虚拟现实技术与应用实践

1、内容提要本书是新世纪高职高专教改项目成果教材。在书中主要介绍了虚拟现实技术的基本概念、虚拟现实系统的组成、虚拟现实系统的硬件设备、虚拟现实的相关技术、虚拟现实技术在现实世界中的应用。全书共有6 个章节，内容包括：概论论、虚拟现实实系统的硬件件设备、虚拟拟现实系统的的相关技术与与软件、全景景技术、网络络三维互动CCult3DD、虚拟现实建模语语言VRMLL。附录中附附有VRMLL 的关键字字和域参考等等。本书内容较为全全面且涉及面面广，在编写写时本着侧重重于普及、推推广及应用的的原则，内容容方面没有过过多涉及有关关虚拟现实技术的的算法理论及及程序等。本本书既介绍了了虚拟现实技技术的必要理理论，又

2、介绍绍了具有代表表性的虚拟现现实软件的使用，并采采用实例进行行讲解，使读读者能在较短短的时间内达达到入门及应应用的效果。本书适合于高等等职业学校、高高等专科学校校、成人高校校、本科院校校举办的二级级职业技术学学院，也可供供示范性软件职业技术学院院、继续教育育学院、民办办高校、技能能型紧缺人才才培养使用，还还可供本科院院校、计算机机专业人员和和爱好者参考使用。图书在版编目（CIP）数据虚拟现实技术与与应用胡小小强主编. 北京：高等等教育出版社，20004.4ISBN 7-04-0147558-0. 虚 . 胡 . 虚拟技术术-高等学校-教材 . TPP391中国版本图书馆馆 CIP 数据据核字（

3、20004）第0247745 号策划编辑 冯 英 责任编辑 焦建虹 封面设计 王凌波 责任绘图 宗小梅版式设计 王艳艳红 责任校对 存 怡 责任印制出版发行 高等等教育出版社社 购书热线 010 - 640544588社址 北京市西西城区德外大大街 4 号 免费咨询 800-810-0598邮政编码 1000011 网址 http:/.ccn总机 010 - 820228899 http:/.ccn经 销 新华书书店北京发行行所印 刷开 本 78771092 1/16 版次 年 月第 1 版印 张 14.5 印次 年 月第 次印刷字 数 3500 000 定价 18.500 元本书如有缺页、倒

4、倒页、脱页等等质量问题，请请到所购图书书销售部门联联系调换。版权所有 侵权权必究前 言近几年来，虚拟拟现实（Viirtuall Reallity）技技术成为一项项十分热门的的技术，越来来越多的人员员投身到这个研究领域域，致力于虚虚拟现实技术术的研究、开开发及应用推推广。虚拟现现实技术、理理论分析和科科学实验已成为人人类探索客观观世界规律的的三大手段。据据权威人士断断言，虚拟现现实技术将是是21 世纪信息技术的代表表，由此可见见其重要性。虚拟现实技术给给我们带来了了什么？第一一，它改变了了我们的观念念，从以前的的“以计算机为为中心”变为“人是信息息技术的主体体”；第二，它它改进了人机机交互方式，

5、由由过去人机之之间枯燥、被被动的方式变成了人通过过手和声音等等自然的交互互方式与机器器交流，人机机融为一体；第三，改变变了人们生活活与娱乐的方式。总总之，虚拟现现实技术的出出现必将对我我们的生活、工工作带来巨大大的冲击，虚虚拟现实技术是一个值得得关注的重要要技术。虚拟现实技术是是20 世纪以以来科学技术术进步的结晶晶，在虚拟现现实系统中集集中体现了计计算机技术、计算机图形形学、传感技技术、人体工工程学、人机机交互理论等等多个领域的的最新成果。也也正是由于这些特点及其在在应用中的魅魅力，深深地地吸引了科技技界的研究人人员进行孜孜孜不倦的探索索，但同时我我们也意识到，我我国虚拟现实实技术的水平平离

6、人们心目目中追求的目目标尚有较大大的距离，与与国外虚拟现现实技术的研究与与应用也存在在较大的差距距，因此该项项技术需要我我们进一步研研究、开发及及完善。现在在存在的问题有：硬件方面相相应的交互设设备较少，现现有的设备价价格十分昂贵贵；软件工具具方面存在着着语言专业性过强强、通用性差差、开发费用用高等问题。同同时，有关嗅嗅觉和味觉的的建模和传感感技术在虚拟现实中的应用用还没有实现现，即使对于于目前相对较较成熟的视觉觉、听觉和触触觉的建模和和再现技术，要达到理想的真真实感和实时时性仍然有较较大的距离。美国一家杂志社社在评选影响响未来的十大大科学技术时时，评选结果果为Inteernet 位居第一，虚

7、虚拟现实技术名列第二二。最近几年年来，Intternett 的应用变变得十分广泛泛，媒体也吵吵得沸沸扬扬扬，相比之下下，虚拟现实技术仍仍像刚刚问世世的电脑、互互联网络一样样，还没有引引起人们的足足够重视。该该项技术在国国内介绍较少，业业界也重视不不足。基于以上几个原原因，我们觉觉得有必要在在高等教育中中增加有关虚虚拟现实技术术的教学内容容，吸引更多的人去了解解它、关注它它、研究它、应应用它，以推推动我国虚拟拟现实技术的的发展。目前虚拟现实技技术的应用面面较广，涉及及军事、航空空、教育、建建筑、医学、工工业、文化、艺艺术与娱乐等领域。本本书在编写中中主要侧重于于虚拟现实技技术的应用，在在书中介绍

8、虚虚拟现实技术术的基本概念、虚拟现实实系统的硬件件设备、虚拟拟现实中的相相关技术，还还介绍了基于于实用的几个个桌面虚拟现现实工具软件，而而有关虚拟现现实技术的理理论如建模方方法、优化、压压缩算法及程程序等内容可可参阅其他有关资料。本书在介绍虚拟拟现实技术必必要理论的同同时，主要侧侧重于系统介介绍虚拟现实实系统的硬件件与软件以及桌面虚拟现现实工具软件件的使用。全全书共有6 个章节：II 前言第1 章概论，主主要介绍虚拟拟现实技术的的概念、组成成、特性，并并对虚拟现实实技术在各领领域的应用及国内外的研研究现状、应应用现状作了了介绍。第 2 章虚拟拟现实系统的的硬件设备，主主要介绍虚拟拟世界的生成成

9、设备、虚拟拟世界的感知知设备、空间位置跟踪定位位设备和面向向自然的人机机交互设备的的功能、特点点及应用情况况。第 3 章虚拟拟现实系统的的相关技术与与软件，主要要介绍有关的的环境建模技技术、实时三三维图形绘制制技术、三维虚拟拟声音的显示示技术、面向向自然的交互互与传感技术术和碰撞检测测技术及基于于网络的Web3D 技技术等。第 4 章全景景技术，主要要介绍全景技技术的分类、特特点及全景照照片的拍摄方方法与原则，并并给出了几种全景图制作作实例。第 5 章网络络三维互动CCult3DD，主要介绍绍了一种用于于网络互动展展示的软件CCult3DD，并通过实实例讲解，使读者者能掌握其基基本的使用方方法

10、。第 6 章虚拟拟现实建模语语言VRMLL，VRML 是一种广泛泛应用于互联联网的虚拟建建模语言。本本章讲述了其发展状状况、语法、浏浏览器的使用用等，并通过过实例来讲解解VRML 语言的使用用。本书在编写中注注重实用，在在内容方面力力求做到全面面而系统，使使读者能通过过此书快速入入门并达到掌握应用的目目的。本书第 1、22、3、4、5 章由胡小小强编写，第第6 章由吴北北新编写，在在编写过程中中得到况扬、汪汪艳、徐翔红、高高昆等同志的的帮助，在此此表示感谢。本书承浙江大学学计算机辅助助设计与图形形学国家重点点实验室多媒媒体与虚拟现现实研究室主主任潘志庚研究员主审审，在此，对对他所提的宝宝贵意见

11、表示示感谢，编者者对此也已作作了相应的修修改与补充。另外，需要本书书相关软件及及素材的读者者可以通过 E-maiil 与VRBoookm 联系。由于当前虚拟现现实技术发展展迅速，加之之作者水平有有限，时间仓仓促，书中错错漏之处在所所难免，恳请读者批评指指正。编 者于江西科技师范范学院2004 年22 月出版说明为认真贯彻中中共中央国务务院关于深化化教育改革全全面推进素质质教育的决定定和面向向21 世纪教育振兴行动动计划，研研究高职高专专教育跨世纪纪发展战略和和改革措施，整整体推进高职职高专教学改革，教育部决决定组织实施施新世纪高高职高专教育育人才培养模模式和教学内内容体系改革革与建设项目目计划

12、（教高20003 号，以下下简称计划划）。计计划的目标标是：“经过五年的的努力，初步步形成适应社会主义现现代化建设需需要的具有中中国特色的高高职高专教育育人才培养模模式和教学内内容体系。”计划的研究究项目涉及高高职高专教育育的地位、作作用、性质、培培养目标、培培养模式、教教学内容与课程体系、教学学方法与手段段、教学管理理等诸多方面面，重点是人人才培养模式式的改革和教教学内容体系系的改革，先导是是教育思想的的改革和教育育观念的转变变。与此同时时，为了贯彻彻落实教育育部关于加强强高职高专教育人人才培养工作作的意见（教教高200002 号）的精精神，教育部部高等教育司司决定从20000年起，在全国各

13、各省市的高等等职业学校、高高等专科学校校、成人高等等学校以及本本科院校的职职业技术学院（以下简称高高职高专院校校）中广泛开开展专业教学学改革试点工工作，目标是是：在全国高高职高专院校校中，遴选若干专专业点，进行行以提高人才才培养质量为为目的、人才才培养模式改改革与创新为为主题的专业业教学改革试点，经经过几年的努努力，力争在在全国建成一一批特色鲜明明、在国内同同类教育中具具有带头作用的示范专业，推推动高职高专专教育的改革革与发展。教育部计划和和专业试点等等新世纪高职职高专教改项项目工作开展展以来，各有有关高职高专专院校投入了大量的人人力、物力和和财力，在高高职高专教育育人才培养目目标、人才培培养

14、模式以及及专业设置、课程改革等方面面做了大量的的研究、探索索和实践，取取得了不少成成果。为使这这些教改项目目成果能够得得以固化并更好地地推广，从而而总体上提高高高职高专教教育人才培养养的质量，我我们组织了有有关高职高专专院校进行了多次次研讨，并从从中遴选出了了一些较为成成熟的成果，组组织编写了一一批“新世纪高职职高专教改项目成果”教材。这些些教材结合教教改项目成果果，反映了最最新的教学改改革方向，很很值得广大高高职高专院校借鉴鉴。新世纪高职高专专教改项目成成果教材适用用于高等职业业学校、高等等专科学校、成成人高校及本本科院校举办的二级职职业技术学院院、继续教育育学院和民办办高校使用。高等教育出

15、版社社2002 年111 月30 日目 录 I目录第 1 章概论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 11.1 虚拟现现实技术概述述贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 21.1.1 VVR 技术的的发展过程贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 21.1.2 VVR 技术的的概念与构成成贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 31.1.3 VVR 技术的的特征及意义义贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 51.1.4 VVR 技术与与三维动画技技术的异同贩贩贩贩贩贩 71.2 虚拟现现实系统的分分类贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 81.2.1 沉沉浸式VR 系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩

16、贩贩贩贩贩贩贩贩贩 81.2.2 桌桌面式VR 系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 101.2.3 增增强式VR 系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩111.2.4 分分布式VR 系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩111.3 虚拟现现实技术的应应用贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 131.3.1 军军事与航空航航天贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 131.3.2 教教育与训练贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 161.3.3 商商业应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 191.3.4 建建筑设计与规规划贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩

17、201.3.5 医医学领域的应应用贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 211.3.6 工工业应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 221.3.7 影影视娱乐界的的应用贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 231.4 虚拟现现实技术研究究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 241.4.1 VVR 技术的的现状贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 241.4.2 VVR 技术的的局限性贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 261.4.3 VVR 技术的的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

18、贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 27习题与思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 28第 2 章虚拟拟现实系统的的硬件设备 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 虚拟世世界的生成设设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 292.2 虚拟世世界的感知设设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩 312.2.1 视视觉感知设备备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩312.2.2 听听觉感知设备备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩412.2.3 触触觉、力觉感感知设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩422.3 空间位位置跟踪定位位设备贩贩

19、贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩442.3.1 磁磁跟踪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4552.3.2 光光学跟踪系统统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩462.3.3 机机械跟踪系统统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩462.3.4 声声学跟踪系统统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩472.3.5 惯惯性位置跟踪踪系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩482.3.6 图图像提取跟踪踪系统贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩482.4 面向自自然的人机交交互设备贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩482.4.1 数数据手套贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩

20、贩4882.4.2 数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5502.4.3 三三维控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5112.4.4 三三维模型数字字化仪贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩52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553习题与思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544第 3 章虚拟拟现实系统的的相关技术与软件 贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩5553.1 环境建建模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5553.1.1 几几何建模技术术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩

21、贩贩贩贩贩贩贩贩563.1.2 物物理建模技术术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩563.1.3 行行为建模技术术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩573.2 实时三三维图形绘制制技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩573.2.1 基基于几何图形形的实时绘制制技术 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5583.2.2 基基于图像的实实时绘制技术术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩5593.3 三维虚虚拟声音的显显示技术贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩603.3.1 三三维虚拟声音音的概念与作作用贩贩贩贩贩贩贩贩6003.3.2 三三维虚拟声音音的特征贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩贩

22、61_II 目录3.3.3 人人类的听觉模模型与头相关关转移函数 6613.3.4 语语音识别与合合成技术 6223.4 自然交交互与传感技技术 633.4.1 手手势识别 633.4.2 面面部表情识别别 643.4.3 眼眼动跟踪 643.4.4 触触觉、力觉反反馈传感技术术 6553.5 碰撞检检测技术 6663.6 虚拟现现实工具软件件 673.7 Webb3D 技术术与软件 683.7.1 WWeb3D 技术特点 6683.7.2 WWeb3D 应用工具软软件 693.7.3 WWeb3D 应用与发展展 72本章小结 733习题与思考题 733第 4 章全景景技术 7744.1 全景

23、技技术概述 7744.1.1 全全景技术的特特点及应用 754.1.2 全全景技术的分分类 7554.2 常见全全景技术软件件 774.2.1 QQuickTTime VVR 784.2.2 IIPIX 全全景图片技术术 7994.2.3 PPixMakker 全景景图片技术 804.2.4 PPhotoVVista 全景图片技技术 804.2.5 JJietussoft 全全景图片技术术 8004.3 全景图图制作硬件 804.3.1 数数码相机 814.3.2 鱼鱼眼镜头 824.3.3 全全景头 834.4 全景照照片拍摄方法法与原则 8554.4.1 全全景照片的拍拍摄方法 8554.

24、4.2 数数码相机的拍拍摄原则 8884.5 全景图图制作实例 894.5.1 柱柱形全景制作作实例 894.5.2 球球形与立方体体形全景制作作实例 9944.5.3 对对象全景制作作实例 1001本章小结105习题与思考题105第 5 章网络络三维互动Cult3D 10065.1 Cullt3D 概概述10065.1.1 CCult3DD 应用简介介10075.1.2 CCult3DD 的组成11095.1.3 CCult3DD 的工作流流程1095.1.4 CCult 33D 模型的的导出 11005.2 Cullt3D 窗窗口简介 11175.2.1 SScene Graphh（场景图

25、形形）窗口 11775.2.2 AActionns（行为）窗窗口 11185.2.3 EEvent Map（事事件映射）窗窗口12115.2.4 SStage Windoow（演示窗窗口）1235.2.5 OObjectt posiition and oorienttationn（对象位置和方方向）窗口1245.2.6 EEventss（事件）窗窗口11245.2.7 OObjectt proppertiees（对象属属性）窗口 1255.3 Cullt3D 应应用12255.3.1 制制作基本三维维演示12255.3.2 制制作三维交互互演示13315.3.3 CCult3DD 的应用展展示

26、144本章小结150习题与思考题150第 6 章虚拟拟现实建模语语言VRML1516.1 VRMML 虚拟现现实建模语言言15116.1.1 VVRML 基基本概念1516.1.2 VVRML 文文件的基本特特点11526.1.3 VVRML 场场景的编辑与与浏览15556.2 在场景景中建造基本本几何模型1596.2.1 外外形节点Shhape 的的使用1596.2.2 构构建虚拟场景景的几何造型型geometrry 域159目 录 I III6.2.3 创创建基本几何何造型 16606.2.4 在在虚拟场景中中添加文本造造型 11636.3 在场景景中构建复杂杂造型 16656.3.1 虚

27、虚拟场景中点点、线、面的的创建 16556.3.2 构构造离散点的的集合造型 11656.3.3 构构造空间折线线造型 16676.3.4 构构造空间平面面集合造型 11686.4 设置虚虚拟造型的外外观 1706.4.1 设设置虚拟对象象的外观和材质 1706.4.2 为为几何体添加加纹理 17736.4.3 纹纹理的变换 1756.5 虚拟造造型群节点的的使用 17756.5.1 编编组节点的使使用 1756.5.2 空空间坐标变换换节点的使用用 1776.6 构建虚虚拟现实的环环境 1796.6.1 给给虚拟场景添添加背景 1796.6.2 给给虚拟场景添添加光照 1826.7 虚拟对对

28、象的动画效效果1916.7.1 时时间传感器节节点的使用19916.7.2 利利用插补器构构造动画1926.8 虚拟对对象交互功能能的实现1976.8.1 检检测器的基本本功能19976.8.2 各各类检测器的的基本作用与与使用1976.9 3DSSMAX 与与VRML 2076.9.1 33DSMAXX 的场景导导出2076.9.2 在在3DSMAAX 中插入入VRML节点2076.9.3 VVRML 文文件的压缩 211本章小结 211习题与思考题212附录 A VRRML 的关关键字2213附录B VRMML 的域参参考2166参考文献2219第1 章概 论学习目标： 掌握 VVR 技术

29、的的基本概念 掌握 VVR 技术的的分类、特性性 了解 VVR 技术的的应用 了解 VVR 技术在在国内外的研研究状况 了解 VVR 技术中中目前存在的的问题曾几何时，科幻幻小说家为我我们描绘着一一个梦想，人人们可以通过过电子或虚拟拟的方式来丰丰富我们的生活，梦想有有一天，人类类可以进入一一个虚拟的世世界，在那里里可以通过替替身（化身）在在三维空间中进行探险、娱娱乐、工作以以及与人交往往。随着计算算机技术、网网络技术、多多媒体技术、三三维图形技术等技术的发展展，人类的这这一梦想将变变为现实，这这就是虚拟现现实技术。虚拟现实是从英英文Virttual RRealitty 一词翻翻译过来的，Vir

30、tual 是虚假的意思，Reality 是真实的意思，合并起来来就是虚拟现现实（以下正正文中简称VVR），也就就是说本来没没有的事物和和环境，通过过各种技术虚拟出来来，让你感觉觉就如同置身身于真实世界界中一样。VR 技术，又又称虚拟实境境或灵境技术术，这项技术术原本是美国国军方开发研研究出来的一一项计算机技术。到20 世纪80 年代末末才逐渐为各各界所关注，它它以计算机技技术为主，利利用并综合三三维图形技术、多媒体技术术、仿真技术术、传感技术术、显示技术术、伺服技术术等多种高科科技的最新发发展成果，利利用计算机等设备备来产生一个个逼真的三维维视觉、触觉觉、嗅觉等多多种感官体验验的虚拟世界界，从

31、而使处处于虚拟世界中的的人产生一种种身临其境的的感觉。在这这个虚拟世界界中，人们可可直接观察周周围世界及物物体的内在变化，与与其中的物体体之间进行自自然的交互，并并能实时产生生与真实世界界相同的感觉觉，使人与计算机融为一一体。与传统统的模拟技术术相比，VRR 技术的主主要特征是：用户能够进进入到一个由由计算机系统生成的的交互式的三三维虚拟环境境中，可以与与之进行交互互。通过参与与者与仿真环环境的相互作作用，并利用人类类本身对所接接触事物的感感知和认知能能力，帮助启启发参与者的的思维，全方方位地获取事事物的各种空间信信息和逻辑信信息。随着计算机技术术及相关技术术的发展，在在PC 机上实实现VR

32、技术已已成为可能。VR 技术、理论分析、科学实验已已成为人类探探索客观世界界规律的三大大手段。VRR 技术的发发展与普及，改改变了过去人人与计算机之间枯枯燥、生硬、被被动的交流方方式，使人机机之间的交互互变得更人性性化，也同时时改变了人们的工作方式和和生活方式，改改变了人的思思想观念。VVR 技术将将深入到我们们的生活中，成成为一门艺术、一种文化。据据有关权威人人士断言，到到21 世纪，人人类将进入VVR 的科技技新时代，VVR 技术将将是2 第1章概论论信息技术的代表表。1.1 虚拟现现实技术概述述1.1.1 VVR 技术的的发展过程关于 VR，其其实在很久以以前就有人提提出这一构想想。早在

33、200 世纪50 年代中中期，计算机机刚在美国、英国的一些些大学出现，电电子技术还处处于以真空电电子管为基础础的时候，美美国的莫顿海利希就成功地利用电影影技术，通过过“拱廓体验”让观众经历历了一次美国国曼哈顿的想想像之旅。但但由于当时各方面的条件制制约，如缺乏乏相应的技术术支持、没有有合适的传播播载体、硬件件处理设备缺缺乏等原因，VR 技术并没没有得到很大大的发展，直直到20 世纪80 年代末末，随着计算算机技术的高高速发展及互互联网技术的普及，才才使得VR 技术得到广广泛的应用。VR 技术的发发展大致分为为3 个阶段：20 世纪50 年代到到70 年代，是是VR 技术的的探索阶段；20世纪8

34、0 年代代初期到800 年代中期期，是VR 技术系统化化、从实验室室走向实用的的阶段；200 世纪80 年代末期到21 世纪初，是是VR 技术高高速发展的阶阶段。第一套具有VRR 思想的装装置是莫顿海利希在19962 年研研制的称为SSensorrama 的的具有多种感感官刺激的立体电影影系统，它是是一套只能供供个人观看立立体电影的设设备，采用模模拟电子技术术与娱乐技术术相结合的全新技技术，能产生生立体声音效效果，并能有有不同的气味味，座位也能能根据剧情的的变化摇摆或或振动，观看时还还能感觉到有有风在吹动。在在当时，这套套设备非常先先进，但观众众只能观看，而而不能改变所看到的和所所感受到的世世

35、界，也就是是说无交互操操作功能。1965 年，计计算机图形学学的奠基者美美国科学家艾艾凡萨瑟兰在一一篇名为终终极的显示的的论文中，首次提出了了一种假设，观观察者不是通通过屏幕窗口口来观看计算算机生成的虚虚拟世界，而而是生成一种直接使观察者者沉浸并能互互动的环境。这这一理论后来来被公认为在在VR 技术中中起着里程碑碑的作用，所以我们称他既既是“计算机图形形学”之父，也是是“虚拟现实技技术”之父。在随后几年中，艾艾凡萨瑟兰在麻麻省理工学院院开始头盔式式显示器的研研制工作，人人们戴上这个个头盔式显示器，就就会产生身临临其境的感觉觉。在19668 年，艾艾凡萨瑟兰使用用两个可以戴戴在眼睛上的阴极射线管

36、（CRT）研制出了第一个头盔式显示器（HMD），并发表了A Head-Mounted 3DDisplayy的论文，他他对头盔式显显示器装置的的设计要求、构构造原理进行行了深入的分分析，并描绘绘出这个装置的设计原原型，此举成成为三维立体体显示技术的的奠基性成果果。在第一个个HMD 的样样机完成后不不久，研制者们又又反复研究，在在此基础上把把能够模拟力力量和触觉的的力反馈装置置加入到这个个系统中，并于1970 年研制出了了第一个功能能较齐全的HHMD 系统统。基于 20 世世纪60 年代以以来所取得的的一系列成就就，美国的JJaron Lanieer 在20 世纪80 年代初初正式提出了“Viir

37、tuall Reallity”一词。20 世纪800 年代，美美国国家航空空航天局（NNASA）及及美国国防部部组织了一系系列有关VRR 技术的研究，并取得得了令人瞩目目的研究成果果，从而引起起了人们对VVR 技术的的广泛关注。1984 年，NASAAmes 研究究中心虚拟行行星探测实验验室的M.MMcGreeevy 和J.Hummphriees 博士组组织开发了用用于火星探测的虚拟世界视视觉显示器，将将火星探测器器发回的数据据输入计算机机，为地面研研究人员构造造了火星表面的三维虚拟世世界。在随后后的虚拟交互互世界工作站站（VIEWW）项目中，他他们又开发了了通用多传感感个人仿真器和遥遥控设备

38、。进入 20 世世纪90 年代后后，迅速发展展的计算机硬硬件技术与不不断改进的计计算机软件系系统相匹配，使得基于大型数数据集合的声声音和图像的的实时动画制制作成为可能能，人机交互互系统的设计计不断创新，新颖、实用的输输入输出设备备不断地涌入入市场，而这这些都为VRR 系统的发发展打下了良良好的基础。在应用方面，11993 年年11 月，宇宇航员通过VVR 系统的的训练，成功功地完成了从从航天飞机的的运输舱内取出新的望望远镜面板的的工作，而用用VR 技术设设计的波音7777 飞机机是虚拟制造造的典型应用用实例，这是飞机设计史史上第一次在在设计过程中中没有采用实实物模型。波波音777 飞机由300

39、0 万个零件件组成，所有的设计在一一个由数百台台工作站组成成的虚拟世界界中进行。设设计师戴上头头盔式显示器器后，可以穿穿行于设计的虚拟拟“飞机”之中，审视视“飞机”的各项设计计指标。正是由于 VRR 技术产生生的具有交互互作用的虚拟拟世界，使得得人机交互界界面更加形象象和逼真，越越来越激发了人们们对VR 技术的的兴趣。近十十年来，国内内外对此项技技术的应用更更加广泛，在在军事、航空航天、科技开开发、商业、医医疗、教育、娱娱乐等多个领领域得到越来来越广泛的应应用，并取得得了巨大的经济效益和社社会效益。正正因为VR 技术是一个个发展前景非非常广阔的新新技术，因此此，人们对它它的应用前景充满了了憧憬

40、。1.1.2 VVR 技术的的概念与构成成VR 技术是采采用以计算机机技术为核心心的现代高科科技技术，生生成逼真的视视、听、触觉觉等一体化的虚拟环境，用用户借助必要要的设备以自自然的方式与与虚拟世界中中的物体进行行交互，相互互影响，从而而产生亲临真实环环境的感受和和体验。典型的 VR 系统主要由由计算机、应应用软件系统统、输入输出出设备、用户户和数据库等等组成，如图图1-1 所示。图1-1 VRR 系统1计算机在 VR 系统统中，计算机机负责虚拟世世界的生成和和人机交互的的实现。由于于虚拟世界本本身具有高度度复杂性，尤其在在某些应用中中，如航空航航天世界的模模拟、大型建建筑物的立体体显示、复杂

41、杂场景的建模模等，使得生成虚虚拟世界所需需的计算量极极为巨大，因因此对VR 系统中计算算机的配置提提出了极高的的要求。目前，低档档的VR 系统的的配置是以PPC 机为基基础并配置33D 图形加加速卡；中档档的VR 系统一一般采用SUN 或或SGI 等公公司的可视化化工作站；高高档的VR 系统则采用用分布式的计计算机系统，即即由几台计算机协同工工作。由此可可见，计算机机是VR 系统的的心脏。2输入输出设设备在 VR 系统统中，为了实实现人与虚拟拟世界的自然然交互，必须须采用特殊的的输入输出设设备，以识别别用4 第1章概论论户各种形式的输输入，并实时时生成相应的的反馈信息。常常用的方式为为数据手套

42、加加空间位置跟跟踪定位设备备，它可以感知运动动物体的位置置及旋转方向向的变化，通通过头盔式显显示器等立体体显示设备产产生相应的图图像和声音。通常头头盔式显示器器中配有空间间位置跟踪定定位设备，当当用户头部的的位置发生变变化时，空间间位置跟踪定位设备备检测到位置置发生的相应应变化，从而而通过计算机机得到物体运运动位置等参参数，并输出出相应的具有深度信信息及宽视野野的三维立体体图像和生成成三维虚拟立立体声音。3VR 的应应用软件系统统及数据库VR 的应用软软件系统可完完成的功能包包括：虚拟世世界中物体的的几何模型、物物理模型、行行为模型的建立，三维虚虚拟立体声的的生成，模型型管理技术及及实时显示技

43、技术，虚拟世世界数据库的的建立与管理理等几部分。虚拟拟世界数据库库主要用于存存放整个虚拟拟世界中所有有物体的各个个方面的信息息。图 1-2 所所示的是基于于头盔式显示示器的VR 系统，它由由计算机、头头盔式显示器器、数据手套套、力反馈装置、话筒筒、耳机等设设备组成。该该系统首先由由计算机生成成一个虚拟世世界，由头盔盔式显示器输输出一个立体的显显示，用户可可以通过头的的转动、手的的移动、语音音等与虚拟世世界进行自然然交互，计算算机能根据用户输输入的各种信信息实时进行行计算，即刻刻对交互行为为进行反馈，由由头盔式显示示器更新相应的场景显示，由由耳机输出虚虚拟立体声音音、由力反馈馈装置产生触触觉（力

44、觉）反反馈。_1.1.3 VVR 技术的的特征及意义义VR 技术有33 个主要特特性：沉浸性性（Immeersionn）、交互性性（Inteeractiivity）和和想像性（IImaginnationn），如图1-3 所所示。1VR 技术术的基本特性性（1）沉浸性沉浸性（Immmersioon）是指用用户感受到被被虚拟世界所所包围，好像完全置置身于虚拟世世界之中一样样。VR 技术最最主要的技术特征是让让用户觉得自自己是计算机机系统所创建建的虚拟世界中的一部分分，使用户由由观察者变成成参与者，沉沉浸其中并参与虚拟世界界的活动。理理想的虚拟世世界应该达到到使用户难以以分辨真假的的程度，甚至至超越

45、真实，实现比现实更逼逼真的照明和和音响效果。沉浸性来源于对对虚拟世界的的多感知性，除除了常见的视视觉感知外，还还有听觉感知知、力觉感知知、触觉感知、运动动感知、味觉觉感知、嗅觉觉感知等。理理论上来说，VR 系统应该具备人在现实世界中具有的所有感知知功能，但鉴鉴于目前技术术的局限性，在在现在的VRR 系统的研研究与应用中中，较为成熟熟或相对成熟的主主要是视觉沉沉浸、听觉沉沉浸、触觉沉沉浸技术，而而有关味觉与与嗅觉的感知知技术正在研研究之中，目前还还很不成熟。 视觉沉浸。VVR 系统向向用户提供虚虚拟世界真实实的、直观的的三维立体视视图，并直接接接受用户的控制。在VRR 系统中，产产生视觉方面面的

46、沉浸性是是十分重要的的。视觉沉浸浸性的建立依依赖于用户与与合成图像的集成成，VR 系统必必须向用户提提供立体三维维效果及较宽宽的视野，同同时随着人的的运动，所得到的场景也随随之实时地改改变。较理想想的视觉沉浸浸环境是在洞洞穴式显示设设备（CAVVE）中，采采用多面立体投影系系统，因而可可得到较强的的视觉效果。另另外，可将此此系统与真实实世界隔离，避避免受到外面真实世界的的影响，用户户可获得完全全沉浸于虚拟拟世界的感觉觉。 听觉沉浸。在在VR 系统中中，声音是除除视觉以外的的一个重要感感觉通道，如如果在VR 系统中加入与视觉同步步的声音效果果作为补充，在在很大程度上上可提高VRR 系统的沉沉浸效

47、果。在在VR 系统中中，主要让用户感觉觉到的是三维维空间的虚拟拟声音，这与与普通立体声声有所不同。普普通立体声可可使人感觉声音来自于某个个平面，而三三维虚拟声音音可使听者能能感觉到声音音来自于一个个围绕双耳的的球形空间的的任何位置。它可可以模拟大范范围的声音效效果，如闪电电、雷鸣、波波浪声等自然然现象的声音音。在沉浸式式三维虚拟世界中中，两个物体体碰撞时，也也会出现碰撞撞声音，让用用户能根据声声音准确判断断出碰撞发生生的位置。 触觉沉浸。在在虚拟世界中中，人们可以以借助于各种种相应的交互互设备，使用用户体验抓、握握等操作的感觉。当当然，从现在在技术来说不不可能达到与与真实世界完完全相同的触触觉

48、沉浸，将将来也不可能能，除非技术发展到到同人脑能进进行直接交流流，而目前的的技术水平主主要侧重于力力反馈方面。可可以使用充气式手套，在虚虚拟世界中与与物体相接触触时，能产生生与真实世界界相同的感觉觉，如在建筑筑小区浏览时时，用手推门不仅门门被打开，同同时手上也感感觉到门对手手的阻力（手手感）。（2）交互性交互性（Intteracttivityy）的产生，主主要借助于VVR 系统中中的特殊硬件件设备（如数数据手套、力力反馈装置等），使使用户能通过过自然的方式式，产生同在在真实世界中中一样的感觉觉。例如，用用户可以用手手图1-3 VRR 技术的3 个主要特特性6 第1章概论论直接抓取虚拟世世界中的

49、物体体，这时手有有触摸感，并并可以感觉到到物体的重量量，能区分所所拿的是石头头还是海绵，并且且场景中被抓抓的物体也能能立刻随手的的运动而移动动。VR 系统比较较强调人与虚虚拟世界之间间进行自然的的交互，如人人的走动、头头的转动、手手的移动等，通过这些方式与与虚拟世界进进行交互。这这与传统的多多媒体交互方方式有较大的的区别：在传传统的多媒体体技术中，人机之之间的交互工工具从计算机机发明直到现现在，还主要要是键盘与鼠鼠标，通过键键盘与鼠标进进行一维、二维的的交互；而在在VR 系统中中，人们甚至至可以意识不不到计算机的的存在。交互性的另一个个方面主要表表现了交互的的实时性。例例如：头转动动时能立即在

50、在所显示的场场景中产生相应的变化，并并且能得到相相应的其他反反馈；用手移移动虚拟世界界中的一个物物体，物体位位置会立即发生相应的变化化。（3）想像性想像性（Imaaginattion）指指虚拟的环境境是人想像出出来的，同时时这种想像体体现出设计者者相应的思想，因而可以用用来实现一定定的目标。所所以说VR 技术不仅仅仅是一个媒体体或一个高级级用户界面，同同时它还是为解决决工程、医学学、军事等方方面的问题而而由开发者设设计出来的应应用软件。通通常它以夸大大的形式反映设计计者的思想，VR 系统的开发是VR 技术与设计者并行操作，是为发挥设计者的创造性而设计的。VR 技术的应用，为人类认识世界提供了一

51、种全新的方法和手段，可以使人类跨越时间与空间，去去经历和体验验世界上早已已发生或尚未未发生的事件件；可以使人人类突破生理理上的限制，进入宏观观或微观世界界进行研究和和探索；也可可以模拟因条条件限制等原原因而难以实实现的事情。例如在建设一座座大楼之前，传传统的方法是是要绘制各种种图纸，而现现在可以采用用VR 系统来来进行设计与仿真。制制作的VR 作品反映的的就是某个设设计者的思想想，而它的功功能远比那些些呆板的图纸纸生动强大得多，所所以有些学者者称VR 为放大大人们心灵的的工具或人工工现实（Arrtificcal Reealityy），这就是VR 所具有有的第三类特特征想像性。现在，VR 技技术

52、在许多领领域中起着十十分重要的作作用，如核试试验、新型武武器设计、医医疗手术的模拟与训练、自自然灾害预报报等，这些问问题如果采用用传统方式去去解决，必然然要花费大量量的人力、物物力及漫长的时间间，有些还是是无法进行的的，有些甚至至会牺牲人员员的生命。而而VR 技术的的出现，为解解决和处理这些问问题提供了新新的方法及思思路，人们借借助VR 技术，沉沉浸在多维信信息空间中，依依靠自己的感知和认知知能力全方位位地获取知识识，发挥主观观能动性，寻寻求答案，找找到新的解决决问题的方法法和手段。综上所述，VRR 系统具有有的沉浸性、交交互性、想像像性，使参与与者能沉浸于于虚拟世界之之中并进行交互。VR 系

53、统是人们们可以通过视视、听、触觉觉等信息通道道感受到设计计者思想的高高级用户界面面。2VR 技术术的意义正是由于 VRR 技术的广广泛应用，并并能够实现人人与自然之间间的和谐交互互，扩大人对对信息空间的的感知通道，提高高人类对跨越越时空事物和和复杂动态事事件的感知能能力，把计算算机应用提高高到一个崭新新的水平，其作用用和意义是十十分重要的。正正因为如此，人人们也从更高高的层次上来来看待其作用用和意义。首先是在观念上上的转变，它它使人们对计计算机的应用用从“以计算机为为主体”变成“以人为主体”。传统的信息处理理环境一直强强调的是“人适应计算算机”，人与计算算机通常通过过键盘与鼠标标进行交互，这种

54、交互是是间接的、非非直觉的和有有限的。而VVR 技术的的目标或理念念是要逐步使使“计算机适应应_人”，人们要通通过视觉、听听觉、触觉、嗅嗅觉以及形体体、手势或语语言，参与到到信息处理的的环境中去，并获得身临其境境的体验。人人们不必意识识到自己在同同计算机打交交道，而可以以像在现实世世界中处理事事情一样同计算机机交流，这就就把人从操作作计算机的复复杂工作中解解放出来，使使用计算机无无需学习，操操作也异常简单而而方便。第二个转变发生生在哲学中人人们对“虚”和“实”之间的辩证证关系的理解解上。虚和实的关系是是一个古老的的哲学话题。我我们是处于真真实的客观世世界中，还是是只处于自己己的感知世界中，一直

55、直是唯物论和和唯心论争论论的焦点。以以视觉为例，我我们所看到的的世界，不过过是视网膜上的影像。过去去，视网膜上上的影像都是是真实世界的的反映，因此此客观的真实实世界同主观观的感知世界界是一致的。现在在，VR 导致了了二重性，VVR 的景物物对人的感官官来说是实实实在在存在的的，但它又的的的确确是虚构的东东西，而且按按照虚构的东东西行事，往往往又会得出出正确的结果果。因此这就就引发了哲学学上要重新认识“虚”和“实”之间关系的的研究。1.1.4 VVR 技术与与三维动画技技术的异同也许有人会说，VR 技术让人看到的东西与三维动画技术差别不大，其实两者是不同的两种技术。VR 技术和三维维动画技术有有

56、本质上的区区别：三维动动画技术是依依靠计算机预预先处理好的的路径上所能看见见的静止照片片连续播放而而形成的，不不具有任何交交互性，即不不是用户想看看什么地方就能看到什么么地方，用户户只能按照设设计师预先固固定好的一条条线路去看某某些场景，它它给用户提供的信息很少少或不是所需需的，用户是是被动的；而而VR 技术则则截然不同，它它通过计算机机实时计算场景，根据据用户的需要要把整个空间间中所有的信信息真实地提提供给用户，用用户可依自己己的路线行走，计算机机会产生相应应的场景，真真正做到“想得到，就就看得到”。所以说交交互性是两者者最大的不同。VR 技术源于于人们对三维维动画技术自自由交互的渴渴望，虽

57、然它它形式上和三三维动画技术术有些相似之处，但它可能能将是三维动动画技术的替替代品。举例例来说，3DDSMAX 是三维动画画制作的利器器，其软件制作效果好好，运行效率率高，用户遍遍及全球。如如果需要利用用3DSMAAX 渲染一一张小区建筑筑效果图，大概需要几几十秒的时间间；而VR 软件在同样样的分辨率下下，每一秒要要渲染几十帧帧这样的效果果图，因为如果不能达达到20 帧秒秒以上的处理理效率，就难难以达到和人人类实时交互互的效果，这这种效率是三维动画软件通通过软件的优优化所无法达达到的。下面来看一个应应用的实例。房房地产展示是是这两个技术术最常用的领领域。在现在在的应用中，很很多房地产公司采用用

58、三维动画技技术来展示楼楼盘，其设计计周期长，模模式固定，制制作费用高；而同时在国国内也已经有多家家公司采用VVR 技术来来进行设计，其其展示效果好好，设计周期期短，更重要要的是，它是是基于真实数据的的科学仿真，不不仅可达到一一般展示的功功能，而且还还可以把业主主带入到未来来的建筑物里参观，还可展展示如门的高高度、窗户朝朝向、某时间间的日照、采采光的多少、样样板房的自我我设计、与周围环境的相互互影响等。这这些都是三维维动画技术所所无法比拟的的。有关VRR 技术与三三维动画技术术的比较详见表1-1。表 1-1 VVR 技术与与三维动画技技术的比较 在20033 年12 月于日日本东京举行行的ICA

59、TT03 国际会会议上，专门门邀请寺庙的的一位主持来来讲述“虚”与“实”的辩证关系系，给与会者很大的启发。8 第1章概论论比较 项 目 VR技术三维维动画技术科学性及场景的的选择性虚拟世界由基于于真实数据建建立的数字模型组合而成成，严格遵循循工程项目设设计的标准和要求求，属于科学学仿真系统。操纵者亲身体验验虚拟三维空空间，可自由由选择观察路径，有有身临其境的的感觉场景画面由动画画制作人员根根据材料或想像直接绘制制而成，与真真实的世界和和数据有较大的差差距，属于演演示类艺术作作品。只能按预先先假定的观察察路径观看，无法改变实时交互性操纵者可以实时时感受运动带带来的场景变化，步移景景异，并可亲亲自

60、布置场景景，具有双向互动的的功能只能像电影一样样单向演示，场场景变化，画面需要事事先制作生成成，耗时、费费力、成本较高空间立体感支持立体显示和和三维立体声声，具有三维空间真实感不支持演示时间没有时间限制，可可真实详尽地地展示，并可以在VR 的基础上导导出动画视频频文件，同样可以用用于多模体资资料的制作和和宣传，性价比高高受动画制作时间间限制，无法法详尽展示，性价比低方案应用的灵活活性在实时三维世界界中，支持方方案调整、评估、管理、信信息查询等功功能，适合较较大型复杂工程项项目的规划、设设计、投标、报批、管理等需需要，同时又又具有更真实实和直观的多媒体体演示功能只具有简单的演演示功能1.2 虚拟