新一代信息技术-虚拟现实

《新一代信息技术》之虚拟现实技术VR视界，未来已来！目录虚拟现实概念VR发展现状VR关键技术VR应用领域及前景1PARTONE虚拟现实概念“虚”与“实”昔者庄周梦为蝴蝶，栩栩然蝴蝶也，自喻适志与！不知周也。俄然觉，则蘧蘧(qu,惊喜)然周也。不知周之梦为蝴蝶与，蝴蝶之梦为周与？——《庄子·齐物论》庄周梦蝶从前有一天,庄周梦见自己变成了蝴蝶,一只翩翩起舞的蝴蝶.自己非常快乐,悠然自得,不知道自己是庄周.一会儿梦醒了,却是僵卧在床的庄周.不知是庄周做梦变成了蝴蝶呢,还是蝴蝶做梦变成了庄周呢?庄周梦蝶是庄子提出的一个哲学论点,认为人不可能确切地区分真实和虚幻.人如何认识真实?如果梦足够真实,人没有任何能力知道自己是在做梦.08:51

S.6带观众游走于梦境与现实之间，发生在意识结构内的当代动作科幻片——盗梦空间VR题材科幻影片记忆裂痕虚拟偶像（SIMONE，又名虚拟情人、西蒙妮）15’11”、22’00”、37’逃出克隆岛（TheIsland）时空悍将（Virtuosity）异次元骇客（TheThirteenthFloor，又名十三阶梯、十三度空间）黑客帝国盗梦空间S.8虚拟现实的终极目标《黑客帝国》黑客帝国影片片段距离这个目标还有相当的距离……虚拟现实VR虚拟现实（VirtualReality,VR）就是研究一种计算机技术，把人们想象中的东西转化为一种虚拟境界和虚拟存在，而这种虚拟境界和虚拟存在对我们的感觉器官就象真的客观存在一样。

VR借助计算机系统及传感器技术生成三维环境，创造出一种崭新的人机交互方式，通过调动用户各种感官（视觉、听觉、触觉、嗅觉等）来享受更加真实的、身临其境的体验。记忆裂痕虚拟偶像（SIMONE，又名虚拟情人、西蒙妮）15’11”、22’00”、37’逃出克隆岛（TheIsland）时空悍将（Virtuosity）异次元骇客（TheThirteenthFloor，又名十三阶梯、十三度空间）黑客帝国盗梦空间普罗米修斯虚拟现实系统中的“现实”（即所虚拟的环境）大致可分为三种情况：第一种情况是模仿真实世界中的环境。虚拟三大类型第二种情况是人类主观构造的环境。例如，用于影视制作或电子游戏的三维动画。环境是虚构的，几何模型和物理模型可以完全虚构。魔兽世界场景第三种情况是模仿真实世界中的人类不可见的环境。例如，分子的结构，空气中速度、温度、压力的分布等。一个蛋白质分子的示例虚拟现实技术是一种综合应用计算机图形学、人机接口技术、传感器技术以及人工智能等技术，制造逼真的人工模拟环境，并能有效地模拟人在自然环境中的各种感知的高级的人机交互技术。用户应该能够以自然的方式与这个环境交互，从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感，身临其境的感觉。在产业界，将虚拟现实定义为三类技术应用方式：虚拟现实（VR，VirtualReality）、增强现实（AR，AugmentedReality）和混合现实（MR，MixedReality）。虚拟现实的概念虚拟现实基本特征虚拟现实实现过程虚拟现实利用计算机技术生成逼真的、具备视、听、触、嗅、味等多种感知的虚拟环境。它借助于计算机生成一个三维空间，通过将用户置身于该环境中，借助轻便的多维输入输出设备(如跟踪器、头盔显示器、眼跟踪器、三维输入设备和传感器等)和高速图形计算机，并根据由此而产生的一种身临其境的感觉，去感知和研究客观世界的变化规律。2PARTTWO虚拟现实发展现状虚拟现实的发展历史与演变萌芽与诞生（60年代-80年代末）军事与航天的推动（70年代-80年代）渐入民间---游戏、娱乐、模拟应用的刺激（90年代开始）VR在Internet上的兴衰（90年代中-21世纪）VR应用的大众化与多元化（21世纪）世博会、春晚、文化创意产业、3D电影人机交互、增强现实08:51S.18发展进步应用普及第一次是1962年，美国人Morton发明了第一台VR设备，能让人在虚拟摩托车上体验骑行，感受声响、风吹、震动和布鲁克林马路的味道。军事与航天的推动（70年代-90年代）2014年下半年VR浪潮开始席卷全球，硬件产品、大数据、芯片技术等已进入比较成熟的阶段。如今，以HTC、微软、Facebook等科技巨头已经发力VR产业，全球VR产业进入初步产业化阶段，涌现出了HTCVive、OculusRift、暴风魔镜等一系列优秀产品，大批中国企业也纷纷进军VR市场。萌芽出现VR发展历程渐入民间---软硬件技术的发展显卡的出现与飞速发展计算机图形基础算法的发展游戏引擎、虚拟现实平台软件的研发08:51S.201990年最早出现的两款3D游戏08:51S.211995年08:51S.22毁灭战士1&2（Doom1&2）2004年Doom3的阴影08:51S.2308:51

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S.272011年，Crysis208:51S.28虚拟高尔夫球场08:51S.29发展现状随着Facebook收购Oculus，以及技术的不断完善，VR在2014年迎来发展元年。2014—2016年，VR处于市场培育期，特别是2016年美国消费电子展上，虚拟现实产品成为展会的绝对主角；随着广泛的应用产品出现，2017—2019年，VR将进入快速发展期，行业对标准、相互兼容的应用、配件需求出现快速增长，VR消费级市场认知加深，VR企业级市场将逐步启动发展；预计到2020年左右，虚拟现实市场将进入相对成熟期，硬件解决方案趋合、平台系统开源化、大部分技术难题将有效得以解决、内容支撑全面、应用场景改进，产业链逐渐完善。3PARTTWO虚拟现实应用领域及前景3.1飞行模拟飞行模拟是虚拟现实技术应用的先驱。通过模拟器训练飞行员是一条有效的途径，同时，飞行模拟器可以作为一种试验床，对飞机的操纵性、稳定性和机动性进行测试和评定，较容易分析飞机气动参数的修改对飞行品质的影响。最为成功的例子就是“哈勃望远镜的修复和维护”。经过这个虚拟系统的训练，宇航员于1993年12月，成功地完成了从航天飞机上取出备件更换哈勃太空望远镜上损坏的MRI这一复杂而又费时的任务。S.33飞行训练飞行、航海驾驶模拟3.2医学方面

虚拟现实可以用于教学、复杂手术过程的规划、在手术过程中提供操作和信息上的辅助、预测手术结果等。此外，远程医疗服务也是一个很有潜力的应用领域。也可以用于医学心理学，尤其是在与心理失调有关的恐惧和忧虑疾病方面。高空救猫体验医学模拟、仿真3.3宣传展示虚拟博物馆虚拟校园漫游三维数字地球在线平台3.4娱乐游戏如家庭中的桌面游戏，公共场所的各种仿真等。目前基于虚拟现实技术的游戏主要有驾驶型游戏、作战型游戏和智力型游戏三类。在北京奥运会的开幕式中也用到了虚拟现实的技术。三维沙盘软件：包括各种活动的三维动画展示。VR应用的大众化与多元化（21世纪）多媒体创意展示：虚拟现实与数字媒体、文化创意紧密结合起来奥运、世博、春晚3D电影阿凡达、猩球崛起08:51S.39清明上河图---水晶石公司制作08:51S.40神奇的水波纹

S.41发展前景2016年被称为VR元年，Oculus、HTC、Sony为主的VR硬件厂商入局，教育、医疗、游戏等领域纷纷引入VR技术。虽然目前游戏依然是VR最主要的应用，但事实上VR技术在很多领域都有施展的空间。你可以用VR讲一个故事，也可以用VR让一个人旅行到很远很远的地方。VR应用的九大领域：视频游戏、事件直播、视频娱乐、医疗保健、房地产、零售、教育、工程和军事。未来VR应用只会越来越广，新公司新的衍生技术也会不停的诞生，不仅国内国外也是如此，VR必然是潜力巨大的蓝海产业。未来应用游戏领域游戏，是目前人们认为VR最容易触及的一个行业，也最有“钱途”。VR可以提供几乎与真实环境一致的体验，且所需设备并不复杂，你可以通过手持设备实现与三维场景的互动，以自然的方式（头的转动、手的运动等）达到近似现实的体验效果，游戏其中自得其乐。医疗领域医疗，借助VR，人们可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，学习了解人体内部各器官结构，对虚拟的人体模型进行手术等，观测手术后的效果，还可以利用VR技术训练新医生。教育领域带上vr眼镜之后就像身在教室里边，你转头或者是抬头低头场景都会发生对应的变化，给整个教学及实训实验带来非常逼真的体验。虚拟培训

虚拟实验室旅游展示VR能把你带进未来，也就能把你带回过去。VR能把你带到任何地方。比如在建筑领域方面，小区的规划包括如何实施、呈现，这跟基于PC端的3D显示不一样，因为它受屏幕的所限，而VR就可以让你像真正地在一个园子里行走一样，一草一木皆清晰可触摸一样的感觉，达到逼真的体验效果。新闻领域在2016年两会，VR已渗透到直播环节。国家“十三五”规划纲要明确指出，要推动虚拟现实与互动影视等新兴前沿领域的创新和产业化，可见其重要的战略意义。全景视频VR人才奇缺虚拟现实(VR)正成为全球最炙手可热的“金矿产业”，其领域人才成为“稀缺物”。当前虚拟现实的发展对于人才的需求是一个很大的缺口。各个大型企业也纷纷高薪聘请挖掘高科技人才，整个VR行业对于人才的需求现在也处于一个供不应求的局面。从2016VR元年到现在，不管是在硬件设备、VR内容、各种相关的VR应用也得到了很大的发展，总的来说目前VR行业的发展还是值得肯定和期待的。4PARTTWO虚拟现实关键技术虚拟现实系统的组成虚拟世界介入者（人）感知设备跟踪设备人机接口感官刺激信号反应动作虚拟现实系统的创作VR平台软件几何建模音频建模外设接口物理建模运动建模材质制作实时仿真虚拟现实系统的相关软件介绍基础图形库：OpenGL,D3d虚拟现实开发库(SDK)OpenInventor,OpenGLPerformer,Vtree,OSG,OGRE虚拟现实平台软件Vega,WorldToolKit(WTK),VRPlatform，Virtools；Unity3D,Torque3D,UnrealEngine,CryEngine……虚拟现实的网络规范语言VRML,X3D需要较高程序开发技能，对图形编程有了解。门槛低，上手容易，初级开发不需要很多编程基础，图形引擎仿真引擎游戏引擎虚拟现实的接口设备

人的视觉特效立体视觉视场虚拟现实接口设备视觉显示设备听觉显示设备触觉/力觉等显示设备跟踪设备08:51

S.57立体视觉人为什么要长两只眼睛？仅从单幅场景图像无法获知物体的深度信息两眼大约有6.5cm的瞳距，对同一场景，两眼得到的图像略有差别，大脑对这两幅图像中的细节进行解释使你有距离和深度的感觉立体视觉只要使双眼各自看到恰当的图像，就能使人产生立体的感觉。立体显示的原理就是通过体视设备使左右两眼看到两幅图像。两幅图象之间存在的水平位差在人眼中形成视差，使得原本在二维平面上的图像被重构成一虚拟的立体空间。08:51

S.59视觉显示设备视觉显示设备视觉显示表面成像系统跟踪系统发光二极管显示器（LED）08:51投影类显示司空见惯的投影仪投影在投影幕上、墙上或者任何地方omniTouch.flv08:51能够让任何表面或物体变成交互式显示屏幕，辨识操作者的手势动作。TED_SixSense.flv08:51

S.62几种典型的虚拟现实立体显示设备头盔式立体显示器HMD可看穿的HMD双目全方位监视器BOOM立体眼镜式立体显示器环屏或球屏立体显示设备洞穴式立体显示（CAVE）自动立体显示器08:51HMD

08:51可看穿的头盔显示器BAE为“鹰狮”提供综合头盔显示器系统Sony公司的LDI-100头盔显示器，重量120g，提供可看穿的显示在看穿的头盔显示中，虚拟图像投射在观察者眼前的半反光半透明的光学玻璃上。于是在看到计算机生成的虚拟图形的同时，也看到真实场景。08:51

S.65立体眼镜式立体显示显示设备提供左右眼交替的立体显示对；通过佩带立体眼镜使双目分别观看左右图像，从而产生立体视觉。按照眼镜原理分类主动系统（有源系统）。通过场顺序眼镜（液晶光阀眼镜）使双眼分时观看左右图像；被动系统（无源系统），使用红绿眼镜、偏振眼镜等使双眼分别观看不同的左右图像。08:51

S.66环屏立体显示设备180度环状屏幕08:51

S.67双通道，三幕球幕08:51

S.68四川志胜公司球幕1四川志胜公司球幕208:51

S.69球屏立体显示设备08:51

S.70洞穴式立体显示（CAVE）08:51

S.7108:51中视典CAVE中视典CAVE2国内市场上主要有三种类型的VR硬件：VR眼镜（手机盒子）、PC端VR头显（头盔），以及VR一体机。前两种均可归为头戴式VR产品，占据市场主流。暴风魔镜【支持全面屏手机】爱奇艺智能VR眼镜HTCVIVE智能VR眼镜PCVR3D头盔小鸟看看PicoNeoVR一体机/cn/VIVE操控手柄和头戴式设备的360˚精确追踪技术、超逼真画质、立体声音效和触觉反馈系统价位：2488，4888——至万元不等三星GearVR智能VR眼镜/头显（虚拟现实头戴式显示器）08:51

S.79还有少数对嗅觉、味觉等的模拟工作08:51还有少数对嗅觉、味觉等的模拟工作

嗅觉研究的实例2007年日本奈良尖端技术研究生院大学教授千原国宏领导的研究小组开发出一种嗅觉模拟器只要把虚拟空间里的水果拉到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处放出水果的香味来自谷歌08:51

S.81味觉研究的实例2003年的国际计算机图形学大会（Siggraph）上，日本筑波大学展示了其研制的味觉虚拟器。它可以真实地模拟食物在口中咀嚼时的味道和口感。振动式虚拟味觉设备—TagCandy08:51接吻机器人08:51

S.832012年2月新家坡国立大学研制08:51虚拟怀孕2009年IavalVirtual虚拟现实大会上的一个展示。日本的一个产品。用户可以体验怀孕的感受。感受重量以及被婴儿踢的感觉。里面是一个水袋。跟踪（定位）设备机械式传感器——数据手套VPL公司的DataGlove：光纤导管08:51

S.86光学传感器应用：人脸表情或动作捕捉08:51

S.87光学传感器应用：人脸表情或动作捕捉08:51

S.88阿凡达演示表情捕捉08:51位置跟踪器已经在游戏中得到越来越广范的应用索尼2010年推出了PS3动作控制手柄PlayStationMove（又称为体感手柄）Wii宣传片08:51