【正文】 van Sutherland ? 研制了 頭盔式顯示器 （ HMD）， CRT式的。 ? 發(fā)表論文 “ A Head－ Mounted 3DDisplay”， 給 出了 HMD的設計要求、構造原理和設計原型。 作用 ： 三維立體現(xiàn)實技術的奠基性成果 ?1970年： Ivan Sutherland 研制成功一個功能齊全的 HMD系統(tǒng)，加入力反饋和觸覺反饋裝置。 ?1984 NASA Ames虛擬行星探測實驗室的McGreevy和 Humphries博士 開發(fā)了用于火星探測的 虛擬世界視覺系統(tǒng) ，能構造火星表面的三維虛擬世界。 ?1993年 兩個值得注意的事件： ?借助虛擬系統(tǒng)的訓練 ，美宇航員成功地完成了在航天飛機中的一些工作。 ?使用虛擬現(xiàn)實技術 ，波音公司設計出了由 300萬個零件組成的波音 777飛機。 ?1996年 英國倫敦舉辦了世界第一個虛擬現(xiàn)實技術博覽會： 完全虛擬，基于 Inter，三維，互動 ?1996年 英國開通世界第一個虛擬現(xiàn)實環(huán)球網(wǎng) 虛擬觀光、虛擬參觀、虛擬聽講、虛擬城市環(huán)境 ?進入 21世紀 虛擬現(xiàn)實技術和應用得以迅速發(fā)展，因素： ?計算機硬件技術的飛速發(fā)展 ：計算速度，存儲空間，圖形硬件 ?計算機軟件技術的飛速發(fā)展 ：軟件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫技術，多媒體技術，網(wǎng)絡技術。 ?實用輸入輸出設備的出現(xiàn) ： 虛擬現(xiàn)實的定義 一種人與通過計算機生成的虛擬環(huán)境可自然交互的人機界面。 相關術語：人工現(xiàn)實（ Artificial Reality）、虛擬環(huán)境（ Virtual Environment）、賽伯空間(Cyberspace)等 虛擬現(xiàn)實的基本特征 (1)沉浸性 : Immersion 又稱臨場感，讓用戶感到作為主角存在于 模擬環(huán)境中的真實程度，沉浸被通俗地解釋為 “身臨其境”。 (2)交互性 : Interactive 交互性指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作 程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度 （包括實時性）。 (3)構想性 :Imagination 虛擬現(xiàn)實技術中人與虛擬環(huán)境的交互作用， 在本質(zhì)上意味著它不是預成性的而是生成性的， 不是因循的而是創(chuàng)造的， 虛擬技術三角形 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類 分類的依據(jù) ： 沉浸感程度的高低，交互方式與程度 四類 ： ?沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) ?桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) ?增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) ?分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 第一類：沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 一種高級的，較理想的，沉浸感很強的系統(tǒng) 特點 ： 1. 高度的實時性 2. 高度的沉浸感 3. 良好的系統(tǒng)集成度和整合性能 4. 良好的開放性 5. 支持多種輸入與輸出設備并行工作 常見的沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) ： 1. 基于頭盔式顯示器的系統(tǒng) 2. 投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 3. 遠程存在系統(tǒng)（遙在系統(tǒng)） 基于頭盔式顯示器的系統(tǒng) 投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 遠程存在系統(tǒng)（遙在系統(tǒng)） 第二類：桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 一種經(jīng)濟的系統(tǒng) 硬件組成 ： PC、圖形工作站，通過屏幕 交互工具 ： 鍵盤，鼠標，三維鼠標，數(shù)據(jù)手套， 空間位置跟蹤器 特點 ： 1. 沉浸感較差，易受干擾 2. 設備要求低 3. 成本低，易于實現(xiàn)，易于普及 桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 常見的有：基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實技術、VRML、桌面 CAD系統(tǒng) 特性：生動的計算機圖形圖像場景、自然的人機交互、通用的圖形軟件平臺 桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 渲染引擎技術： 1. VRML： VRML ( Virtual Reality Modeling Language ) 即虛擬現(xiàn)實建模語言 , 是一項和多媒體通訊 、 因特網(wǎng) 、 虛擬現(xiàn)實等領域密切相關的新技術 , 用來描述一個目標對象是如何呈現(xiàn)在 Web 上的 和 HTML 一 樣 , VRML 也是可由瀏覽器解釋的描述語言 , 只不過 VRML 不是描述成一個 Page 的格式 ,而是描述成 3D環(huán)境和目標的布局它的主要特征有三維性 、交互性 、動態(tài)性 、實時性等。 桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) QTVR QTVR是 QuickTime Virtual Reality 的簡稱 ,它是美國蘋果公司開發(fā)的新一代虛擬現(xiàn)實技術。概括地講是一種基于靜態(tài)圖象處理的,在微機平臺上能夠?qū)崿F(xiàn)的初級虛擬現(xiàn)實技術。 QTVR屬于桌面虛擬現(xiàn)實的一種。雖然它是初級的虛擬現(xiàn)實技術 ,但是它有其自身的特色與優(yōu)勢 .它的出現(xiàn)使得往專業(yè)實驗室中的成本昂貴的虛擬現(xiàn)實技術的應用普及有了廣闊的前景。 第三類：增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 一種將 真實世界 和 虛擬世界 組合在一起的系統(tǒng)。 將虛擬世界和真實世界疊加和組合，亦真亦幻。既可以減少計算量，又可以對實際物體進行操作。 特點 ： 1. 真實世界和虛擬世界融為一體 2. 具有人機實時交互功能 3. 真實世界和虛擬世界在三維空間中融合 常見的增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) ： 1. 基于臺式圖形顯示器的系統(tǒng) 2. 基于單眼顯示器的系統(tǒng) 3. 基于光學透視式頭盔顯示器的系統(tǒng) 4. 基于視頻透視式頭盔顯示系統(tǒng) 虛擬演播室 第四類：分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) Distributed VR（ DVR） 網(wǎng)絡技術發(fā)展與虛擬現(xiàn)實技術的產(chǎn)物 現(xiàn)實基礎 ： 平臺技術的發(fā)展： 硬件、軟件 網(wǎng)絡技術的發(fā)展： TCP/IP網(wǎng)絡技術、計算機硬 件水平、基礎網(wǎng)絡平臺（路由交換設備、線路、發(fā)展的協(xié)議）、地域的普及等。 特點 ： 1. 共享虛擬工作空間 、共享時鐘 ，允許用戶操縱虛擬世界中的對象 洽談 討論 設計 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的主要技術構成 實時三維圖形生成技術、多傳感交互技術、高分辨率顯示技術 . (1)動態(tài)環(huán)境建模 動態(tài)環(huán)境建模技術的目的就是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應用的需要建立相應 的虛擬環(huán)境模型。 (2)實時三維圖形生成技術 三維圖形的生成技術已經(jīng)較為成熟，為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新頻 率不低于 15幀 /秒，最好高于 30幀 /秒。提高刷新頻率是該技術的主要內(nèi)容。 (3)立體顯示和傳感器技術 虛擬現(xiàn)實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術的發(fā)展，設備過重、分辨率低、 延遲大、有線、跟蹤精度低、視場不夠?qū)挕⒀劬θ菀灼诘?，因此有必要開發(fā)新的 三維顯示技術。 (4)應用系統(tǒng)開發(fā)工具 虛擬現(xiàn)實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發(fā)揮想像力和創(chuàng)造性。選擇適 當?shù)膽脤ο罂梢源蠓忍岣呱a(chǎn)效率，減輕勞動強度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 (5)系統(tǒng)集成技術 由于 VR系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)集成技術起著至關重要的作用。 集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術、數(shù)據(jù)管理模型、識別 與合成技術等等。 硬件構成 （ 1） 虛擬現(xiàn)實生成設備： 是一臺或多臺高性能計算機，是帶有圖形加速器和 多條圖形輸出流水線的高性能圖形計算機。 （ 2） 感知設備： 感知設備是指將虛擬世界各類感知模型轉(zhuǎn)變?yōu)槿四? 接受的多通道刺激信號的設備。然而，相對成熟的感知 信息和生產(chǎn)和檢測技術僅有視覺、聽覺和力覺三種通道。 （ 3） 跟蹤設備： 跟蹤設備用于跟蹤并檢測位置和方位，實現(xiàn)虛擬現(xiàn) 實系統(tǒng)中人機交互操作。 （ 4） 基于自然方式的人機交互設備： 應用手勢、體勢、眼神以及自然語言的人機交互設備， 常見的有數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、眼球跟蹤器及語音綜合識 別裝置。 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)硬件配置示意圖： 幾種常用的虛擬現(xiàn)實設備： 1. 輸入設備： 3D位置跟蹤器、傳感手套、數(shù)據(jù)衣、三維鼠標、跟蹤球、三維探針及三維操作桿等。 數(shù)據(jù)手套 三維鼠標 幾種常用的虛擬現(xiàn)實設備： 2. 輸出設備：立體顯示設備、 3D聲音生成器、觸覺和力反饋的裝置 快速響應工作臺 頭盔顯示器 桌面立體顯示器 3D 眼 鏡 3D 眼 鏡 肉眼所看到的景像是一種具有層次、深度的立體影像。一般我們所謂 3D游戲，實際上并非真正的 3D； 顯示卡雖以 x、 y、 z軸來處理資料，然而輸出至屏幕時仍須再次轉(zhuǎn)換成 2D， 因為屏幕先天即是 2D， 所以我們稱呼這種 3D為「平面 3D」。 讓我們先做個簡單的實驗，首先伸出您的一根手指頭，并凝視這根手指，然后閉上右眼、張開左眼；再來張開右眼、閉上左眼，仔細觀察左、右眼所見是否有些不同？這個不同即為「視差 (parallax)」。 立體 3D的技術即是要將這個「視差」持續(xù)在屏幕上表現(xiàn)出來。因此為使觀賞者得以觀看真正立體，每個眼睛所看到景物必須與另一眼稍有不同。事實上，在真實生活里左、右眼所看到的景物即有些不同，而這理論即被應用在立體3D科技之中。 3D 眼 鏡 液晶立體眼鏡 技術可以讓這個「視差」持續(xù)在屏幕上表現(xiàn)出來。即由控制 IC送出立體訊號 (左眼 右眼 左眼 右眼 依序連續(xù)互相交替重復 )至屏幕，并同時送出同步訊號至液晶眼鏡使其同步切換左、右眼影像，換句話說，左眼看到左眼該看到的景像，右眼看到右眼該看到的景像。 液晶立體眼鏡為一穿透液晶鏡片，即由電路對液晶眼鏡開、閉的控制 ( 開：眼鏡鏡片全黑以便遮住一眼影像；閉：眼鏡鏡片為透明以便另一眼看到另一眼該看到的影像 )，液晶眼鏡即可模仿真實的狀況，使左、右眼畫面連續(xù)互相交替呈現(xiàn)在屏幕上，并同步配合液晶眼鏡，使眼睛看到正確畫面 左眼看到左眼、右眼看到右眼該看的影像，加上人眼的視覺暫留生理特性，如此就能看到真正立體 3D影像。 3D 眼 鏡 圖形顯示設備 個人圖形顯示設備 大型顯示設備 頭盔顯示器 手持式顯示器 地面支撐顯示設備 桌面支撐顯示設備 基于監(jiān)視器 基于投影 圖形顯示設備 個人圖形顯示設備 大型顯示設備 頭盔顯示器 手持式顯示器 地面支撐顯示設備 桌面支撐顯示設備 基于監(jiān)視器 基于投影 數(shù) 字 頭 盔 Olympus EyeTrek ProView ?立體專業(yè)級、 ?高分辨率： 1024 768 ?每目三 LCD ?19,000美元 ProView Datavisor ?立體專業(yè)級、 ?三單色 CRT輪流顯示 ?分辨率高： 1280 1024 ?35,000美元 圖形顯示設備 個人圖形顯示設備 大型顯示設備 頭盔顯示器 手持式顯示器 地面支撐顯示設備 桌面支撐顯示設備 基于監(jiān)視器 基于投影 NVIS公司的 SX ?LCD立體 ?高分辨率： 1280 1024 ?重量大 ?價格： 19,900美元 圖形顯示設備 個人圖形顯示設備 大型顯示設備 頭盔顯示器 手持式顯示器 地面支撐顯示設備 桌面支撐顯示設備 基于監(jiān)視器 基于投影 Boom3C ?機械跟蹤器：不受環(huán)境影響、低延遲，高分辨率 ?CRT高分辨率： 1280 1024 ?有運動死角，自由度受一定限制。 WindowVR ?單視場方式 ?LCD高分辨率： 1600 1200 ?電纜連接支撐，無空間限制 ?操作方便，直觀，適合用戶虛擬博物館、房間等漫游。 ?使用第三方跟蹤器（多用慣性跟蹤器）：延遲和噪聲問題 ?價格較便宜 圖形顯示設備 個人圖形顯示設備 大型顯示設備 頭盔顯示器 手持式顯示器 地面支撐顯示設備 桌面支撐顯示設備 基于監(jiān)視器 基于投影 桌面支撐的顯示設備的特點 ?解決了 HMD、手持式和地面支撐設備的重量和慣性問題。 ?自由運動受到較大限制 ?分為：非自動式立體顯示設備、自動立體顯示設備 自動立體顯示設備的特點： ?同一顯示面板上顯示圖像 ?必須借助特殊的光學鏡頭或照明機制，以產(chǎn)生圖像視差 ?根據(jù)是否跟蹤和適應人頭部位置變化，可分為：主動顯示和被動顯示 非自動立體顯示器： NuVision17/21立體掛屏 主動顯示式 自動立體顯示器： Virtual Window 主動顯示式 自動立體顯示器： Inition的 X3d 注 ：需要使用 X3D 軟件和播放器 Sh