1-1

虚拟现实技术及应用

1-2

第1章 虚拟现实技术概论1.1 虚拟现实技术的发展史 1.2 虚拟现实技术的概念 1.3 虚拟现实技术的特征 1.4 虚拟现实系统的分类 1.5 虚拟现实技术的应用领域 1.6 虚拟现实技术的研究现状

1-3

虚拟现实技术虚拟现实技术(Virtual Reality)简 虚拟现实技术(Virtual Reality)简 称VR技术，是20世纪末逐渐兴起的一门 VR技术，是20世纪末逐渐兴起的一门 综合性信息技术，融合了数字图像处理、 计算机图形学、人工智能、多媒体、传感 器、网络以及并行处理等多个信息技术分 支的最新发展成果。

1-4

1.1 虚拟现实技术的发展史 1929年，Edward Link设计出用于训练飞行 1929年，Edward Link设计出用于训练飞行员的模拟器，,使乘坐者的感觉和坐在真的 飞机上是一样的。

。

1-5

1956年，Morton Heilig开发出摩托车仿真 1956年，Morton Heilig开发出摩托车仿真器 Sensorama , Sensorama具有三维显示 Sensorama具有三维显示 及立体声效果，并能产生振动和风吹的感 觉。

1-6

1.1 虚拟现实技术的发展史 1965年，Ivan Sutherland发表论文“Ultimate Display”(终极的显示) 1965年，Ivan Sutherland发表论文“ Display”1965年，Ivan Sutherland在篇名为《 1965年，Ivan Sutherland在篇名为《The Ultimate Display》(终极 Display》 的显示)的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备 以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了 对虚拟现实系统的研究探索历程。

1966年，美国的MIT林肯实验室在海军科研办公室的资助下，研制出了第一 1966年，美国的MIT林肯实验室在海军科研办公室的资助下，研制出了第一个头盔式显示器(HMD),随后又将模拟力和触觉的反馈装置加入到系统中。 个头盔式显示器(HMD),随后又将模拟力和触觉的反馈装置加入到系统中。

1967年，美国北卡罗来纳大学开始了Grup计划，研究探讨力反馈(Force 1967年，美国北卡罗来纳大学开始了Grup计划，研究探讨力反馈(Force

Feedback)装置。该装置可以将物理压力通过用户接口引向用户，可以使人 Feedback)装置。该装置可以将物理压力通过用户接口引向用户，可以使人 感到一种计算机仿真力。

1-7

1968年，Ivan Sutherland研制成功了带跟 1968年，Ivan Sutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器(Head 踪器的头盔式立体显示器(Head Mounted Display,HMD) Display,HMD)

1-8

1.1 虚拟现实技术的发展史 1972年，Nolan Bushnell( Ivan Sutherland 学生)开发出第一个交 1972年，Nolan Bushnell(互式电子游戏Pong 互式电子游戏Pong ,在一台机器上模拟乒乓球，

1977年，Dan Sandin、Tom DeFanti和Rich Sayre研制出第

一个数据 1977年，Dan Sandin、 DeFanti和 Sayre研制出第一个数据手套——Sayre 手套——Sayre Glove

20世纪80年代，美国国家航空航天局(NASA)组织了一系列有关VR 20世纪80年代，美国国家航空航天局(NASA)组织了一系列有关VR技术的研究 ：1984年，NASA Ames研究中心的M. McGreevy 和J. 1984年，NASA Ames研究中心的M. Humphries开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器；1987年， Humphries开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器；1987年， Jim Humphries设计了双目全方位监视器(BOOM)的最早原型。 Humphries设计了双目全方位监视器(BOOM)的最早原型。

1-9

1.1 虚拟现实技术的发展史 1990年，在美国达拉斯召开的Siggraph会议上，明确提出VR技术研究 1990年，在美国达拉斯召开的Siggraph会议上，明确提出VR技术研究的主要内容包括实时三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率 显示技术，为VR技术的发展确定了研究方向。 显示技术，为VR技术的发展确定了研究方向。

从20世纪90年代开始，VR技术的研究热潮也开始向民间的高科技企业 20世纪90年代开始，VR技术的研究热潮也开始向民间的高科技企业转移。著名的VPL公司(发出第一套传感手套命名为“DataGloves” 转移。著名的VPL公司(发出第一套传感手套命名为“DataGloves”,第 一套HMD命名为“EyePhones” 一套HMD命名为“EyePhones”。

20世纪90年代，迅速发展的计算机软件、硬件系统使得基于大型数据 20世纪90年代，迅速发展的计算机软件、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础。其中，利用虚拟现实技 术设计波音777获得成功，是近几年来又一件引起科技界瞩目的伟大成 术设计波音777获得成功，是近几年来又一件引起科技界瞩目的伟大成 果。

1-10

1994年3月在日内瓦召开的第一届WWW大会上，首次正式提出 1994年 月在日内瓦召开的第一届WWW大会上，首次正式提出了VRML这个名字。后来又出现了大量的VR建模语言，如：X3D, VRML这个名字。后来又出现了大量的VR建模语言，如：X3D, Java3D等。 Java3D等。

1994年，Burdea G和Coiffet出版了虚拟现实技术一书，在书中他 1994年，Burdea G和Coiffet出版了虚拟现实技术一书，在书中他用3I(Imagination、Interaction、Immersion)概括VR的三个基 3I(Imagination、Interaction、Immersion)概括VR的三个基 本特征。

进入21世纪后，VR技术更是进入软件高速发展的时期， 进入21世纪后，VR技术更是进入软件高速发展的时

期，一些有代表性的VR软件开发系统不断在发展完善，如MultiGen 一些有代表性的VR软件开发系统不断在发展完善，如MultiGen Vega、OpenSceneGraph、Virtools等。 Vega、OpenSceneGraph、Virtools等。

1-11

1.2 虚拟现实技术的概念虚拟现实技术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 “投入”到该环境中，实现用户与该环境 投入” 直接进行自然交互的技术。VR让用户使用人的自然技能 VR让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行操作，并能提供视觉 听觉 触觉 等直观自然的实时感知。

1-12

1.2 虚拟现实技术的概念个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、 个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、 以高性能计算机为核心的虚拟环 境处理器、以头盔显示器为核心 境处理器、以头盔显示器为核心 的视觉系统、以语音识别、声音 合成与声音定位为核心的听觉系 统、以方位跟踪器、数据手套和 统、以方位跟踪器、数据手套和 数据衣为主体的身体方位姿态跟 踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉 与力觉反馈系统等功能单元构 成。 。

1-13

虚拟现实交互设备 在VR系统中，有许多有趣的、功能不同的专 VR系统中，有许多有趣的、功能不同的专 用设备，下面选一些代表性的设备加以介绍。

显示设备： 显示设备： 头盔显示器

1-14

BOOM可移动式显示器：它是一种半投入式视觉 BOOM可移动式显示器 可移动式显示器：显示设备。使用时，用户可以把显示器方便地置于眼前， 不用时可以很快移开。BOOM使用小型的阴极射线管，产 不用时可以很快移开。BOOM使用小型的阴极射线管，产 生的像素数远远小于液晶显示屏，图像比较柔和，分辨率 为1280×1024像素，彩色图像。 1280×1024像素，彩色图像。

Crt 终端-液晶光闸眼镜 终端 大屏幕投影液晶光闸眼镜

1-15

2.操作设备 2.操作设备

数据手套 力矩球 操纵杆 触觉反馈 力学反馈 TELETACT手套 TELETACT手套 它是一种用于触觉和力觉反馈的装置，利用小气袋向手提供触觉和力觉的刺激。这些小气袋能 被迅速地加压和减压。当虚拟手接触一件虚拟物体时，存储在计算机里的该物体的力模式被调用， 压缩机迅速对气袋充气或放气，使手部有一种非常精确的触觉。 数据衣 为了让VR系统识别全身运动而设计的输入装置。数据衣对人体大约50多个不同的关节进行测量， 为了让VR系统识别全身运动而设计的输入装置。数据衣对人体大约50多个不同的关节进行测量， 包括膝盖、手臂、躯干和脚。通过光电转换，身体的运动信息被计算机识别。通过BOOM显示器和 包括膝盖、手臂、躯干和

脚。通过光电转换，身体的运动信息被计算机识别。通过BOOM显示器和 数据手套与虚拟现实交互数据衣

1-16

1.3 虚拟现实技术的特征VR技术的三角形 VR技术的三角形

交互性(Interactivity) 交互性(Interactivity) 沉浸感(Immersion) 沉浸感(Immersion) 想象力(Imagination) 想象力(Imagination)