虚拟现实背景了解Word格式.docx
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虚拟现实系统提供了一种先进的人机界面，它通过为用户提供视觉、听觉、嗅觉、触觉等多种直观而自然的实时交互的方法与手段，最大程度的方便了用户的操作，从而减轻了用户的负担、提高了系统的工作效率。
美国科学家BurdeaG.和PhilippeCoiffet在1993年世界电子年会上发表了一篇题为“VirtualRealitySystemandApplications”的文章，在该文中提出一个“虚拟现实技术的三角形”，它表示出虚拟现实技术具有的三个突出特征：
沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和想象性（Imagination），如图8-1所示。
图8-1虚拟现实技术的三个特性
虚拟现实技术的三个特性：
（1）沉浸性
沉浸性又称浸入性，是指用户感觉到好象完全置身于虚拟世界之中一样，被虚拟世界所包围。
虚拟现实技术的主要技术特征就是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由被动的观察者变成主动的参与者，沉浸于虚拟世界之中，参与虚拟世界的各种活动。
比较理想的虚拟世界可以达到使用户难以分辨真假的程度，甚至超越真实，实现比现实更逼真的照明和音响等效果。
虚拟现实的沉浸性来源于对虚拟世界的多感知性，除了我们常见的视觉感知、听觉感知外，还有力觉感知、触觉感知、运动感知、味觉感知、嗅觉感知、身体感觉等。
从理论上来讲，虚拟现实系统应该具备人在现实客观世界中具有的所有感知功能。
但鉴于目前科学技术的局限性，在虚拟现实系统中，研究与应用较为成熟或者相对成熟的主要是视觉沉浸（立体显示）、听觉沉浸（立体声）、触觉沉浸（力反馈）、嗅觉沉浸（虚拟嗅觉），有关味觉等其他的感知技术正在研究之中，还很不成熟。
（2）交互性
在虚拟现实系统中，交互性的实现与传统的多媒体技术有所不同，在传统的多媒体技术中，人机之间的交互工具从计算机发明直到现在，主要是通过键盘与鼠标进行一维、二维的交互，而虚拟现实系统强调人与虚拟世界之间要以自然的方式进行交互，并且借助于虚拟现实系统中特殊的硬件设备（如数据手套、力反馈设备等），以自然的方式与虚拟世界进行交互，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。
例如，用户可以配戴力反馈数据手套，用手直接抓取虚拟世界中的物体，这时手有触摸感，并且可以感觉到物体的重量，能区分所拿的是石头还是海绵，并且场景中被抓的物体也立刻随着手的运动而移动。
（3）想象性
想象性是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。
所以说虚拟现实技术不仅仅是一个媒体或一个高级用户界面，它同时还可以是为解决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件，通常它以夸大的形式反映设计者的思想，虚拟现实系统的开发是虚拟现实技术与设计者并行操作，为发挥他们的创造性而设计的。
虚拟现实技术的应用，为人类认识世界提供了一种全新的方法和手段，它可以使人类突破时间与空间，去经历和体验世界；
可以使人类进入宏观或微观世界进行研究和探索；
也可以完成那些因为某些条件限制难以完成的事情。
8.1.3虚拟现实系统的分类
随着计算机技术、网络技术等新技术的高速发展及应用，虚拟现实技术也发展迅速，并呈现出多样化的发展趋势，其内涵也已经大大扩展。
虚拟现实的分类主要可以从两种角度来划分，一方面是虚拟世界模型的建立方式；
另一方面是虚拟现实系统的功能和实现方式。
1．按虚拟世界模型的建立方式分类
我们说虚拟现实就是人们利用计算机技术建立一个虚拟世界，而虚拟世界的建模有两种方式，一种是通过影片缝合成一个三维虚拟环境，也就是所谓的影像式虚拟现实；
另外一种三维虚拟环境的模型是人们运用建模工具软件（如Max、Maya等）手工绘制的多边形构成，即3D/VR虚拟现实（PolygonbaseVR）。
（1）影像式虚拟现实
影像式虚拟现实又分为针对环境的全景虚拟现实和针对物体的环物虚拟现实两类，如图8-2、图8-3所示。
在基于全景图像的虚拟现实系统中，虚拟场景是按以下步骤生成的：
首先利用采集的离散图像或连续的视频作为基础数据，经过处理形成全景图像；
然后通过合适的空间模型把多幅全景图像组织为虚拟全景空间。
用户在这个空间中可以进行前进、后退、环视、仰视、俯视、近看、远看等操作。
全景虚拟现实主要应用在旅游景观及酒店建筑等环境展示。
环物虚拟现实是以所拍摄物体为中心，采集一系列连续的帧序列，然后缝合成三维物体，可以进行旋转、拉远、拉近观看。
环物虚拟现实主要用于博物馆文物数字化及在线商品展示方面。
图8-2全景虚拟现实图8-3环物虚拟现实
（2）3D/VR虚拟现实
3D/VR虚拟现实（PolygonbaseVirtualReality）是使用三维模型设计软件，通过多个多边形组合成一个三维模型，再给模型增加上纹理、材质、贴图等完成虚拟场景及人物的三维呈现。
3D/VR虚拟现实如图8-4所示。
影像式虚拟现实与3D/VR虚拟现实相比，前者能够提供高度逼真的效果、最大限度的保存真实物体的原有信息，但只能进行旋转及有限度的拉远、拉近观看，交互性不够；
而后者由于手工建模，有误差的存在，很难达到影像式虚拟现实所能保存原始信息的程度，但其能够提供丰富的交互行为，方便用户对虚拟世界进行各种自然、和谐的交互。
图8-43D/VR虚拟现实
2．按虚拟现实系统的功能和实现方式分类
虚拟现实技术不仅指那些采用高档可视化工作站、高档头盔显示器等一系列昂贵设备的技术，也包括一切与其有关的具有自然交互、逼真体验的技术与方法。
虚拟现实技术的目的在于达到真实的体验和基于自然的交互，而对一般的单位或个人不可能承受昂贵的硬件设备及相应软件的价格，现在人们根据不同用户应用的需要，提供了桌面式、沉浸式、增强式、分布式虚拟现实系统等从初级到各种高端应用的解决方案。
（1）桌面式虚拟现实
桌面式虚拟现实系统（DesktopVR）是应用最为方便、灵活的一种虚拟现实系统。
它抛开其他或复杂或大型或昂贵的虚拟现实输出设备，用户采用个人计算机作为可视化输出设备，搭配主动立体眼镜观看立体效果；
而在输入设备部分，我们可以选用基本的鼠标键盘进行操作，也可以根据需要搭配三维鼠标、追踪球、力矩球、空间位置跟踪器、数据手套甚至于力反馈设备进行仿真过程的各种设计。
桌面式虚拟现实系统如图8-5所示。
图8-5桌面式虚拟现实系统
桌面式虚拟现实系统主要具有以下三个特点：
a.实现成本低，应用方便、灵活。
b.对硬件设备要求极低，最简单的方式可以通过CRT显示器计算机配合主动立体眼镜来实现虚拟现实系统。
c.用户处于不完全沉浸的环境，会受到周围现实世界的干扰，缺少身临其境的感受，因此有时候为了增强桌面虚拟现实系统的效果，在桌面虚拟现实系统中还可以借助立体投影设备，增大显示屏幕，达到增加沉浸感及多人观看的目的。
对于从事虚拟现实研究工作的初始阶段的开发者及应用者，实现成本低、应用方便灵活，实用性强的桌面虚拟现实系统是非常合适的解决方案。
（2）沉浸式虚拟现实系统
沉浸式虚拟现实系统（ImmersiveVR）是一种高级的、较理想的虚拟现实系统，它提供一个完全沉浸的体验，使用户有一种仿佛置身于真实世界之中的感觉。
它通常采用洞穴式立体显示装置（CAVE系统）或头盔式显示器（HMD）等设备，首先把用户的时间、听觉和其他感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，利用三维鼠标、数据手套、空间位置跟踪器等输入设备和视觉、听觉等设备，使用户产生一种身临其境、完全投入和沉浸于其中的感觉，如图8-6所示。
图8-6沉浸式虚拟现实系统
沉浸式虚拟现实系统具有以下五个特点：
a.具有高度沉浸感。
沉浸式虚拟现实系统采用多种输入、输出设备从视觉、听觉、甚至于触觉、嗅觉等各方面来模拟，营造一个虚拟的世界，并使用户与真实世界隔离，不受外面真实世界的影响，沉浸于虚拟世界之中。
b.具有高度实时性与交互性。
沉浸式虚拟现实系统中，要达到与真实世界相同的感受，必须具有高度实时性能。
c.具有良好的系统集成度与整合性能。
为了实现用户产生全方位的沉浸，就必须要多种设备与多种相关软件相互作用，且相互之间不能有影响，所以系统必须有良好的兼容与整合性能。
d.具有良好的开放性。
虚拟现实技术之所以发展迅速是因为它采用了其他先进技术的成果。
在沉浸式虚拟现实系统中要尽可能利用最先进的硬件设备、软件技术，这就要求虚拟现实系统能方便地改进硬件设备与软件技术，因此必须用比以往更灵活的方式构造虚拟现实系统的软、硬件结构体系。
e.能支持多种输入、输出设备并行工作。
为了实现沉浸性，可能需要多个设备综合应用，如用手拿一个物体，就必须要数据手套、空间位置跟踪器等设备同步工作。
所以说，支持多种输入与输出设备的并行处理是实现虚拟现实系统的一项必备技术。
常见的沉浸式虚拟现实系统有：
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。
基于头盔式虚拟现实系统是采用头盔显示器来实现单用户的立体视觉输出、立体声音输出的环境，它把现实世界与之隔离，使用户从听觉到视觉都能投入到虚拟环境中去，可以使用户完全沉浸。
投影式虚拟现实系统是采用一个或多个大屏幕投影来实现大画面的立体视觉效果和立体声音效果，使多个用户同时具有完全投入的感觉。
远程存在系统是一种远程控制形式，也称遥操作系统。
它由人、人机接口、遥操作机器人组成。
实际上是遥操作机器人代替了计算机，这里的环境是机器人工作的真实环境，这个环境是远离用户的，可能是人类无法进入的工作环境（如核环境、高温、高危等环境），这时通过虚拟现实系统可使人自然地感受这种环境，并完成此环境下的工作。
（3）增强现实系统
增强现实（ARAugmentedReality）是一个较新的研究领域，是一种利用计算机对使用者所看到的真实世界产生的附加信息进行景象增强或扩张的技术。
Azuma是这样定义增强现实的：
虚实结合，实时交互，三维注册。
增强现实系统是利用附加的图形或文字信息，对周围真实世界的场景动态地进行增强。
在增强现实的环境中，使用者可以在看到周围真实环境的同时，看到计算机产生的增强信息。
这种增强的信息可以是在真实环境中与真实环境共存的虚拟物体，也可以是关于存在的真实物体的非几何信息。
增强现实在虚拟现实与真实世界之间的沟壑上架起了一座桥梁。
因此，增强现实的应用潜力是相当巨大的。
例如，可以利用叠加在周围环境上的图形信息和文字信息，以指导操作者对设备进行操作、维护或是修理，而不需要操作者去查阅手册，甚至不需要操作者具有工作经验；
既可以利用增强现实系统的虚实结合技术进行辅助教学，同时增进学生的理性认识和感性认识；
也可以使用增强现实系统进行高度专业化训练等等。
图8-7增强现实头盔显示器
实现增强现实的一个方法是使用光学透射头盔显示器（opticalsee-throughHMD），如图8-7所示。
使用者可以透过放置在眼前的半透、半反的光学合成器看到外部真实环境的景物，同时也可以看到光学合成器反射的由头盔内部显示器上计算机生成的图像。
当转动和移动头部的时候，眼睛所看到的视野随之变动，同时计算机产生的增强信息也应该随之做相应的变化。
因此，增强现实系统必须能够实时地检测出回路中人的头部位置和指向，以便能够根据这些信息实时确定所要添加的虚拟信息在真实空间坐标中的映射位置，并将这些信息实时显示在图像的正确位置。
这就是三维环境注册系统所要完成的任务。
因此三维环境注册技术一直是计算机应用研究的重要方面，也是主要的难点。
三维环境定位注册所要完成的任务是实时地检测出使用者头部的位置和视线方向，计算机根据这些信息确定所要添加的虚拟信息在投影平面中的映射位置，并将这些信息实时显示在显示屏的正确位置。
注册定位技术的好坏直接决定增强现实系统的成功与否。
（4）分布式虚拟现实系统
计算机技术、通讯技术的同步发展和相互促进成为全世界信息技术与产业飞速发展的主要特征。
特别是网络技术的迅速崛起，使得信息应用系统在深度和广度上发生了本质性的变化，分布式虚拟现实系统（DVR）即是一个较为典型的实例。
所谓DVR是指一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，通过计算机与其它用户进行交互，并共享信息。
分布式虚拟现实系统的目标是在“沉浸式”虚拟现实系统的基础上，将地理上分布的多个用户或多个虚拟世界通过网络连接在一起，使每个用户同时参与到一个虚拟空间，通过联网的计算机与其他用户进行交互，共同体验虚拟经历，以达到协同工作的目的。
它将虚拟现实的应用提升到了一个更高的境界。
8.1.4虚拟现实技术的应用
根据有关资料统计，虚拟现实技术目前在军事与航空、娱乐、医学、机器人方面的应用占据主流，其次是在教育及艺术商业领域，另外在可视化计算、制造业等领域也有相当的比例，并且现在的应用也越来越广泛。
（1）军事模拟
虚拟现实的技术根源可以追溯到军事领域，军事应用是推动虚拟现实技术发展的原动力，直到现在依然是虚拟现实系统的最大应用领域，在军事和航天领域早已理解仿真和模拟训练的重要性。
当前趋势是增加技术复杂性和缩短军用硬件的生命周期，这要求仿真器是灵活的、可升级的和可联网的，并允许远地仿真，不需要到仿真器现场。
在队伍仿真中也需要网络，它比单用户更真实，要求虚拟现实是可联网的、灵活的和可升级的，满足军事和航天仿真的需要。
此外，美国政府把发展虚拟现实看成保持美国技术优势的战略部署的一部分，并开始了“高性能计算和计算机通讯”计划（HPCC）。
在这个计划中，自主开发先进的计算机硬件、软件和应用，给虚拟现实的研究与开发产生了极大的推动。
采用VR技术构建武器装备模拟器和各种联网虚拟训练环境进行军事训练，其突出的特点是不仅能够大大减少实战和实装训练中的人员、物资损失，节约训练经费，提高训练质量，而且还不受自然地理环境等其他条件的约束和限制。
目前VR技术在军事训练领域主要集中在虚拟战场环境、单兵模拟训练、近战战术训练和诸军种联合虚拟演习、指挥员训练等方面，它可以缩短学习周期、提高指挥决策能力，大大增强军队的作战效率。
（2）工业仿真
随着虚拟现实技术的发展，其应用从军工大幅进入民用市场。
如在工业设计中，虚拟样机就是利用虚拟现实技术和科学计算可视化技术对每个变化产品的计算机辅助设计（CAD）模型和书数据以及计算机辅助工程（CAE）仿真和分析的结果，所生成的一种具有沉浸感和真实感、并可进行直观交互的产品样机。
波音公司对777系列飞机的设计、沃尔沃公司对新型汽车内部的仪表和控制部件的布置、Caterpillar公司对挖土机驾驶员铲斗动作的可见性的改进等等，都是这种新技术成功应用的典范。
虚拟制造技术与20世纪80年代提出来，在90年代随着计算机技术的迅速发展，得到人们的极大重视而获得迅速发展。
虚拟制造是采用计算机仿真和虚拟现实技术在分布技术环境中开展群组协同作业，支持企业实现产品的异地设计、制造和装配，是CAD/CAM等技术的高级阶段。
利用虚拟现实技术、仿真技术等在计算机上建立起的虚拟制造环境是一种接近人们自然活动的“自然”环境，人们的视觉、触觉和听觉都与实际环境接近。
人们在这样的环境中进行产品的开发，可以充分发挥技术人员的想象力和创造能力，相互协作发挥集体智慧，大大提高产品开发的质量和缩短开发周期。
目前应用主要在产品造型设计、虚拟装配、产品加工过程仿真、虚拟样机等几个方面。
虚拟现实已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用。
虚拟现实技术的引入，使工业设计的手段和思想发生质的飞跃，更加符合社会发展的需要，可以说在工业设计中应用虚拟现实技术是可行且必要的。
（3）数字城市
在城市规划、工程建筑设计领域，虚拟现实技术被作为辅助开发工具。
由于城市规划的关联性和前瞻性要求较高，在城市规划中，虚拟现实系统发挥着巨大的作用。
例如，许多城市都有自己的近期、中期、远景规划，在规划中需要考虑各个建筑同周围环境是否和谐相容，新建筑是否同周围原有的建筑协调，以避免建成建筑物后，才发现它破坏了城市原来的风格和合理布局。
另外随着近些年房地产业的火暴，针对各种楼盘的规划展示以及虚拟售房等建筑虚拟漫游系统迅速普及应用。
因而数字城市领域对全新的可视化技术需求是最为迫切、也是目前国内应用最普遍的领域之一。
（4）数字娱乐
娱乐上的应用是虚拟现实技术引用最广阔的领域，从早期的立体电影到现代高级的沉浸式游戏，其丰富的感觉能力与3D显示世界使得虚拟现实成为理想的视频游戏工具。
由于在娱乐方面对虚拟现实的真实感要求不是太高，所以近几年来虚拟现实在该方面发展较为迅猛。
作为传输显示信息的媒体，虚拟现实在未来艺术领域方面所具有的潜在应用能力也不可低估。
虚拟现实所具有的临场参与及实时交互能力可以将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的，可以使观赏者更具参与性的欣赏作品，理解作者所表达的艺术思想。
如虚拟博物馆，利用网络或光盘等载体实现远程访问，虚拟把玩真实世界中难以实际触摸、观赏的文物。
（5）数字教学
虚拟现实技术在教学中的应用很多，尤其在建筑、机械、物理、生物、化学等相对抽象学科教学中有着质的突破。
它不仅适用于课堂教学，使之更形象生动，也适用于互动实验中。
另外将虚拟现实技术应用于技能培训领域，可以大大节约成本，并且针对一些高危工作环境的功能技能培训，保证了工作的安全性。
比较典型的应用是训练飞行员的模拟器及汽车驾驶的培训系统。
交互式飞机模拟驾驶器是一种小型的动感模拟设备，舱体内前面是显示屏幕，配备飞行手柄和战斗手柄，在虚拟的飞机驾驶训练系统中，学员可以反复操作控制设备，学习在各种天气情况下驾驶飞机起飞、降落，通过反复训练，达到熟练掌握驾驶技术的目的。
（6）电子商务
在商业方面，近年来，虚拟现实技术被广泛应用于产品展示及推销。
利用虚拟现实技术全方位地对商品进行展览，展示商品的多种功能；
另外还能模拟工作时的情景，包括声音、图像等效果，比单纯使用文字或图片宣传更加具有吸引力。
这种展示可用于Internet中，可实现网络上的三维互动，为电子商务服务，同时顾客在选购商品时可根据自己的意愿自由组合，并实时看到它的效果。
8.2虚拟现实系统的组成
一个典型的虚拟现实系统主要由计算机、输入输出设备、虚拟现实设计/浏览软件（应用软件系统）等组成。
用户以计算机为核心，通过输入输出设备与应用软件设计的虚拟世界进行交互。
虚拟现实系统构成如图8-8所示。
图8-8虚拟现实系统构成
（1）计算机
在虚拟现实系统中，计算机是系统的心脏，有人也称之为虚拟世界的发动机。
它负责虚拟世界的生成、人与虚拟世界的自然交互等功能的实现。
（2）输入输出设备
在虚拟现实系统中，用户与虚拟世界之间要实现自然的交互，这必须采用特殊的输入与输出设备，用以识别用户各种形式的信息输入，并实时生成逼真的反馈信息。
（3）虚拟现实系统应用软件
在虚拟现实系统中，应用软件完成的功能有：
虚拟世界中物体的模型的建立；
虚拟世界的实时渲染及显示；
三维立体声音的生成等等。
8.2.1虚拟现实系统的硬件设备
虚拟现实系统的首要目标是建立一个虚拟的世界，处于虚拟世界中的人与系统之间是相互作用，相互影响的。
特别要指出的是，在虚拟现实系统中要求人与虚拟世界之间必须是基于自然的人机全方位交互。
当人完全沉浸于计算机生成的虚拟世界之中时，我们常用的计算机键盘、鼠标等交互设备就变得无法适应要求了，而必须采用其他手段及设备来与虚拟世界进行交互，即人对虚拟世界采用自然的输入方式，虚拟世界要根据其输入进行实时场景自然输出。
1．输入设备
（1）3D鼠标器
普通鼠标只能感受在平面运动，而3D鼠标如图8-9所示则可让用户感受到在三维空间中的运动。
推、拉、倾斜或转动操控器，就能对三维物体和环境进行同步平移、缩放和旋转。
图8-93D鼠标图8-10数据手套
（2）数据手套
数据手套是一种被广泛使用的传感设备，如图8-10所示。
它戴在用户手上，作为一只虚拟的手用于与虚拟现实系统进行交互，可以在虚拟世界中进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制等操作，并把手指和手掌伸屈时的各种姿态转换成数字信号传送给计算机，计算机通过应用程序识别出用户的手在虚拟世界中操作时的姿势，执行相应的操作。
在实际应用中，数据手套还必须配有空间位置跟踪器，检测手在空间中的实际方位及其运动方向。
（3）位置追踪器
三维定位跟踪设备是虚拟现实系统中关键传感设备之一，如图8-11所示。
它的任务是检测位置与方位，并将其数据报告给虚拟现实系统。
在虚拟现实系统中用来跟踪用户的头部或者身体的某个部位的空间位置和角度，一般与其它虚拟设备结合使用。
图8-11位置跟踪器图8-123D扫描仪
（4）3D扫描仪
三维扫描仪是一种三维模型输入设备，如图8-12所示。
它是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具，能快速方便地将真实世界的立体彩色的物体转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。
（5）动作采集器
运动采集系统利用网络连接的运动捕捉摄像机和其它相应设备来进行实时运动捕捉和分析，如图8-13所示。
捕捉的数据既可简单到记录躯体部件的空间位置，也可复杂到记录脸部和肌肉群的细致运动。
图8-13运动捕捉系统
Vicon系统是一套专业化的运动采集系统，工作过程中有四个最主要的环节：
校准、捕捉、后台处理、数据处理。
校准：
校准过程实际上就是定位各个摄像机位置的过程。
捕捉：
将光学跟踪器粘贴在身体的相应部位，在不方便粘贴的部位，将提供相应的部件，便于跟踪器的固定。
之后只需要使用鼠标在计算机软件操纵介面中点击开始按钮，就可以进行捕捉工作。
后台处理：
包括全自动三维数据重建、跟踪器自动识
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