1、第第8 8章章 虚拟现实技术基础虚拟现实技术基础 主要内容：主要内容：8.1 虚拟现实技术概述虚拟现实技术概述8.2 虚拟现实系统虚拟现实系统8.3 虚拟现实系统的技术特点虚拟现实系统的技术特点8.4 虚拟现实技术的应用及展望虚拟现实技术的应用及展望8.1 8.1 虚拟现实技术概述虚拟现实技术概述8.1.1 8.1.1 虚拟现实技术基本概念虚拟现实技术基本概念8.1.2 8.1.2 虚拟现实技术的发展虚拟现实技术的发展8.1.3 8.1.3 虚拟现实技术的发展现状虚拟现实技术的发展现状8.1.4 8.1.4 虚拟现实技术的基本特征虚拟现实技术的基本特征8.1.5 8.1.5 虚拟现实系统的分类
2、虚拟现实系统的分类8.1.1 8.1.1 虚拟现实技术基本概念虚拟现实技术基本概念 虚拟现实技术虚拟现实技术（Virtual RealityVirtual Reality，简称简称VRVR）是指利用计算机生是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入投入”到该环境到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术；中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术；VRVR技术可以让技术可以让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作，同用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作，同时提供视、听、摸等多种直观而又自然的实时感
3、知。时提供视、听、摸等多种直观而又自然的实时感知。虚拟现实的概念包括：虚拟现实的概念包括：（1 1）虚拟环境虚拟环境：是由计算机生成的环境，它具有双视点的实时动态：是由计算机生成的环境，它具有双视点的实时动态三维立体的逼真模型，并可通过听觉、触觉、嗅觉参与其中；模三维立体的逼真模型，并可通过听觉、触觉、嗅觉参与其中；模拟的环境可以是某一特定现实世界的虚拟实现，也可以是自由想拟的环境可以是某一特定现实世界的虚拟实现，也可以是自由想象的虚拟世界。象的虚拟世界。（2 2）感知感知：虚拟现实技术应具有人所具有的一切感知。：虚拟现实技术应具有人所具有的一切感知。（3 3）自然技能自然技能：包括人头部、眼
4、睛、手势或其它的人体行为动作。：包括人头部、眼睛、手势或其它的人体行为动作。计算机处理与用户动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时计算机处理与用户动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时反应，反馈到用户的五官。反应，反馈到用户的五官。（4 4）传感器传感器：也就是三维交互设各。常用的有立体头盔、数据手套、：也就是三维交互设各。常用的有立体头盔、数据手套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置，以及许多置于环境三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置，以及许多置于环境中的装置。中的装置。8.1.2 8.1.2 虚拟现实技术的发展虚拟现实技术的发展 19291929年，年，Edwin LinkEd
5、win Link设计了一种竞赛乘坐器，它使得乘坐者有一设计了一种竞赛乘坐器，它使得乘坐者有一种在飞机中飞行的感觉。种在飞机中飞行的感觉。LinkLink飞行模拟器是虚拟现实几个先驱中飞行模拟器是虚拟现实几个先驱中的一个。的一个。19611961年，美国年，美国PhilooPhiloo公司首创了头盔立体显示器。公司首创了头盔立体显示器。19651965年，美国人艾凡年，美国人艾凡萨瑟兰发表了一篇题为萨瑟兰发表了一篇题为“终极的显示终极的显示”的论的论文，后来被公认为在虚拟环境领域中起着里程碑的作用。文，后来被公认为在虚拟环境领域中起着里程碑的作用。19661966年，艾凡年，艾凡萨瑟兰在麻省理工
6、学院开始了他的第一个头盔的研萨瑟兰在麻省理工学院开始了他的第一个头盔的研制工作。参观者戴上头盔看虚拟环境，可以如同身临其境制工作。参观者戴上头盔看虚拟环境，可以如同身临其境样。样。19671967年，美国的北卡罗来纳大学的弗雷德里克年，美国的北卡罗来纳大学的弗雷德里克布鲁克斯研究了力布鲁克斯研究了力反馈问题，使用户能感到虚拟环境中计算机仿真物体和环境中力反馈问题，使用户能感到虚拟环境中计算机仿真物体和环境中力的作用。的作用。19721972年，诺兰年，诺兰布什内尔开发出了第一种交互式电子游戏，称为布什内尔开发出了第一种交互式电子游戏，称为PongPong。它允许玩游戏的操作者在电视屏幕上操作一
7、个弹跳的乒乓它允许玩游戏的操作者在电视屏幕上操作一个弹跳的乒乓球。由于交互性是虚拟现实效术的一个关键，因而这个交互性游球。由于交互性是虚拟现实效术的一个关键，因而这个交互性游戏的开发具有重要的意义。戏的开发具有重要的意义。8.1.2 8.1.2 虚拟现实技术的发展虚拟现实技术的发展 2020世纪世纪8080年代，美国宇航局（年代，美国宇航局（NASANASA）及美国国防部组织了一系列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，从而引起丁人们对虚拟现实技术的广泛关注。引起丁人们对虚拟现实技术的广泛关注。198
8、41984年，年，NASA AmesNASA Ames研研究中心虚拟行星探测实验室的究中心虚拟行星探测实验室的M MMc GreevyMc Greevy和和J JHumphriesHumphries博士博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探侧器组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探侧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。在随后的虚拟交互环境工作站（虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站（VIEWVIEW）项目中，他们项目中，他们还开发了通用多传感个人仿真器以及遥控设备等。还开发了
9、通用多传感个人仿真器以及遥控设备等。进入进入2020世纪世纪9090年代，迅速发展的计算机软、硬件系统使得基于大年代，迅速发展的计算机软、硬件系统使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能，越来越多的型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能，越来越多的新颖、实用的输入输出设备相继进入市场，而人机交互系统的设新颖、实用的输入输出设备相继进入市场，而人机交互系统的设计也在不断创新，这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基计也在不断创新，这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。其中，利用虚拟现实技术设计波音础。其中，利用虚拟现实技术设计波音777777获得成功，是近年来获得成功，
10、是近年来又一件引起科技界瞩目的伟大成果。可以看出，正是因为虚拟现又一件引起科技界瞩目的伟大成果。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，使得人门对它广阔的发展前景充满实系统极其广泛的应用领域，使得人门对它广阔的发展前景充满了憧憬与兴趣。了憧憬与兴趣。8.1.3 8.1.3 虚拟现实技术的发展现状虚拟现实技术的发展现状 虚拟现实技术的发展基本上可分为虚拟现实技术的发展基本上可分为三个阶段三个阶段：从：从2020世纪世纪5050年代到年代到7070年代为第一阶段，是虚拟现实的起源阶段；从年代为第一阶段，是虚拟现实的起源阶段；从8080年代初到年代初到8080年年代中期为第二阶段，形成了虚
11、拟现实的基本概念，并产生了一些代中期为第二阶段，形成了虚拟现实的基本概念，并产生了一些实用系统；第三阶段从实用系统；第三阶段从8080年代末期至今，这一阶段中，虚拟现实年代末期至今，这一阶段中，虚拟现实技术得到了较广泛的应用。技术得到了较广泛的应用。8080年代初，美国的年代初，美国的DWADWA开始为坦克的编队作战训练开发了一个实开始为坦克的编队作战训练开发了一个实用的虚拟战场。用的虚拟战场。DARPDARP计划进一步扩大，逐步把不同国家的兵力计划进一步扩大，逐步把不同国家的兵力“汇集入汇集入SIMNTSIMNT而成为一个虚拟战场而成为一个虚拟战场”，其目的是将分布于不同，其目的是将分布于不
12、同地点的地面车辆模拟器用计算机网络连接起来，进行攻防对抗演地点的地面车辆模拟器用计算机网络连接起来，进行攻防对抗演习。习。SIMN ETSIMN ET计划最初是针对地面车辆等低速运动对象，后来在计划最初是针对地面车辆等低速运动对象，后来在美国国防部的推动下，将飞机、水面舰艇和潜艇等作战对象也引美国国防部的推动下，将飞机、水面舰艇和潜艇等作战对象也引进来，从而构成陆、海、空三军立体作战逼真环境下的大规模实进来，从而构成陆、海、空三军立体作战逼真环境下的大规模实战演习。该计划的实施最终导致系统仿真的前沿技术战演习。该计划的实施最终导致系统仿真的前沿技术分布式分布式交互仿真（交互仿真（DISDIS）
13、技术的产生。美国海军的反潜艇战系统中，使技术的产生。美国海军的反潜艇战系统中，使用了头盔显示器和三维立体声装置，操作员可以通过手势和声音用了头盔显示器和三维立体声装置，操作员可以通过手势和声音控制这个仿真器。美国的控制这个仿真器。美国的NASANASA和和ESAESA（欧洲空间局）都在积极地欧洲空间局）都在积极地将将VRVR技术应用在航天运载器外的空间活动的研究、空间站自由操技术应用在航天运载器外的空间活动的研究、空间站自由操纵研究和对哈勃空间维修的研究项目。纵研究和对哈勃空间维修的研究项目。8.1.3 8.1.3 虚拟现实技术的发展现状虚拟现实技术的发展现状 虚拟现实设计波音虚拟现实设计波音
14、777777获得了成功，它不仅节省了经费，也缩短获得了成功，它不仅节省了经费，也缩短了研制周期，使最终的实际飞机与设计方案相比，偏差小于千分了研制周期，使最终的实际飞机与设计方案相比，偏差小于千分之一英寸，且实现了机翼和机身结合的一次成功，缩短了数千小之一英寸，且实现了机翼和机身结合的一次成功，缩短了数千小时设计工作量。利用该系统还能自动产生设计文件，从图库取出时设计工作量。利用该系统还能自动产生设计文件，从图库取出部件模型并加以注释。部件模型并加以注释。欧洲在虚拟现实技术方面也做了相当多的工作。到欧洲在虚拟现实技术方面也做了相当多的工作。到19911991年底，英年底，英国已有从事国已有从事
15、VRVR的六个主要中心，另外西班牙、荷兰、德国和瑞典的六个主要中心，另外西班牙、荷兰、德国和瑞典等国家也都积极开展虚拟现实的研究。提出了许多三维图形标准等国家也都积极开展虚拟现实的研究。提出了许多三维图形标准和程序设计语音等，并且出现了数据手套、三维显示头盔、立体和程序设计语音等，并且出现了数据手套、三维显示头盔、立体手控器、光学跟踪器、模拟人的感觉（视、听、触）的模拟器等手控器、光学跟踪器、模拟人的感觉（视、听、触）的模拟器等许多支持虚拟现实的设备。同时将虚拟现实技术应用于更多领域许多支持虚拟现实的设备。同时将虚拟现实技术应用于更多领域内。内。当前虚拟现实技术的发展，是在网络技术前进基础上，
16、融合多种当前虚拟现实技术的发展，是在网络技术前进基础上，融合多种技术的结果。随着网络时代宽带大规模应用的到来，市场对虚拟技术的结果。随着网络时代宽带大规模应用的到来，市场对虚拟现实技术的应用越来越迫切。现实技术的应用越来越迫切。X3DX3D、CULT3DCULT3D、VIEWPOINTVIEWPOINT、360360度度环视等技术将逐步被广泛应用。虚拟现实技术在国际互联网的应环视等技术将逐步被广泛应用。虚拟现实技术在国际互联网的应用，必将推动虚拟现实更加广泛的应用。用，必将推动虚拟现实更加广泛的应用。8.1.3 8.1.3 虚拟现实技术的发展现状虚拟现实技术的发展现状 我国的仿真演示技术正处于
17、起步和发展时期，取得了一些理论和我国的仿真演示技术正处于起步和发展时期，取得了一些理论和软件成果。国防科技大学和航天工业等部门相继开展了有关的研软件成果。国防科技大学和航天工业等部门相继开展了有关的研究项目。国防科技大学研制的多媒体仿真环境究项目。国防科技大学研制的多媒体仿真环境SimStudio l.0SimStudio l.0，采用采用SGI IndySGI Indy工作站，它采用工作站，它采用MSP/AutoStudioMSP/AutoStudio建模仿真方法和对建模仿真方法和对象象EulerEuler网建模方法，以图形化的建模工具支持用户建立多媒体网建模方法，以图形化的建模工具支持用户
18、建立多媒体仿真对象模型，并且支持将多媒体仿真表现脚本嵌入对象模型中，仿真对象模型，并且支持将多媒体仿真表现脚本嵌入对象模型中，可以进行连续可以进行连续离散事件混合系统的多媒体仿真。空军指挥学离散事件混合系统的多媒体仿真。空军指挥学院进行的院进行的“空战可视化仿真系统空战可视化仿真系统”研究，为用户提供了一个从多研究，为用户提供了一个从多视点、多角度、多层次观察空战进程的平台和机制，其画面造型视点、多角度、多层次观察空战进程的平台和机制，其画面造型逼真、形象生动，基本达到了实时性要求，取得了比良好的效果。逼真、形象生动，基本达到了实时性要求，取得了比良好的效果。北京航空航天大学虚拟现实与可视化新
19、技术研究室研制开发的分北京航空航天大学虚拟现实与可视化新技术研究室研制开发的分布式虚拟环境布式虚拟环境DEVNETDEVNET，以多兵种战术演练为背景，全面开展了以多兵种战术演练为背景，全面开展了VRVR技术的研究开发和综合应用，初步建成了一个可进行多兵种异地技术的研究开发和综合应用，初步建成了一个可进行多兵种异地协同与对抗战术演练的分布式虚拟战场环境。协同与对抗战术演练的分布式虚拟战场环境。8.1.4 8.1.4 虚拟现实技术的基本特征虚拟现实技术的基本特征 从本质上说，虚拟现实系统就是一种先进的计算机用户接口，它从本质上说，虚拟现实系统就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如
20、视、听、触等各种直观而又自然的实时通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。美国科学家担、提高整个系统的工作效率。美国科学家Burdea GBurdea G和和Philippe CoiffetPhilippe Coiffet曾在曾在19931993年世界电子年会上发表的年世界电子年会上发表的“Virtual Virtual Reality Systems and ApplicationsReality Systems and Applicat
21、ions”一文中，提出一文中，提出个个“虚拟虚拟现实技术的三角形现实技术的三角形”，它简明地表示了虚拟现实技术具有的，它简明地表示了虚拟现实技术具有的3 3个个最突出的特征最突出的特征：交互性交互性（InteractionInteraction）、）、沉浸感沉浸感（ImmersionImmersion）和和构想性构想性（ImaginationImagination），），也就是人们熟称的也就是人们熟称的3 3个个“I I”特性，如特性，如图图8-18-1所示。所示。8.1.4 8.1.4 虚拟现实技术的基本特征虚拟现实技术的基本特征1 1交互性（交互性（InteractionInteracti
22、on）交互性交互性是指操作者与虚拟环境中所遇到的各种对象的相互作用的是指操作者与虚拟环境中所遇到的各种对象的相互作用的能力，它是人机和谐的关键性因素。交互性包括对象的可操作程能力，它是人机和谐的关键性因素。交互性包括对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度、虚拟场景中对象依据物度及用户从环境中得到反馈的自然程度、虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度（包括实时性）。这种交互的产生，主要借理学定律运动的程度（包括实时性）。这种交互的产生，主要借助于各种专用的三维交互设备（如头盔显示器、数据手套等），助于各种专用的三维交互设备（如头盔显示器、数据手套等），它们使人类能够利用自然技能，如同在
23、真实的环境中一样与虚拟它们使人类能够利用自然技能，如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的对象发生交互关系。环境中的对象发生交互关系。例如，在原杭州大学开发的虚拟故宫游玩系统中，用户可以体验到虚拟例如，在原杭州大学开发的虚拟故宫游玩系统中，用户可以体验到虚拟现实系统的交互性带来的全新感受：参观者配带着头盔显示器，由图像现实系统的交互性带来的全新感受：参观者配带着头盔显示器，由图像发生器把立体图像送到用户的视场中，并随着用户头都的运动，不断将发生器把立体图像送到用户的视场中，并随着用户头都的运动，不断将更新后的新视点场景实时地显示给参观音。用户不但可以在虚拟故宫中更新后的新视点场景实时地显示给参观音
24、。用户不但可以在虚拟故宫中任意行走，还可以用手（或虚拟手）去直接抓取虚拟环境中的物体。任意行走，还可以用手（或虚拟手）去直接抓取虚拟环境中的物体。例如，当你例如，当你“拿起拿起”一件珍宝玉器时，手会有握着东西的感觉，并能感一件珍宝玉器时，手会有握着东西的感觉，并能感觉到物体的重量，而被抓取的物体也将随着手的移动、旋转等动作而产觉到物体的重量，而被抓取的物体也将随着手的移动、旋转等动作而产生实时地、相应地运动和改变，以便于用户从任意角度欣赏它们。另外，生实时地、相应地运动和改变，以便于用户从任意角度欣赏它们。另外，在系统中用户还可以直接控制对象的各种参数，如运动方向、速度等，在系统中用户还可以直
25、接控制对象的各种参数，如运动方向、速度等，而系统也可以向用户反馈信息。而系统也可以向用户反馈信息。8.1.4 8.1.4 虚拟现实技术的基本特征虚拟现实技术的基本特征2 2沉浸感（沉浸感（ImmersionImmersion）沉浸感沉浸感指计算机操作人员作为人机环境的主导者存在于虚拟环境指计算机操作人员作为人机环境的主导者存在于虚拟环境中。多媒体技术虽然为人们提供丰富多彩的信息表示形式，人与中。多媒体技术虽然为人们提供丰富多彩的信息表示形式，人与计算机可以交往，但是在交往过程中，人们只能从计算机外部去计算机可以交往，但是在交往过程中，人们只能从计算机外部去观察这些表现形式，人十分清晰地感觉到，
26、自己独立处于界面之观察这些表现形式，人十分清晰地感觉到，自己独立处于界面之外；对于虚拟现实，通过多维方式与计算机所创造的虚拟环境进外；对于虚拟现实，通过多维方式与计算机所创造的虚拟环境进行交互，能使参与者全身心地沉浸在计算机所生成的三维虚拟环行交互，能使参与者全身心地沉浸在计算机所生成的三维虚拟环境中，产生身临其境的感觉，将人与环境溶为一体，使操作人员境中，产生身临其境的感觉，将人与环境溶为一体，使操作人员相信在虚拟境界中人也是确实存在的，而且在操作过程中他可以相信在虚拟境界中人也是确实存在的，而且在操作过程中他可以自始至终地发挥作用，就像在真正的客观现实世界中一样。自始至终地发挥作用，就像在
27、真正的客观现实世界中一样。沉浸感被认为是沉浸感被认为是VRVR系统的性能尺度，导致系统的性能尺度，导致“沉浸感沉浸感”的原因是用的原因是用户对计算机环境中的虚拟物体产生了类似于对现实物体的存在意户对计算机环境中的虚拟物体产生了类似于对现实物体的存在意识或幻觉，识或幻觉，它需要以下诸多方面的特性它需要以下诸多方面的特性：8.1.4 8.1.4 虚拟现实技术的基本特征虚拟现实技术的基本特征 （1）多感知性（）多感知性（Multi-Sensory）多感知性多感知性是指除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感是指除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括
28、味觉感知、嗅觉知、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。理想的虚拟现实就应该具有人所具有的多种感知功能。感知等。理想的虚拟现实就应该具有人所具有的多种感知功能。例如，虚拟场景应能随着人的视点作全方位的运动，有比现实更例如，虚拟场景应能随着人的视点作全方位的运动，有比现实更逼真的纹理、灯光、照明以及声音和视频等效果，用户在操纵虚逼真的纹理、灯光、照明以及声音和视频等效果，用户在操纵虚拟物体时能感受到虚拟物体的反作用力等。拟物体时能感受到虚拟物体的反作用力等。（2）自主性（）自主性（Automony）虚拟物体在独立活动、相互作用或与用户的交互作用中，其动态虚拟物体在独立活动、
29、相互作用或与用户的交互作用中，其动态都要有一定的表现，这些表现应服从于自然规律或是设计者想象都要有一定的表现，这些表现应服从于自然规律或是设计者想象的规律。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、翻的规律。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、翻倒或从桌面落到地面等。倒或从桌面落到地面等。自主性自主性就是指虚拟环境中物体依据物理就是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。定律动作的程度。除了上面两点特性以外，影响沉浸感的主要因素还有除了上面两点特性以外，影响沉浸感的主要因素还有图像中的深图像中的深度信息度信息（是否与用户的生活经验一致），（是否与用户的生活经验一致），画面的视野画
30、面的视野（是否足够（是否足够大），大），实现跟踪的时间或空间响应实现跟踪的时间或空间响应（是否滞后或不准确），以及（是否滞后或不准确），以及交互设备的约束程度交互设备的约束程度（能否为用户适应）等。（能否为用户适应）等。8.1.4 8.1.4 虚拟现实技术的基本特征虚拟现实技术的基本特征 3 3构想性（构想性（ImaginationImagination）构想性构想性是虚拟现实通过与定性和定量的综合集成环境是虚拟现实通过与定性和定量的综合集成环境结合，引导人们去深化概念和萌发新意，抒发人们的结合，引导人们去深化概念和萌发新意，抒发人们的创造力。所以虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接创造力。所以
31、虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。这种构思结高感性和理性认识，从而产生新的构思。这种构思结果输入到系统中去，系统会将处理后的状态实时显示果输入到系统中去，系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。这是一个学习或由传感装置反馈给用户。这是一个学习创造创造再学习再学习再创造的过程。因而可以说，虚拟现实再创造的过程。因而可以说，虚拟现实是启发人的创造性思维的活动。是启发人的创造性思维的活动。8.1.4 8.1.4 虚拟现实技术的基本特征虚拟现实技术的基本特征人类在
32、许多领域面临着越来越多前所未有而又必须解决和突破的人类在许多领域面临着越来越多前所未有而又必须解决和突破的问题，例如，载人航天、核试验、核反应堆维护、包括新武器系问题，例如，载人航天、核试验、核反应堆维护、包括新武器系统在内的大型产品的设计研究、气象及自然灾害预报、医疗手术统在内的大型产品的设计研究、气象及自然灾害预报、医疗手术的模拟与训练以及多兵种军事联合训练与演练等。如果按传统的的模拟与训练以及多兵种军事联合训练与演练等。如果按传统的方法解决这些问题，必然要花费巨额资金，投入巨大的人力，消方法解决这些问题，必然要花费巨额资金，投入巨大的人力，消耗过长的时间，甚至要承担人员伤亡的风险。而耗过
33、长的时间，甚至要承担人员伤亡的风险。而VRVR技术的产生和技术的产生和发展，为解决和处理这些问题提供了新方法和新途径。所以说，发展，为解决和处理这些问题提供了新方法和新途径。所以说，VRVR技术并不只是一种媒介或一个高层终端用户界面，它的应用能技术并不只是一种媒介或一个高层终端用户界面，它的应用能解决人类在工程、医学、军事等方面的很多需求。而我们所要考解决人类在工程、医学、军事等方面的很多需求。而我们所要考虑的关键问题是如何开发针对虚拟现实的应用并寻找合适的场合虑的关键问题是如何开发针对虚拟现实的应用并寻找合适的场合和对象，即如何发挥人类的创造力和想象力。适当的应用对象加和对象，即如何发挥人类
34、的创造力和想象力。适当的应用对象加上充分的想象力可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提上充分的想象力可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。高产品开发质量。8.1.5 8.1.5 虚拟现实系统的分类虚拟现实系统的分类 随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术出现了多样化的发展趋随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术出现了多样化的发展趋势，它不仅是指那些戴着头盔和手套的技术，而且还应该包括势，它不仅是指那些戴着头盔和手套的技术，而且还应该包括切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法。切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法。VR技术技术的根本目标就是要达到真实体验和基
35、于自然技能的人机交互，因的根本目标就是要达到真实体验和基于自然技能的人机交互，因此，能够达到或部分达到这样目标的系统就可以被称为虚拟现实此，能够达到或部分达到这样目标的系统就可以被称为虚拟现实系统。系统。虚拟现实系统按照不同的标准有多种分类方法。按浸入程度来分，虚拟现实系统按照不同的标准有多种分类方法。按浸入程度来分，可分为非浸入式、部分浸入式和完全浸入式虚拟现实系统；按用可分为非浸入式、部分浸入式和完全浸入式虚拟现实系统；按用户浸入方式分可分为视觉浸入、触觉浸入、听觉浸入和体感浸入户浸入方式分可分为视觉浸入、触觉浸入、听觉浸入和体感浸入等；按用户参与的规模可分为单用户式、集中多用户式和大规模
36、等；按用户参与的规模可分为单用户式、集中多用户式和大规模分布式系统等。分布式系统等。目前常用的分类方法是按浸入程度和用户规模进行的分类，分为目前常用的分类方法是按浸入程度和用户规模进行的分类，分为桌面式桌面式虚拟现实系统、虚拟现实系统、沉浸式沉浸式虚拟现实系统、虚拟现实系统、叠加式叠加式虚拟现实系虚拟现实系统和统和分布式分布式虚拟现实系统。虚拟现实系统。8.1.5 8.1.5 虚拟现实系统的分类虚拟现实系统的分类 1 1桌面式桌面式VRVR系统（系统（Desktop VRDesktop VR）桌面式桌面式VRVR系统系统仅使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互场仅使用个人计算机和低级工
37、作站来产生三维空间的交互场景。它把计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的一个窗口，参与者需要景。它把计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的一个窗口，参与者需要使用手拿输入设备或位置跟踪器来驾驭虚拟环境和操纵虚拟场景中的各使用手拿输入设备或位置跟踪器来驾驭虚拟环境和操纵虚拟场景中的各种物体。种物体。在桌面在桌面VRVR系统中，参与者虽然坐在监视器前面，但可以通过计算机屏幕系统中，参与者虽然坐在监视器前面，但可以通过计算机屏幕观察观察360360范围内的虚拟环境；可以通过交互操作，使虚拟环境的物体平范围内的虚拟环境；可以通过交互操作，使虚拟环境的物体平移和旋转，以便从各个方向观看物体，也可以利用移和旋转，
38、以便从各个方向观看物体，也可以利用“through walkthrough walk”进进入功能在虚拟环境中浏览。但参与者并没有完全沉浸，他仍然会受到周入功能在虚拟环境中浏览。但参与者并没有完全沉浸，他仍然会受到周围现实环境的干扰。围现实环境的干扰。桌面桌面VRVR系统虽然缺乏完全的沉浸感，但它仍然比较普及，这主要是出于系统虽然缺乏完全的沉浸感，但它仍然比较普及，这主要是出于其成本相对来说较低。在桌面其成本相对来说较低。在桌面VRVR系统中，用户借助三维眼镜或安装在计系统中，用户借助三维眼镜或安装在计算机屏幕上方的立体观察器、液晶显示光学眼镜等一些廉价的设备，就算机屏幕上方的立体观察器、液晶显
39、示光学眼镜等一些廉价的设备，就可以产生一种三维空间的幻觉来增加沉浸的感觉；而它采用的标准可以产生一种三维空间的幻觉来增加沉浸的感觉；而它采用的标准CRTCRT显显示器和立体图像显示技术，又使得系统分辨率较高，价格也比较便宜；示器和立体图像显示技术，又使得系统分辨率较高，价格也比较便宜；另外，声卡和内部信号处理电路也可以通过廉价的硬件产生真实性很强另外，声卡和内部信号处理电路也可以通过廉价的硬件产生真实性很强的声音效果。桌面的声音效果。桌面VRVR系统通常用于工程系统通常用于工程CADCAD、建筑设计、培训、教育及某建筑设计、培训、教育及某些医疗应用。些医疗应用。8.1.5 8.1.5 虚拟现实
40、系统的分类虚拟现实系统的分类 2 2沉浸式沉浸式VRVR系统（系统（Immersive VRImmersive VR）沉浸式沉浸式VRVR系统系统利用头盔显示器和数据手套等各种交互设备把用户利用头盔显示器和数据手套等各种交互设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为VRVR系统内系统内部的一个参与者，并能利用这些交互设备操作和驾驭虚拟环境，部的一个参与者，并能利用这些交互设备操作和驾驭虚拟环境，产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉，一般用于娱乐、产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉，一般用于娱乐、或验证某一猜想假设、训
41、练、模拟、预演、检验、体验等。常见或验证某一猜想假设、训练、模拟、预演、检验、体验等。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统等。沉浸式统、远程存在系统等。沉浸式VRVR系统的基本组成如图系统的基本组成如图8-28-2所示。所示。与桌面式与桌面式VR系统相比，系统相比，沉浸式沉浸式VR系统的主要特点系统的主要特点在于：在于：（1）具有高度的实时性能。）具有高度的实时性能。（2）具有高度的沉浸感。）具有高度的沉浸感。（3）能支持多种）能支持多种I/O交互设备并行。交互设备并行。8.1.5 8.1.5 虚拟
42、现实系统的分类虚拟现实系统的分类 3 3叠加式叠加式VRVR系统系统 叠加式叠加式VRVR系统系统允许用户对现实世界进行观察的同时，通过穿透型头戴式允许用户对现实世界进行观察的同时，通过穿透型头戴式显示器将计算机虚拟图像叠加在现实世界之上，为操作员提供与他所看显示器将计算机虚拟图像叠加在现实世界之上，为操作员提供与他所看到的现实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强操作员对真实到的现实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强操作员对真实环境的感受因此又被称为补充现实系统。环境的感受因此又被称为补充现实系统。与其他各类与其他各类VRVR系统相比，补充现实式的虚拟现实不仅是利用系统相比，补充
43、现实式的虚拟现实不仅是利用VRVR技术来模技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它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。人们可以按日常的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。人们可以按日常的工作方式对周围的物体进行操作或研究，但同时又可以从计算机生成的工作方式对周围的物体进行操作或研究，但同时又可以从计算机生成的环境中得到同步的、有关活动的指导信息。目前，这样的工作方式已经环境中得到同步的、有关活动的指导信息。目前，这样的工作方式已经有了一些实验性的例子，如计算机指导的复印机修理；在菱形
44、空间框架有了一些实验性的例子，如计算机指导的复印机修理；在菱形空间框架中安装铝构件；电线束在安装到飞机上之前的捆绑等。其中一个典型的中安装铝构件；电线束在安装到飞机上之前的捆绑等。其中一个典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它能将仪表读数和武器瞄准数据投射实例是战机飞行员的平视显示器，它能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，使飞行员不必低头读座舱中仪表到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。它的工作原理是：的数据，从而集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。它的工作原理是：在这种头戴式显示器中，光源产生的图
45、像被光学系统引导到组合器，组在这种头戴式显示器中，光源产生的图像被光学系统引导到组合器，组合器是一种专用屏幕，它对于从真实环境进来的光线呈现透明特性，但合器是一种专用屏幕，它对于从真实环境进来的光线呈现透明特性，但对准它的光线却被头戴式显示器的光学系统反射掉，这样就使得操作员对准它的光线却被头戴式显示器的光学系统反射掉，这样就使得操作员可以清晰地看到计算机图形与其即时环境重合在可以清晰地看到计算机图形与其即时环境重合在起的现实效果。起的现实效果。8.1.5 8.1.5 虚拟现实系统的分类虚拟现实系统的分类 4 4分布式分布式VRVR系统（系统（Distributed VRDistributed
46、 VR，DVRDVR）分布式分布式VRVR系统系统是指基于网络的虚拟环境。它在沉浸式是指基于网络的虚拟环境。它在沉浸式VRVR系统的基础上，系统的基础上，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接，并共将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接，并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。VRVR系统之所以运系统之所以运行在分布式环境，一方面是它可以充分利用分布式计算机系统提供的强行在分布式环境，一方面是它可以充分利用分布式计算机系统提供的强大计算能力，另一方面是因为有些应用本身具有分布特性。例如，许多大计算能
47、力，另一方面是因为有些应用本身具有分布特性。例如，许多VRVR应用要求若干人能同时参与同一个虚拟环境，即协同工作的应用要求若干人能同时参与同一个虚拟环境，即协同工作的VRVR。这些这些人既可能在同一个地方，也可能在世界上各个不同的地方，彼此间只通人既可能在同一个地方，也可能在世界上各个不同的地方，彼此间只通过远距离网络联系在一起。前面所述的那些过远距离网络联系在一起。前面所述的那些VRVR技术虽然可以使动态的虚技术虽然可以使动态的虚拟环境栩栩如生，但它们都无法解决资源共享的问题，应用拟环境栩栩如生，但它们都无法解决资源共享的问题，应用DVRDVR系统就可系统就可以满足这类需求。以满足这类需求。
48、分布式分布式VR系统最重要的特性是它们对于多用户协作模拟的协调适应能力，系统最重要的特性是它们对于多用户协作模拟的协调适应能力，即操作系统必须能在不同计算机上处理不相似的虚拟世界，因此分布式即操作系统必须能在不同计算机上处理不相似的虚拟世界，因此分布式VR系统需要使用专用的操作系统系统需要使用专用的操作系统分布式操作系统。另外，分布式操作系统。另外，DVR系系统在设计和实现时，还必须考虑很多网络通信因素，如网络带宽、分布统在设计和实现时，还必须考虑很多网络通信因素，如网络带宽、分布机制、网络延迟以及通信可靠性等。分布式虚拟现实技术在产品异地设机制、网络延迟以及通信可靠性等。分布式虚拟现实技术在
49、产品异地设计、远程医疗、大规模军事训练、多用户游戏等方面具有广泛的应用前计、远程医疗、大规模军事训练、多用户游戏等方面具有广泛的应用前景。景。8.2 8.2 虚拟现实系统虚拟现实系统 虚拟现实系统的功能由两部分组成：虚拟现实系统的功能由两部分组成：一是创建虚拟世一是创建虚拟世界，二是人与虚拟世界之间的人机交互操作界，二是人与虚拟世界之间的人机交互操作。与虚拟。与虚拟世界交互的过程大致是：参与者首先激活头盔、手套世界交互的过程大致是：参与者首先激活头盔、手套和话筒等输入设备为计算机提供输入信号，虚拟现实和话筒等输入设备为计算机提供输入信号，虚拟现实软件收到由跟踪器和传感器送来的输入信号后加以解软
50、件收到由跟踪器和传感器送来的输入信号后加以解释，然后对虚拟环境数据库作必要的更新，调整当前释，然后对虚拟环境数据库作必要的更新，调整当前的虚拟环境场景，并将这一新视点下的三维视觉图像的虚拟环境场景，并将这一新视点下的三维视觉图像以及其他（如声音、触觉、力反馈等）信息立即传送以及其他（如声音、触觉、力反馈等）信息立即传送给相应的输出设备（头盔显示器、耳机、数据手套给相应的输出设备（头盔显示器、耳机、数据手套等），以便参与者及时获得多种感官上的虚拟效果。等），以便参与者及时获得多种感官上的虚拟效果。这一过程必须每秒发生许多次才能使参与者感受到连这一过程必须每秒发生许多次才能使参与者感受到连续的效果
