第1章虚拟现实技术概论

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1、第1章虚拟现实技术概论【主要知识点】（1）虚拟现实技术的定义。（2）虚拟现实技术的发展历史。（3）虚拟现实系统的组成。（4）虚拟现实技术的特性。（5）虚拟现实系统的分类。（6）虚拟现实技术的发展现状。（7）虚拟现实技术的应用。虚拟现实技术是20世纪末逐渐兴起的一门综合性技术，涉及计算机图形学、多媒体技术、传感技术、人机交互、显示技术、人工智能等多个领域，交叉性非常强。虚拟现实技术在教育、医疗、娱乐、军事等众多应用领域有着非常广泛的应用前景。由于改变了传统的人与计算机之间被动、单一的交互模式，用户和系统的交互变得主

2、动化、多样化、自然化，因此虚拟现实技术被认为是21世纪发展最为迅速、对人们的工作生活有着重要影响的计算机技术之一。1.1虚拟现实技术的定义虚拟现实的英文名称为virtualreality(简称VR)。virtual意味着用户感知到的世界并非真实的，而是由计算机技术虚拟生成的；reality一词的含义是现实，泛指存在于真实世界中的各种事物。两个单词合起来称为虚拟现实，也叫灵境技术或虚拟环境。目前尚无对虚拟现实的标准定义，现有的多种定义可分为狭义和广义两种。狭义的定义将虚拟现实技术视为一种智能人机接口。在虚拟环境中，

3、用户可以用真实世界中的感知方式来感受计算机生成的虚拟世界，得到和真实世界中一致的感受。用户可以通过视觉、听觉、触觉、嗅觉等感官通道看到彩色的、立体的虚拟景象，听到虚拟环境中的立体声音，感觉到虚拟环境反馈的作用力，甚至闻到虚拟环境中的气味。广义的虚拟现实是对虚拟想象或真实世界的模拟，它不仅是一种人机界面，更是对虚拟世界内部的模拟。在对特定场景的真实再现中，用户通过自然方式接收虚拟环境中的各种感官刺激并加以响应，与虚拟场景中的事物发生交互，从而产生身临其境的感觉［1］。虚拟现实技术创造的虚拟世界是三维的、由计算机生成

4、的、存在于计算机内部的虚拟世界［2］。这种虚拟世界可以是真实世界的再现，如网上世博会展示的古代建筑；也可以是虚拟游戏等现实生活中不存在或难以实现的场景，如电影《阿凡达》中的虚拟世界；还可以是人类在真实世界中不可见的事物，如空气中的PM2.5、温度和压力的分布等。综上所述，虚拟现实技术的定义是：采用以计算机技术为核心的现代科技手段和特殊输入/输出设备模拟产生的逼真的虚拟世界。这个虚拟世界可以是对现实世界的复制，也可以是现实世界中完全不存在的。在这个虚拟世界中，用户可以像在自然世界中一样沉浸其中，通过自由、主动的交互

5、得到身临其境的感受。用户可以通过视觉、听觉、触觉、嗅觉等多通道感官功能看到、听到、摸到、闻到如同现实世界一样真实的场景。1.2虚拟现实技术的发展历史早在20世纪50年代就有人提出了虚拟现实的构想，但由于缺乏必要的软硬件支持，虚拟现实技术在当时并未得到很大的发展。直到20世纪80年代末，随着计算机技术的迅速发展和互联网技术的普遍应用，虚拟现实技术才得到了快速发展和广泛应用。虚拟现实技术的发展大致可以分为三个阶段：20世纪70年代以前是虚拟现实思想的产生阶段，20世纪80年代是虚拟现实技术的初步发展阶段，20世纪80

6、年代末至21世纪初是虚拟现实技术的高速发展阶段。1.2.1虚拟现实思想的产生虚拟现实思想的艺术起源最早可追溯到出现于19世纪60年代的360°大型壁画，如意大利建筑师、画家BaldassarePeruzzi创作的壁画SaladelleProspettive。最早体现虚拟现实思想的设备当属1929年由EdwardLink设计的室内飞行模拟训练器。飞行员通过模拟器进行飞行训练，获得较为逼真的飞行感受，从而在室内就能进行飞行模拟训练，弥补了传统教练机由于机翼短而不能产生足够动力的设计缺陷。1957年，美国科学家Mort

7、onHeilig建造了一个叫Sensorama的原型系统［3］，该系统可供1~5人同时观看，在播放三维动画的同时提供声、光、气味、触感等多种感知反馈，用户可以感觉到坐椅的震动及风吹头发的感觉(图1.1)。虽然该设备不具备交互功能，但Morton仍被视为“沉浸式VR系统”的实践先驱，并于1962年获得专利。而后Morton又设计了Sensorama的改进版：可供多人同时观看的ExperienceTheater。图1.1Sensorama1965年，美国科学家IvanE.Sutherland在UltimateDis

8、play［4］(终极显示)一文中首次提出了具有交互图形显示、力反馈（forcefeedback）设备及声音提示的虚拟现实系统的基本思想：终极显示通过计算机技术控制虚拟空间内的所有事物，空间内的一切事物都是可以感知的。若要对真实世界进行计算机模拟，除视觉外，系统还需要提供尽可能多的感官通道，如听觉、味觉、嗅觉、触觉等。显示内容应随着用户视线的改变而及时更新，用户可以通过手