虛擬地理環(huán)境第二章虛擬現(xiàn)實(shí)概論第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)簡介課件

第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

§1

虛擬現(xiàn)實(shí)簡介

1.1虛擬現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)生與發(fā)展歷史

(1)虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)背景

(2)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的起源

(3)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展時(shí)期第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

§1虛擬現(xiàn)實(shí)簡介

1.120世紀(jì)50年代末期，MortonHeiling開始嘗試設(shè)計(jì)多感覺的虛擬經(jīng)歷，他開發(fā)了一臺名為Sensorma的機(jī)器，綜合了電影的播放、音效、振動、風(fēng)和味覺效果，讓電影觀眾有如身臨其境。頭盔式屏幕的創(chuàng)意也是由他提出的。20世紀(jì)50年代末期，MortonHeiling開始嘗試設(shè)1965年，具有“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父”美譽(yù)的美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家兼美國高等研究計(jì)劃局信息處理技術(shù)辦公室主任伊凡·薩瑟蘭(IvanSutherland)發(fā)表了一篇題為“TheUltimateDisplay”（《最終顯示》）的論文，提出使計(jì)算機(jī)顯示屏成為觀察客觀世界窗口的設(shè)想，這被看作是研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開端。1966年，他完成了第一臺能使用戶觀看“虛擬世界”的頭盔顯示器，通過這種立體觀察裝置，可以使用戶看不到計(jì)算機(jī)的存在，而是完全進(jìn)入到計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境中。1965年，具有“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父”美譽(yù)的美國麻省理工學(xué)院的1968年DouglasEngelbart發(fā)明了可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的裝置，即最早的鼠標(biāo)，人機(jī)交互這一面向用戶的計(jì)算機(jī)技術(shù)從此誕生。1968年DouglasEngelbart發(fā)明了可以與計(jì)算1971年FrederickBrooks開發(fā)出了反饋力系統(tǒng)(Force-FeedbackSystem)。1971年FrederickBrooks開發(fā)出了反饋力系統(tǒng)1982年ThonmasZimmerman等人設(shè)計(jì)出了數(shù)據(jù)手套，可以作為虛擬現(xiàn)實(shí)的輸入裝置。1982年ThonmasZimmerman等人設(shè)計(jì)出了數(shù)據(jù)1984年，米切爾·麥格里威和他的同事在美國航空航天局開發(fā)了數(shù)據(jù)護(hù)目鏡，它允許使用者環(huán)視在計(jì)算機(jī)屏幕上描繪的圖形世界。隨后美國Ames航天研究中心利用流行的液晶顯示電視和其它設(shè)備開始研究低成本的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，極大地推動了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟硬件的研制和開發(fā)。1984年，米切爾·麥格里威和他的同事在美國航空航天局開發(fā)了1985年，JaronLanier與JeanJaequesGrimaud創(chuàng)建了VPLResearch公司，這是第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的商業(yè)化公司，也是一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)王國。他們不僅正式提出了虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtualreality)的概念，而且開發(fā)研制出了實(shí)現(xiàn)人機(jī)自然交互的裝置—數(shù)據(jù)手套。如今HMD和數(shù)據(jù)手套已經(jīng)成為虛擬現(xiàn)實(shí)的硬件象征。

1985年，JaronLanier與JeanJaeque1986年美國航天局的Ames研究中心研制出了VIEW(VirtualInteractiveEnvironmentWorkstation)，這是世界上第一個(gè)較為完整、多用途、多感知的VR系統(tǒng)。它使用了立體頭盔顯示、數(shù)據(jù)手套、語音識別技術(shù)、跟蹤技術(shù)與遙現(xiàn)技術(shù)。用戶可以從中看到立體圖像、聽到三維聲音，可口頭發(fā)出命令，伸手捉取由軟件生成的虛擬物體。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究需要充足的經(jīng)費(fèi)支持，美國國防部為此投入了大量的經(jīng)費(fèi)（它也因此被稱為虛擬現(xiàn)實(shí)的搖籃），因此其研究成果主要在軍事領(lǐng)域得到應(yīng)用。1986年美國航天局的Ames研究中心研制出了VIEW(Vi1989年Autodesk公司開發(fā)了第一個(gè)以PC為平臺的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。1989年Autodesk公司開發(fā)了第一個(gè)以PC為平臺的虛擬1990年，在美國達(dá)拉斯召開的SIGGRAPH國際會議上，首次將虛擬現(xiàn)實(shí)用三種基本技術(shù)進(jìn)行了概括： 三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù);采用多種功能傳感器的交互式接口裝置;高清晰度顯示裝置。1990年，在美國達(dá)拉斯召開的SIGGRAPH國際會議上，首至90年代，由于計(jì)算機(jī)芯片能力的增強(qiáng)及浮點(diǎn)處理器和圖形加速器的引入，陸續(xù)研制出一批較實(shí)用的頭盔三維顯示器、六自由度手套、立體聲耳機(jī)。充分的硬件支持使軟件系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)則促使VRML的提出及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。盡管從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本目標(biāo)來看，目前的研究尚處于初級階段，但從已有的研究成果看，它已顯示出十分誘人的應(yīng)用前景。人們對它越來越感興趣，它也正從研究領(lǐng)域走向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域。至90年代，由于計(jì)算機(jī)芯片能力的增強(qiáng)及浮點(diǎn)處理器和圖形加速器1.2虛擬現(xiàn)實(shí)的概念(1)虛擬現(xiàn)實(shí)的定義

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展到今天，也只能說處于初級階段。目前的系統(tǒng)受軟、硬件條件的限制，只是在一定程度上給予用戶“真實(shí)感”的體驗(yàn)，許多技術(shù)問題尚有待解決?，F(xiàn)在還沒有明確的定義。此處給出幾個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)特征的定義

1.2虛擬現(xiàn)實(shí)的概念定義一：

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、觸覺一體化的特定范圍的沉浸式虛擬交互環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生“沉浸”于等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。定義一：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定義二：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三角形（3I）:BurdeaG.在1993年召開的Electro93國際會議上所發(fā)表的“VirtualRealitySystemandApplication”一文中，提出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三角形，簡捷地概括了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人機(jī)關(guān)系上的基本特征。此即三個(gè)I的定義：沉浸感(Immersion)交互性(Interaction)想象力(Imagination)定義二：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三角形（3I）:定義三：

在SteuerJ.發(fā)表的報(bào)告DefiningVirtualReality：DimensionDeterminingTelepresence中，對虛擬現(xiàn)實(shí)的定義如下：虛擬現(xiàn)實(shí)是沉浸式的(Immersive)，用戶進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)后，會暫時(shí)與真實(shí)世界隔絕，置身于另一個(gè)世界當(dāng)中;這個(gè)世界是由人類將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)處理而產(chǎn)生的;虛擬現(xiàn)實(shí)提供給用戶各種感覺，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺與嗅覺；虛擬現(xiàn)實(shí)是由用戶主動瀏覽的(Active)，一般多媒體、如電影和電視，用戶只能接受事先安排的內(nèi)容，而虛擬現(xiàn)實(shí)提供用戶在虛擬的空間中自由游走的權(quán)力；虛擬現(xiàn)實(shí)是交互式的(Interactive)，用戶可以使用某些方式影響虛擬現(xiàn)實(shí)中的對象與環(huán)境，例如改變對象屬性或創(chuàng)造新的對象。虛擬現(xiàn)實(shí)中的空間會根據(jù)某些給定的規(guī)則，對用戶的行為做出反應(yīng)。定義三：在SteuerJ.發(fā)表的報(bào)告Defining(2)虛擬現(xiàn)實(shí)與其他相關(guān)名詞的區(qū)別虛擬與“虛幻”

虛擬現(xiàn)實(shí)和多媒體的區(qū)別

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)有仿真技術(shù)的區(qū)別

虛擬現(xiàn)實(shí)與動畫技術(shù)的區(qū)別

虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化的區(qū)別

幾個(gè)相同意義的名詞

:人工現(xiàn)實(shí)(ArtificalReality)、靈境、幻真、虛擬環(huán)境(2)虛擬現(xiàn)實(shí)與其他相關(guān)名詞的區(qū)別虛擬與“虛幻”：兩者雖只一字之差，內(nèi)涵卻大相徑庭。虛幻僅僅是個(gè)人頭腦中的幻想而已，沒有可感知、可觸摸的性質(zhì)，是純意識的產(chǎn)物，無法在其中從事實(shí)踐活動。虛幻好比是“海市蜃樓”，可望而不可及。而虛擬則不然，在虛擬的世界里，事物不僅可看、可聽，還具有一定的可操作的性質(zhì)。

虛擬與“虛幻”：兩者雖只一字之差，內(nèi)涵卻大相徑庭。虛擬現(xiàn)實(shí)和多媒體的區(qū)別：多媒體是在屏幕上順序地展現(xiàn)一系列二維圖象，而虛擬現(xiàn)實(shí)是從各個(gè)方位來顯示實(shí)體的三維圖象。兩者另一個(gè)重要區(qū)別就是硬件設(shè)備，普通的計(jì)算機(jī)交互設(shè)備包括鍵盤，鼠標(biāo)等，再由顯示器和音箱構(gòu)成多媒體系統(tǒng)；而VR系統(tǒng)的跟蹤器有機(jī)械的，超聲的，磁感應(yīng)的，光學(xué)的和無源的幾種，其靈巧程度遠(yuǎn)比一般交互設(shè)備優(yōu)越得多。虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)的是身臨其境的感覺，多媒體技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)綜合組織、處理和操作多種媒體信息的技術(shù)，它雖然具有多種媒體，但是在感知范圍上沒有VR廣泛，例如多媒體不包括觸覺、力覺等感知。另外多媒體處理的對象主要是二維的，因此在存在感和交互性方面與VR有著本質(zhì)的區(qū)別。虛擬現(xiàn)實(shí)和多媒體的區(qū)別：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)有仿真技術(shù)的區(qū)別：被試者不再是坐在現(xiàn)實(shí)世界中通過人機(jī)界面去觀察分析所研究對象的參數(shù)，而是沉浸到由計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的一種虛擬世界之中，如同在真實(shí)世界中一樣與周圍的虛擬環(huán)境事物進(jìn)行交互作用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)有仿真技術(shù)的區(qū)別：虛擬現(xiàn)實(shí)與動畫技術(shù)的區(qū)別：三維動畫沿著某一條路徑瀏覽動畫，而且可以反復(fù)播放這個(gè)動畫，但這條路徑是固定的。虛擬現(xiàn)實(shí)中用戶可以沿任意路徑走進(jìn)這個(gè)環(huán)境并操縱場景中的對象，他的圖形渲染是實(shí)時(shí)的，這是它與動畫的最大區(qū)別。虛擬現(xiàn)實(shí)與動畫技術(shù)的區(qū)別：虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化的區(qū)別：可視化是虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ);可視化重點(diǎn)在于表現(xiàn)事物的本質(zhì)，而不追求逼真的模擬；虛擬現(xiàn)實(shí)則重點(diǎn)在于逼真描繪環(huán)境的實(shí)際情況，而對本質(zhì)的要求是次要的;在技術(shù)上，虛擬現(xiàn)實(shí)比可視化復(fù)雜龐大的多。虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化的區(qū)別：幾個(gè)相同意義的名詞：如人工現(xiàn)實(shí)(ArtificalReality)、靈境、幻真、虛擬環(huán)境等等。幾個(gè)相同意義的名詞：1.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最基本特征Immersion（沉浸）

Interaction（交互）

Imagination（構(gòu)想）

1.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最基本特征（1）Immersion（沉浸）：指用戶身心置于模擬環(huán)境中的體驗(yàn)，理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到用戶難以分辨真假的程度;其意義在于可以使用戶集中注意力，可以將抽象的數(shù)據(jù)變換成熟悉的體驗(yàn)，且從中獲取知識。理想的VR系統(tǒng)應(yīng)具有一切人所具有的感知功能，如視覺感知、聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動感知、味覺感知、嗅覺感知等。由于相關(guān)技術(shù)的限制，特別是傳感器技術(shù)的限制，VR技術(shù)無論是從感知范圍還是從感知精度都無法于人相比擬。（1）Immersion（沉浸）：指用戶身心置于模擬環(huán)境中的（2）Interaction（交互）：指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)的物體的可操作程度和從環(huán)境中得到反饋的自然程度。例如，用戶用腳去踢模擬環(huán)境中的足球，隨著足球飛起、落地等，用戶腳上有踢球剎那間的反彈感覺，且可聽到“嘭”的一聲，一切如同真實(shí)的一樣；又如，用戶去抓虛擬物體，這時(shí)手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的硬度和重量，被抓的物體隨著手的移動而移動。目前輸入和輸出設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)視覺和聽覺效果，而其它感知效果如力覺、觸覺等正在開發(fā)與研究，味覺、嗅覺則有待于研究。（2）Interaction（交互）：指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)的物（3）Imagination（構(gòu)想）

虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)用戶與終端的接口，而且可使用戶沉浸于此環(huán)境中并獲取新的知識，提高感性和理性認(rèn)識，從而產(chǎn)生新的構(gòu)思。這種構(gòu)思結(jié)果輸入到系統(tǒng)中去，系統(tǒng)會將處理后的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示或由傳感裝置反饋給用戶。如此反復(fù)，這是一個(gè)學(xué)習(xí)－創(chuàng)造－再學(xué)習(xí)－再創(chuàng)造的過程。因而可以說，VR是啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維的活動。（3）Imagination（構(gòu)想）虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是3I的基本特征，強(qiáng)調(diào)了人在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的主導(dǎo)作用。從過去人只能從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外部去觀測計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果，到人能夠沉浸到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所制造的環(huán)境之中；從過去人只能通過鍵盤、鼠標(biāo)與計(jì)算環(huán)境中的單維數(shù)字化信息發(fā)生交互作用，到人能用多種傳感器與多維化信息的環(huán)境發(fā)生交互作用；從過去的人只能從以定量計(jì)算為主的結(jié)果中得到啟發(fā)從而加深對事物的認(rèn)識，到人有可能從定性和定量綜合集體的環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識從而深化對概念的認(rèn)識和萌發(fā)新意。一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)，正是通過3I才能真正實(shí)現(xiàn)虛擬世界對真實(shí)世界的替代，從而對人達(dá)到一種境界虛擬，但感覺卻是真實(shí)的效果。3I的基本特征，強(qiáng)調(diào)了人在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的主導(dǎo)作用。I3Imagination構(gòu)想Interaction交互Immersion沉浸圖3虛擬現(xiàn)實(shí)三角形I3ImaginationInteractionImmers1.4虛擬現(xiàn)實(shí)的分類

(1)按表現(xiàn)形式參數(shù)化虛擬現(xiàn)實(shí)：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：

(2)按虛擬夸張程度合理的虛擬現(xiàn)實(shí)

夸張的虛擬現(xiàn)實(shí)

虛構(gòu)的虛擬現(xiàn)實(shí)：

(3)按支持的用戶數(shù)量單機(jī)型：網(wǎng)絡(luò)型：

1.4虛擬現(xiàn)實(shí)的分類(1)按表現(xiàn)形式參數(shù)化虛擬現(xiàn)實(shí)：就是一般所說的完全的虛擬環(huán)境。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：是把預(yù)先獲取的或預(yù)先計(jì)算好的數(shù)據(jù)和視頻影像重疊在真實(shí)成像環(huán)境上。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)允許用戶看見現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的物體，同時(shí)又把虛擬環(huán)境的圖形疊加在真實(shí)的物體上。穿透型頭戴式顯示器可將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖形和用戶實(shí)際的即時(shí)環(huán)境重疊在一起。例如一個(gè)維修工程師戴上一個(gè)穿透型頭戴式顯示器后，通過觀察與一臺激光打印機(jī)重疊的圖形去維修該打印機(jī)。這些圖形可能提供各種圖形化箭頭、插圖和說明，甚至可以指導(dǎo)他的維修。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性系統(tǒng)依賴于虛擬現(xiàn)實(shí)位置跟蹤技術(shù)，以達(dá)到精確的重疊，但目前的技術(shù)還不能完全做到這一點(diǎn)。(1)按表現(xiàn)形式參數(shù)化虛擬現(xiàn)實(shí)：就是一般所說的完全的虛擬環(huán)虛擬地理環(huán)境第二章虛擬現(xiàn)實(shí)概論第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)簡介課件(2)按虛擬夸張程度

合理的虛擬現(xiàn)實(shí)：就是根據(jù)真實(shí)的物理法則由計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)世界。

在這種虛擬世界中人所體驗(yàn)到的一切都是符合客觀規(guī)律的。在真實(shí)世界中只要條件具備，就可出現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)中的情況，因而從中所獲得的知識都是有用的。 例如英國出售的“模擬滑雪器”，“滑雪者”只要穿上滑雪服，蹬上滑雪板，拄上滑雪棍，帶上頭盔式顯示器，就可以看到真正滑雪場中白雪皚皚的高山深谷，并根據(jù)自己的狀況做出相應(yīng)的各種滑雪動作，學(xué)習(xí)、體驗(yàn)滑雪。(2)按虛擬夸張程度

合理的虛擬現(xiàn)實(shí)：就是根據(jù)真實(shí)的物理法夸張的虛擬現(xiàn)實(shí)：也是根據(jù)真實(shí)的物理法則由計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬的，但它模擬的對象不是人們的五官所能感受到的現(xiàn)實(shí)世界，而是人們無法接觸到的世界，如浩瀚的宇宙世界、微小的原子世界等。虛構(gòu)的虛擬現(xiàn)實(shí)：這是無視物理法則的對幻想的模擬。它運(yùn)用計(jì)算機(jī)的圖像、聲音功能把完全憑空想象出來的東西變成可以看到、聽到的世界，如“海底龍宮”。虛構(gòu)的虛擬現(xiàn)實(shí)主要用于娛樂。夸張的虛擬現(xiàn)實(shí)：(3)按支持的用戶數(shù)量單機(jī)型：一般只在本機(jī)建立場景供本機(jī)使用。常應(yīng)用于電子商務(wù)、網(wǎng)站建設(shè)、駕駛訓(xùn)練、科學(xué)可視化、商業(yè)數(shù)據(jù)可視化、工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)型：在服務(wù)器建立場景，供其它計(jì)算機(jī)用特定客戶軟件通過網(wǎng)絡(luò)來訪問。多應(yīng)用于娛樂、聊天室、虛擬社區(qū)、遠(yuǎn)程教育、會議、手術(shù)和軍事模擬等領(lǐng)域。(3)按支持的用戶數(shù)量(4)按照其功能不同

投入（沉浸）型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：是一套比較復(fù)雜、功能強(qiáng)大的VR系統(tǒng)。用戶必須戴頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等傳感跟蹤裝置，或穿上特制的外套，置身于安裝在運(yùn)動平臺上的封閉空間內(nèi)以產(chǎn)生更為真實(shí)的環(huán)境效果，才能與虛擬世界進(jìn)行交互。這些設(shè)備使得用戶完全投入一個(gè)虛擬境界而看不到現(xiàn)實(shí)世界，將用戶的視覺、聽覺與外界隔離，以排除外界干擾，全身心地投入到虛擬現(xiàn)實(shí)中去。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是用戶可以完全沉浸到虛擬世界中去，缺點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)備昂貴，難以普及推廣。投入式VR系統(tǒng)又可分為：頭盔型(HMD)、洞空型(CAVE)、遙現(xiàn)型(telepresence)VR系統(tǒng)。(4)按照其功能不同

投入（沉浸）型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：桌面簡易型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：是指將一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)屏幕作為參與者觀察虛擬環(huán)境的一個(gè)窗口，以通常的鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套、眼鏡為交互工具，用簡便的光閘立體眼鏡創(chuàng)造立體視覺效果、增加沉浸程度。例如蘋果公司推出的快速虛擬系統(tǒng)(QuickTimeVR)，是采用360度全景拍攝來生成逼真的虛擬情景，用戶在普通的電腦上，利用鼠標(biāo)和鍵盤，就能真實(shí)地感受到所虛擬的情景。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是在投入性方面較差，沉浸感不強(qiáng)，因?yàn)閰⑴c者坐在監(jiān)視器前觀察虛擬境界時(shí)會受到周圍現(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，易于普及推廣，是一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的系統(tǒng)。在演示、教學(xué)等較多人觀看的場合，常用投影式VR系統(tǒng)，即在桌面VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一種大屏幕投影機(jī)或數(shù)字顯示墻以顯示VR三維環(huán)境。桌面簡易型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)概述當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)研究中一個(gè)最熱門的主題就是分布式虛擬現(xiàn)實(shí)(DistributedVirtualReality,DVR)，有的研究者稱之為網(wǎng)絡(luò)化的VR(NetworkedVirtualReality)。DVR是指基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，常使用單個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)作為主機(jī)，主機(jī)維持虛擬環(huán)境的狀態(tài)，它與多個(gè)圖形計(jì)算機(jī)通過高速網(wǎng)進(jìn)行通信，每個(gè)圖形計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)圖形生成的計(jì)算以及提供與用戶的接口。產(chǎn)生DVR概念的原因非常簡單，就是一個(gè)虛擬的世界不可能總是運(yùn)行在一臺計(jì)算機(jī)上，而是要運(yùn)行在通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起的多臺計(jì)算機(jī)上。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能是一個(gè)局域網(wǎng)，也可能是全球INTERNET。處于不同地理位置的用戶可以進(jìn)入到同一個(gè)虛擬世界，進(jìn)行交流、學(xué)習(xí)、研討、娛樂，甚至協(xié)同完成同一件比較復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)或進(jìn)行一個(gè)艱難任務(wù)的演練。虛擬地理環(huán)境第二章虛擬現(xiàn)實(shí)概論第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)簡介課件與一般的VR系統(tǒng)相比，DVR的實(shí)現(xiàn)有很多困難:首先，人們要呆在家里通過計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)彼此交互，就受到網(wǎng)絡(luò)頻寬的限制；其次，要容忍信息刷新的延遲；此外，人們使用的是不同硬件平臺和軟件平臺的計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)的VR應(yīng)用要適應(yīng)這種現(xiàn)狀，即VR應(yīng)用的兼容性要好。

DVR的研究有兩大陣營。一個(gè)是國際互聯(lián)網(wǎng)上的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)，如基于VRML標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程虛擬購物；另一個(gè)是由軍方投資的高速專用網(wǎng)上的實(shí)現(xiàn)方法，如采用ATM技術(shù)的美國軍方國防仿真互聯(lián)網(wǎng)DSI。虛擬地理環(huán)境第二章虛擬現(xiàn)實(shí)概論第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)簡介課件1.5虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題1.5虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題(1)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前VR的研究課題比較廣泛：有顯示器和數(shù)據(jù)手套等硬件課題；有圖像分析研究的軟件課題；也有探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本質(zhì)――人機(jī)接口的新框架之類的非常抽象的課題。這些課題在某些意義上代表了當(dāng)前國際上對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究發(fā)展水平。就當(dāng)前VR技術(shù)而言，最先要解決的是視覺處理中臨場真實(shí)感這一關(guān)鍵問題。

(1)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前VR的研究課題比較廣泛：國外情況軍事：十多年來，虛擬現(xiàn)實(shí)已在武器裝備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，戰(zhàn)機(jī)駕駛訓(xùn)練和作戰(zhàn)模擬等軍事為首的領(lǐng)域得到了深入的應(yīng)用，并取得了十分顯著的效益。為此，美國國防部已將其列為21世紀(jì)主要的軍事訓(xùn)練工具。航空航天：目前，VR在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展最快，波音777運(yùn)輸機(jī)的全無紙化設(shè)計(jì)、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡修復(fù)前的宇航員訓(xùn)練和飛行仿真的成功證明VR技術(shù)所具有的潛力。其他典型的VR系統(tǒng):如法國達(dá)索的CATIA仿真虛擬系統(tǒng)、日本MEWOO的虛擬建筑物系統(tǒng)。國外情況軍事：十多年來，虛擬現(xiàn)實(shí)已在武器裝備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，戰(zhàn)機(jī)虛擬地理環(huán)境第二章虛擬現(xiàn)實(shí)概論第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)簡介課件國內(nèi)情況90年代以來，VR技術(shù)引起我國各界人士的興趣與關(guān)注。研究與應(yīng)用VR技術(shù)建立虛擬環(huán)境、虛擬場景模型和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)正朝著深度與廣度發(fā)展

國內(nèi)情況90年代以來，VR技術(shù)引起我國各界人士的興趣與關(guān)注。軍事上虛擬現(xiàn)實(shí)用于地形環(huán)境仿真并最終形成地景表示方法，是人類對環(huán)境認(rèn)知的深化與科技進(jìn)步的必然結(jié)果。軍測進(jìn)行虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的建設(shè)研究，現(xiàn)已取得了一系列實(shí)用成果，使我軍的地景仿真研究乃至訓(xùn)練水平進(jìn)入到了國際先進(jìn)行列。軍事上虛擬現(xiàn)實(shí)用于地形環(huán)境仿真并最終形成地景表示方法，是人類我國第一個(gè)VR技術(shù)與電子出版物結(jié)合的產(chǎn)物是清華大學(xué)國家光盤工程研究中心所作的“布達(dá)拉宮”，它采用QuickTime技術(shù)實(shí)現(xiàn)大全景VR制作，并且開發(fā)了QuickTime與多種應(yīng)用程序的接口。但由此方法生成的VR是假三維，用戶只能在由照片構(gòu)造的環(huán)境看到照片拍攝到的景物，而不能繞到場景對象的背后。也就是說，此場景無深度信息。

我國第一個(gè)VR技術(shù)與電子出版物結(jié)合的產(chǎn)物是清華大學(xué)國家光盤工利用VR技術(shù)開發(fā)的“虛擬故宮”是根據(jù)故宮真實(shí)大小用實(shí)時(shí)軟件建立的三維VR系統(tǒng)，用頭盔顯示器模擬在虛擬故宮中騎自行車進(jìn)行漫游。北京大學(xué)設(shè)計(jì)了基于PC機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)PCVRS。浙江大學(xué)進(jìn)行了分布式圖形系統(tǒng)和工作站機(jī)群系統(tǒng)的應(yīng)用研究，并給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架。香港中文大學(xué)研究了虛擬地理環(huán)境并建立了一個(gè)城門公園的虛擬社區(qū)實(shí)例。利用VR技術(shù)開發(fā)的“虛擬故宮”是根據(jù)故宮真實(shí)大小用實(shí)時(shí)軟件建(2)存在的問題

(2)存在的問題

-須滿足眾多矛盾的要求：高質(zhì)量的圖形繪制和實(shí)時(shí)刷新的矛盾(一般來說，人腦檢測延遲的閾值約10ms，所以VR系統(tǒng)要求的延遲應(yīng)低于10ms。因?yàn)檠舆t越長，系統(tǒng)越不逼真，過長甚至產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)（如運(yùn)動?。?另外，使用多邊形越多，視景效果越真實(shí)，但是增加多邊形，會使其延遲時(shí)間拉長，這樣，視景生成對計(jì)算機(jī)硬件的速度要求更高；計(jì)算精度和速度的矛盾；大容量和高速的數(shù)據(jù)存儲的矛盾；全彩色高分辨率顯示和繪制速度的矛盾等。從目前技術(shù)來看，要實(shí)現(xiàn)低于10ms的延時(shí)，成本較昂貴。-須滿足眾多矛盾的要求：模擬?。?/p>

VR系統(tǒng)畢竟是一種虛擬化的事物，不同于真實(shí)世界，因此，如何平衡被試者的心理負(fù)荷，避免操作失誤以及焦慮、緊張等狀態(tài)，讓其將VR技術(shù)真正作為一項(xiàng)實(shí)用的研究工具，提高工作效率，擺脫不必要的心理負(fù)擔(dān)，也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用中必不可少的課題。模擬病：導(dǎo)致模擬病產(chǎn)生的原因有兩個(gè)層次：一是基本層，是由于當(dāng)今技術(shù)不足，如跟蹤系統(tǒng)的延遲、可視反饋的延遲均能形成模擬?。涣硪粋€(gè)是模擬過程本身有問題，如飛行模擬器往往會導(dǎo)致惡心、嘔吐、疲勞、體能下降及頭痛等模擬?。?/p>

還有因?yàn)楦淖兎答伝芈飞婕暗郊∪鈩幼骱皖^部運(yùn)動，因而在人的頭部施加重量（戴上頭盔）后可導(dǎo)致運(yùn)動病?？梢灶A(yù)料隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，大多數(shù)問題將會逐步消除。導(dǎo)致模擬病產(chǎn)生的原因有兩個(gè)層次：目前的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大都用圖形生成，在逼真程度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于圖像。如何由照片拍攝成的圖像生成虛擬現(xiàn)實(shí)場景也是當(dāng)前的研究課題。目前的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大都用圖形生成，在逼真程度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于圖像1.6虛擬現(xiàn)實(shí)的意義

虛擬現(xiàn)實(shí)中強(qiáng)調(diào)的是人的主導(dǎo)作用VR是利用人類知覺能力和操作能力的一種方法虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是一門綜合的技術(shù)，而且是一門藝術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)造了一種新的實(shí)在形式——虛擬實(shí)在1.6虛擬現(xiàn)實(shí)的意義（1）虛擬現(xiàn)實(shí)中強(qiáng)調(diào)的是人的主導(dǎo)作用

VR技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了從“計(jì)算機(jī)為主體”到“人為主體”的轉(zhuǎn)變，而且實(shí)現(xiàn)了從“計(jì)算機(jī)化的單維信息空間”到“人化的多維信息空間”的轉(zhuǎn)變。在傳統(tǒng)的單維信息空間內(nèi)，信息處理的工具或環(huán)境是計(jì)算機(jī)，人通過鍵盤、二維鼠標(biāo)和顯示屏幕等與計(jì)算機(jī)發(fā)生聯(lián)系，人類以往的經(jīng)驗(yàn)是以數(shù)字化形式存儲在數(shù)據(jù)庫內(nèi)的。在以人為主體的多維信息空間內(nèi)，信息處理的工具或環(huán)境則是虛擬現(xiàn)實(shí)，人通過各種先進(jìn)的傳感器和作用器與虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)生聯(lián)系，人類以往的經(jīng)驗(yàn)與體驗(yàn)（全部的感性和理性知識）都是解決問題、尋求解答和提出新概念的基礎(chǔ)。在VR系統(tǒng)的幫助下，人將過去已有的對自然情景的經(jīng)驗(yàn)、在自然環(huán)境中的現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)以及VR系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)輸出綜合集成以獲得對該客觀世界的認(rèn)識和提高。（1）虛擬現(xiàn)實(shí)中強(qiáng)調(diào)的是人的主導(dǎo)作用VR技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了（2）VR是利用人類知覺能力和操作能力的一種方法通過將人工數(shù)據(jù)定型到虛擬現(xiàn)實(shí)中，用戶感到自己成了一個(gè)“發(fā)現(xiàn)者和行動者”，而不是通過思考分析數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)者和行動者可以通過感覺和操作找出數(shù)據(jù)的重要特性。思考通常是又慢又吃力，而感覺則可以是幾乎無意識地表達(dá)結(jié)果，并且很快。（2）VR是利用人類知覺能力和操作能力的一種方法通過將人工數(shù)（3）虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是一門綜合的技術(shù)，而且是一門藝術(shù)。有時(shí)在應(yīng)用中藝術(shù)的成份往往會超過技術(shù)成份，給人一種藝術(shù)享受，如交互式虛擬音樂會、虛擬演播室等。類似于其它藝術(shù)作品，虛擬現(xiàn)實(shí)能夠進(jìn)行教育或傳授知識，而且可以超越時(shí)空、生命本身的限制。如飛行仿真VR系統(tǒng)，飛行員可在安全的虛擬環(huán)境中獲得飛行經(jīng)驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在具有藝術(shù)魅力的同時(shí)，也具有一定的情感魅力。VR技術(shù)的三“I”特征大大增加了情感的韻味。尤其在VR技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合時(shí)，其情感魅力表現(xiàn)的更為明顯，如臨場感通信。（3）虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是一門綜合的技術(shù)，而且是一門藝術(shù)。有時(shí)在應(yīng)（4）虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)造了一種新的實(shí)在形式——虛擬實(shí)在

在現(xiàn)實(shí)世界中，人從外部世界獲取信息的渠道是五種感覺（視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺），其中主要來源是視覺（70%）和聽覺（20%）。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給人們的感覺和現(xiàn)實(shí)技術(shù)給人們的感覺是一致的，甚至還能夠制造某種世界上難以實(shí)現(xiàn)或本身就不存在的感覺，也就是說，人的意識對虛擬現(xiàn)實(shí)的反映同對真實(shí)的現(xiàn)實(shí)的反映是相同的，因此，人在虛擬環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象與規(guī)律可以借用到現(xiàn)實(shí)生活中。這就意味著虛擬現(xiàn)實(shí)給我們提供了一個(gè)新的實(shí)踐場所。

（4）虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)造了一種新的實(shí)在形式——虛擬實(shí)在在現(xiàn)第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

§1

虛擬現(xiàn)實(shí)簡介

1.1虛擬現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)生與發(fā)展歷史

(1)虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)背景

(2)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的起源

(3)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展時(shí)期第二章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

§1虛擬現(xiàn)實(shí)簡介

1.120世紀(jì)50年代末期，MortonHeiling開始嘗試設(shè)計(jì)多感覺的虛擬經(jīng)歷，他開發(fā)了一臺名為Sensorma的機(jī)器，綜合了電影的播放、音效、振動、風(fēng)和味覺效果，讓電影觀眾有如身臨其境。頭盔式屏幕的創(chuàng)意也是由他提出的。20世紀(jì)50年代末期，MortonHeiling開始嘗試設(shè)1965年，具有“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父”美譽(yù)的美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家兼美國高等研究計(jì)劃局信息處理技術(shù)辦公室主任伊凡·薩瑟蘭(IvanSutherland)發(fā)表了一篇題為“TheUltimateDisplay”（《最終顯示》）的論文，提出使計(jì)算機(jī)顯示屏成為觀察客觀世界窗口的設(shè)想，這被看作是研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開端。1966年，他完成了第一臺能使用戶觀看“虛擬世界”的頭盔顯示器，通過這種立體觀察裝置，可以使用戶看不到計(jì)算機(jī)的存在，而是完全進(jìn)入到計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境中。1965年，具有“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父”美譽(yù)的美國麻省理工學(xué)院的1968年DouglasEngelbart發(fā)明了可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的裝置，即最早的鼠標(biāo)，人機(jī)交互這一面向用戶的計(jì)算機(jī)技術(shù)從此誕生。1968年DouglasEngelbart發(fā)明了可以與計(jì)算1971年FrederickBrooks開發(fā)出了反饋力系統(tǒng)(Force-FeedbackSystem)。1971年FrederickBrooks開發(fā)出了反饋力系統(tǒng)1982年ThonmasZimmerman等人設(shè)計(jì)出了數(shù)據(jù)手套，可以作為虛擬現(xiàn)實(shí)的輸入裝置。1982年ThonmasZimmerman等人設(shè)計(jì)出了數(shù)據(jù)1984年，米切爾·麥格里威和他的同事在美國航空航天局開發(fā)了數(shù)據(jù)護(hù)目鏡，它允許使用者環(huán)視在計(jì)算機(jī)屏幕上描繪的圖形世界。隨后美國Ames航天研究中心利用流行的液晶顯示電視和其它設(shè)備開始研究低成本的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，極大地推動了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟硬件的研制和開發(fā)。1984年，米切爾·麥格里威和他的同事在美國航空航天局開發(fā)了1985年，JaronLanier與JeanJaequesGrimaud創(chuàng)建了VPLResearch公司，這是第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的商業(yè)化公司，也是一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)王國。他們不僅正式提出了虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtualreality)的概念，而且開發(fā)研制出了實(shí)現(xiàn)人機(jī)自然交互的裝置—數(shù)據(jù)手套。如今HMD和數(shù)據(jù)手套已經(jīng)成為虛擬現(xiàn)實(shí)的硬件象征。

1985年，JaronLanier與JeanJaeque1986年美國航天局的Ames研究中心研制出了VIEW(VirtualInteractiveEnvironmentWorkstation)，這是世界上第一個(gè)較為完整、多用途、多感知的VR系統(tǒng)。它使用了立體頭盔顯示、數(shù)據(jù)手套、語音識別技術(shù)、跟蹤技術(shù)與遙現(xiàn)技術(shù)。用戶可以從中看到立體圖像、聽到三維聲音，可口頭發(fā)出命令，伸手捉取由軟件生成的虛擬物體。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究需要充足的經(jīng)費(fèi)支持，美國國防部為此投入了大量的經(jīng)費(fèi)（它也因此被稱為虛擬現(xiàn)實(shí)的搖籃），因此其研究成果主要在軍事領(lǐng)域得到應(yīng)用。1986年美國航天局的Ames研究中心研制出了VIEW(Vi1989年Autodesk公司開發(fā)了第一個(gè)以PC為平臺的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。1989年Autodesk公司開發(fā)了第一個(gè)以PC為平臺的虛擬1990年，在美國達(dá)拉斯召開的SIGGRAPH國際會議上，首次將虛擬現(xiàn)實(shí)用三種基本技術(shù)進(jìn)行了概括： 三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù);采用多種功能傳感器的交互式接口裝置;高清晰度顯示裝置。1990年，在美國達(dá)拉斯召開的SIGGRAPH國際會議上，首至90年代，由于計(jì)算機(jī)芯片能力的增強(qiáng)及浮點(diǎn)處理器和圖形加速器的引入，陸續(xù)研制出一批較實(shí)用的頭盔三維顯示器、六自由度手套、立體聲耳機(jī)。充分的硬件支持使軟件系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)則促使VRML的提出及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。盡管從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本目標(biāo)來看，目前的研究尚處于初級階段，但從已有的研究成果看，它已顯示出十分誘人的應(yīng)用前景。人們對它越來越感興趣，它也正從研究領(lǐng)域走向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域。至90年代，由于計(jì)算機(jī)芯片能力的增強(qiáng)及浮點(diǎn)處理器和圖形加速器1.2虛擬現(xiàn)實(shí)的概念(1)虛擬現(xiàn)實(shí)的定義

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展到今天，也只能說處于初級階段。目前的系統(tǒng)受軟、硬件條件的限制，只是在一定程度上給予用戶“真實(shí)感”的體驗(yàn)，許多技術(shù)問題尚有待解決?，F(xiàn)在還沒有明確的定義。此處給出幾個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)特征的定義

1.2虛擬現(xiàn)實(shí)的概念定義一：

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、觸覺一體化的特定范圍的沉浸式虛擬交互環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生“沉浸”于等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。定義一：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定義二：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三角形（3I）:BurdeaG.在1993年召開的Electro93國際會議上所發(fā)表的“VirtualRealitySystemandApplication”一文中，提出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三角形，簡捷地概括了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人機(jī)關(guān)系上的基本特征。此即三個(gè)I的定義：沉浸感(Immersion)交互性(Interaction)想象力(Imagination)定義二：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三角形（3I）:定義三：

在SteuerJ.發(fā)表的報(bào)告DefiningVirtualReality：DimensionDeterminingTelepresence中，對虛擬現(xiàn)實(shí)的定義如下：虛擬現(xiàn)實(shí)是沉浸式的(Immersive)，用戶進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)后，會暫時(shí)與真實(shí)世界隔絕，置身于另一個(gè)世界當(dāng)中;這個(gè)世界是由人類將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)處理而產(chǎn)生的;虛擬現(xiàn)實(shí)提供給用戶各種感覺，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺與嗅覺；虛擬現(xiàn)實(shí)是由用戶主動瀏覽的(Active)，一般多媒體、如電影和電視，用戶只能接受事先安排的內(nèi)容，而虛擬現(xiàn)實(shí)提供用戶在虛擬的空間中自由游走的權(quán)力；虛擬現(xiàn)實(shí)是交互式的(Interactive)，用戶可以使用某些方式影響虛擬現(xiàn)實(shí)中的對象與環(huán)境，例如改變對象屬性或創(chuàng)造新的對象。虛擬現(xiàn)實(shí)中的空間會根據(jù)某些給定的規(guī)則，對用戶的行為做出反應(yīng)。定義三：在SteuerJ.發(fā)表的報(bào)告Defining(2)虛擬現(xiàn)實(shí)與其他相關(guān)名詞的區(qū)別虛擬與“虛幻”

虛擬現(xiàn)實(shí)和多媒體的區(qū)別

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)有仿真技術(shù)的區(qū)別

虛擬現(xiàn)實(shí)與動畫技術(shù)的區(qū)別

虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化的區(qū)別

幾個(gè)相同意義的名詞

:人工現(xiàn)實(shí)(ArtificalReality)、靈境、幻真、虛擬環(huán)境(2)虛擬現(xiàn)實(shí)與其他相關(guān)名詞的區(qū)別虛擬與“虛幻”：兩者雖只一字之差，內(nèi)涵卻大相徑庭。虛幻僅僅是個(gè)人頭腦中的幻想而已，沒有可感知、可觸摸的性質(zhì)，是純意識的產(chǎn)物，無法在其中從事實(shí)踐活動。虛幻好比是“海市蜃樓”，可望而不可及。而虛擬則不然，在虛擬的世界里，事物不僅可看、可聽，還具有一定的可操作的性質(zhì)。

虛擬與“虛幻”：兩者雖只一字之差，內(nèi)涵卻大相徑庭。虛擬現(xiàn)實(shí)和多媒體的區(qū)別：多媒體是在屏幕上順序地展現(xiàn)一系列二維圖象，而虛擬現(xiàn)實(shí)是從各個(gè)方位來顯示實(shí)體的三維圖象。兩者另一個(gè)重要區(qū)別就是硬件設(shè)備，普通的計(jì)算機(jī)交互設(shè)備包括鍵盤，鼠標(biāo)等，再由顯示器和音箱構(gòu)成多媒體系統(tǒng)；而VR系統(tǒng)的跟蹤器有機(jī)械的，超聲的，磁感應(yīng)的，光學(xué)的和無源的幾種，其靈巧程度遠(yuǎn)比一般交互設(shè)備優(yōu)越得多。虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)的是身臨其境的感覺，多媒體技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)綜合組織、處理和操作多種媒體信息的技術(shù)，它雖然具有多種媒體，但是在感知范圍上沒有VR廣泛，例如多媒體不包括觸覺、力覺等感知。另外多媒體處理的對象主要是二維的，因此在存在感和交互性方面與VR有著本質(zhì)的區(qū)別。虛擬現(xiàn)實(shí)和多媒體的區(qū)別：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)有仿真技術(shù)的區(qū)別：被試者不再是坐在現(xiàn)實(shí)世界中通過人機(jī)界面去觀察分析所研究對象的參數(shù)，而是沉浸到由計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的一種虛擬世界之中，如同在真實(shí)世界中一樣與周圍的虛擬環(huán)境事物進(jìn)行交互作用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)有仿真技術(shù)的區(qū)別：虛擬現(xiàn)實(shí)與動畫技術(shù)的區(qū)別：三維動畫沿著某一條路徑瀏覽動畫，而且可以反復(fù)播放這個(gè)動畫，但這條路徑是固定的。虛擬現(xiàn)實(shí)中用戶可以沿任意路徑走進(jìn)這個(gè)環(huán)境并操縱場景中的對象，他的圖形渲染是實(shí)時(shí)的，這是它與動畫的最大區(qū)別。虛擬現(xiàn)實(shí)與動畫技術(shù)的區(qū)別：虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化的區(qū)別：可視化是虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ);可視化重點(diǎn)在于表現(xiàn)事物的本質(zhì)，而不追求逼真的模擬；虛擬現(xiàn)實(shí)則重點(diǎn)在于逼真描繪環(huán)境的實(shí)際情況，而對本質(zhì)的要求是次要的;在技術(shù)上，虛擬現(xiàn)實(shí)比可視化復(fù)雜龐大的多。虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化的區(qū)別：幾個(gè)相同意義的名詞：如人工現(xiàn)實(shí)(ArtificalReality)、靈境、幻真、虛擬環(huán)境等等。幾個(gè)相同意義的名詞：1.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最基本特征Immersion（沉浸）

Interaction（交互）

Imagination（構(gòu)想）

1.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最基本特征（1）Immersion（沉浸）：指用戶身心置于模擬環(huán)境中的體驗(yàn)，理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到用戶難以分辨真假的程度;其意義在于可以使用戶集中注意力，可以將抽象的數(shù)據(jù)變換成熟悉的體驗(yàn)，且從中獲取知識。理想的VR系統(tǒng)應(yīng)具有一切人所具有的感知功能，如視覺感知、聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動感知、味覺感知、嗅覺感知等。由于相關(guān)技術(shù)的限制，特別是傳感器技術(shù)的限制，VR技術(shù)無論是從感知范圍還是從感知精度都無法于人相比擬。（1）Immersion（沉浸）：指用戶身心置于模擬環(huán)境中的（2）Interaction（交互）：指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)的物體的可操作程度和從環(huán)境中得到反饋的自然程度。例如，用戶用腳去踢模擬環(huán)境中的足球，隨著足球飛起、落地等，用戶腳上有踢球剎那間的反彈感覺，且可聽到“嘭”的一聲，一切如同真實(shí)的一樣；又如，用戶去抓虛擬物體，這時(shí)手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的硬度和重量，被抓的物體隨著手的移動而移動。目前輸入和輸出設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)視覺和聽覺效果，而其它感知效果如力覺、觸覺等正在開發(fā)與研究，味覺、嗅覺則有待于研究。（2）Interaction（交互）：指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)的物（3）Imagination（構(gòu)想）

虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)用戶與終端的接口，而且可使用戶沉浸于此環(huán)境中并獲取新的知識，提高感性和理性認(rèn)識，從而產(chǎn)生新的構(gòu)思。這種構(gòu)思結(jié)果輸入到系統(tǒng)中去，系統(tǒng)會將處理后的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示或由傳感裝置反饋給用戶。如此反復(fù)，這是一個(gè)學(xué)習(xí)－創(chuàng)造－再學(xué)習(xí)－再創(chuàng)造的過程。因而可以說，VR是啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維的活動。（3）Imagination（構(gòu)想）虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是3I的基本特征，強(qiáng)調(diào)了人在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的主導(dǎo)作用。從過去人只能從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外部去觀測計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果，到人能夠沉浸到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所制造的環(huán)境之中；從過去人只能通過鍵盤、鼠標(biāo)與計(jì)算環(huán)境中的單維數(shù)字化信息發(fā)生交互作用，到人能用多種傳感器與多維化信息的環(huán)境發(fā)生交互作用；從過去的人只能從以定量計(jì)算為主的結(jié)果中得到啟發(fā)從而加深對事物的認(rèn)識，到人有可能從定性和定量綜合集體的環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識從而深化對概念的認(rèn)識和萌發(fā)新意。一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)，正是通過3I才能真正實(shí)現(xiàn)虛擬世界對真實(shí)世界的替代，從而對人達(dá)到一種境界虛擬，但感覺卻是真實(shí)的效果。3I的基本特征，強(qiáng)調(diào)了人在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的主導(dǎo)作用。I3Imagination構(gòu)想Interaction交互Immersion沉浸圖3虛擬現(xiàn)實(shí)三角形I3ImaginationInteractionImmers1.4虛擬現(xiàn)實(shí)的分類

(1)按表現(xiàn)形式參數(shù)化虛擬現(xiàn)實(shí)：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：

(2)按虛擬夸張程度合理的虛擬現(xiàn)實(shí)

夸張的虛擬現(xiàn)實(shí)

虛構(gòu)的虛擬現(xiàn)實(shí)：

(3)按支持的用戶數(shù)量單機(jī)型：網(wǎng)絡(luò)型：

1.4虛擬現(xiàn)實(shí)的分類(1)按表現(xiàn)形式參數(shù)化虛擬現(xiàn)實(shí)：就是一般所說的完全的虛擬環(huán)境。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：是把預(yù)先獲取的或預(yù)先計(jì)算好的數(shù)據(jù)和視頻影像重疊在真實(shí)成像環(huán)境上。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)允許用戶看見現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的物體，同時(shí)又把虛擬環(huán)境的圖形疊加在真實(shí)的物體上。穿透型頭戴式顯示器可將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖形和用戶實(shí)際的即時(shí)環(huán)境重疊在一起。例如一個(gè)維修工程師戴上一個(gè)穿透型頭戴式顯示器后，通過觀察與一臺激光打印機(jī)重疊的圖形去維修該打印機(jī)。這些圖形可能提供各種圖形化箭頭、插圖和說明，甚至可以指導(dǎo)他的維修。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性系統(tǒng)依賴于虛擬現(xiàn)實(shí)位置跟蹤技術(shù)，以達(dá)到精確的重疊，但目前的技術(shù)還不能完全做到這一點(diǎn)。(1)按表現(xiàn)形式參數(shù)化虛擬現(xiàn)實(shí)：就是一般所說的完全的虛擬環(huán)虛擬地理環(huán)境第二章虛擬現(xiàn)實(shí)概論第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)簡介課件(2)按虛擬夸張程度

合理的虛擬現(xiàn)實(shí)：就是根據(jù)真實(shí)的物理法則由計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)世界。

在這種虛擬世界中人所體驗(yàn)到的一切都是符合客觀規(guī)律的。在真實(shí)世界中只要條件具備，就可出現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)中的情況，因而從中所獲得的知識都是有用的。 例如英國出售的“模擬滑雪器”，“滑雪者”只要穿上滑雪服，蹬上滑雪板，拄上滑雪棍，帶上頭盔式顯示器，就可以看到真正滑雪場中白雪皚皚的高山深谷，并根據(jù)自己的狀況做出相應(yīng)的各種滑雪動作，學(xué)習(xí)、體驗(yàn)滑雪。(2)按虛擬夸張程度

合理的虛擬現(xiàn)實(shí)：就是根據(jù)真實(shí)的物理法夸張的虛擬現(xiàn)實(shí)：也是根據(jù)真實(shí)的物理法則由計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬的，但它模擬的對象不是人們的五官所能感受到的現(xiàn)實(shí)世界，而是人們無法接觸到的世界，如浩瀚的宇宙世界、微小的原子世界等。虛構(gòu)的虛擬現(xiàn)實(shí)：這是無視物理法則的對幻想的模擬。它運(yùn)用計(jì)算機(jī)的圖像、聲音功能把完全憑空想象出來的東西變成可以看到、聽到的世界，如“海底龍宮”。虛構(gòu)的虛擬現(xiàn)實(shí)主要用于娛樂。夸張的虛擬現(xiàn)實(shí)：(3)按支持的用戶數(shù)量單機(jī)型：一般只在本機(jī)建立場景供本機(jī)使用。常應(yīng)用于電子商務(wù)、網(wǎng)站建設(shè)、駕駛訓(xùn)練、科學(xué)可視化、商業(yè)數(shù)據(jù)可視化、工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)型：在服務(wù)器建立場景，供其它計(jì)算機(jī)用特定客戶軟件通過網(wǎng)絡(luò)來訪問。多應(yīng)用于娛樂、聊天室、虛擬社區(qū)、遠(yuǎn)程教育、會議、手術(shù)和軍事模擬等領(lǐng)域。(3)按支持的用戶數(shù)量(4)按照其功能不同

投入（沉浸）型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：是一套比較復(fù)雜、功能強(qiáng)大的VR系統(tǒng)。用戶必須戴頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等傳感跟蹤裝置，或穿上特制的外套，置身于安裝在運(yùn)動平臺上的封閉空間內(nèi)以產(chǎn)生更為真實(shí)的環(huán)境效果，才能與虛擬世界進(jìn)行交互。這些設(shè)備使得用戶完全投入一個(gè)虛擬境界而看不到現(xiàn)實(shí)世界，將用戶的視覺、聽覺與外界隔離，以排除外界干擾，全身心地投入到虛擬現(xiàn)實(shí)中去。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是用戶可以完全沉浸到虛擬世界中去，缺點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)備昂貴，難以普及推廣。投入式VR系統(tǒng)又可分為：頭盔型(HMD)、洞空型(CAVE)、遙現(xiàn)型(telepresence)VR系統(tǒng)。(4)按照其功能不同

投入（沉浸）型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：桌面簡易型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：是指將一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)屏幕作為參與者觀察虛擬環(huán)境的一個(gè)窗口，以通常的鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套、眼鏡為交互工具，用簡便的光閘立體眼鏡創(chuàng)造立體視覺效果、增加沉浸程度。例如蘋果公司推出的快速虛擬系統(tǒng)(QuickTimeVR)，是采用360度全景拍攝來生成逼真的虛擬情景，用戶在普通的電腦上，利用鼠標(biāo)和鍵盤，就能真實(shí)地感受到所虛擬的情景。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是在投入性方面較差，沉浸感不強(qiáng)，因?yàn)閰⑴c者坐在監(jiān)視器前觀察虛擬境界時(shí)會受到周圍現(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，易于普及推廣，是一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的系統(tǒng)。在演示、教學(xué)等較多人觀看的場合，常用投影式VR系統(tǒng)，即在桌面VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一種大屏幕投影機(jī)或數(shù)字顯示墻以顯示VR三維環(huán)境。桌面簡易型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)概述當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)研究中一個(gè)最熱門的主題就是分布式虛擬現(xiàn)實(shí)(DistributedVirtualReality,DVR)，有的研究者稱之為網(wǎng)絡(luò)化的VR(NetworkedVirtualReality)。DVR是指基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，常使用單個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)作為主機(jī)，主機(jī)維持虛擬環(huán)境的狀態(tài)，它與多個(gè)圖形計(jì)算機(jī)通過高速網(wǎng)進(jìn)行通信，每個(gè)圖形計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)圖形生成的計(jì)算以及提供與用戶的接口。產(chǎn)生DVR概念的原因非常簡單，就是一個(gè)虛擬的世界不可能總是運(yùn)行在一臺計(jì)算機(jī)上，而是要運(yùn)行在通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起的多臺計(jì)算機(jī)上。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能是一個(gè)局域網(wǎng)，也可能是全球INTERNET。處于不同地理位置的用戶可以進(jìn)入到同一個(gè)虛擬世界，進(jìn)行交流、學(xué)習(xí)、研討、娛樂，甚至協(xié)同完成同一件比較復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)或進(jìn)行一個(gè)艱難任務(wù)的演練。虛擬地理環(huán)境第二章虛擬現(xiàn)實(shí)概論第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)簡介課件與一般的VR系統(tǒng)相比，DVR的實(shí)現(xiàn)有很多困難:首先，人們要呆在家里通過計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)彼此交互，就受到網(wǎng)絡(luò)頻寬的限制；其次，要容忍信息刷新的延遲；此外，人們使用的是不同硬件平臺和軟件平臺的計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)的VR應(yīng)用要適應(yīng)這種現(xiàn)狀，即VR應(yīng)用的兼容性要好。

DVR的研究有兩大陣營。一個(gè)是國際互聯(lián)網(wǎng)上的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)，如基于VRML標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程虛擬購物；另一個(gè)是由軍方投資的高速專用網(wǎng)上的實(shí)現(xiàn)方法，如采用ATM技術(shù)的美國軍方國防仿真互聯(lián)網(wǎng)DSI。虛擬地理環(huán)境第二章虛擬現(xiàn)實(shí)概論第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)簡介課件1.5虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題1.5虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題(1)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前VR的研究課題比較廣泛：有顯示器和數(shù)據(jù)手套等硬件課題；有圖像分析研究的軟件課題；也有探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本質(zhì)――人機(jī)接口的新框架之類的非常抽象的課題。這些課題在某些意義上代表了當(dāng)前國際上對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究發(fā)展水平。就當(dāng)前VR技術(shù)而言，最先要解決的是視覺處理中臨場真實(shí)感這一關(guān)鍵問題。

(1)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前VR的研究課題比較廣泛：國外情況軍事：十多年來，虛擬現(xiàn)實(shí)已在武器裝備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，戰(zhàn)機(jī)駕駛訓(xùn)練和作戰(zhàn)模擬等軍事為首的領(lǐng)域得到了深入的應(yīng)用，并取得了十分顯著的效益。為此，美國國防部已將其列為21世紀(jì)主要的軍事訓(xùn)練工具。航空航天：目前，VR在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展最快，波音777運(yùn)輸機(jī)的全無紙化設(shè)計(jì)、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡修復(fù)前的宇航員訓(xùn)練和飛行仿真的成功證明VR技術(shù)所具有的潛力。其他典型的VR系統(tǒng):如法國達(dá)索的CATIA仿真虛擬系統(tǒng)、日本MEWOO的虛擬建筑物系統(tǒng)。國外情況軍事：十多年來，虛擬現(xiàn)實(shí)已在武器裝備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，戰(zhàn)機(jī)虛擬地理環(huán)境第二章虛擬現(xiàn)實(shí)概論第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)簡介課件國內(nèi)情況90年代以來，VR技術(shù)引起我國各界人士的興趣與關(guān)注。研究與應(yīng)用VR技術(shù)建立虛擬環(huán)境、虛擬場景模型和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)正朝著深度與廣度發(fā)展

國內(nèi)情況90年代以來，VR技術(shù)引起我國各界人士的興趣與關(guān)注。軍事上虛擬現(xiàn)實(shí)用于地形環(huán)境仿真并最終形成地景表示方法，是人類對環(huán)境認(rèn)知的深化與科技進(jìn)步的必然結(jié)果。軍測進(jìn)行虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的建設(shè)研究，現(xiàn)已取得了一系列實(shí)用成果，使我軍的地景仿真研究乃至訓(xùn)練水平進(jìn)入到了國際先進(jìn)行列。軍事上虛擬現(xiàn)實(shí)用于地形環(huán)境仿真并最終形成地景表示方法，是人類我國第一個(gè)VR技術(shù)與電子出版物結(jié)合的產(chǎn)物是清華大學(xué)國家光盤工程研究中心所作的“布達(dá)拉宮”，它采用QuickTime技術(shù)實(shí)現(xiàn)大全景VR制作，并且開發(fā)了QuickTime與多種應(yīng)用程序的接口。但由此方法生成的VR是假三維，用戶只能在由照片構(gòu)造的環(huán)境看到照片拍攝到的景物，而不能繞到場景對象的背后。也就是說，此場景無深度信息。

我國第一個(gè)VR技術(shù)與電子出版物結(jié)合的產(chǎn)物是清華大學(xué)國家光盤工利用VR技術(shù)開發(fā)的