellingAIML、ICML（講故事、多人聊天、人機(jī)對(duì)話(huà)）集成性(Integration)圖形、圖像、音頻、視頻、文本、GIS、遙感影像等互聯(lián)網(wǎng)(Internet)-基于Web的VR－WebVR基于WebGraphics虛擬城市－虛擬社區(qū)SecondLife,GoogleEarth,VirtualEarth1.6分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)我擴(kuò)充的DVR的新3個(gè)I1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域教育與訓(xùn)練設(shè)計(jì)與規(guī)劃

科學(xué)計(jì)算可視化

商業(yè)領(lǐng)域

藝術(shù)與娛樂(lè)1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域教育與訓(xùn)練1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域教育與訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能使學(xué)習(xí)者能直接、自然地與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互，以各種形式參與事件的發(fā)展變化過(guò)程，并獲得最大的控制和操作整個(gè)環(huán)境的自由度。1、仿真教學(xué)與實(shí)驗(yàn)2、特殊教育3、多種專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練4、應(yīng)急演練和軍事演習(xí)1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域教育與訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)與規(guī)劃

虛擬現(xiàn)實(shí)已被看作是設(shè)計(jì)領(lǐng)域中唯一的開(kāi)發(fā)工具。它可以避免傳統(tǒng)方式在原型制造、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中的重復(fù)工作，有效的降低成本，應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車(chē)制造業(yè)、城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)等。1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)與規(guī)劃虛擬現(xiàn)實(shí)1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)計(jì)算可視化

科學(xué)可視化的功能就是將大量字母、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成比原始數(shù)據(jù)更容易理解的各種圖像，并允許參與者借助各種虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備檢查這些“可見(jiàn)的”數(shù)據(jù)。它通常被用于建立分子結(jié)構(gòu)、地震以及地球環(huán)境等模型。1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)計(jì)算可視化科學(xué)1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域商業(yè)領(lǐng)域VR技術(shù)被逐步應(yīng)用于網(wǎng)上銷(xiāo)售、客戶(hù)服務(wù)、電傳會(huì)議及虛擬購(gòu)物中心等商業(yè)領(lǐng)域。它可以使客戶(hù)在購(gòu)買(mǎi)前先看到產(chǎn)品的外貌與內(nèi)在，甚至在虛擬世界中使用它，因此對(duì)產(chǎn)品的推廣和銷(xiāo)售都很有幫助。1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域商業(yè)領(lǐng)域VR技術(shù)被1.7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域藝術(shù)與娛樂(lè)VR技術(shù)所具有的身臨其境感及實(shí)時(shí)交互性還能將靜態(tài)的藝術(shù)（如油畫(huà)、雕刻等）轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的形式，使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術(shù)，包括虛擬畫(huà)廊、虛擬音樂(lè)廳、文物保護(hù)等方面。娛