虚拟现实的硬件与软件基础
虚拟现实技术手册
虚拟现实技术手册虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种模拟真实场景的计算机技术，通过感官设备和交互设备与用户进行互动，使用户能够身临其境地感受虚拟环境。
本手册将为您介绍虚拟现实技术的基本原理、应用领域和使用方法。
一、虚拟现实技术的基本原理虚拟现实技术的基本原理是通过计算机生成并呈现虚拟环境，使用户感受到身临其境的感觉。
其主要包括以下几个关键要素：1. 头戴显示器（Head-Mounted Display，简称HMD）：用户戴在头部的设备，主要用于显示虚拟环境。
HMD通常由显示屏、镜头和传感器组成，能够实时追踪用户的头部动作并相应地调整视角。
2. 交互设备：用于用户与虚拟环境进行互动。
常见的交互设备包括手柄、触控手套、全身定位追踪系统等，用户可以通过这些设备来控制虚拟环境中的角色或物体。
3. 虚拟环境生成与渲染技术：通过计算机图形学和虚拟现实引擎，将三维模型、贴图和物理效果等元素合成为逼真的虚拟环境。
同时，为了提供流畅的用户体验，还需要对虚拟环境进行实时渲染和优化。
4. 空间定位与追踪技术：为了实现真实感，虚拟现实技术需要实时追踪用户的空间位置和动作。
这通常通过相机、传感器或红外线等技术来实现，以保证用户在虚拟环境中的移动和交互能够得到准确的反馈。
二、虚拟现实技术的应用领域虚拟现实技术在各个领域都有广泛的应用，以下介绍几个典型的应用领域：1. 游戏与娱乐：虚拟现实技术为游戏和娱乐行业带来了革命性的变化。
用户可以身临其境地体验游戏中的冒险、竞速或战斗，获得更加沉浸式的感觉。
同时，虚拟现实还为电影、演唱会等娱乐活动提供了全新的呈现方式。
2. 教育与培训：虚拟现实技术为教育和培训领域提供了创新的工具。
学生可以通过虚拟环境模拟实验、探索历史文化、进行职业培训等。
这使得传统教育变得更加生动有趣，同时提供了更多的实践机会。
3. 医疗与健康：虚拟现实技术在医疗和健康领域有着广泛的应用。
医生可以利用虚拟现实来进行手术模拟、疾病诊断和康复训练。
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。
虚拟现实及其在机械工程中的应用
虚拟现实及其在机械工程中的应用虚拟现实（VR）是一种通过计算机技术模拟出的三维环境，让用户能够沉浸其中并与其中的物体或场景进行交互的技术。
虚拟现实技术在近年来得到了广泛的应用，并且在机械工程领域中也发挥着越来越重要的作用。
本文将重点介绍虚拟现实技术的基本原理以及它在机械工程中的应用。
我们来看一下虚拟现实技术的基本原理。
虚拟现实技术主要包括硬件和软件两部分。
硬件方面，虚拟现实技术通常需要使用头戴式显示器（HMD）、手柄或手套等设备，用来让用户能够看到虚拟环境并进行交互。
而在软件方面，虚拟现实技术主要依靠计算机图形学、仿真技术以及人机交互技术来实现。
通过对真实世界的建模和仿真，虚拟现实技术可以为用户呈现出高度逼真的虚拟环境，让用户能够在其中进行沉浸式的体验。
虚拟现实技术在机械工程中的应用主要体现在以下几个方面：1. 产品设计与仿真虚拟现实技术可以帮助工程师们进行产品设计和仿真。
传统的产品设计与仿真需要依靠 CAD 软件进行建模和分析，而虚拟现实技术可以将这些模型呈现在虚拟环境中，让工程师能够更直观地了解产品的外观、结构和性能。
虚拟现实技术还可以让工程师们在虚拟环境中对产品进行一些虚拟实验，从而找出设计中的问题并进行改进。
2. 训练与培训在机械工程领域中，虚拟现实技术也可以用于工人和技术人员的培训。
在工厂中使用复杂的机械设备需要工人具有丰富的经验和技能，而通过虚拟现实技术，可以为工人提供高度逼真的虚拟操作环境，让他们能够在其中进行练习和培训，从而提高其操作技能。
这种虚拟实训的方式可以减少培训成本，提高培训效率，并且能够更好地保证培训的安全性。
3. 工程可视化虚拟现实技术还可以被用来对工程项目进行可视化展示。
在建筑项目中，通过虚拟现实技术可以将建筑模型呈现在虚拟环境中，让客户和利益相关者能够更直观地了解建筑项目的外观和结构。
这样一来，虚拟现实技术可以帮助工程师们更好地与客户沟通，提高沟通效率，并且能够更好地满足客户的需求。
虚拟现实技术的复习资料
虚拟现实技术第一章1、虚拟现实的概念：用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界；让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。
虚拟现实是计算机与用户之间的一种理想化的人-机界面形式。
通常用户戴一个头盔（用来显示立体图象的头式显示器），手持传感手套，仿佛置身于一个幻觉世界中，在虚拟环境中漫游，并允许操作其中的“物体”。
2、虚拟现实的特征与传统计算机相比，虚拟现实系统具有四个重要特征：临界性，交互性，想象性，多感知性3、虚拟现实系统的构成：a.虚拟世界（包含三维模型或环境定义的数据库） b.虚拟现实软件（提供实现观察和参与虚拟世界的能力） c.计算机 d.输入设别（观察和构造虚拟世界；如三维鼠标，数据手套，定义跟踪器等） e.输出设备（现实虚拟世界；如显示器，头盔等）4、虚拟现实系统的类型桌面虚拟现实系统，沉浸式虚拟现实系统，混合虚拟现实系统5、虚拟现实的硬件设备跟踪系统（把使用者身体位置的变动反馈给主机，以实时改变图像和声音）知觉系统（人及交互的各种界面，包括视觉装置：头盔显示器等；触觉装置:数据手套跟踪球等）音频系统：立体声耳机等图像生成和现实系统：产生视觉图象和立体显示6、虚拟现实有哪些软件VR系统开发工具：能够接受各种高性能传感器的信息，如头盔的跟踪信息；能生成立体显示图行；能把各种数据库，各种CAD软件进行调用和互联3DSMax：三维制作软件Maya：三维动画以及虚拟现实制作软件，实时三维模型创建软件Multigen Creator7、眼睛的作用、视觉暂留和临界融合频率的概念眼睛的作用：调节和聚焦，明暗适应，视觉暂留，立体视觉，视场视觉暂留：视觉暂留是视网膜的电化学县乡造成视觉的反应时间。
当观看很短的光脉冲时，视杆细胞得到越0.25s的峰，视椎细胞快4倍（0.04s）。
这种现象造成视觉暂留。
临界融合频率：临界融合频率（CFF）效果会产生把离散图像序列组合成连续视觉的能力，CFF最低20Hz，冰取决于图像尺寸和亮度。
什么是虚拟现实技术
什么是虚拟现实技术虚拟现实技术是一种模拟和重现真实环境的计算机生成技术，它能够提供给用户身临其境的感觉和沉浸式的体验。
通过虚拟现实技术，用户可以进入一个虚拟的世界，与其中的虚拟对象进行互动，并体验到真实世界中无法获得的感觉和体验。
虚拟现实技术正在逐渐改变人们的生活和工作方式，对于教育、娱乐、医疗等领域都有着广泛的应用。
虚拟现实技术的基础是计算机图形学。
它通过计算机生成的图像、声音和其他感官信息，以模拟真实世界或一种想象的虚拟世界。
通过佩戴虚拟现实头盔、手柄和其他交互设备，用户可以与虚拟世界进行互动。
虚拟现实技术的实现需要强大的计算能力和高端的硬件设备，例如高分辨率的显示器、快速的图形处理器和精确的跟踪设备。
虚拟现实技术的应用已经涵盖了很多领域。
在教育方面，虚拟现实技术可以提供逼真的场景和情境，使学生可以亲身体验到一些无法在现实世界中实现的事物。
例如，在地理学教育中，学生可以通过虚拟现实技术来参观世界各地的名胜古迹，了解不同地区的文化和地理环境。
在医疗方面，虚拟现实技术可以用于手术模拟、医学培训和康复治疗等领域，可以提供一个安全、实时的虚拟环境，使医生和学生能够实时观察和学习。
在娱乐方面，虚拟现实技术已经广泛应用于游戏和影视产业。
虚拟现实游戏可以带给玩家身临其境的游戏体验，让玩家完全融入游戏的世界。
虚拟现实影视可以用于打造逼真的虚拟电影院，使观众能够亲身体验到电影中的场景和情感。
虚拟现实技术还在建筑、设计和工程领域有着广泛的应用。
通过虚拟现实技术，建筑师可以在虚拟环境中进行建筑设计和模拟，查看建筑物各个角度的效果和空间布局。
这样可以减少设计错误和成本，并提高建筑物的安全性和舒适性。
在工程领域，虚拟现实技术可以模拟复杂的工艺流程和操作步骤，帮助工程师进行培训和测试。
虽然虚拟现实技术在各个领域都得到了广泛的应用，但它仍然面临一些挑战和限制。
首先，虚拟现实设备的价格较高，对于普通消费者来说还不太实惠。
其次，虚拟现实技术的设备和软件还不够成熟和稳定，存在一些技术问题和局限性。
虚拟现实基础(PPT 61张)
Immersion 沉浸
I3
Interaction 交互 Imagination 想象
5.1.3 虚拟现实的类型
(1)桌面级虚拟现实：成本低，应用面比较广，但 缺乏完全投入
◦ 基于静态图像的虚拟现实技术：将连续拍摄的图像和视 频在计算机中拼接以建立的实景化虚拟空间。 ◦ VRML（虚拟现实造型语言）：采用描述性的文本语言 描述基本的三维物体的造型，通过一定的控制，将这些 基本的三维造型组合成虚拟场景，当浏览器浏览这些文 本描述信息时，在本地进行解释执行，生成虚拟的三维 场景。
5.1.2 虚拟现实的特征
沉浸感（Immersion）: 能给人们以真实世界的感 觉，让人感觉全方位地沉浸在这个虚幻的世界中， 难以分辨真假。 交互性（Interaction）: 虚拟现实与通常CAD系统所产 生的模型是不一样的，它不是一个静态的世界，而 是可以对使用者的输入作出反应。虚拟现实环境可 以通过控制与监视装置影响或被使用者影响。 想象 （Imagination）: 它的应用能解决在工程、医 学、军事等方面的一些问题,这些应用是ＶＲ与设 计者并行操作,为发挥它们的创造性而设计的,这极 大地依赖于人类的想象力。
SIMNET被称为第一个廉价而又实用的模拟网络系统。它可 以用来训练坦克、直升机以及战斗演习，并训练部队之间的 协同作战能力。
5.2 虚拟现实的历史发展
虚拟现实和其他技术一样，也是在前人大量 工作的基础上发展起来的： (1).立体电影，立体声技术 (2).飞行模拟器，最早实际使用的仿真技术 (3).“星际旅行”,“宇宙飞船”的演示 (4).机械手、机器人 危险场合进行各类 “遥控操作” (5).游戏,驾驶汽车、潜艇航行
章虚拟现实基础
目录
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 虚拟现实的基本概念 虚拟现实的历史发展 虚拟现实的关键技术 虚拟现实的制作与应用 虚拟现实的主要设备与产品 虚拟现实的主要应用
虚拟现实工程师考核标准
虚拟现实工程师考核标准虚拟现实技术的快速发展，对虚拟现实工程师的要求也越来越高。
在招聘和聘用虚拟现实工程师时，企业需要考察候选人的技术能力和相关经验。
本文将讨论虚拟现实工程师的考核标准，以帮助企业更好地招聘和评估虚拟现实工程师。
一、硬件和软件技术能力评估虚拟现实工程师需要具备扎实的硬件和软件技术能力。
在考核过程中，可以使用以下标准进行评估：1.硬件技术能力：- 熟悉虚拟现实设备的工作原理和使用方法；- 能够进行虚拟现实设备的安装和维护；- 具备调试虚拟现实设备的能力。
2.软件技术能力：- 熟练掌握虚拟现实开发工具，如Unity、Unreal Engine等；- 具备开发虚拟现实应用程序的能力；- 了解虚拟现实应用程序的优化技术。
二、虚拟现实项目实践评估虚拟现实工程师的实践能力是衡量其综合素质的重要标准。
在考核过程中，可以使用以下标准进行评估：1.项目经验：- 候选人是否有虚拟现实项目的实施经验；- 能否独立完成虚拟现实项目，并达到预期效果。
2.团队合作能力：- 学员在团队中的协作能力；- 是否能够有效地与团队其他成员沟通和合作。
三、问题解决能力评估虚拟现实工程师在项目开发过程中，常常需要解决各种技术难题。
考核过程中可以通过以下标准评估候选人的问题解决能力：1.技术难题解决：- 对于虚拟现实开发过程中常见的技术难题，候选人是否能够快速定位和解决；- 是否具备独立分析和解决问题的能力。
2.创新思维：- 候选人是否能够提出创新的解决方案；- 是否有对虚拟现实技术的新想法和研究成果。
四、学习能力和团队意识评估虚拟现实技术的发展迅猛，虚拟现实工程师需要具备持续学习的能力，并具备良好的团队意识。
在考核过程中，可以使用以下标准进行评估：1.学习能力：- 候选人是否有主动学习新技术和新知识的习惯；- 是否有良好的自我学习能力和快速学习新技术的能力。
2.团队意识：- 是否能够融入团队，并与他人良好协作；- 是否具备团队管理和沟通技巧。
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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。
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。
➢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。
➢ 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
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。
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。
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。
❖ 三维交互设备的分类：根据传感渠道 以及在功能和目的上的不同，虚拟现 实系统的三维交互设备主要被分为三 维跟踪传感设备，立体显示设备、手 数字化设备、声音设备以及系统集成 设备等几大类。
➢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。
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。
➢ 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。
特点：性能适中，成本低廉，而且不会
受外部磁场和大块金属物质的干扰，敏 感性却容易受接收器的方位和空气密度 的影响。
分类：按照测量方法的不同，分为飞行
时间测量法和相位相干测量法。
➢ 声波飞行时间跟踪的原理：通过测量声波的飞 行时间延迟来确定距离的。它同时使用多个发 射器和接收器，以便获得一系列的距离量，从 而计算出准确的位置和方向。
➢ 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。
➢ 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。
➢ 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：将描述一些虚拟现实硬件设
备及其软件，并分别讲述其功能、特征 以及当前统集成的关键技术：
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
➢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。