【正文】 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用 第一章 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論 ? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述 ? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義 關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義，目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有多種不同的定義，主要分為有狹義和廣義兩種： 所謂狹義的定義，認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是一種先進(jìn)的人機(jī)交互方式。 所謂廣義的定義，即為對(duì)虛擬想象（三維可視化的）或真實(shí)的、多感官的三維虛擬世界的模擬。 人機(jī)接口形式的改進(jìn) 在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶可以利用自己的視覺、聽覺、力覺、嗅覺等來感知環(huán)境 人機(jī)交互內(nèi)容的改進(jìn) 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，由計(jì)算機(jī)提供的不僅是“數(shù)據(jù)、信息”，而且還包括多種媒體信息的“環(huán)境”，以環(huán)境作為計(jì)算機(jī)處理的對(duì)象和人機(jī)交互的內(nèi)容 人機(jī)接口效果的改進(jìn) 在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶通過基于自然的特殊設(shè)備進(jìn)行交互，得到逼真的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感知效果，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺 ? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程 ? 計(jì)算機(jī) 在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的心臟，被稱之為虛擬世界的發(fā)動(dòng)機(jī)。 輸入與輸出設(shè)備 常用的設(shè)備有用于手勢(shì)輸入的數(shù)據(jù)手套、用于語音交互的三維聲音系統(tǒng)、用于立體視覺輸出的頭盔式顯示器等。 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件 在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件完成的功能有：虛擬世界中物體的幾何模型、物理模型、運(yùn)動(dòng)模型的建立；三維虛擬立體聲的生成；模型管理技術(shù)及實(shí)時(shí)顯示技術(shù)、虛擬世界數(shù)據(jù)庫的建立與管理等。 數(shù)據(jù)庫 虛擬世界數(shù)據(jù)庫主要存放的是整個(gè)虛擬世界中所有物體的各方面信息。 ? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與其他技術(shù) 1．計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（ Computer Graphics：CG）是利用計(jì)算機(jī)研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學(xué)科。它研究的基本內(nèi)容是如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形，以及如何利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的生成、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。 2．多媒體技術(shù) 所謂媒體（ Media），通常認(rèn)為包括著兩種含義。一種是指信息的物理載體（即存儲(chǔ)和傳遞信息的實(shí)體），如紙質(zhì)的書、照片、磁盤、光盤、磁帶以及相關(guān)的播放設(shè)備等；另一種含義是指信息的表現(xiàn)形式（或稱傳播形式），如文本、聲音、圖像、動(dòng)畫等 媒體分成 5類： （ 1）感覺媒體 （ 2）表示媒體 （ 3）表現(xiàn)媒體 （ 4）存儲(chǔ)媒體 （ 5）傳輸媒體 3．系統(tǒng)仿真技術(shù) 系統(tǒng)仿真技術(shù)是一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，它為一些復(fù)雜系統(tǒng)創(chuàng)造了一種計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使系統(tǒng)的未來性能測(cè)試和長期動(dòng)態(tài)特性能在相對(duì)極短的時(shí)間內(nèi)在計(jì)算機(jī)上得到實(shí)現(xiàn) 4．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù) （ 1）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的任務(wù)是在計(jì)算機(jī)上生成看起來是真的，動(dòng)起來像真的圖像，而用戶通過顯示器 (猶如一個(gè)窗戶 )觀看計(jì)算機(jī)生成的圖像所構(gòu)造的景象。 （ 2）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與多媒體技術(shù) （ 3）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)仿真技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)側(cè)重于表現(xiàn)形式，而系統(tǒng)仿真則側(cè)重于真實(shí)復(fù)雜世界的科學(xué)抽象。 5. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維動(dòng)畫技術(shù) 傳統(tǒng)三維動(dòng)畫是依靠計(jì)算機(jī)預(yù)先處理好的含有某些場(chǎng)景或物體等的靜態(tài)圖片連續(xù)播放形成，不具有任何交互性；而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以根據(jù)用戶的需要把整個(gè)空間中所有的信息真實(shí)地提供給用戶，用戶可根據(jù)自己的路線行走 ? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)意義與影響 1．在觀念上，從“以計(jì)算機(jī)為主體”變成“以人為主體” 2．在哲學(xué)上使人進(jìn)一步認(rèn)識(shí)“虛”和“實(shí)”之間的辯證關(guān)系 3．引起了一系列的技術(shù)和手段的重大變革 4．促進(jìn)了理論與技術(shù)的進(jìn)步 5．促進(jìn)了計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展與交叉 6．為人類認(rèn)識(shí)世界提供了全新的方法與手段，對(duì)人類的生活產(chǎn)生了重大的影響 ? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特性 ? 沉浸性 (Immersion) 視覺沉浸 視覺通道給人的視覺系統(tǒng)提供圖形顯示。 聽覺沉浸 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，主要讓用戶感覺到的是三維虛擬聲音 觸覺沉浸 在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，可以借助于各種特殊的交互設(shè)備，使用戶能體驗(yàn)抓、握等操作的感覺。 嗅覺沉浸 只要把虛擬空間中的水果放到鼻尖上一聞，裝置就會(huì)在鼻尖處釋放出水果的香味。 身體感覺沉浸、味覺沉浸等 ? 交互性 (Interactivity) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互性具有以下特點(diǎn)： ①虛擬環(huán)境中人的參與與反饋 ②人機(jī)交互的有效性 ③人機(jī)交互的實(shí)時(shí)性 ? 想象性 (Imagination ) 想象性指虛擬的環(huán)境是人想象出來的，同時(shí)這種想象體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者相應(yīng)的思想，因而可以用來實(shí)現(xiàn)一定的目標(biāo)。 ? 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類 （ Immersive VR） 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一種高級(jí)的、較理想的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它提供一個(gè)完全沉浸的體驗(yàn)，使用戶有一種仿佛置身于真實(shí)世界之中的感覺。 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有以下五個(gè)特點(diǎn)： ① 具有高度實(shí)時(shí)性能。 ② 具有高度的沉浸感。 ③ 具有良好的系統(tǒng)集成度與整合性能。 ④ 具有良好的開放性。 ⑤ 能同時(shí)支持多種輸入與輸出設(shè)備并行工作。 ? (Desktop VR) 桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)也稱窗口虛擬現(xiàn)實(shí)，是利用個(gè)人計(jì)算機(jī)或初級(jí)圖形工作站等設(shè)備，以計(jì)算機(jī)屏幕作為用戶觀察虛擬世界的一個(gè)窗口，采用立體圖形、自然交互等技術(shù)，產(chǎn)生三維立體空間的交互場(chǎng)景，通過包括鍵盤、鼠標(biāo)和力矩球等各種輸入設(shè)備操縱虛擬世界，實(shí)現(xiàn)與虛擬世界的交互 桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要具有以下三個(gè)特點(diǎn)： ① 用戶處于不完全沉浸的環(huán)境，缺少完全沉浸、身臨其境的感覺，即使戴上立體眼鏡，他仍然會(huì)受到周圍現(xiàn)實(shí)世界的干擾。 ② 對(duì)硬件設(shè)備要求極低，有的簡單型甚至只需要計(jì)算機(jī)，或是增加數(shù)據(jù)手套、空間跟蹤設(shè)置等。 ③ 由于桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較低，應(yīng)用相對(duì)比較普遍，而且它也具備了沉浸性虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一些技術(shù)要求。 ? 增強(qiáng)式 VR系統(tǒng) (Augmented VR) 增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) (AVR)既可以允許用戶看到真實(shí)世界，同時(shí)也可以看到疊加在真實(shí)世界上的虛擬對(duì)象，它是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境組合在一起的一種系統(tǒng) 增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要具有以下三個(gè)特點(diǎn)： ① 真實(shí)世界和虛擬世界融為一體。 ② 具有實(shí)時(shí)人機(jī)交互功能。 ③ 真實(shí)世界和虛擬世界是在三維空間中整合的。 ? 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（ Distributed VR） 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在分布式系統(tǒng)下有兩方面的原因：一方面是充分利用分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的強(qiáng)大計(jì)算能力；另一方面是有些應(yīng)用本身具有分布特性，如多人通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行游戲和虛擬戰(zhàn)爭模擬等。 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有以下特點(diǎn)： ① 各用戶具有共享的虛擬工作空間。 ② 偽實(shí)體的行為真實(shí)感。 ③ 支持實(shí)時(shí)交互，共享時(shí)鐘。 ④ 多個(gè)用戶可以各自不同的方式相互通信。 ⑤ 資源信息共享以及允許用戶自然操縱虛擬世界中的對(duì)象。 ? 虛擬現(xiàn)實(shí)中人的因素 ? 人的視覺 人類的視覺模型 立體視覺 人在現(xiàn)實(shí)世界中看到的物體是立體的，這樣可以感覺出被看物體的遠(yuǎn)近。 屈光度 人的屈光度是可以變化的，這稱為調(diào)節(jié)或聚 \焦。這保證對(duì)遠(yuǎn)近物體都能看到清晰的圖像。 瞳孔 瞳孔是晶狀體前的孔，直徑可變化。 分辨力 分辨力是人眼區(qū)分兩個(gè)點(diǎn)的能力。 明暗適應(yīng) 人眼對(duì)亮度的變化感覺會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這是通過改變?cè)谝晽U和視錐細(xì)胞中光敏化合物的濃度。 7．周圍視覺和中央視覺 視網(wǎng)膜不僅是被動(dòng)的光敏表面，通過視桿和視錐細(xì)胞與神經(jīng)細(xì)胞的連接，它還有一定的圖像處理能力。 8．視覺暫留 人的眼睛具有保持視覺印象的特性。當(dāng)光對(duì)視網(wǎng)膜所產(chǎn)生的視覺在光停止作用后，仍保留一段時(shí)間的現(xiàn)象，這就是視覺暫留。 9．視場(chǎng) 視場(chǎng)（ field of view:FOV）指人眼能夠觀察到的最大范圍，通常以角度來表示，視場(chǎng)越大 , 觀測(cè)范圉越大。 ? 人的耳朵 人類的聽覺模型 耳分為外耳、中耳、內(nèi)耳。外耳、中耳是接受并傳導(dǎo)聲音的裝置；內(nèi)耳則是感受聲音和初步分析聲音的場(chǎng)所。所以，外耳、中耳合稱為傳音系統(tǒng)，而內(nèi)耳及其神經(jīng)傳導(dǎo)徑路則稱為感音神經(jīng)系統(tǒng) .外耳包括耳廓和外耳道兩部分。主要作用是收集及部分放大聲音和參與聲音方向的辨別。 中耳的結(jié)構(gòu)比外耳復(fù)雜，有鼓室、咽鼓管、鼓竇及乳突 4部分。鼓室又稱中耳腔，容積約為 2毫升。中耳腔內(nèi)有一條通到鼻咽部的管道，叫做咽鼓管。咽鼓管使中耳與外界相通，起到調(diào)節(jié)鼓室壓力的作用 內(nèi)耳構(gòu)造非常精細(xì)，管道盤旋，好像迷宮一樣，故稱為迷路。內(nèi)耳分為 3部分，即半規(guī)管，前庭和耳蝸。半規(guī)管和前庭主要負(fù)責(zé)身體平衡，耳蝸則負(fù)責(zé)感受聲音。外耳把聲音引導(dǎo)進(jìn)內(nèi)耳，它也作為濾波器而改變聲音。把手放在耳前面，就會(huì)感到聲音變化。聲音最終沖擊耳膜，使之振動(dòng)。耳膜振動(dòng)再傳到耳蝸，并且振動(dòng)加大 20倍。 聽覺的產(chǎn)生過程是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，它包括 3個(gè)基本過程： ① 聲波在耳朵內(nèi)部的傳遞過程。 ② 聲波在傳遞過程中由聲波引起的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樯镫娔?，同時(shí)通過化學(xué)遞質(zhì)的釋放而產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)的過程。 ③ 聽覺中樞對(duì)傳人信息進(jìn)行綜合加工處理的過程。 頻率范圍 聲音的定位 頭部有關(guān)的傳遞函數(shù) ? 身體感覺 體感 ① 深度感覺： ② 內(nèi)臟感覺： ③ 本體感覺： ④ 外感受感覺： 痛感 觸覺 體位感 ? 健康與安全問題 ? ? 國外的研究狀況 美國 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)誕生于美國，是全球研究最早，研究范圍最廣的國家，美國虛擬現(xiàn)實(shí)研究技術(shù)的水平基本上就代表國際虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的水平。 歐洲 歐洲的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究主要由歐共體 (CEC)的許多計(jì)劃支持，在英國、德國、瑞典、西班牙、荷蘭等國家都積極進(jìn)行了虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)與應(yīng)用 在亞洲，日本的虛擬現(xiàn)實(shí)研究發(fā)展十分迅速，同時(shí)韓國、新加坡等國家也在積極開展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方面的研究工作 。 ? 國內(nèi)的研究狀況 我國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究始于 20世紀(jì) 90年代初，相對(duì)其它國家來說起步較晚，技術(shù)上有一定的差距，但已引起我國政府有關(guān)部門和科學(xué)家們的高度重視，并及時(shí)根據(jù)我國的國情，制定了開展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究計(jì)劃。 ? 目前存在的問題 硬件設(shè)備方面 (1)相關(guān)設(shè)備普遍存在使用不方便，效果不佳 (2)硬件設(shè)備品種有待進(jìn)一步擴(kuò)展 (3)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)設(shè)備價(jià)格也比較昂貴 現(xiàn)在大多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件普遍存在語言專業(yè)性較強(qiáng)，通用性較差，易用性差。同時(shí)，由于硬件設(shè)備的諸多局限性，使得軟件的開發(fā)費(fèi)用也十分巨大，而且軟件所能實(shí)現(xiàn)的效果受到時(shí)間和空間的影響較大。 實(shí)現(xiàn)效果方面 （ 1）虛擬世界的表示側(cè)重幾何圖形表示，缺乏逼真的物理、行為模型 （ 2）虛擬世界的感知方面，有關(guān)視覺方面研究多，聽覺、觸覺（力覺）關(guān)注較少，真實(shí)性與實(shí)時(shí)性不足。 （ 3）在與虛擬世界的交互中，自然交互性不夠，基于自然的交互效果還遠(yuǎn)不能令人滿意。 應(yīng)用方面 ? 今后的研究方向 人機(jī)交互接口 感知研究領(lǐng)域 高效的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件和算法 廉價(jià)的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng) 智能虛擬環(huán)境 ? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用 ? 軍事與航空航天 1．軍事上的應(yīng)用 （ 1）軍事訓(xùn)練方面 ① 虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。 ② 近戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練 ③ 單兵模擬訓(xùn)練 ④ 諸軍兵種聯(lián)合戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)演習(xí)。 （ 2）在武器裝備研究與新武器展示中的應(yīng)用。 ① 在武器設(shè)計(jì)研制過程中，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供先期演示，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，把先進(jìn)設(shè)計(jì)思想融入武器裝備研制的全過程，從而保證總體質(zhì)量和效能 ② 研制者和用戶利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以很方便介入系統(tǒng)建模和仿真試驗(yàn)的全過程，既能加快武器系統(tǒng)的研制周期，又能合理評(píng)估其作戰(zhàn)效能及其操作的合理性，使之更接近實(shí)戰(zhàn)的要求。 ③ 采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)未來高技術(shù)戰(zhàn)爭的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、武器裝備的技術(shù)性能和使用效率等方面進(jìn)行仿真，有利于選擇重點(diǎn)發(fā)展的武器裝備體系，改善其整體質(zhì)量和作戰(zhàn)效果。 ④ 很多武器供應(yīng)商借助于網(wǎng)絡(luò)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來展示武器的各種性能。 （ 1） NASA的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練 （ 2） EVA的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練 （ 3）英國空軍的虛擬座艙 ? 教育與培訓(xùn) 1．虛擬校園 虛擬校園是指從因特網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)