虚拟制造技术虚拟现实技术

虚拟现实技术4.1虚拟现实的特征及根本构成4.2虚拟现实技术的开展概略4.3位置跟踪通道4.4视觉通道4.5听觉通道4.6触觉、力反响4.7虚拟场景的生成虚拟现实的根本概念1989年，美国VPLResearch公司开创人JaronLanier提出了"VirtualReality"〔虚拟现实〕的概念。在这里，"Reality"的含义是现实的世界，或现实的环境。所以，"VirtualReality"〔虚拟现实〕的另一个称号是"VirtualEnvironment"〔虚拟环境〕。"Virtual"阐明，这个世界或环境是虚拟的，不是真实的。这个世界或环境是人工构造的，是存在于计算机内部的。用户应该可以"进入"这个虚拟的环境中。所谓"进入"这个虚拟的环境中，是指用户以自然的方式与这个环境交互〔包括感知环境并干涉环境〕，从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，身临其境的觉得。"VirtualReality"〔虚拟现实〕或"VirtualEnvironment"〔虚拟环境〕是人工构造的，存在于计算机内部的环境。用户应该可以以自然的方式与这个环境交互〔包括感知环境并干涉环境〕，从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感，身临其境的觉得。

虚拟环境(VirtualEnvironment，VE)系统或虚拟现实(VirtualReality，VR)系统包括人类操作者、人机接口和计算机。虚拟现实系统运用最多的公用设备是头盔式立体显示器和数据手套。于是，有人以运用这些公用设备为虚拟现实系统的标志。这种观念是不准确的。上述的虚拟现实的概念，是在计算机运用和人机交互方面开创的全新的学科领域。这个新领域的开展，还有很多困难，有很多技术难点有待处理。当前，这一领域还只是走出了第一步。头盔式立体显示器和数据手套等设备，只是当前曾经实现的一部分虚拟显示设备。它们还很不完善。例如，头盔的视场，分辨率，呵斥眩晕等问题还有待处理。听觉接口和力觉接口等设备还在研讨，运用还不多。味觉，嗅觉，运动觉等技术，还缺乏研讨。

虚拟现实技术虚拟现实系统中的虚拟环境，能够有以下几种情况。

第一种情况是模拟真实世界中的环境。例如，建筑物，武器系统，或战场环境。这种真实环境，能够是曾经存在的，也能够是曾经设计好但还没有建成的。为了逼真地模拟真实世界中的环境，要求逼真地建立几何模型和物理模型。环境的动态应符合物理规律。这一类虚拟现实系统的功能，实践是系统仿真。第二种情况是人类客观构造的环境。例如，用于影视制造或电子游戏的三维动画。环境是虚拟的，几何模型和物理模型就可以完全虚拟。这时，系统的动画技术常用插值方法。第三种情况是模拟真实世界中的人类不可见的环境。例如，分子的构造，空气中速度、温度、压力的分布等。这种真实环境，是客观存在的，但是人类的视觉和听觉不能觉得到。对于分子构造这类微观环境，进展放大尺度的模拟，使人能看到。对于空气中速度这类不可见的物理量，可以用流线显示速度〔流线方向表示速度方向，流线密度表示速度大小〕。这一类虚拟现实系统的功能，实践是科学可视化。

由此可见，虚拟现实技术可以用于系统仿真、科学可视化、三维动画等领域。

第一种情况第二种情况虚拟现实的特点基于虚拟现实的根本概念，可以得到虚拟现实的以下三个特点。

1．计算机提供“环境〞,不是“数据,信息〞。这改动了人机接口的内容。

2．操作者由视觉,听觉,力觉感知环境,由自然的动作操作环境,不是由屏幕,键盘,鼠标和计算机交互。这改动了人机接口的方式。

3．逼真的感知和自然的动作，使人产生身临其境的觉得。这改动了人机接口的效果。第一个特点表达了计算机运用的新方向。计算机的称号表达了，它的最早运用是计算。当时，计算机和用户交互的是计算有关的数值。以后，计算机扩展四处置数值，字符串，文本等各类数据。以后，计算机更扩展四处置图像，图形，声音，言语等多种媒体的信息。虚拟现实系统那么以环境为计算机处置的对象和人机交互的内容。这开辟了计算机运用的新思绪。

第二个特点表达了计算机人机接口的新方向。至今为止的计算机人机接口都是面向机器的。终端，键盘，鼠标，打印机等接口设备，都是顺应计算机的公用设备。这些设备很好地完成了各类数据和多媒体信息的交互。虚拟现实中的人机接口，那么是面向用户的。虚拟现实系统中，用户以自然的方式与虚拟环境交互。所谓自然的方式，是指用户经过视觉，听觉，触觉等觉得虚拟环境，运用户产生在真实环境中的幻觉。同时，用户经过在真实环境中的行为，去干涉虚拟环境。于是，虚拟现实的人机接口设备，完全不同于现有计算机的人机接口设备。这也是虚拟现实技术中最有特征的内容。

第三个特点表达了计算机人机接口的新要求。用户经过人机接口与虚拟环境交互的结果，是运用户产生身临其境的虚幻感，沉浸感。

虚拟现实的运用领域1．文娱

2．国防

3．设计、制造和销售

4．医疗和安康

5．危险操作

6．训练

7．教育

8．信息可视化

9．远程交往与远程游历虚拟现实技术1．VR的人机接口

2．VR的计算机系统

3．VR的建模和仿真

1．VR的人机接口

VR的人机接口有两个作用：其一是给人类操作者提供环境信息〔视觉、听觉和触觉〕，其二是觉得人类操作者的动作和呼应〔位置跟踪和映射〕。前者包括：视觉通道、听觉通道、触觉通道、运动接口和其他接口。后者包括：位置跟踪和映射，语音识别等。

〔1〕位置跟踪和映射

位置跟踪和映射用于丈量人体各部位的位置和姿态，分析判他人面部的表情。它的目的是了解人的身体行为。这是为了实现人机交互所必需的系统功能。VR系统由此了解人的行为，然后做出适当的呼应，实现交互。

常用的技术包括：机械链接、磁传感器、声传感器、光传感器和惯性传感器。根本目的是准确完成位置和姿态的丈量。三个主要的要求：大范围的线性呼应，高带宽〔1kHz〕，以及允许头和身体的运动。〔2〕视觉通道

视觉通道给人的视觉系统提供图形显示。为了提供身临其境的逼真觉得，视觉通道应该满足一些要求。显示的像素应该足够小，使人不至觉得到像素的不延续。显示的频率应该足够高，使人不至觉得到画面的不延续。给两眼提供具有双目视差的图形，构成立体视觉。应该具有足够大的视场，理想情况是显示画面充溢整个视场。

视觉通道的显示外表分为：基于CRT和基于LCD。视觉通道的光学系统分为：头盔显示(HMD)和非头盔显示(OHD)。

公用头盔图〔3〕听觉通道

听觉通道给人的听觉系统提供声音显示。为了提供身临其境的逼真觉得，听觉通道应该满足一些要求，使人觉得置身于立体的声场之中，能识别声音的类型和强度，能断定声源的位置。

听觉通道的关键技术包括：合成由接口提供的虚拟声音信号，声音在虚拟空间定位问题，以及发声设备。

〔4〕触觉通道

触觉通道给人体外表提供触觉和力觉。当人体在虚拟空间中运动时，假设接触到虚拟物体，虚拟显示系统应该给人提供这种触觉和力觉。

触觉通道涉及操作以及觉得，包括触觉反响和力觉反响。触觉通道的构造分为：安在身体上和安在地面的设备。

〔5〕运动接口

人体在环境中的运动包括：身体的被动运动(被动挪动，如在车上的运动)，身体自动运动〔遨游，如散步〕。人在运动中，人体内部的运动觉得器官可以感知运动信息。

感知运动信息的器官包含：前庭系统，运动系统，视觉听觉系统，本体感受，动觉和触觉。运动接口应该给这些器官提供运动信息。

〔6〕其它类型接口

其它类型接口包括：嗅觉、味觉通道，以及觉得热、风及湿度的接口。还包括语音通讯〔语音识别与合成〕以及直接心思觉得和控制。这些接口还缺乏研讨，以下将不引见。2．VR的计算机系统

现有的虚拟显示系统主要思索视觉通道。听觉通道和触觉通道还处于研讨阶段。所以，VR的计算机系统主要思索视觉通道的要求。

〔1〕硬件

视觉通道对计算机系统的要求，首先是要求维持足够的图形帧速率。于是要求在指定的时间内〔约为0.1秒〕计算出两眼的两幅图像。同时要求提供足够好质量的图像，这普通表达在图像中显示的多边形或三角形的树木。因此，往往需求公用硬件。图形硬件应提供快速几何变换、截取、消隐、多边形填充和外表纹理。

〔2〕软件

VR系统中的软件主要包括以下几种。交互软件利用人机控制设备的输出去修正VE。视觉遨游软件控制用户在VE中运动时看到的场景。建模软件定义虚拟物体外形、外观和属性的模型。操作系统支持VE的实时多模态要求。

〔3〕网络

分布式交互仿真曾经成为现代仿真技术，特别是军事仿真的潮流。通讯网络可以把VE转换成共享的分布式计算环境。3．VR的建模和仿真

〔1〕建模

建模包括：几何建模和物理建模。普通的VR工具软件都具有几何建模功能。利用现有的CAD建模工具也是常用的方法。市场上已有商业模型库出卖。对实践物体的建模，那么采用激光扫描等公用设备。物理建模是基于物理方程的建模。普通思索刚体建模，链接物体的建模，以及非刚体的建模。智能体的建模不是基于物理方程，而是基于人为的物体智能。

人工建模技术在图形学和CAD领域，已有成熟的成果。自动建模采用激光扫描建立几何模型，也曾经有相关产品。自动建立物理模型的研讨还不多。

〔2〕仿真

仿真包括：图形绘制和三维动画。

图形绘制是把三维环境，相对于虚拟摄像机〔虚拟视点〕投影，构成图像的过程。为了提供延续运动的错觉，帧速率必需大于每秒8到10帧。为了坚持瞬间交互控制的错觉，呼应时间的延迟必需小于0.1秒。为了绘制人眼可分辨的一切细节，这要求有8千万个多边形。这是对于图形绘制的要求。

然而，用今天的硬件，每个画面8千万多边形的系统对真正的实时交互是太慢了，于是存在真实图像与实时交互间的折衷。某些运用〔如建筑和艺术〕能够要求照片一样真实的绘制。制造和医疗运用要求更高层次的实时交互。

三维动画可以用两种途径实现。基于物理模型的数值计算是一种方法。军事和工业等运用，往往要求这种满足物理规律的仿真技术。数学插值那么是另一种实现动画的方法。这种技术在三维动画电影中获得了宏大的胜利。

以下图表示，虚拟现实开发系统的方块图。用户经过输入输出设备与输入输出软件交互。输入软件经过外形编辑器完成几何建模，经过声音编辑器完成虚拟声音系统建模。然后，在世界编辑器完成虚拟环境的建模。其中的虚拟剪切器，用于模型的剪切。建立的模型，保管在虚拟世界中。整个任务在计算机系统中完成。虚拟现实的接口设备

位姿传感器

视觉显示

听觉显示

力觉和触觉显示1．位姿传感器的要求

机器人、生物学、建筑、CAD、教育等运用领域，都要求知道运动物体实时的位置和方向。虚拟现实系统那么要求知道人体各部分实时的位置和方向。

〔1〕3-D空间中的运动的刚体具有三个平移〔沿着X、Y和Z轴〕和三个转动〔偏航、俯仰和滚动〕。

〔2〕在物体以高速运动时，应该足够快地测出这六个数值。

〔3〕3-D丈量不应妨碍物体运动。非接触式丈量〔低频磁场、超声、雷达、红外摄像和LED等〕曾经替代机械臂等接触式丈量。

〔4〕3-D传感器都具有一些共同的参数。

位姿跟踪常用的性能参数有：精度，分辨率，采样率，执行时间，范围，任务空间，价钱，妨碍，方便，对模糊的敏感，容易校准，同时丈量的数目，方向相对位置跟踪。〔5〕人体并非刚体。上述六个数值只能描画人体整体的运动，人体各部分之间的相对运动也应该丈量。

〔6〕位姿跟踪和映射是VE系统的根本要求。常用的要求包括：

〔a〕视觉显示对头和眼的跟踪；

〔b〕触觉接口对手和臂的跟踪；

〔c〕视觉显示对身体的跟踪；

〔d〕面部表情识别、虚拟衣服和医用遥控机器人的映射；

〔e〕建立数字化几何模型的环境映射。

〔7〕一种任务方式〔“流动〞方式〕中，传感器数据延续送给主计算机。这最适于快速运动的物体。但是这加重了通讯线路的负担。假设要求以30个画面/秒的速率反复计算，那么每33毫秒要画出一个画面。9600波特率的串行口要破费12毫秒传送6个数的一组数据〔每个数有16bit〕。因此，仅仅通讯就要破费33毫秒的36%。

另一种任务方式〔“恳求〞方式〕中，当主计算机恳求时，才传送一组的6个数。其它时间不读传感器数据，于是总体画面更新时间中的通讯时间部分就下降了。〔8〕用于位姿跟踪和映射的根本传感系统有：

机械链接，磁传感器，光传感器，声传感器和惯性传感器。2．各种位姿跟踪器的比较如下：3．研讨要求

普通，位置跟踪器要求适宜的性能和合理的价钱。对肢体跟踪，某些光学传感器是准确快速的，但对日常运用太贵〔在5万到10万美圆范围〕，特别是为了防止阻挠和添加任务空间而加倍安装时。

肢体跟踪的任何传感系统难以识别可靠的基准点，这是由于人体组织和衣服的柔软性。

为了得到关节角，必需运用某些校准过程，在肢体上建立坐标系。以后的关节角计算将接近真实的生物机械角。

对整个人体跟踪，任务空间大小是重要问题。应该能在足够大的空间跟踪运动人体，并且不会损失分辨率，不用担忧遮挡。被跟踪的人应能在建筑中由一个房间走到另一个房间。假设人体一切主要部分都被跟踪，那么要求安装某些东西在人体上〔反光器，标志，测角器〕的传感系统，不如扫描人体的系统有吸引力。

对人体和环境外表映射，某些激光跟踪器是准确而快速的，但还较贵。VE的长期目的是高精度实时跟踪人体的光学映射系统。这能够是用自然光或自动激光扫描的立体视觉系统。

丈量方法是在选择位置跟踪方法时最易混淆的一个问题，问题是性能目的的含义及丈量方法之间的不一致。应建立规范，指出怎样测精度、分辨率、等待时间、带宽、敏感干扰、和起伏。丈量设备应商品化，应建立独立的实验室，运用户不至依赖厂家目的，而是了解真实性能。机械式传感器1．原理：

机械式传感器可分两类：

"安在身体上的"机械跟踪器中，机械全部安在身上。

"安在地面上的"机械跟踪器中，机械部分安在地面。

2．机械式传感器的优缺陷：

机械式传感器：是廉价的，比较准确。可以丈量整个身体运动，没有延迟。可以同时实现力反响。但妨碍身体运动〔1〕测角器〔"安在身体上的"机械跟踪器〕

〔2〕安在地面上的链接

3-D探头

传感手套是为满足上述要求而设计的虚拟现实工具。商业化的产品有VPL公司的DataGlove，Vertex的CyberGlove，Mattel的PowerGlove，和ExosDextrousHandMaster。它们都用传感器丈量全部或部分手指关节的角度。某些传感手套还用3-D传感器跟踪用户手腕的运动。手套的任务区大于跟踪球和手柄〔探头〕的任务区。

以下图表示，人手指的各种运动。把原始的传感器读数变成手指关节角的过程称为手套校准。每当开场一次新的仿真，戴上数据手套时，都必需重新作校准。这是由于不能够知道能否用户把手套松紧适宜地戴在手指上。

以下图表示，数据手套DataGlove的构造。

电磁传感器电磁传感器丈量头，手，其他设备的位姿。丈量三个坐标，以及三个姿态角度。以下图表示，电磁传感器用于丈量头盔的位姿。轻便的电磁接受器部分安装在头盔上，电磁发射器安装在地面。超声传感器超声传感器同样丈量头，手，其他设备的位姿。丈量三个坐标，以及三个姿态角度。

以下图表示运用超声传感器的表示图。在用户头部前额上的正三角形架子上安装了三个超声接受器，另一个大的正三角形架子上安装了三个超声发射器。

视觉显示理想的视觉显示与日常阅历中的场景对比，在质量、修正率和范围方面应该是无法区分的。但是当前的技术还不支持这种高真实度的视觉显示，而且也不清楚能否多数运用要求这种高真实度。对任何给定的运用，必需仔细评价各种显示特性的重要性，这包括视觉特性〔视场、分辨率、亮度、对比和彩色〕，人类工程学，平安，可靠和价钱。视觉显示的根本要求是提供立体视觉。对虚拟现实〔VR〕，最常用的技术成熟的显示类型是阴极射线管〔CRT〕和背光液晶显示〔LCD〕。虽然这些技术对近期的虚拟现实运用是很有用的，但几个缺陷却妨碍其长期的开展。

1．CRT类显示

2．LCD类显示CRT技术是多年来在电视机和计算机监视器上广泛运用的成熟技术。CRT技术能给头盔显示器提供小的高分辨率高亮度的单色显示。但这些CRT较重，并把高电压放在人头部上的设备中。此外，开发小型高分辨率高亮度彩色CRT是困难的。在头盔显示中，要求笨重的光学设备构成高质量图像。

组合的技术途径可产生高质量彩色图像，并减少分量和价钱。近期的途径是把高质量彩色的基于CRT的HMD〔头盔显示器〕引入市场，它运用了加于单色CRT的机械电子彩色滤光技术。这种途径中，CRT以三倍正常速率扫描，并依次加上红、绿、兰三色的滤光器。

LCD技术以低电压产生彩色图像，但只具有很低的图像元密度。在头盔显示中，也要求笨重的光学设备构成高质量图像。

市场出卖的头盔式显示器几乎全部依托TV〔电视机〕质量的液晶显示。在VR和遥操作领域，不要求大区域显示。只需求紧凑的轻便的高分辨率显示。LCD显示器有待提高其分辨率。3．VRD类显示与基于CRT或LCD的显示器不同的任务是在华盛顿大学人类接口接术〔HIT〕实验室。HIT实验室正研讨基于激光微扫描技术的显示VRD，它用微型固体激光器扫描视网膜上的彩色图像。它的优点是不运用笨重的光学设备，能够开发高分辨率、轻便、低价钱显示系统。但激光微扫描显示还面对大量技术妨碍。VRD的运用包括用于军事，头盔，挪动，以及医学上。

以下图表示，VRD的显示设备用于头盔显示器。未来的VRD的头盔显示器视觉显示的产品几种基于LCD的头盔产品视觉显示的产品基于CRT的头盔产品听觉显示虚拟环境的听觉接口应能给两耳提供一对声波。

(1)它应有高逼真性，

(2)能以预订方式改动波形，作为听者各种属性和输出的函数(包括头部位姿变化)，

(3)排除一切不是VR系统产生的声源(如真实环境背景声音)。对加强现实系统可以放松上述条件(3)，它的意图是组合合成声音与真实声音。声音显示设备普通讲，用耳机最容易到达虚拟现实的要求。在运用喇叭，并远离头部时，每个耳朵听到每个喇叭的声音，控制问题很困难。虽然商业化的高逼真电影往往声称喇叭有很好的构成声象才干，但用户限制在房中单一收听位置，只得到固定方位声象〔不补偿头部转动〕，而且房间的声学特性不容易处置。此外，由于耳朵完全翻开,不能够排除环境中附加的声音。最后，虽然与耳机有关的接触感能够限制听觉临场感的程度，但是由于用户需求在虚拟和真实环境之间来回转移，这种与耳机接触能够是有用的。在任何情况，由于视觉接口会存在这些问题。在需求喇叭的情况下，能够发生高能低频声爆破。这种情况，喇叭能够用于振动部分身体，而不仅是耳膜。

房间声音建模1．声音的空间分布

虚拟环境听觉接口以前多数任务是要提供声音的空间分布。在这个领域，任务最初集中在仿真正常的空间分布。很少留意提供超正常分布。

2．房间声学建模

当前，Acoustetron是独一的包含简化的房间实时声学建模的实时声音空间定位系统。即使声学模型是简单的，并只需少量一阶和二阶反射，系统提供了加强的现实性。

3．加强现实显示力觉和触觉显示1．接触反响和力反响

接触接口可以按照提供应用户的信息分成两类，接触反响和力反响。接触反响给用户提供的信息有：物体外表几何外形、外表纹理、滑动等。力反响给用户提供的信息有：总的接触力、外表柔顺、物体分量等。接触接口还可以分成：部分身体运动接口，以及全身运动接口。部分身体运动接口，安装在人体的一部分，如手、臂、躯干等。全身运动接口那么全面支持在虚拟环境中的自动和被动的运动，但这种接口技术还远未成熟。机械接触接口的一个重要的目的是：自在度〔DoF〕。由操作器的观念看，自在度是关节的数目。这些关节是位置受控的，也是力矩受控的。2．接触反响和力反响的要求

在虚拟现实交互中，没有真实的被抓物体。虚拟接触反响和力反响需求复制实时计算的接触力、外表外形、平滑性和滑动等。除了对一切传感通道的实时要求外，对虚拟接触反响和力反响还有某些特殊要求。3．接触反响和力反响的技术

接触接口需求几种机械部件，以及描画环境性质的模型和软件。至今还只需很少的接触反响和力反响设备。他们采用以下的技术。

〔1〕软件和模型

〔2〕心思物理学

〔3〕作用器触觉显示设备接触反响在物体辨识与操作中起重要作用。它也检测开场接触，所以在任何力反响系统中也是需求的。人体具有二十种不同类型的神经末梢，给大脑发送信息。多数感知器是热、冷、疼、压、接触等感知器。接触接口给这些感知器提供：高频震动、外形或压力分布、温度分布等信息。

接触反响设备有以下几种1．气动接触反响2．振动触觉反响力觉显示设备力反响设备应该跟踪用户身体的运动，以及用户施加的力。根据这些数据，力反响设备确定它加给用户的力。这种接口的目的是给用户提供立刻的，高逼真的，可信的真实交互。

力反响手柄力反响手臂手臂有重力和惯性补偿，于是在与虚拟环境无交互时在手柄上也不感到力。〔a〕为系统规划，〔b〕为手臂的构造虚拟场景的生成虚拟场景的生成主要包括两方面内容：虚拟环境的建模及三维图形显示。几何对象的完好描画应包括两方面，其一称为“静态模型〞，他描画对象的静态特征，包括几何尺寸、外形特征、位置、方向、资料及有关属性；其二称之为“动态模型〞，他描画对象的动态属性，包括其运动、行为及其约束条件等。1、虚拟场景静态模型的建立静态模型的描画普通分为：几何模型，光照模型、灰度模型、纹理处置、渲染效果等。2、虚拟场景动态模型的建立虚拟场景动态模型建立主要涉及两个方面的内容，其一是如何确定场景中每一个对象运动过程中的坐标〔包括绝对坐标与相对坐标〕，其二是当视点变化时场景如何动态刷新。2虚拟现实技术虚拟现实技术是一种三维计算机图形技术与计算机硬件技术开展而实现的高级人机交互技术，让用户经过视觉、听觉、触觉、甚至嗅觉和味觉等多种知觉方式实时地与计算机所建造的仿真环境发生相互作用。虚拟现实〔VR-VirtualReality)VR技术是综合利用计算机图形系统和各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸觉得的技术。VR技术的直观与交互特性弥补了传统设计工具的缺乏为概念设计，设计方案的评价提供了有力的支持VR技术是一个极有运用潜力的新技术领域虚拟现实技术提供了在产品制造以前察看、验证和运用产品的可视化的环境。虚拟现实技术的特征1〕立体感的视觉效果由内向外察看，按人的视觉原理设计，环境真实感2〕人在虚拟环境中的沉浸感用户在虚拟空间处于运动坐标系中。3〕多知感借助多媒体，产生视觉、听觉、触觉感。4〕闭环的交互方式人对虚拟空间的对象进展操作时，对象将给人以觉得上的反响5〕动态的显示场景可随人的视点作全方位的运动虚拟现实技术提供：具有独特输入/输出安装的特殊人机界面，如头盔式显示器HMD、跟踪器、数据手套、定位器等。借助这些虚拟外设，比之传统CAD技术，用户就可沉浸在仿真环境之中，有“身临其境〞的觉得，从而完成在现实世界中能够或不能够的任务虚拟现实环境的建立屏幕仿真采用键盘和鼠标与计算机交互，用户依然置身于虚拟环境之外操作和观看。借助立体显示安装和软件、多通道的视觉、听觉、触觉和甚至味觉传感器，可运用户沉浸到虚拟环境中去，想象成接近现实的幻觉。这种环境称为虚拟实境〔VirtualReality〕是一种能在三维视觉空间中进展实时仿真和交互的高端人机界面。虚拟现实环境的建立交互沉浸遐想视觉听觉触觉味觉虚拟环境虚拟现实环境的建立有沉浸感的虚拟实境环境人工的虚拟实境产品带头盔的用户虚拟实境计算机虚拟现实环境的建立虚拟实境环境输入接口位置跟踪数据手套空间球操纵杆话筒头盔双筒镜立体眼镜显示设备耳机输出接口虚拟实境数据库CAD、音频、视频丈量建模渲染控制虚拟实境计算机虚拟实境建模言语VRML虚拟现实环境建模虚拟实境的建模过程首先是将CAD的实体模型进展三角形处置，将延续的实体转为大量三角形构成的外表，以减少虚拟对象的数据量。三角形的数量越多，虚拟对象越逼真，虚拟实境的沉浸感越强。对于需求表现细节的部分，也可以借助照片贴图的方法，防止数据量过大。虚拟现实对计算机系统的要求1．帧频和延迟时间的要求

VR要求高帧频和快速呼应，这是由于其内在的交互性质。

要求的帧频和延迟普通取决于环境特性。只需慢速运动物体的较静的环境，可以用帧频每秒8至10，和0.1秒延迟。假设环境有高速运动的物体，那么要求高帧频〔>60Hz〕和短延迟。一切情况下，假设帧频低于每秒8帧，那么失去三维环境的生动感，假设延迟大于0.1秒，那么很难操作环境。因此，帧频必需大于8到10帧/秒,总延迟必需小于0.1秒。2．计算才干和场景复杂性

虚拟现实仿真的计算问题，是一种时间受限的计算。这是由于显示的帧频必需大于8到10帧/秒。于是，在0.1秒内，必需完成一次场景的计算。假设一个显示的场景中有10,000个三角形〔或多边形〕，这个数量就反映了场景复杂性。这样，在每秒进展的10次计算中，就应该计算100,000个三角形〔或多边形〕。这表示了计算才干。

假设要求更加逼真的仿真效果，就要添加场景复杂性。显示的场景中有更多的三角形〔或多边形〕，显示的效果就更逼真。这就要求更强的计算才干，每秒计算更多的三角形〔或多边形〕。反之，假设只能运用才干有限的指定的计算机，那么限定了计算才干，也就限定了场景复杂性。每个场景，只能用较少的三角形〔或多边形〕，产生较粗糙的显示。这种思索就是，计算才干和场景复杂性的折衷。

对计算机，主要的技术目的就是其计算才干，也就是每秒计算的三角形〔或多边形〕的数目。应该留意，能否加纹理，能否反走样，采用哪一种明暗模型，都会影响到计算才干。参与这些复杂的功能，就会添加计算复杂性，从而减少每秒计算的三角形〔或多边形〕的数目。2500个三角形33个三角形600个三角形134754个三角形虚拟现实环境建模汽车前仪表盖三角形较少的模型三角形较多的模型贴上仪表盘照片方向盘的CAD模型三角形较多的模型三角形较少的模型虚拟实境的模型虚拟现实环境建模虚拟现实环境设备位置输入安装的用途是：支配和控制虚拟对象的位置。将用户的位置与虚拟实境交互。位置输入安装的主要类型：空间球〔6自在度立体鼠标〕。支配杆〔力反响或没有力反响〕。超声波或光学位置跟踪器。全身动作跟踪服。位置输入安装虚拟现实环境设备虚拟对象有6个自在度空间球具有磁性位置跟踪的立体鼠标单柄支配杆具有力反响的支配杆摄像机摄像机两极发光管指向标两极发光管天花板带传感器的头盔超声波发生器超声波接纳器位置控制器虚拟实境计算机光学位置跟踪器传感器激光扫描仪传感器位置信号发射安装传感器全身动作跟踪服〔20个传感器〕虚拟现实环境设备数据手套既是位置输入安装，也是触觉输入安装，它将“虚拟手〞加到虚拟实境场景中去。数据手套与空间球和支配杆相比，数据手套扩展了用户与虚拟实境交互的活动空间。数据手套的主要类型有：位置和动作数据手套。力反响数据手套。将用户手的姿态转化成计算机可读的数据，有丈量几个或全部手指关节的传感器。有的具有三维传感器，以跟踪用户腕部的运动基于光导衰减有利的光纤手套CyberGrasp数据手套虚拟手数据手套的任务空间信号发射器空间球的任务空间工具栏菜单栏输出信号2个传感器/每根手指+手指分合传感器+手腕转动传感器接口电缆接口盒软接线信号转换软手套虚拟现实环境设备虚拟现实环境设备头盔和双筒镜头盔(HMD-HeadMountedDisplay)和双筒镜(BOOM)是个人用户的虚拟实境显示安装，运用方便，价钱廉价。头盔的缺陷是头部负重和不温馨感，头盔分专业〔带位置跟踪〕和普通〔不带位置跟踪〕。双筒镜与观景望远镜类似，缺陷是视觉范围有限，观看时需求不断挪动，分手持和座式。在头盔或双筒镜两侧有两个小型液晶显示器，经过光学系统在用户眼前生成虚拟实境场景。虚拟现实环境设备单通道虚拟实境系统HMD控制器HMD控制器虚拟实境计算机虚拟实境计算机RGB-NTSC转换器图形卡图形卡图形卡场景计算左眼计算右眼计算HMD位置跟踪位置跟踪接纳器头围调理多通道虚拟实境系统显示器立体声耳机位置跟踪接纳器头围调理瞳距调理场景显示虚拟现实环境设备虚拟现实环境设备虚拟桌面和虚拟幕墙大屏幕的虚拟桌面〔ImmersaDesk〕和虚拟幕墙(PowerWall〕是可供多人观看虚拟实境的显示安装。虚拟桌面普通采用一个CRT、LCD或DLP投影仪，经过反射镜投射到屏幕。大型虚拟幕墙采用多个CRT或DLP投影仪，从反面投射，布满整个墙面，可供数十人观看。观看时用户需求戴上立体眼镜。投影仪反射镜显示屏虚拟幕墙虚拟现实环境设备虚拟现实环境设备CAVE虚拟环境CAVE是计算机自动虚拟环境的缩写，〔ComputerAutomatedVirtualEnvironment--CAVE〕。在3m3m2.7m的空间中，前面和左右侧面场景采用3个大屏幕投影仪经过反射镜投射或直接从反面投射，地面场景借助屋顶上的投影仪经过反射镜投射。运用者戴上立体眼镜观看场景、借助数据手套对目的进展交互、利用位置跟踪器和空间支配杆进展操作。CAVE曾经在艰苦产品开发、建筑设计、军事和体育训练、科学研讨等许多领域获得运用。CAVE〔六面〕表示图虚拟现实环境设备地面投影仪右侧投影仪左侧投影仪前景投影仪双筒显示器数据手套“驾驶〞虚拟的汽车虚拟现实环境运用虚拟现实环境运用虚拟现实环境运用虚拟现实环境运用网格虚拟实现环境普及虚拟实现技术，首先遇到投资问题，高端和低端的投资差别很大，从几万到几千万。网格计算〔GridComputing〕是新一代的互联网，可提供强大的图形交互和处置才干。借助网格，可以将在不同地点的虚拟实境设备衔接在一同，实现资源共享。例如甲地有CAVE，乙地有头盔，丙地有双筒镜，借助网格，乙地和丙地也可进入CAVE。虚拟现实环境运用共享的虚拟实境场景虚拟现实环境运用虚拟现实的建模和仿真技术

虚拟现实的几何建模技术

虚拟现实的物理建模技术

虚拟现实仿真的动画技术环境模型的表示建模是VR的中心,它定义物体的方式、属性和外观。多方式VR的一个重要的技术难点是设计开发物体表示、仿