虛擬現實技術導論第1章概論本講大綱1.1基本概念及發展簡史1.2虛擬現實的關聯概念1.3典型特征1.4虛擬現實系統1.5虛擬現實系統的構建過程1.6習題1.1基本概念及發展簡史虛擬現實(VR)——三元世界的界面真實世界虛擬世界

人虛擬現實是人與虛擬世界及真實世界的相互作用虛擬現實就是采用以計算機技術為核心的現代高技術生成逼真的視、聽、觸覺一體化的一定范圍的三維虛擬環境，用戶可以借助必要的裝備以自然的方式與虛擬環境中的物體進行交互作用、相互影響，從而獲得親臨等同真實環境的感受和體驗。基本概念虛擬現實技術充分利用計算機硬件和軟件的集成技術，提供一種實時、三維的虛擬環境，用戶借助必要的設備（如頭盔，手套等）以自然方式與虛擬環境中的物體進行交互，從而沉浸于虛擬環境中，產生接近真實環境的感受和體驗。虛擬環境是由計算機生成的實時動態的三維立體逼真圖像，它可以是某一現實世界的再現，也可以是虛擬構想的世界。關鍵詞：3D+交互基本概念3D＋交互示例虛擬現實產生的背景與應用需求演化密切相關與計算技術發展密切相關虛擬現實產生的背景現代科學研究的主要手段理論研究（推導、演繹）科學實驗（統計、歸納）一個問題如何使得計算過程和結果更為直觀？科學計算數值計算方法模擬仿真新的計算方法虛擬現實產生的背景直觀為什么首先要可視？真正的直觀需要可視、可聽、可觸、可嗅，而視覺占到人的輸入信息的80%以上，是基本的可視的概念并不陌生解析幾何（代數、幾何）在于虛擬現實關聯的學科中，與“可視”相關的也是最早發展的虛擬現實產生的背景虛擬現實考慮的核心問題如何把現實世界中物體和數據映射成具有某種幾何、物理和行為屬性的對象（實物虛化）如何計算機中的虛擬對象映射到現實世界中（虛物實化）發展簡史80多年前的飛行模擬器……1929年EdwinA.Link發明了一種飛行模擬器“藍盒子”，可提供俯仰、偏航、滾轉等復雜飛行動作。這是人類模擬仿真物理現實的初次嘗試如今，全球民航共使用著約1200余臺全飛模擬機，其中約550臺位于美國、75臺位于英國、我國擁有約60多臺，而德國和日本分別擁有50臺，法國擁有其中的40余臺發展簡史

50多年前的摩托車仿真器……1956年，MortonHeileg開發了一個摩托車仿真器Sensorama，基于一對并排的35mm照相機實現三維視頻反饋，有立體聲效，能產生振動感覺1962年的“Sensoramasimulator”專利已具有一定的VR技術的思想發展簡史圖形學和VR的里程碑，63－68年……IvanSutherland：1963畫板1965終極的顯示1966HMD1968

E&S1988圖靈獎發展簡史圖形學和VR的里程碑，63－68年……IvanSutherland：1963畫板1965終極的顯示1966HMD1968

E&S1988圖靈獎發展簡史人機交互1987年，James.D.Foley在具有影響力的《科學美國人》上發表了“InterfacesforAdvancedComputing”。該雜志還發表了報導數據手套的文章，引起人們的關注發展簡史AR……VR……1973年，Krueger提出了“ArtificialReality”一詞，這是早期出現的VR詞語1989年，美國VPL公司的創立者JaronLanier提出了VirtualReality一詞2014年3月20日，Facebook公司宣布斥資20億美元收購虛擬現實公司Oculus。這是Facebook金額排名第二的收購交易2014年7月25日，Amazon發布FirePhone3D手機，

增強3D購物/娛樂體驗2014年9月，微軟研發3D觸覺反饋觸摸屏：醫生可以摸到腫瘤2015年1月22日，微軟舉辦Win10預覽版發布會，推出HoloLens全息影像頭盔2015年CES（國際消費電子展），三星等推出的多款虛擬現實頭盔、應用等發展簡史發展簡史虛擬現實可能應用的九個領域：2016年1月14日，高盛發布58頁報告，指出虛擬現實（VR）和增強現實（AR）將像PC一樣改變世界預期到2025年VR和AR軟硬件營收達800-1800億美元高盛預測報告：像PC一樣改變世界視頻游戲現場直播視頻娛樂零售業房地產教育健康工程軍事發展簡史2018年，美國公布的《2016-2045年新興科技趨勢報告》預測未來30年里，虛擬現實和增強現實這些技術將成為主流技術。AR將把實時相關的信息給用戶投放在現實中，而VR則可以通過融合視覺、聽覺、嗅覺和觸覺來實現深度沉浸的體驗。發展簡史近年來，元宇宙（Metaverse）成為市場上比較火熱的概念。元宇宙指利用科技手段連接與創造出與現實世界映射和交互的虛擬世界，該虛擬世界同時是一個具備基本新型社會體系的數字生活空間。其本質是對現實世界的虛擬化、數字化，包括對內容生產、經濟系統、用戶體驗以及實體世界大量真實內容的改造。其中，擴展現實（ExtendedReality，XR）技術是VR與AR技術的綜合，為用戶提供沉浸式體驗，與數字孿生技術、區塊鏈技術一道成為支持元宇宙的核心技術之一。發展簡史使人機界面、人機交互自然、友好是計算機科學工作者不懈追求的目標。計算與仿真成為科學技術探索除理論研究、科學實驗之外的第三種手段。人們在許多領域所需解決的問題越來越需要有力的預測手段和虛擬環境。追求、探求、需求計算機科學工作者不斷追求的三個目標：快捷，聰明，和諧虛擬現實的三大應用方向訓練演練(模擬現實環境)規劃（設計）預測(虛擬未來環境)觀賞娛樂(構想現實未來幻想環境)1.2虛擬現實的關聯概念與VR緊密相關的概念MR（混合現實）、AR（增強現實）、AV（增強虛擬）這些概念根據虛擬環境與真實環境信息融合的程度劃分虛擬現實發展的四個傳統領域

虛擬現實傳統仿真真實數據等游戲動畫CAD/CAM圖形圖像人機交互等概念仿真等虛擬實體等近年來一些熱詞都有與虛擬現實相關內容云計算：GoogleGlass（顯示）大數據：可視分析（視覺處理）可穿戴：新型人機界面（交互方式）5G：全景展示（內容展現形式）人工智能：內容處理，交互1.3典型特征VR3I典型特征示意圖沉浸（Immersion）交互（Interaction）構想（Imagination）虛擬現實的三個主要特點依托的學科多（多學科交叉融合）應用性強（與應用領域交叉融合）高度依賴數據資源和計算資源1.4虛擬現實系統虛擬現實系統邏輯結構典型虛擬現實系統一般包含一個虛擬環境（VirtualEnvironment，VE）及若干化身虛擬現實系統的4種分類（1）沉浸型（2）桌面型（3）增強型（4）分布型沉浸型這類系統主要面向高端應用，其典型特點是使用高端圖形工作站（群）和高逼真感的視聽觸設備，以提供更好的沉浸感。航天航空領域的應用沉浸型這類系統主要面向高端應用，其典型特點是使用高端圖形工作站（群）和高逼真感的視聽觸設備，以提供更好的沉浸感。醫學領域的應用桌面型這類系統主要面向普及型應用，其典型特點是基于個人計算機和常規交互設備，在通用硬件上構造簡易型的系統。虛擬奧運博物館增強型這類系統主要面向增強現實的應用，其典型特點是：利用機械、聲波、光學、電磁技術獲取運動物體的3D姿態，然后與虛擬對象進行注冊、融合，并使用透視頭盔式顯示器，在現實場景中疊加虛擬物體，增加虛實融合的內容。大飛機虛擬融合系統分布型這類系統主要面向網絡環境下的虛擬現實應用，其典型特點是：利用網絡將不同節點的虛擬現實系統加以聯結，構建共享一致的虛擬環境，從而進行協同和交互。分布型分布型虛