虚拟现实技术与应用实践

1、内容提要本书是新世世纪高职高高专教改项项目成果教教材。在书书中主要介介绍了虚拟拟现实技术术的基本概概念、虚拟拟现实系统统的组成、虚拟现现实系统的的硬件设备备、虚拟现现实的相关关技术、虚虚拟现实技技术在现实实世界中的的应用。全全书共有66 个章节节，内容包括：概论、虚虚拟现实系系统的硬件件设备、虚虚拟现实系系统的相关关技术与软软件、全景景技术、网网络三维互互动Cullt3D、虚拟现实建建模语言VVRML。附录中附附有VRMML 的关关键字和域域参考等。本书内容较较为全面且且涉及面广广，在编写写时本着侧侧重于普及及、推广及及应用的原原则，内容容方面没有有过多涉及及有关虚拟现实技技术的算法法理论及程

2、程序等。本本书既介绍绍了虚拟现现实技术的的必要理论论，又介绍绍了具有代代表性的虚虚拟现实软软件的使用，并并采用实例例进行讲解解，使读者者能在较短短的时间内内达到入门门及应用的的效果。本书适合于于高等职业业学校、高高等专科学学校、成人人高校、本本科院校举举办的二级级职业技术术学院，也也可供示范范性软件职业技术术学院、继继续教育学学院、民办办高校、技技能型紧缺缺人才培养养使用，还还可供本科科院校、计计算机专业业人员和爱爱好者参考使使用。图书在版编编目（CIIP）数据据虚拟现实技技术与应用用胡小强强主编. 北京：高高等教育出版社，2004.4ISBN 7-04-0147758-0. 虚 . 胡 .

3、虚拟技技术-高等学校校-教材 . TP3991中国版本图图书馆 CIP 数据核字字（20004）第0244745 号策划编辑 冯 英 责任编辑辑 焦建虹 封面设计计 王凌波 责任绘图图 宗小梅版式设计 王艳红 责任校对对 存 怡 责任印制制出版发行 高等教育育出版社 购书热线线 010 - 6400545888社址 北京京市西城区区德外大街街 4 号 免费咨询询 800-810-05988邮政编码 1000011 网网址 httpp:/wwww.hhep.eedu.ccn总机 0110 - 8202288999 htttp:/经 销 新新华书店北北京发行所所印 刷开 本 778710922 1

4、/116 版次次 年 月第 1 版印 张 114.5 印次 年 月第 次印刷字 数 3350 0000 定定价 18.550 元本书如有缺缺页、倒页页、脱页等等质量问题题，请到所所购图书销销售部门联联系调换。版权所有 侵权必究究前 言近几年来，虚虚拟现实（Virtual Reality）技术成为一项十分热门的技术，越来越多的人员投身到这个研究究领域，致致力于虚拟拟现实技术术的研究、开发及应应用推广。虚拟现实实技术、理理论分析和和科学实验已成成为人类探探索客观世世界规律的的三大手段段。据权威威人士断言言，虚拟现现实技术将将是21 世纪信息技术的的代表，由由此可见其其重要性。虚拟现实技技术给我们们

5、带来了什什么？第一一，它改变变了我们的的观念，从从以前的“以计算机机为中心”变为“人是是信息技术术的主体”；第二，它它改进了人人机交互方方式，由过过去人机之之间枯燥、被动的方方式变成了人人通过手和和声音等自自然的交互互方式与机机器交流，人人机融为一一体；第三三，改变了了人们生活活与娱乐的方方式。总之之，虚拟现现实技术的的出现必将将对我们的的生活、工工作带来巨巨大的冲击击，虚拟现现实技术是一个个值得关注注的重要技技术。虚拟现实技技术是200 世纪以以来科学技技术进步的的结晶，在在虚拟现实实系统中集集中体现了了计算机技技术、计算机机图形学、传感技术术、人体工工程学、人人机交互理理论等多个个领域的最

6、最新成果。也正是由由于这些特点及及其在应用用中的魅力力，深深地地吸引了科科技界的研研究人员进进行孜孜不不倦的探索索，但同时时我们也意识到到，我国虚虚拟现实技技术的水平平离人们心心目中追求求的目标尚尚有较大的的距离，与与国外虚拟拟现实技术的研研究与应用用也存在较较大的差距距，因此该该项技术需需要我们进进一步研究究、开发及及完善。现现在存在的问题题有：硬件件方面相应应的交互设设备较少，现现有的设备备价格十分分昂贵；软软件工具方方面存在着着语言专业性性过强、通通用性差、开发费用用高等问题题。同时，有有关嗅觉和和味觉的建建模和传感感技术在虚虚拟现实中的的应用还没没有实现，即即使对于目目前相对较较成熟的

7、视视觉、听觉觉和触觉的的建模和再再现技术，要达到理想想的真实感感和实时性性仍然有较较大的距离离。美国一家杂杂志社在评评选影响未未来的十大大科学技术术时，评选选结果为IInterrnet 位居第一一，虚拟现现实技术名列列第二。最最近几年来来，Intterneet 的应应用变得十十分广泛，媒媒体也吵得得沸沸扬扬扬，相比之之下，虚拟现实技技术仍像刚刚刚问世的的电脑、互互联网络一一样，还没没有引起人人们的足够够重视。该该项技术在在国内介绍较少少，业界也也重视不足足。基于以上几几个原因，我我们觉得有有必要在高高等教育中中增加有关关虚拟现实实技术的教教学内容，吸吸引更多的人去去了解它、关注它、研究它、应用

8、它，以以推动我国国虚拟现实实技术的发发展。目前虚拟现现实技术的的应用面较较广，涉及及军事、航航空、教育育、建筑、医学、工工业、文化化、艺术与娱乐等领领域。本书书在编写中中主要侧重重于虚拟现现实技术的的应用，在在书中介绍绍虚拟现实实技术的基基本概念、虚拟拟现实系统统的硬件设设备、虚拟拟现实中的的相关技术术，还介绍绍了基于实实用的几个个桌面虚拟拟现实工具软件件，而有关关虚拟现实实技术的理理论如建模模方法、优优化、压缩缩算法及程程序等内容容可参阅其其他有关资料。本书在介绍绍虚拟现实实技术必要要理论的同同时，主要要侧重于系系统介绍虚虚拟现实系系统的硬件件与软件以及桌面虚虚拟现实工工具软件的的使用。全全

9、书共有66 个章节节：II 前言言第1 章概概论，主要要介绍虚拟拟现实技术术的概念、组成、特特性，并对对虚拟现实实技术在各各领域的应应用及国内外外的研究现现状、应用用现状作了了介绍。第 2 章章虚拟现实实系统的硬硬件设备，主主要介绍虚虚拟世界的的生成设备备、虚拟世世界的感知知设备、空空间位置跟踪踪定位设备备和面向自自然的人机机交互设备备的功能、特点及应应用情况。第 3 章章虚拟现实实系统的相相关技术与与软件，主主要介绍有有关的环境境建模技术术、实时三三维图形绘绘制技术、三维维虚拟声音音的显示技技术、面向向自然的交交互与传感感技术和碰碰撞检测技技术及基于于网络的Web3DD 技术等等。第 4 章

10、章全景技术术，主要介介绍全景技技术的分类类、特点及及全景照片片的拍摄方方法与原则则，并给出出了几种全景图图制作实例例。第 5 章章网络三维维互动Cuult3DD，主要介介绍了一种种用于网络络互动展示示的软件CCult33D，并通通过实例讲解，使使读者能掌掌握其基本本的使用方方法。第 6 章章虚拟现实实建模语言言VRMLL，VRMLL 是一种种广泛应用用于互联网网的虚拟建建模语言。本章讲述了其发发展状况、语法、浏浏览器的使使用等，并并通过实例例来讲解VVRML 语言的使使用。本书在编写写中注重实实用，在内内容方面力力求做到全全面而系统统，使读者者能通过此此书快速入入门并达到掌握应用用的目的。本书

11、第 11、2、3、4、5 章由胡胡小强编写写，第6 章由吴北北新编写，在在编写过程程中得到况况扬、汪艳、徐翔红红、高昆等等同志的帮帮助，在此此表示感谢谢。本书承浙江江大学计算算机辅助设设计与图形形学国家重重点实验室室多媒体与与虚拟现实实研究室主主任潘志庚研究员员主审，在在此，对他他所提的宝宝贵意见表表示感谢，编编者对此也也已作了相相应的修改改与补充。另外，需要要本书相关关软件及素素材的读者者可以通过过 E-maail 与与VRBoook 联系。由于当前虚虚拟现实技技术发展迅迅速，加之之作者水平平有限，时时间仓促，书书中错漏之之处在所难难免，恳请读者批批评指正。编 者于江西科技技师范学院院200

12、4 年2 月出版说明为认真贯彻彻中共中中央国务院院关于深化化教育改革革全面推进进素质教育育的决定和面向向21 世纪教育振兴兴行动计划划，研究究高职高专专教育跨世世纪发展战战略和改革革措施，整整体推进高高职高专教教学改革，教育育部决定组组织实施新世纪高高职高专教教育人才培培养模式和和教学内容容体系改革革与建设项项目计划（教教高200003 号，以以下简称计划）。计划的目标是是：“经过五年年的努力，初初步形成适应社会主主义现代化化建设需要要的具有中中国特色的的高职高专专教育人才才培养模式式和教学内内容体系。”计划的的研究项目目涉及高职职高专教育育的地位、作用、性性质、培养养目标、培培养模式、教学内

13、容容与课程体系、教学方法法与手段、教学管理理等诸多方方面，重点点是人才培培养模式的的改革和教教学内容体体系的改革，先先导是教育育思想的改改革和教育育观念的转转变。与此此同时，为为了贯彻落落实教育育部关于加加强高职高专教教育人才培培养工作的的意见（教教高200002 号）的的精神，教教育部高等等教育司决决定从20000年起，在全全国各省市市的高等职职业学校、高等专科科学校、成成人高等学学校以及本本科院校的的职业技术术学院（以下简简称高职高高专院校）中中广泛开展展专业教学学改革试点点工作，目目标是：在在全国高职职高专院校校中，遴选若若干专业点点，进行以以提高人才才培养质量量为目的、人才培养养模式改

14、革革与创新为为主题的专专业教学改革试试点，经过过几年的努努力，力争争在全国建建成一批特特色鲜明、在国内同同类教育中中具有带头头作用的示范专专业，推动动高职高专专教育的改改革与发展展。教育部计计划和专专业试点等等新世纪高高职高专教教改项目工工作开展以以来，各有有关高职高高专院校投入了大量量的人力、物力和财财力，在高高职高专教教育人才培培养目标、人才培养养模式以及及专业设置置、课程改革等等方面做了了大量的研研究、探索索和实践，取取得了不少少成果。为为使这些教教改项目成成果能够得得以固化并更更好地推广广，从而总总体上提高高高职高专专教育人才才培养的质质量，我们们组织了有有关高职高高专院校进行了了多次

15、研讨讨，并从中中遴选出了了一些较为为成熟的成成果，组织织编写了一一批“新世纪高高职高专教改项目成成果”教材。这这些教材结结合教改项项目成果，反反映了最新新的教学改改革方向，很很值得广大大高职高专院校校借鉴。新世纪高职职高专教改改项目成果果教材适用用于高等职职业学校、高等专科科学校、成成人高校及及本科院校举办的二二级职业技技术学院、继续教育育学院和民民办高校使使用。高等教育出出版社2002 年11 月30 日目 录 II目录第 1 章章概论贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 11.1 虚虚拟现实技技术概述贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 21.1.11 VR

16、 技术的发发展过程贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 21.1.22 VR 技术的概概念与构成成贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 31.1.33 VR 技术的特特征及意义义贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 51.1.44 VR 技术与三三维动画技技术的异同同贩贩贩贩贩贩 71.2 虚虚拟现实系系统的分类类贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 81.2.11 沉浸式VRR 系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 81.2.22 桌面式VRR 系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 101.2.33 增强式VRR 系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩111.2.44 分布式VRR

17、 系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩111.3 虚虚拟现实技技术的应用用贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 131.3.11 军事与航航空航天贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 131.3.22 教育与训训练贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 161.3.33 商业应用用贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 191.3.44 建筑设计计与规划贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 201.3.55 医学领域域的应用贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 211.3.66 工业应用用贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 221.3.77 影视

18、娱乐乐界的应用用贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 231.4 虚虚拟现实技技术研究现现状与研究究方向贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 241.4.11 VR 技术的现现状贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 241.4.22 VR 技术的局局限性贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 261.4.33 VR 技术的研研究方向贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 27本章小结贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 27习题与思考考题贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 28第 2 章章虚拟现实实系统的硬硬件设备

19、 贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 292.1 虚虚拟世界的的生成设备备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 292.2 虚虚拟世界的的感知设备备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 312.2.11 视觉感知知设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩3312.2.22 听觉感知知设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩4412.2.33 触觉、力力觉感知设设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩422.3 空空间位置跟跟踪定位设设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩4442.3.11 磁跟踪系系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩452.3.22 光

20、学跟踪踪系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩4462.3.33 机械跟踪踪系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩4462.3.44 声学跟踪踪系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩4472.3.55 惯性位置置跟踪系统统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩4882.3.66 图像提取取跟踪系统统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩4882.4 面面向自然的的人机交互互设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩4882.4.11 数据手套套贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩482.4.22 数据衣贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩502.4.3

21、3 三维控制制器贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩512.4.44 三维模型型数字化仪仪贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩522本章小结贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩533习题与思考考题贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩54第 3 章章虚拟现实实系统的相相关技术与软件件 贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩5553.1 环环境建模技技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩553.1.11 几何建模模技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩5563.1.22 物理建模模技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩

22、贩贩贩贩贩贩贩贩5563.1.33 行为建模模技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩5573.2 实实时三维图图形绘制技技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩5773.2.11 基于几何何图形的实实时绘制技术 贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩583.2.22 基于图像像的实时绘绘制技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩593.3 三三维虚拟声声音的显示示技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩6003.3.11 三维虚拟拟声音的概概念与作用用贩贩贩贩贩贩贩贩6603.3.22 三维虚拟拟声音的特特征贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩61_II 目录录3.3.33 人类的听听觉模型与

23、与头相关转移函数 613.3.44 语音识别别与合成技技术 6223.4 自自然交互与与传感技术术 6633.4.11 手势识别别 633.4.22 面部表情情识别 643.4.33 眼动跟踪踪 6443.4.44 触觉、力力觉反馈传传感技术 653.5 碰碰撞检测技技术 6663.6 虚虚拟现实工工具软件 6773.7 WWeb3DD 技术与与软件 683.7.11 Webb3D 技技术特点 6883.7.22 Webb3D 应应用工具软软件 693.7.33 Webb3D 应应用与发展展 772本章小结 773习题与思考考题 733第 4 章章全景技术术 744.1 全全景技术概概述 74

24、44.1.11 全景技术术的特点及及应用 754.1.22 全景技术术的分类 7754.2 常常见全景技技术软件 7774.2.11 QuiickTiime VVR 784.2.22 IPIIX 全景景图片技术术 794.2.33 PixxMakeer 全景景图片技术术 804.2.44 PhootoViista 全景图片片技术 8004.2.55 Jieetusooft 全全景图片技技术 804.3 全全景图制作作硬件 804.3.11 数码相机机 8114.3.22 鱼眼镜头头 8224.3.33 全景头 8834.4 全全景照片拍拍摄方法与与原则 8854.4.11 全景照片片的拍摄方方

25、法 8554.4.22 数码相机机的拍摄原原则 8884.5 全全景图制作作实例 894.5.11 柱形全景景制作实例例 894.5.22 球形与立立方体形全全景制作实实例 944.5.33 对象全景景制作实例例 1001本章小结105习题与思考考题1105第 5 章章网络三维维互动Cult33D 1065.1 CCult33D 概述述10065.1.11 Cullt3D 应用简介介1075.1.22 Cullt3D 的组成10095.1.33 Cullt3D 的工作流流程10095.1.44 Cullt 3DD 模型的的导出 11105.2 CCult33D 窗口口简介 11175.2.11

26、 Sceene GGraphh（场景图图形）窗口 1175.2.22 Acttionss（行为）窗窗口 1185.2.33 Eveent MMap（事事件映射）窗窗口1215.2.44 Staage WWindoow（演示示窗口）1235.2.55 Objject posiitionn andd oriientaationn（对象位置置和方向）窗窗口12245.2.66 Eveents（事事件）窗口口11245.2.77 Objject proppertiies（对对象属性）窗口 11255.3 CCult33D 应用用12255.3.11 制作基本本三维演示示12255.3.22 制作三维维

27、交互演示示13315.3.33 Cullt3D 的应用展展示1444本章小结150习题与思考考题1150第 6 章章虚拟现实实建模语言言VRML15516.1 VVRML 虚拟现实实建模语言言15516.1.11 VRMML 基本本概念15516.1.22 VRMML 文件件的基本特特点11526.1.33 VRMML 场景景的编辑与与浏览15556.2 在在场景中建建造基本几几何模型15996.2.11 外形节点点Shappe 的使使用1596.2.22 构建虚拟拟场景的几几何造型geomeetry 域1159目 录 II II6.2.33 创建基本本几何造型型 16606.2.44 在虚拟

28、场场景中添加加文本造型型 16336.3 在在场景中构构建复杂造造型 11656.3.11 虚拟场景景中点、线线、面的创建 1656.3.22 构造离散散点的集合合造型 16656.3.33 构造空间间折线造型型 16676.3.44 构造空间间平面集合合造型 16686.4 设设置虚拟造造型的外观观 17006.4.11 设置虚拟拟对象的外外观和材质 11706.4.22 为几何体体添加纹理理 17736.4.33 纹理的变变换 17556.5 虚虚拟造型群群节点的使使用 11756.5.11 编组节点点的使用 17556.5.22 空间坐标标变换节点点的使用 11776.6 构构建虚拟现现

29、实的环境境 17996.6.11 给虚拟场场景添加背背景 1796.6.22 给虚拟场场景添加光光照 1826.7 虚虚拟对象的的动画效果果19116.7.11 时间传感感器节点的的使用19116.7.22 利用插补补器构造动动画11926.8 虚虚拟对象交交互功能的的实现1976.8.11 检测器的的基本功能能19976.8.22 各类检测测器的基本本作用与使用11976.9 33DSMAAX 与VRMLL 22076.9.11 3DSSMAX 的场景导导出2076.9.22 在3DSMMAX 中中插入VRRML节点22076.9.33 VRMML 文件件的压缩 2111本章小结 2111习

30、题与思考考题2212附录 A VRMLL 的关键键字2213附录B VVRML 的域参考考2166参考文献2219第1 章概 论学习目标： 掌握握 VR 技术的基基本概念 掌握握 VR 技术的分分类、特性性 了解解 VR 技术的应应用 了解解 VR 技术在国国内外的研研究状况 了解解 VR 技术中目目前存在的的问题曾几何时，科科幻小说家家为我们描描绘着一个个梦想，人人们可以通通过电子或或虚拟的方方式来丰富富我们的生活，梦梦想有一天天，人类可可以进入一一个虚拟的的世界，在在那里可以以通过替身身（化身）在在三维空间间中进行探险险、娱乐、工作以及及与人交往往。随着计计算机技术术、网络技技术、多媒媒体

31、技术、三维图形形技术等技术的的发展，人人类的这一一梦想将变变为现实，这这就是虚拟拟现实技术术。虚拟现实是是从英文VVirtuual RRealiity 一一词翻译过过来的，VVirtuual 是是虚假的意意思，Reealitty 是真真实的意思，合并并起来就是是虚拟现实实（以下正正文中简称称VR），也也就是说本本来没有的的事物和环环境，通过过各种技术虚拟拟出来，让让你感觉就就如同置身身于真实世世界中一样样。VR 技术术，又称虚虚拟实境或或灵境技术术，这项技技术原本是是美国军方方开发研究究出来的一一项计算机机技术。到220 世纪纪80 年代代末才逐渐渐为各界所所关注，它它以计算机机技术为主主，利

32、用并并综合三维维图形技术、多媒体体技术、仿仿真技术、传感技术术、显示技技术、伺服服技术等多多种高科技技的最新发发展成果，利利用计算机等等设备来产产生一个逼逼真的三维维视觉、触触觉、嗅觉觉等多种感感官体验的的虚拟世界界，从而使使处于虚拟世界界中的人产产生一种身身临其境的的感觉。在在这个虚拟拟世界中，人人们可直接接观察周围围世界及物物体的内在变变化，与其其中的物体体之间进行行自然的交交互，并能能实时产生生与真实世世界相同的的感觉，使使人与计算机融融为一体。与传统的的模拟技术术相比，VVR 技术术的主要特特征是：用用户能够进进入到一个个由计算机系统生生成的交互互式的三维维虚拟环境境中，可以以与之进行

33、行交互。通通过参与者者与仿真环环境的相互互作用，并利用用人类本身身对所接触触事物的感感知和认知知能力，帮帮助启发参参与者的思思维，全方方位地获取取事物的各种空空间信息和和逻辑信息息。随着计算机机技术及相相关技术的的发展，在在PC 机上上实现VRR 技术已已成为可能能。VR 技术、理理论分析、科学实实验已成为为人类探索索客观世界界规律的三三大手段。VR 技术术的发展与与普及，改改变了过去去人与计算机之之间枯燥、生硬、被被动的交流流方式，使使人机之间间的交互变变得更人性性化，也同同时改变了了人们的工作方方式和生活活方式，改改变了人的的思想观念念。VR 技术将深深入到我们们的生活中中，成为一一门艺术

34、、一种文文化。据有有关权威人人士断言，到到21 世纪纪，人类将将进入VRR 的科技技新时代，VR 技术将是2 第1章章概论信息技术的的代表。1.1 虚虚拟现实技技术概述1.1.11 VR 技术的发发展过程关于 VRR，其实在在很久以前前就有人提提出这一构构想。早在在20 世纪纪50 年代代中期，计计算机刚在在美国、英国的的一些大学学出现，电电子技术还还处于以真真空电子管管为基础的的时候，美美国的莫顿顿海利希就就成功地利用用电影技术术，通过“拱廓体验验”让观众经经历了一次次美国曼哈哈顿的想像像之旅。但但由于当时时各方面的条条件制约，如如缺乏相应应的技术支支持、没有有合适的传传播载体、硬件处理理设

35、备缺乏乏等原因，VR 技术术并没有得得到很大的的发展，直直到20 世纪80 年代末，随随着计算机机技术的高高速发展及及互联网技术的普及及，才使得得VR 技术术得到广泛泛的应用。VR 技术术的发展大大致分为33 个阶段段：20 世纪50 年代到700 年代，是是VR 技术术的探索阶阶段；200世纪80 年代初期期到80 年代中期期，是VRR 技术系系统化、从从实验室走走向实用的的阶段；220 世纪纪80 年代末期到221 世纪纪初，是VVR 技术术高速发展展的阶段。第一套具有有VR 思想想的装置是是莫顿海利希在在19622 年研制制的称为SSensooramaa 的具有有多种感官官刺激的立体体电

36、影系统统，它是一一套只能供供个人观看看立体电影影的设备，采采用模拟电电子技术与与娱乐技术术相结合的全全新技术，能能产生立体体声音效果果，并能有有不同的气气味，座位位也能根据据剧情的变变化摇摆或或振动，观看看时还能感感觉到有风风在吹动。在当时，这这套设备非非常先进，但但观众只能能观看，而而不能改变所看到的的和所感受受到的世界界，也就是是说无交互互操作功能能。1965 年，计算算机图形学学的奠基者者美国科学学家艾凡萨瑟兰在在一篇名为为终极的的显示的的论文中，首次提提出了一种种假设，观观察者不是是通过屏幕幕窗口来观观看计算机机生成的虚虚拟世界，而而是生成一一种直接使观观察者沉浸浸并能互动动的环境。这

37、一理论论后来被公公认为在VVR 技术术中起着里里程碑的作作用，所以我们称称他既是“计算机图图形学”之父，也也是“虚拟现实实技术”之父。在随后几年年中，艾凡凡萨瑟兰在在麻省理工工学院开始始头盔式显显示器的研研制工作，人人们戴上这这个头盔式显示示器，就会会产生身临临其境的感感觉。在11968 年，艾凡凡萨瑟兰使使用两个可可以戴在眼眼睛上的阴极射线线管（CRRT）研制制出了第一一个头盔式式显示器（HMD），并发表了A Head-Mounted 3DDispllay的的论文，他他对头盔式式显示器装装置的设计计要求、构构造原理进进行了深入入的分析，并并描绘出这这个装置的设设计原型，此此举成为三三维立体显

38、显示技术的的奠基性成成果。在第第一个HMMD 的样样机完成后后不久，研制者者们又反复复研究，在在此基础上上把能够模模拟力量和和触觉的力力反馈装置置加入到这这个系统中中，并于19770 年研研制出了第第一个功能能较齐全的的HMD 系统。基于 200 世纪60 年代以来来所取得的的一系列成成就，美国国的Jarron LLanieer 在20 世纪纪80 年代代初正式提出了“Virttual Reallity”一词。20 世纪纪80 年代代，美国国国家航空航航天局（NNASA）及及美国国防防部组织了了一系列有有关VR 技术的研究，并并取得了令令人瞩目的的研究成果果，从而引引起了人们们对VR 技术的广

39、广泛关注。19844 年，NASSAAmes 研究中心心虚拟行星星探测实验验室的M.McGrreevyy 和J.Huumphrries 博士组织织开发了用用于火星探探测的虚拟世世界视觉显显示器，将将火星探测测器发回的的数据输入入计算机，为为地面研究究人员构造造了火星表表面的三维虚虚拟世界。在随后的的虚拟交互互世界工作作站（VIIEW）项项目中，他他们又开发发了通用多多传感个人仿真器器和遥控设设备。进入 200 世纪90 年代后，迅迅速发展的的计算机硬硬件技术与与不断改进进的计算机机软件系统统相匹配，使得基于大大型数据集集合的声音音和图像的的实时动画画制作成为为可能，人人机交互系系统的设计计不断

40、创新新，新颖、实用用的输入输输出设备不不断地涌入入市场，而而这些都为为VR 系统统的发展打打下了良好好的基础。在应用方面面，19993 年11 月，宇宇航员通过过VR 系统统的训练，成成功地完成成了从航天天飞机的运运输舱内取出新新的望远镜镜面板的工工作，而用用VR 技术术设计的波波音7777 飞机是是虚拟制造造的典型应应用实例，这是飞机设设计史上第第一次在设设计过程中中没有采用用实物模型型。波音7777 飞飞机由3000 万个个零件组成成，所有的设计计在一个由由数百台工工作站组成成的虚拟世世界中进行行。设计师师戴上头盔盔式显示器器后，可以以穿行于设计的的虚拟“飞机”之中，审审视“飞机”的各项设

41、设计指标。正是由于 VR 技术术产生的具具有交互作作用的虚拟拟世界，使使得人机交交互界面更更加形象和和逼真，越越来越激发了了人们对VVR 技术术的兴趣。近十年来来，国内外外对此项技技术的应用用更加广泛泛，在军事事、航空航天、科科技开发、商业、医医疗、教育育、娱乐等等多个领域域得到越来来越广泛的的应用，并并取得了巨巨大的经济效益益和社会效效益。正因因为VR 技术是一一个发展前前景非常广广阔的新技技术，因此此，人们对对它的应用前景充充满了憧憬憬。1.1.22 VR 技术的概概念与构成成VR 技术术是采用以以计算机技技术为核心心的现代高高科技技术术，生成逼逼真的视、听、触觉觉等一体化化的虚拟环境境，

42、用户借借助必要的的设备以自自然的方式式与虚拟世世界中的物物体进行交交互，相互互影响，从从而产生亲临真真实环境的的感受和体体验。典型的 VVR 系统统主要由计计算机、应应用软件系系统、输入入输出设备备、用户和和数据库等等组成，如如图1-1 所所示。图1-1 VR 系系统1计算机机在 VR 系统中，计计算机负责责虚拟世界界的生成和和人机交互互的实现。由于虚拟拟世界本身身具有高度度复杂性，尤尤其在某些些应用中，如如航空航天天世界的模模拟、大型型建筑物的的立体显示示、复杂场场景的建模模等，使得生生成虚拟世世界所需的的计算量极极为巨大，因因此对VRR 系统中中计算机的的配置提出出了极高的的要求。目前，低

43、低档的VRR 系统的的配置是以以PC 机为为基础并配配置3D 图形加速速卡；中档档的VR 系统一般般采用SUNN 或SGI 等公司的的可视化工工作站；高高档的VRR 系统则则采用分布布式的计算算机系统，即即由几台计算机协协同工作。由此可见见，计算机机是VR 系统的心心脏。2输入输输出设备在 VR 系统中，为为了实现人人与虚拟世世界的自然然交互，必必须采用特特殊的输入入输出设备备，以识别别用4 第1章章概论户各种形式式的输入，并并实时生成成相应的反反馈信息。常用的方方式为数据据手套加空空间位置跟跟踪定位设设备，它可以感知知运动物体体的位置及及旋转方向向的变化，通通过头盔式式显示器等等立体显示示设

44、备产生生相应的图图像和声音。通通常头盔式式显示器中中配有空间间位置跟踪踪定位设备备，当用户户头部的位位置发生变变化时，空空间位置跟踪定位位设备检测测到位置发发生的相应应变化，从从而通过计计算机得到到物体运动动位置等参参数，并输输出相应的具有深深度信息及及宽视野的的三维立体体图像和生生成三维虚虚拟立体声声音。3VR 的应用软软件系统及及数据库VR 的应应用软件系系统可完成成的功能包包括：虚拟拟世界中物物体的几何何模型、物物理模型、行为模型型的建立，三三维虚拟立立体声的生生成，模型型管理技术术及实时显显示技术，虚虚拟世界数数据库的建建立与管理理等几部分。虚拟世界界数据库主主要用于存存放整个虚虚拟世

45、界中中所有物体体的各个方方面的信息息。图 1-22 所示的的是基于头头盔式显示示器的VRR 系统，它它由计算机机、头盔式式显示器、数据手套套、力反馈装置、话筒、耳耳机等设备备组成。该该系统首先先由计算机机生成一个个虚拟世界界，由头盔盔式显示器器输出一个立体体的显示，用用户可以通通过头的转转动、手的的移动、语语音等与虚虚拟世界进进行自然交交互，计算算机能根据用用户输入的的各种信息息实时进行行计算，即即刻对交互互行为进行行反馈，由由头盔式显显示器更新新相应的场景显显示，由耳耳机输出虚虚拟立体声声音、由力力反馈装置置产生触觉觉（力觉）反反馈。_1.1.33 VR 技术的特特征及意义义VR 技术术有3

46、 个主要要特性：沉沉浸性（IImmerrsionn）、交互互性（Innteraactivvity）和和想像性（Imagination），如图1-33 所示。1VR 技术的基基本特性（1）沉浸浸性沉浸性（IImmerrsionn）是指用用户感受到到被虚拟世世界所包围，好像完完全置身于于虚拟世界界之中一样样。VR 技术最主主要的技术特征征是让用户户觉得自己己是计算机机系统所创创建的虚拟拟世界中的一一部分，使使用户由观观察者变成成参与者，沉沉浸其中并参与虚拟拟世界的活活动。理想想的虚拟世世界应该达达到使用户户难以分辨辨真假的程程度，甚至至超越真实实，实现比现实实更逼真的的照明和音音响效果。沉浸性来源

47、源于对虚拟拟世界的多多感知性，除除了常见的的视觉感知知外，还有有听觉感知知、力觉感感知、触觉感知、运动感知知、味觉感感知、嗅觉觉感知等。理论上来来说，VRR 系统应应该具备人人在现实世世界中具有的所有有感知功能能，但鉴于于目前技术术的局限性性，在现在在的VR 系统的研研究与应用用中，较为为成熟或相对成熟熟的主要是是视觉沉浸浸、听觉沉沉浸、触觉觉沉浸技术术，而有关关味觉与嗅嗅觉的感知知技术正在在研究之中，目目前还很不不成熟。 视觉沉沉浸。VRR 系统向向用户提供供虚拟世界界真实的、直观的三三维立体视视图，并直直接接受用用户的控制。在在VR 系统统中，产生生视觉方面面的沉浸性性是十分重重要的。视视

48、觉沉浸性性的建立依依赖于用户户与合成图像的的集成，VVR 系统统必须向用用户提供立立体三维效效果及较宽宽的视野，同同时随着人人的运动，所所得到的场景景也随之实实时地改变变。较理想想的视觉沉沉浸环境是是在洞穴式式显示设备备（CAVVE）中，采采用多面立体投投影系统，因因而可得到到较强的视视觉效果。另外，可可将此系统统与真实世世界隔离，避避免受到外面真实世世界的影响响，用户可可获得完全全沉浸于虚虚拟世界的的感觉。 听觉沉沉浸。在VVR 系统统中，声音音是除视觉觉以外的一一个重要感感觉通道，如如果在VRR 系统中中加入与视觉觉同步的声声音效果作作为补充，在在很大程度度上可提高高VR 系统统的沉浸效效

49、果。在VVR 系统统中，主要让用户户感觉到的的是三维空空间的虚拟拟声音，这这与普通立立体声有所所不同。普普通立体声声可使人感感觉声音来自于于某个平面面，而三维维虚拟声音音可使听者者能感觉到到声音来自自于一个围围绕双耳的的球形空间间的任何位置。它可以模模拟大范围围的声音效效果，如闪闪电、雷鸣鸣、波浪声声等自然现现象的声音音。在沉浸浸式三维虚拟世世界中，两两个物体碰碰撞时，也也会出现碰碰撞声音，让让用户能根根据声音准准确判断出出碰撞发生生的位置。 触觉沉沉浸。在虚虚拟世界中中，人们可可以借助于于各种相应应的交互设设备，使用用户体验抓抓、握等操作的感觉觉。当然，从从现在技术术来说不可可能达到与与真实

50、世界界完全相同同的触觉沉沉浸，将来来也不可能能，除非技术发发展到同人人脑能进行行直接交流流，而目前前的技术水水平主要侧侧重于力反反馈方面。可以使用用充气式手套，在在虚拟世界界中与物体体相接触时时，能产生生与真实世世界相同的的感觉，如如在建筑小小区浏览时时，用手推门不不仅门被打打开，同时时手上也感感觉到门对对手的阻力力（手感）。（2）交互互性交互性（IInterractiivityy）的产生生，主要借借助于VRR 系统中中的特殊硬硬件设备（如如数据手套套、力反馈装置等），使使用户能通通过自然的的方式，产产生同在真真实世界中中一样的感感觉。例如如，用户可可以用手图1-3 VR 技技术的3 个主要特

51、特性6 第1章章概论直接抓取虚虚拟世界中中的物体，这这时手有触触摸感，并并可以感觉觉到物体的的重量，能能区分所拿拿的是石头头还是海绵，并并且场景中中被抓的物物体也能立立刻随手的的运动而移移动。VR 系统统比较强调调人与虚拟拟世界之间间进行自然然的交互，如如人的走动动、头的转转动、手的的移动等，通过这些方方式与虚拟拟世界进行行交互。这这与传统的的多媒体交交互方式有有较大的区区别：在传传统的多媒媒体技术中，人人机之间的的交互工具具从计算机机发明直到到现在，还还主要是键键盘与鼠标标，通过键键盘与鼠标标进行一维、二二维的交互互；而在VVR 系统统中，人们们甚至可以以意识不到到计算机的的存在。交互性的另

52、另一个方面面主要表现现了交互的的实时性。例如：头头转动时能能立即在所所显示的场场景中产生相应的变变化，并且且能得到相相应的其他他反馈；用用手移动虚虚拟世界中中的一个物物体，物体体位置会立立即发生相应的的变化。（3）想像像性想像性（IImagiinatiion）指指虚拟的环环境是人想想像出来的的，同时这这种想像体体现出设计计者相应的的思想，因而可可以用来实实现一定的的目标。所所以说VRR 技术不不仅仅是一一个媒体或或一个高级级用户界面面，同时它还是为为解决工程程、医学、军事等方方面的问题题而由开发发者设计出出来的应用用软件。通通常它以夸夸大的形式反映映设计者的的思想，VVR 系统统的开发是是VR

53、 技术术与设计者者并行操作作，是为发发挥设计者者的创造性而设计计的。VRR 技术的的应用，为为人类认识识世界提供供了一种全全新的方法法和手段，可可以使人类类跨越时间与空空间，去经经历和体验验世界上早早已发生或或尚未发生生的事件；可以使人人类突破生生理上的限制，进入入宏观或微微观世界进进行研究和和探索；也也可以模拟拟因条件限限制等原因因而难以实实现的事情。例如在建设设一座大楼楼之前，传传统的方法法是要绘制制各种图纸纸，而现在在可以采用用VR 系统统来进行设计与仿真真。制作的的VR 作品品反映的就就是某个设设计者的思思想，而它它的功能远远比那些呆呆板的图纸纸生动强大得多多，所以有有些学者称称VR

54、为放放大人们心心灵的工具具或人工现现实（Arrtifiical Reallity），这这就是VR 所所具有的第第三类特征征想像性性。现在，VRR 技术在在许多领域域中起着十十分重要的的作用，如如核试验、新型武器器设计、医医疗手术的的模拟与训练练、自然灾灾害预报等等，这些问问题如果采采用传统方方式去解决决，必然要要花费大量量的人力、物力及漫长的的时间，有有些还是无无法进行的的，有些甚甚至会牺牲牲人员的生生命。而VVR 技术术的出现，为为解决和处理这这些问题提提供了新的的方法及思思路，人们们借助VRR 技术，沉沉浸在多维维信息空间间中，依靠靠自己的感知和和认知能力力全方位地地获取知识识，发挥主主观

55、能动性性，寻求答答案，找到到新的解决决问题的方方法和手段。综上所述，VR 系统具有的沉浸性、交互性、想像性，使参与者能沉浸于虚拟世界之中并进行交互。VVR 系统统是人们可可以通过视视、听、触触觉等信息息通道感受受到设计者者思想的高高级用户界界面。2VR 技术的意意义正是由于 VR 技术术的广泛应应用，并能能够实现人人与自然之之间的和谐谐交互，扩扩大人对信信息空间的的感知通道，提提高人类对对跨越时空空事物和复复杂动态事事件的感知知能力，把把计算机应应用提高到到一个崭新新的水平，其其作用和意意义是十分分重要的。正因为如如此，人们们也从更高高的层次上上来看待其其作用和意意义。首先是在观观念上的转转变

56、，它使使人们对计计算机的应应用从“以计算机机为主体”变成“以人为主体”。传统的信息息处理环境境一直强调调的是“人适应计计算机”，人与计计算机通常常通过键盘盘与鼠标进进行交互，这种交交互是间接接的、非直直觉的和有有限的。而而VR 技术术的目标或或理念是要要逐步使“计算机适适应_人”，人们们要通过视视觉、听觉觉、触觉、嗅觉以及及形体、手手势或语言言，参与到到信息处理理的环境中中去，并获得身临临其境的体体验。人们们不必意识识到自己在在同计算机机打交道，而而可以像在在现实世界界中处理事事情一样同计计算机交流流，这就把把人从操作作计算机的的复杂工作作中解放出出来，使用用计算机无无需学习，操操作也异常简简

57、单而方便便。第二个转变变发生在哲哲学中人们们对“虚”和“实”之间的辩辩证关系的的理解上。虚和实的关关系是一个个古老的哲哲学话题。我们是处处于真实的的客观世界界中，还是是只处于自自己的感知世界中，一一直是唯物物论和唯心心论争论的的焦点。以以视觉为例例，我们所所看到的世世界，不过过是视网膜膜上的影像。过去，视视网膜上的的影像都是是真实世界界的反映，因因此客观的的真实世界界同主观的的感知世界界是一致的。现在，VVR 导致致了二重性性，VR 的景物对对人的感官官来说是实实实在在存存在的，但但它又的的的确确是虚构构的东西，而而且按照虚虚构的东西西行事，往往往又会得得出正确的的结果。因因此这就引引发了哲学

58、学上要重新认认识“虚”和“实”之间关系系的研究。1.1.44 VR 技术与三三维动画技技术的异同同也许有人会会说，VRR 技术让让人看到的的东西与三三维动画技技术差别不不大，其实实两者是不不同的两种技术。VVR 技术术和三维动动画技术有有本质上的的区别：三三维动画技技术是依靠靠计算机预预先处理好好的路径上所能能看见的静静止照片连连续播放而而形成的，不不具有任何何交互性，即即不是用户户想看什么么地方就能看到到什么地方方，用户只只能按照设设计师预先先固定好的的一条线路路去看某些些场景，它它给用户提供的信息息很少或不不是所需的的，用户是是被动的；而VR 技术则截截然不同，它它通过计算算机实时计算场景

59、，根根据用户的的需要把整整个空间中中所有的信信息真实地地提供给用用户，用户户可依自己己的路线行走，计计算机会产产生相应的的场景，真真正做到“想得到，就就看得到”。所以说说交互性是是两者最大的不同同。VR 技术术源于人们们对三维动动画技术自自由交互的的渴望，虽虽然它形式式上和三维维动画技术术有些相似似之处，但它它可能将是是三维动画画技术的替替代品。举举例来说，3DSMAX 是三维动画制作的利器，其软件制作效效果好，运运行效率高高，用户遍遍及全球。如果需要要利用3DDSMAXX 渲染一一张小区建建筑效果图，大概需需要几十秒秒的时间；而VR 软件在同同样的分辨辨率下，每每一秒要渲渲染几十帧帧这样的效

60、效果图，因为如果不不能达到220 帧秒以上的的处理效率率，就难以以达到和人人类实时交交互的效果果，这种效效率是三维动画软软件通过软软件的优化化所无法达达到的。下面来看一一个应用的的实例。房房地产展示示是这两个个技术最常常用的领域域。在现在在的应用中中，很多房地产公司司采用三维维动画技术术来展示楼楼盘，其设设计周期长长，模式固固定，制作作费用高；而同时在在国内也已经有有多家公司司采用VRR 技术来来进行设计计，其展示示效果好，设设计周期短短，更重要要的是，它它是基于真实数数据的科学学仿真，不不仅可达到到一般展示示的功能，而而且还可以以把业主带带入到未来来的建筑物物里参观，还还可展示如如门的高度度