虚拟现实的硬件与软件基础
虚拟现实技术
§3 虚拟现实软件技术
3、 FreeFrom
FreeForm® Modeling Plus™ 系统是一种独特的3D计算机触觉辅助设计系统， 该系统可以使用户迅速地生成细节丰富、原始的模型，从而加速整个产品的 开发进程。FreeForm Modeling Plus 是复杂设计、自由形态之形状、交付可制造 模型、快速造型文件及图片-真实渲染的理想工具。该系统特色包括了直觉、 3D可触摸的设计工具，这些工具 为制造设计的建模人员 集成了综合的浇铸部件 和模制品骨架功能。
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2019/12/21
§3 虚拟现实软件技术
3、 FreeFrom
SensAble’s FreeForm® Modeling plus base™系统是一款独特的、三维可触式概 念设计系统，该系统能让用户使用当今最有效的和最直观的3D工具轻松建 立和清楚地表达设计观念。
FreeForm Modeling plus base系统允许设计者迅速而概略地勾画出模型， 在决定生成比较细致的模型和物理模型之前用色彩和图片“修饰”或渲 染出具有不同设计理念地的测试品。
特点：
•高度的实时性
•高度的沉浸感
•支持多种I/O交互设备并行
§1 虚拟现实概述
6、虚拟现实的分类
增强现实性的虚拟现实：利用增强现实性的虚拟现实来增强参与者对 真实环境的感受，也就是增强现实中无法 感知或不方便的感受。
例如：战机飞行员的平视显示器， 它可以将仪表读数和武器瞄准数据 投射到安装在飞行员面前的穿透式 屏幕上，它可以使飞行员不必低头 读座舱中仪表的数据，从而可集中 精力盯着敌人的飞机或导航偏差。
优点
虚拟现实的技术实质在于提供一种高级的人机接口。虚拟现 实技术改变了人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，给 用户提供了一个趋于人性化的虚拟信息空间。
虚拟现实系统的硬件设备
虚拟现实系统的硬件设备引言虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是一种通过计算机生成的仿真环境，使用户可以沉浸在虚拟场景中，并与之进行交互。
虚拟现实系统由软件和硬件两部分组成，其中硬件设备起着至关重要的作用。
本文将介绍虚拟现实系统中涉及的常见硬件设备，包括头戴式显示器、追踪设备、手柄控制器和体感设备等。
1. 头戴式显示器头戴式显示器是虚拟现实系统中最关键的硬件设备之一。
它通常由一个头盔和一个显示器组成。
头盔贴合用户的头部，通过内置的显示器将虚拟现实场景投影到用户的眼睛。
较好的头戴式显示器具有高分辨率、高刷新率和低延迟等特点，以提供更真实流畅的虚拟现实体验。
同时，头戴式显示器还通常包含陀螺仪和加速度计等传感器，以跟踪用户的头部运动，并实时调整视角，增强交互的真实感。
2. 追踪设备虚拟现实系统中的追踪设备用于跟踪用户的身体姿势和位置，以实现在虚拟现实场景中的真实交互。
常见的追踪设备包括基于光学原理的红外摄像机和红外发射器。
红外摄像机通过捕捉发射器发出的红外光线反射回来的图像，计算用户的位置和姿势。
通过这种方式，追踪设备使用户能够在虚拟场景中自由移动，并将其身体动作精确地映射到虚拟角色上。
3. 手柄控制器手柄控制器是虚拟现实系统中用于手部操作的硬件设备。
它通常由一个或多个传感器和按键组成，可以实时捕捉用户的手势和触摸动作，并将其传递给虚拟现实系统。
手柄控制器的设计旨在模拟真实世界中的物体，使用户能够在虚拟场景中进行精确的抓取、放置和操作。
一些高级手柄控制器还具备力触反馈功能，可以模拟不同物体的质感和重量，增强用户的沉浸感。
4. 体感设备体感设备是虚拟现实系统中用于跟踪用户整个身体运动的硬件设备。
它通常由传感器、电子设备和驱动器等组成。
体感设备可以通过感应用户的身体运动，例如步行、奔跑、跳跃等，将其反馈到虚拟场景中，实现用户在虚拟环境中的自由移动。
体感设备的主要作用是提供身体级别的交互和沉浸式体验，使用户能够更加自然地与虚拟环境进行互动。
虚拟现实技术特点及常用硬件
浅谈虚拟现实技术特点，组成和分类。
常用的虚拟现实软件，硬件和优缺点。
一：虚拟现实技术特点:多感知性（Multi-Sensory）所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。
理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。
由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。
浸没感（Immersion）又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。
理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。
交互性（Interactivity）指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。
例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。
构想性（Imagination）强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
由于浸没感、交互性和构想性三个特性的英文单词的第一个字母均为I，所以这三个特性又通常被统称为3I特性。
一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。
二：虚拟现实技术组成和分类:1、虚拟现实技术组成：1、效果发生器。
效果发生器是完成人与虚拟环境交互的硬件接口装置，包括人们产生现实沉浸感受到的各类输出装置，例如头盔显示器、立体声耳机；还包括能测定视线方向和手指动作的输入装置，例如头部方位探测器和数据手套等2、实景仿真器。
VR基础体验与设备设置教程
VR（虚拟现实）技术是一种令人兴奋的新兴领域，它能够为人们提供一种全新的沉浸式体验。
通过VR设备，人们可以进入一个三维的虚拟世界，感受身临其境的感觉。
下面是一份关于VR基础体验与设备设置的教程：一、准备工作1. 硬件设备：要体验VR，你需要一台支持VR的电脑。
一般来说，建议使用Intel i5或R5以上的CPU，8GB或以上内存，以及性能良好的显卡（如NVIDIA GTX 1060或以上型号）。
此外，还需要一个舒适的座椅和头戴式显示器。
2. 软件准备：下载并安装与你所使用的VR软件兼容的VR驱动程序和软件。
这些软件通常会提供设备设置和调试的功能。
二、设备设置1. 连接与启动：将VR硬件设备与电脑连接，并启动相应的VR软件。
通常，VR软件会引导你进行设备设置。
2. 调整参数：根据你的VR硬件设备，调整驱动程序的参数，如视野、刷新率、分辨率等。
确保这些参数适合你的眼睛舒适度和硬件性能。
3. 头戴式显示器设置：调整头戴式显示器的参数，如重量、高度、角度等，以确保舒适度。
通常，头戴式显示器的驱动程序会提供这些设置选项。
4. 移动设置：对于支持移动的VR设备（如移动VR），设置移动速度、加速度等参数，以确保移动体验的流畅和舒适。
三、基础体验1. 进入虚拟世界：启动VR软件后，你将进入一个虚拟世界。
你可以通过移动、旋转和缩放来探索这个世界。
2. 交互体验：使用VR手柄或其他交互设备，与虚拟世界进行交互，如拾取、滑动、抓取等。
这些交互操作通常需要适应一段时间，但会逐渐变得熟悉。
3. 内容体验：尝试不同的VR内容，如游戏、电影、模拟现实等。
找到你感兴趣的内容，并享受沉浸式的体验。
4. 反馈调整：根据实际体验，调整VR设备的参数和设置，以确保最佳的沉浸式体验。
四、注意事项1. 眼睛保护：在VR体验过程中，请确保眼睛得到适当的休息。
频繁地眨眼有助于保护眼睛。
2. 身体保护：长时间使用VR设备可能会导致颈部、肩膀和背部疼痛。
第2章 虚拟现实常用软硬件
PS光学式人体运动捕捉系统是目前光学式系统中价格最便宜、性能最 好的系统。 • 它依靠主动方式的、一元硬币大小的LED，可以快速、高精度、 方便地获取人体各个部位的运动数据。 • 不同于被动式的光学反射标志，其能够实时获取多达120个LED主 动方式标志点的运动轨迹。
结构光式3D扫描仪有别于传统的激光点扫描和线扫 描方式，该扫描系统采用结构光照相式原理对物体进 行快速面扫描。目前成型的产品有3D REALSCAN和 北京天远的3D扫描系统。
2024秋，虚拟现实技术导论
虚拟现实技术导论
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3D照相机
美能达公司1999年推出3D1500 数码照相机可将现实世界 中的实物实景拍摄为3D 影像。3D数码照相机在逼真再 现立体世界方面还存在着不足，比如，目前只能通过3D 技术再现小实物，拍摄后在计算机中处理的时间也较长。 目前的3D照相机主要有Komamura的Horseman 3D camera， 它采用了双镜头组，但双镜头是同时工作的，因此不需 要额外地处理就可以直接拍摄出红蓝立体眼镜能够观看 的立体照片。
2024秋，虚拟现实技术导论
虚拟现实技术导论
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用户位姿获取设备——模式识别系统
模式识别系统的原理是通过比较已知的样本模式与传感器得到 的模式而得出物体位置 的，它其实是前面介绍的标志系统的一 个改进。把几个LED那样的发光器件按某一固定阵列（即样本 模式排列），并将其固定在被跟踪对象的身上。然后由摄像机 跟踪拍摄运动的LED 阵列，记录整个LED阵列模式的变化。这 实际上是将人的运动抽象为固定模式的LED 点阵运动，从而避 免从图像中直接识别被跟踪物体所带来的复杂性。
vr技术方案
vr技术方案虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术的发展为各行业带来了极大的创新和改变，如今VR技术已经被广泛应用于游戏、电影、医疗、教育等多个领域。
如何打造一套适合自己业务的VR技术方案，成为业内关注的焦点。
本文将从硬件、软件和应用三个方面阐述VR技术方案，希望对读者有所启发。
一、硬件方案VR技术的核心是以头戴式显示器为代表的虚拟现实设备。
而作为整套系统的核心部分，如何选购VR设备也是计划开发VR技术所必须要考虑的因素。
首先，需要考虑的是VR设备的展现效果，即分辨率和刷新率，分辨率越高、刷新率越快，用户体验越好。
其次，则需要关注到设备的重量、舒适度和稳定性。
舒适度是一个十分重要的指标，它直接关系到用户使用设备的体验感，如果设备太重或不舒适，可能会导致用户头晕、眼部疲劳等不适。
最后，需要考虑的是VR设备的交互方式，即手柄或者手套等交互手段。
在市面上，目前常用的VR设备品牌有HTC Vive、Oculus Rift 等，这些设备分辨率和刷新率均较高，且舒适度和交互方式也得到了很大的改进，因此适合大部分的VR应用场景。
二、软件方案VR技术的软件方案主要包括开发环境和开发工具。
首先，需要选用适合自己业务的开发环境，例如Unity或者Unreal Engine，这些开发环境可以帮助开发者对VR技术进行快速开发和测试。
其次，开发者还需要选择合适的开发工具，例如SteamVR、OpenVR等。
这些工具可以帮助开发者更好地实现交互、导航等VR技术特性。
最后还需要考虑的是相应软件的兼容性，以及和硬件设备的匹配度。
在市面上，Unity是一个十分优秀的VR开发环境，它能够提供充分的支持，满足大部分的VR业务需求。
三、应用方案VR技术的应用方案是VR技术的最终目的，也是最能反映VR 技术成果的部分，它需要基于特定的业务场景开发相应的VR应用。
例如，在医疗方面，VR技术可以应用于手术模拟、医生培训等方面；在教育方面，可以应用于场景模拟、授课体验等方面。
虚拟现实技术总结归纳
虚拟现实技术总结归纳虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术是一种通过计算机生成的、可模拟人类感官的三维环境，使用户能够身临其境的感受和交互体验。
近年来，随着科技的发展和应用场景的不断扩大，虚拟现实技术正逐渐融入人们的日常生活和各行各业。
本文将对虚拟现实技术进行总结归纳，从技术发展、应用领域和未来趋势等方面进行阐述。
一、技术发展1.硬件技术发展：虚拟现实技术的硬件设备是实现沉浸式体验的基础。
头戴式显示器（Head Mounted Display，HMD）是最常用的虚拟现实设备，通过将视觉信息投射到用户眼睛，实现3D立体感觉。
随着技术的进步，头戴式显示器的分辨率、刷新率、重量和舒适性得到了显著提升。
2.交互技术发展：虚拟现实技术的交互方式是用户与虚拟环境进行交流和操作的途径。
手柄、手套、全息投影和体感设备等交互设备的发展，使用户能够更自然、直观地操控虚拟环境。
此外，眼球追踪、面部识别和手势识别等技术的应用，为虚拟现实交互提供了更多可能性。
3.图形渲染技术发展：高度逼真的视觉效果是虚拟现实技术吸引用户的重要因素。
随着图形渲染技术的进步，虚拟环境的细节和真实感得到了极大提升。
实时光线追踪、全局照明和物理模拟等技术的应用，使得虚拟现实场景更加逼真，增强了用户的沉浸感。
二、应用领域1.娱乐与游戏：虚拟现实技术在游戏领域的应用是最为广泛和成熟的。
用户通过戴上头戴式显示器和使用交互设备，可以身临其境地参与游戏，获得更加真实的游戏体验。
VR游戏已成为娱乐产业的热点，吸引了大量玩家和投资。
2.教育与培训：虚拟现实技术在教育和培训领域有着广阔的应用前景。
通过创建虚拟场景和情境，学生可以亲身体验和探索知识。
虚拟实验室、虚拟手术操作和虚拟地理探索等应用，提供了一种安全、便捷和实用的教学方法。
3.医疗与康复：虚拟现实技术在医疗和康复领域有着巨大的潜力。
通过虚拟现实技术，医生可以进行手术模拟和实时引导。
同时，虚拟现实也被用于康复训练，帮助患者恢复运动能力。
虚拟现实技术实训课程
虚拟现实技术实训课程虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一种让用户能够身临其境的体验虚拟世界的技术。
随着虚拟现实技术的发展和应用的广泛推广，越来越多的人对虚拟现实技术的研究和实践需求也日益增长。
为了满足这一需求，虚拟现实技术实训课程应运而生。
该课程旨在通过实际操作和实践，帮助学生掌握各种虚拟现实技术的原理、开发和应用。
学生将通过课程研究的内容，提升他们在虚拟现实领域的专业知识和实践能力。
该课程包含以下主要内容：1. 虚拟现实技术基础在课程初期，学生将研究虚拟现实技术的基础知识。
这包括了虚拟现实的定义、发展历史以及虚拟现实技术所涉及的硬件和软件设备。
学生将了解虚拟现实技术的原理和基本原则，并研究如何为虚拟现实环境进行设计和构建。
2. 虚拟现实技术开发在这一部分，学生将研究虚拟现实技术的开发方法和工具。
他们将研究使用专业软件和编程语言，如Unity和C#，来创建和开发虚拟现实应用程序和场景。
学生将通过实践项目，掌握虚拟现实应用的开发流程和技巧。
3. 虚拟现实应用领域本课程将介绍一些典型的虚拟现实应用领域。
这包括虚拟现实在游戏、娱乐、教育、医疗、建筑等领域的应用和案例分析。
学生将了解虚拟现实技术在不同领域中的应用场景和潜力，并分析其优势和限制。
4. 虚拟现实体验和评估在课程的最后阶段，学生将有机会亲自体验各种虚拟现实应用。
他们将研究如何评估虚拟现实体验的质量和效果，并提出改进建议。
通过参与虚拟现实体验和评估，学生将深入理解虚拟现实技术在用户体验方面的重要性。
虚拟现实技术实训课程旨在让学生掌握虚拟现实技术的原理、开发和应用，提升他们在虚拟现实领域的专业知识和实践能力。
通过实际操作和项目实施，学生将获得丰富的虚拟现实经验，为未来从事相关工作做好准备。
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➢虚拟现实技术是在三维空间中与人交互的技
术，为了能及时、准确地获取人的动作信息， 需要有各类高精度、高可靠的跟踪定位设备。
要是因为与工作站和超级计算机相比，它的图 形和声音处理功能都是有限的。
（2）工作站专门用于虚拟现实系统中，它具
有多个处理器，以便进一步增强整体系统结构， 其中有的系统可以允许一百多个处理器同时运 行一个程序，从而使VR系统的性能达到最佳。
➢虚拟现实的集成系统:
是指在工作站或者PC机上工作的不同组 合虚拟现实硬、软件工具包。它提供了一套 紧凑的设备，在此系统内，虚拟世界可被创 造、仿真和可视，还能通过这些集成设备获 得浸入式体验。
➢传感器技术，它是VR系统中实现人机之间沟
通的极其重要的通信手段，是实时处理的关 键技术。
➢目前虚拟现实系统使用的仍是多年来的常用
方法，其典型的工作方式是，固定发射器发 射出电磁信号，该信号被附在用户头上的机 动传感器截获，传感器接收到这些信号后进 行解码，确定发射器与接收器之间的相对位 置及方位，信号随后传输到时间运行系统进 而传给三维图形环境处理系统。
➢下面以VIEW（Virtual Interface Environment Workstation）为例，介绍 VR系统平台。
VIEW系统组成
VIEW由一组由计算机控制的I/O子系统组成：它以HP 公司的HP900／835为主，图形处理采用SGI公司的图形 计算机或HPSRX图形系统配备了Plohemus空间跟踪系 统来跟踪使用者手部的位置，配备了LEEP广角立体视景 头戴显示器和单色液晶显示器，双屏显示器的三维场景 由遥控摄像机获取，且视景可随着操作者的视线（头部 位姿）变化；头盔上有一个麦克风以便作语音识别，两 个耳机进行三维声音跟踪，Convolvotron三维音频输 出设备则使整个虚拟环境附有立体声音响；VPL数据手 套用于识别使用者手势控制系统的行为，使操作者能够 借助语音、手语（手指动作的组合姿态由数据手套 Dataglove形成）与环境交互；同时还配备了BOOM CRT显示器及Fake Space远程摄像系统。这些子系统分 别提供虚拟环境所需的各种感觉通道的识别和控制功能。 使用者“置身”于这样的VR环境，周围是预先定义好的 虚拟物体及三维空间的声响效果，从而为各类VR应用系 统的研发提供了一个方便。
直流电磁跟踪系统只是在测量开始时产生涡旋电 流而在稳定状态下衰减为零，这就减少了畸变磁 场的产生率，使跟踪精确度大大提高。且能够保 证在较大操作范围内的高灵敏度。
2.3.2 超声波跟踪器
工作原理：发射器发出高频超声波脉冲
（频率20kHz以上）后，由接收器计算 收到信号的时间差、相位差或声压差等， 就可以跟踪物体的距离和方位了。
2.3.1 电磁波跟踪器
原理：它使用一个信号发 生器（3个正交线圈组） 产生低频电磁场，然后由 放置于接收器中的另外三 组正交线圈组负责接收， 通过获得的感生电流和磁 场场强的9个数据来计算 被跟踪物体的位置和方向 （如图）。
特点：体积小、价格便宜、用户运动自由，而且敏
感性不依赖于跟踪方位，但是其系统延迟较长，跟踪 范围小，且准确度容易受环境中大的金属物体或其他 磁场的影响。
常用电磁波跟踪器
多数电磁波跟踪器采用交流磁场（如Polhemus 的跟踪器），但也有的采用直流磁场（如 Ascension的跟踪器）
交变电磁跟踪系统对传感器或接收器附近的电磁 体较为敏感，它会因为周围环境中的金属或铁磁 性物质而产生涡旋电流和干扰性次磁场，从而导 致信号发生畸变，跟踪精度降低。
特点：性能适中，成本低廉，而且不会
2.2 VR硬件的系统集成
➢ 虚拟现实（VR）系统集成的关键技术：
虚拟现实系统中通常包括大量需要处理来自各 种设备的感知信息、模型和数据，因此，建
立一个以计算机为核心、将多种I/O交互设备协
调组合在一起的硬件平台，是VR系统集成的关 键技术。
➢ 计算机系统的作用：实时处理、数据输入/输 出、虚拟境界的管理和生成等功能。
例如 ：
身体运动由3-D位置跟踪器跟踪； 手势由传感手套数字化； 视觉反馈发送给立体显示器； 虚拟声音由3-D声音生成器计算； 观察方向随跟踪球和操纵杆改变等。
➢虚拟现实应用系统的特点：
具有灵活性、可移植性与实时交互的 特性。
➢本章内容：局限性。
➢VIEW系统的应用：远程机器人控制，
复杂信息管理及人类诸因素的研究。目前 大多数虚拟现实系统的硬件体系结构都由 VIEW发展而来。同时，这种以基于LCD的头 盔显示器、数据手套及头部跟踪器为特征 的硬件体系结构也己成为当今虚拟现实系 统的主流。
2.3 VR的三维跟踪传感设备
❖三维交互设备的作用：把各种信息输 入计算机，并向用户提供相应的反馈， 它们是使参与者能以人类自然技能与 虚拟环境交互的必要工具。
➢计算机系统的功能：（1）要保障虚拟三维
场景的实时计算和显示，尽量减少延迟；(2) 另一方面还要协调各种I/O交互设备之间的工 作，以确保系统整体运行的性能。
➢目前虚拟现实的计算机系统可以是PC机、 工作站和超级计算机等，而且多数情况 下都采用多种机，并以各种方式连接。
➢ PC机和工作站的比较：
（1）PC机一般只能用于低档的VR系统，这主
第二章 虚拟现实的硬件与软件基础
2.1 概论
虚拟现实的硬件设备:
➢高性能计算机； ➢广角（宽视野）的立体显示设备； ➢观察者（头、眼）的跟踪设备； ➢人体姿势的跟踪设备； ➢立体声； ➢触觉、力觉反馈； ➢语音输入输出等。
交互性
是虚拟现实系统的首要特性。为了允许 人机交互，必须使用特殊的人机接口与外部 设备，既要允许用户将信息输入到计算机， 也要使计算机能反馈信息给用户。今天的VR 外部设备在功能和目的上各不相同。