虚拟现实系统概述[001]
虚拟现实系统概述
小
结
本章主要介绍了虚拟现实系统的基本概念， 讲到了虚拟现实系统的组成，目前的研究 成果以及虚拟现实系统的具体分类方法。 学习本章可以了解虚拟现实系统的特点、 本质以及目前的发展状况。最后介绍了国 内外当前虚拟现实的研究状况。为本书之 后章节的学习进行了理论的铺垫。
虚拟现实系统的组成
显示子系统 检测子系统 模拟子系统
虚拟现实系统的研究内容
虚拟现实系统的理论研究内容 虚拟现实系统的技术研究内容
虚拟现实系统的理论研究内容
模拟与仿真 三维图像处理
虚拟现实系统的技术研究内容
动态环境建模技术 立体声合成和立体显示技术 触觉反馈 交互技术 实时三维图形生成技术 应用系统开发工具 系统集成技术
虚拟现实的基本特征
交互（Interaction ） 交互是指用户能通过自然的动作与虚拟世 界的物体进行交互作用。实时产生在真实 世界中一样的感知，甚至连用户本人都意 识不到计算机的存在。
虚拟现实的基本特征
构想（Imagination ） 构想性指虚拟的环境是人想象出来的，同 时这种想象体现出设计者相应的思想，因 而可以用来实现一定的目标。
增强虚拟现实系统
增强式虚拟现实系统(Aggrandize VR)并不 要求与世隔绝，允许用户看到真实世界， 同时也可看到叠加在真实世界上的虚拟对 象，它是把真实环境和虚拟环境组合在一 起的一种系统，既可减少构成复杂真实环 境的计算，又可对实际物体进行操作，真 正达到了亦真亦幻的境界。
1.4虚拟现实的研究现状
虚拟现实系统的应用领域
虚拟现实系统最初主要应用于飞行模拟训 练、娱乐、数据和模型可视化、虚拟战场 环境仿真等领域，现在虚拟现实系统已经 扩展到人们生产生活的各个方面。归纳起 来主要包括以下几个方面：
虚拟现实系统简介
《虚拟现实》 教学目的和要求：1、了解虚拟现实的概念；2、了解虚拟现实的组成及国内和同外虚拟现实研究的现状。
教学重点：1、虚拟现实定义；2、虚拟现实的组成；3、虚拟现实的应用研究现状；4、虚拟现实的应用前景。
1.前言人类有许多梦想，一些梦想已经变为现实，而有一些梦想也许永远都 不可能实现。
然而，有一种技术却能使一切梦想全部在感知中实现，这就 是虚拟现实技术虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）。
虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒 体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，由于它生成的视觉环 境是立体的、音效是立体的，人机交互是和谐友好的，因此虚拟现实技术 将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，即计算机创造的环境将 人们陶醉在流连忘返的工作环境之中。
虚拟现实（VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术， 它集多媒体、网络技术、传感技术等多种先进技术为一体，是当今前景最好的计算机技术之一。
虚拟现实虚拟环境虚拟房间 虚拟汽车虚拟人虚拟现实技术的发展1965年，Sutherland在篇名为《终极的显示》（The Ultimate Display）的 论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟 现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。
1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。
基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词。
80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实 技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技 术的广泛关注。
1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室组织开 发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计 算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。
虚拟现实的基本概念与原理(Ⅰ)
虚拟现实的基本概念与原理虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种通过计算机技术，将用户带入一个虚拟的三维环境中，让用户身临其境的体验到其中的一切的交互式技术。
虚拟现实技术是一种多媒体交互技术，是一种综合应用计算机图形、传感器技术、人机交互技术和多媒体技术的新兴技术。
它的出现为人们提供了更加丰富、生动、直观的信息表达手段，也为人们打开了一扇接触和体验虚拟世界的大门。
虚拟现实的基本原理是通过计算机对人类的视觉、听觉、触觉等感官进行模拟，使用户感觉自己处于一个虚拟的三维空间中。
在虚拟现实中，用户可以通过头戴式显示器或其他设备看到虚拟环境中的场景，并通过手柄、手套等设备进行交互。
在体验虚拟现实的过程中，用户会感觉自己仿佛置身于一个真实的环境中，与虚拟环境中的事物进行交互，产生身临其境的感觉。
虚拟现实的基本原理是依靠计算机图形学、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术等多种技术的综合运用。
其中，计算机图形学是虚拟现实技术的核心技术。
它通过对虚拟环境中的物体、场景进行建模、渲染，再通过头戴式显示设备呈现给用户，使用户感觉自己置身于一个真实的环境中。
多媒体技术则通过声音、视频等多种感官刺激，增强用户的身临其境感。
传感器技术可以帮助虚拟现实设备感知用户的头部、手部等动作，从而实现用户的交互。
人机交互技术则是帮助用户与虚拟环境进行交互的重要手段。
虚拟现实技术的基本原理是模拟真实世界的感官，让用户产生身临其境的感觉。
为了实现这一目标，虚拟现实技术需要解决一系列技术难题。
首先是对虚拟环境的建模和渲染，需要高精度的三维建模技术和实时的图形渲染技术。
其次是对用户感官的模拟，需要高分辨率的头戴式显示设备、逼真的声音效果等技术的支持。
再者是对用户交互的支持，需要高精度的传感器技术和人机交互技术。
最后是对用户体验的优化，需要通过智能算法、人工智能等技术来提升虚拟环境的逼真度和交互的自然度。
虚拟现实技术的发展已经逐渐渗透到了生活的方方面面。
虚拟现实概述
虚拟现实概述
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种通过计算机技术模拟现实场景，并通过感官设备传输给用户的一种新型体验方式。
它通常采用头戴式显示器、手柄、身体追踪装置等设备，使用户可以沉浸在虚拟的环境中，感受到与现实世界相似甚至更加强烈的视觉、听觉、触觉等感官体验。
虚拟现实技术于20世纪80年代开始发展，并在近年来得到了巨大的突破与普及。
通过虚拟现实技术，用户可以身临其境地探索虚拟世界，与虚拟对象进行互动，体验虚拟的聚会、旅游、娱乐等多种场景。
虚拟现实技术在多个领域具有广泛应用，包括娱乐、教育、医疗、建筑设计、军事训练等。
在娱乐领域，虚拟现实游戏成为了一种热门的游戏形式，让玩家可以身临其境地参与游戏中的冒险与挑战。
在教育领域，虚拟现实技术可以为学生提供生动的研究体验，帮助他们更好地理解抽象的概念和知识。
在医疗领域，虚拟现实技术可以用于模拟手术、康复训练等，提高医学教育和医疗效果。
虚拟现实技术的发展还面临着一些挑战和难题，例如设备成本高、使用体验不够自然、虚拟世界的创造等。
然而，随着技术的进
步和研究的持续进行，虚拟现实技术有望在未来得到进一步发展和
应用。
总之，虚拟现实技术是一种引人入胜的体验方式，可以让用户
身临其境地感受到虚拟世界的奇妙与多样性。
随着技术的不断发展，虚拟现实技术有望在各个领域发挥重要作用，改变人们的生活方式
和工作方式。
虚拟现实系统简介
1.4 虚拟现实的关键技术
2、大视野立体显示技术 仅仅有一系列三维画面是不够的。VR试图给人身临其境的 感觉，要求这些画面围绕着参与者，这样的效果是通过配 戴头盔实现的。通常桌面显示器给人的画面视角仅为30度， 而一个好的VR系统的画面将包容参与者的整个视野，这可 能需要水平线40度角，垂直120度角。当前大多数头盔显 示器的图象显示装置使用的液晶显示器（LCD），这种显 示器的有效分辩率一般仅为140线。要将如此低分辩率的显 示屏通过光学透镜子装置横向扩展到一个较大的视野内， 其显示效果是可想而知的。
1.4 虚拟现实的关键技术
3、位置跟踪器 位置跟踪器可以检测到参与者的 物理位置和取向，以便输入到计 算机中去产生虚拟境界中相应的 图象和声音。 这一般是使用简单的电磁装置来 实现的。几个很小的发射器固定 在用户的身上，例如，头盔中放 一个，每只手上放一个，通过固 定在VR系统上的接收装置，可以 跟踪参与者的位置和方向。还可 以使用若干台数字化摄像机，通 过图象处理的方法专门用来监测 参与者头部、手部的位置和方向。
1.4 虚拟现实的关键技术
1、三维真实感图象的实时生成
对于三维真实感造型，大家一定不会陌生。只要有足够 的时间，计算机图形学方法就可以产生具有高度真实感 的物体图象。但是，VR的实是特性所限定的正是时间。 VR系统要对参与者的行为反应灵敏，并保持内部的一 致性和连贯性，因此，计算机系统必须具备强大的运算 功能，才能在进行三维图形消隐、浓淡、阴影、纩理处 理的同时，保证显示图象的“更新率”能满足目标的要 求，否则就会出现严重的“滞后”（latency）问题。 所谓“滞后”即动作开始与反映这一动作的画面在显示 器上出现之间的时间间隔。
1.2 虚拟现实技术的概念
2、参与者在虚拟环境中具有主动性
VR虚拟现实介绍
VR虚拟现实介绍
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是一种新兴的科技，它
能把使用者带入三维虚拟的环境中，使用户有一种与虚拟世界里的物体和
场景进行交互的体验。
从理论上来说，虚拟现实可以替代实际现实，通过
虚拟现实环境，模拟各种不同环境，从而更便捷、高效地设计、测试各种
产品，并为更多企业和研究人员提供更多的服务。
虚拟现实技术是一种新兴的交互式计算技术，它可以通过专门的设备
实现，它有助于提高人类视角的洞察力，使用户获得更加直观的体验。
它
可以利用技术实现多种多样的体验，例如，3D空间的建模绘制、虚拟动画、电影、室内装饰、游戏等，以及基于摄像机和传感器的实时交互。
虚拟现实是构筑一个和真实世界一样的虚拟世界，使用户可以以真实
的方式体验这个虚拟世界，就像在真实世界一样，可以浏览、移动、查看、访问和交互等。
虚拟现实技术有许多传感器可以收集用户的信息，从而创
建一个更加逼真的虚拟环境。
VR技术需要专业的设备实现，通常包括VR头盔、VR手套、VR眼镜、配件、控制器和软件等，它们能够收集用户的位置、转动角度、眼动信息等。
虚拟现实系统概述
虚拟现实系统概述
1.1 虚拟现实技术的发展及现状 1.2 虚拟现实技术的主要研究内容 虚拟现实的研究内容主要分以下几个方面。 1. 人与环境融合技术
（1）高分辨率立体显示器 （2）方位跟踪系统 （3）手势跟踪系统 （4）触觉反馈系统 （5）声音定位与跟踪系统 （6）本体反馈
虚拟现实系统概述虚拟现实来自统概述1.4 虚拟现实的分类与特征 1. 虚拟现实的分类 （l）简易型虚拟现实系统 （2）沉浸型虚拟现实系统 （3）共享型虚拟现实系统 2. 虚拟现实的基本特征 （1）沉浸性 • 沉浸性是指让参与者有身临其境的真实感觉。可分为视觉沉浸、听觉沉浸、触
觉沉浸、嗅觉沉浸和味觉沉浸等。 （2）交互性 （3）构想性
虚拟现实系统概述
1.3 虚拟现实系统的基本组成 1. 虚拟世界 • 虚拟世界是可交互的虚拟环境，是虚拟环境或给定仿真对象的全体。它一般
是一个包含三维模型或环境定义的数据库。虚拟环境是由计算机生成的，通 过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉的交互式视景仿真。 虚拟环境有多种形式，它可能是某些物理环境(如建筑物、厨房，甚至像汽车 这样的物体内部)的伪真实反映， 也可能是根本没有任何物理基础的某一跨国 公司的地理、层次网的三维数据库，甚至可以是与股票交易有关的多维数据 集。虚拟环境还可用来评价一些物理仿真。在对电场中的分子行为进行模拟 时，原子结构的行为动态可用简化的模型进行模拟。不管应用在何处，都要 建立一个反映环境的几何数据库并将其存储起来，在需要时可进行实时调度 和渲染。
虚拟现实系统概述
（3）物理仿真 • 在进行物理仿真时，我们必须为物体设计一些支持其某些物理行为的程序。这
一方面要求很强的计算能力，同时也将使系统增加了一些延时。 （4）碰撞检测 • 在虚拟现实中，常用碰撞来模拟现实生活中的接触、抓、移动和打击等情形。
虚拟现实的介绍
传感器技术
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位置传感器
用于检测用户的位置和运 动轨迹，如陀螺仪、加速 度计等。
姿态传感器
用于检测用户的头部姿态 和视线方向，如头戴式姿 态传感器。
触觉反馈传感器
用于提供触觉反馈，如振 动马达等。
交互技术
语音识别与合成
识别用户的语音输入并转化为文 字，同时将文字合成为语音输出。
手势识别
通过识别用户的手部动作和手势来 进行交互。
05
虚拟现实的实际应用案例
游戏娱乐领域
游戏娱乐
虚拟现实技术在游戏娱乐领域的应用已经非常广泛。玩家可以沉浸在虚拟的游戏 世界中，体验身临其境的感觉。例如，玩家可以在虚拟现实环境中体验刺激的战 斗场景、探索奇幻的游戏世界，以及与全球各地的玩家进行互动。
音乐会和演出
虚拟现实技术也可以用于音乐会和演出的观赏。通过虚拟现实头盔，观众可以身 临其境地感受到现场的氛围，仿佛置身于演出现场。这种技术为观众提供了更加 沉浸式的观赏体验。
体验。
1960年代
研究者开始探索模拟器技术，为 虚拟现实提供基础。
1970年代
计算机图形学取得突破，为虚拟 现实提供技术支持。
虚拟现实技术的发展阶段
1980年代
虚拟现实技术初步形成，出现第一代虚拟现实设 备。
1990年代
虚拟现实技术进入商业应用阶段，广泛应用于游 戏、教育等领域。
21世纪
虚拟现实技术不断升级，与人工智能、物联网等 技术融合，应用领域更加广泛。
THANKS
感谢观看
旅游
VR技术可以模拟旅 游景点，让用户在家 中就能体验到世界各 地的风景名胜。
02
虚拟现实的技术实现
3D建模与渲染技术
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第 十四 章 虚拟现实系统
2. 虚拟现实系统的组成 2. 1 虚拟现实系统的体系结构
一、系统感知和行为模型 人与外界的交互分为两大部分：感知与行为。 感知系统：感知系统划分为：方向、听觉、触觉、味觉、嗅觉及视觉等六 个子系统。在感知系统模型中，分别对这些子系统的行为方式、接收单元 、器官模拟、器官形成、刺激元及外部信息。 行为系统：姿势、方向、走动、饮食、动作、表达及语义七个子系统。
虚拟现实系统概述[001]
2020年4月19日星期日
第 十四 章 虚拟现实系统
1. 什么是虚拟现实 1. 1 基本概念
虚拟现实，Vitual Reality（VR）。 于1989年被提出。
它通常是指用立体眼镜和传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三 维现实，人们通过这些设施以自然的技能（如头的转动、身体的运动等） 向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得 到三维视觉、听觉及触觉等感觉世界。
虚拟现实最重要的目标：真实的体验和方便自然的人机交互。能够达到或 者部分达到这样目标的系统称为虚拟现实系统。
第 十四 章 虚拟现实系统
1. 什么是虚拟现实 1. 1 基本概念
与虚拟现实有关的内容已经扩大到与之相关的很多方面，虚拟现实的不同形式或术 语： 人工实现（Artificial Reality） 遥在（Telepresence） 虚拟环境（Virtual Environment） 赛伯空间（Cyberspace）
第 十四 章 虚拟现实系统
1. 什么是虚拟现实 1. 2 虚拟现实系统的特性
参与者在虚拟环境中的活动或经历有两种形式： 主观参与（First-person activities）:参与者是整个经历的中心，一切围绕参
与者进行；
客观参与（second-person activitie）：参与者可以在虚拟环境中看到他 自己与其他物体的交互。
同时，实时性是非常重要的，如果在交互时存在比较大的延迟，与人的心 理经验不一致，就谈不上自然的交互，也很难获得沉浸感。为达到这个目 标，高速计算和处理就必不可少。
第 十四 章 虚拟现实系统
1. 什么是虚拟现实 1. 2 虚拟现实系统的特性
第三，因为虚拟现实不仅仅是一种媒体或用户的高端接口，而且它还是针 对某一特定领域、解决某些问题的应用。如何解决这些问题，不仅需要了 解应用的需求，了解技术的能力，而且还需要有丰富的想象力。 想象力已经称为虚拟现实系统设计中最关键的问题之一。
第 十四 章 虚拟现实系统
1. 什么是虚拟现实 1. 2 虚拟现实系统的特性
首先，要使参与者有“真实”的体验，这种体验就是沉浸或投入。 理想情况下虚拟环境应该达到使用户难以辨别真假的程度。为了达到这个 目标，就必须具有多感知的能力，理想的虚拟现实系统应该具有人类所具 有的一切感知能力，包括视觉、听觉、触觉，甚至味觉和嗅觉。
（四）增强现实系统 为了增强操作员对真实环境的感受。辅助数据与观察员所观察到的实际环 境叠加到一起，以协助操作员进行操作或工作。这种叠加方式增强了原始 的环境信息。
第 十四 章 虚拟现实系统
1. 什么是虚拟现实
1. 5 虚拟现实系统的应用
科学计算可视化 计算机辅助设计 飞行、骑车、外科手术等的操作模拟 军事模拟与仿真 教育与培训 遥在系统 心里实验 娱乐 艺术 通信与协同工作
入到虚拟环境中。
（3）遥在系统：虚拟现实与计算机技术结合的系统，当在某处的操作员操 作一个虚拟现实系统时，其结果却在另一个地方发生。
第 十四 章 虚拟现实系统
1. 什么是虚拟现实 1. 4 虚拟现实系统的分类
（三）分布式虚拟现实系统 如果在上述两种系统的基础上能够使得多个用户连接到一起，并能够共享 同一个虚拟空间，则成为分布式虚拟现实系统。
第 十四 章 虚拟现实系统
1. 什么是虚拟现实 1. 2 虚拟现实系统的特性
第二，系统要能提供方便的、丰富的、主要是基于自然技能的人机交互手 段。
这些手段使得参与者能够对虚拟环境进行实时的操纵，能从虚拟环境中要系统知道的数据。
第 十四 章 虚拟现实系统
1. 什么是虚拟现实 1. 3 虚拟现实技术简史
显示：头盔三维显示等 交互：数据手套等 具有里程碑意义的工作： 1. 立体电影、立体声与传感影院：立体图像显示、嗅觉、振动等 2. 模拟器：如飞行系统仿真器
第 十四 章 虚拟现实系统
1. 什么是虚拟现实 1. 3 虚拟现实技术简史
第 十四 章 虚拟现实系统
1. 什么是虚拟现实 1. 4 虚拟现实系统的分类
（一）非沉浸类虚拟现实系统： （1）全景视频系统：利用连续拍摄的图像和视频在计算机中拼接建立实景
化虚拟空间。 （2）基于座舱的系统 （3）桌面虚拟现实CAD系统：对虚拟世界进行建模，通过计算机的显示
器进行观察，并能自由的控制观察的视点和视角 （4）基于剧情的虚拟现实系统
3. 无障碍虚拟现实环境 VIDEOPLACE 4.虚拟视觉环境显示器（VIVED：Virtual Visual Environment Display） 5. MIT的“白杨城影片地图（Aspen Movie Map）”，一个模型在街道上行
走的系统。这种用户导航的运行方式为后来的超媒体、虚拟空间交互等 提供了丰富的经验。 6.视觉增强系统
第 十四 章 虚拟现实系统
1. 什么是虚拟现实 1. 2 虚拟现实系统的特性
虚拟现实系统就是要利用各种先进的硬件技术及软件工具，设计出合理的 硬件、软件及交互手段，使参与者能交互式地观察和操纵系统生成的虚拟 世界。 从概念上讲，任何一个虚拟现实系统都可以用三个“I”来描述其特性：
沉浸（Immersion） 交互（Interactive） 想象（Imagination）
第 十四 章 虚拟现实系统
1. 什么是虚拟现实 1. 4 虚拟现实系统的分类
（二）沉浸类虚拟现实系统：利用特殊的设备把参与者的视觉、听觉和其 它感觉封闭起来，提供一个新的、虚拟的感觉空间，使得参与者产生一 种身在身在虚拟环境中，并能够全身心投入和沉浸其中的感觉。
（1）基于头盔的系统 （2）投影虚拟现实系统：把参与者的动画图像和其他图像结合到一起，插