虚拟现实教程 课件 第一章 虚拟现实走进VR梦幻世界

1-1虚拟现实系统原理虚拟现实：走进VR梦幻世界01虚拟现实：走进VR梦幻世界ABC【本章目标】虚拟现实究竟是什么虚拟现实的前生今世FED实战：国内外著名VR案例欣赏常见感知设备虚拟现实的3I特征【本章目标】虚拟现实：走进VR梦幻世界了解虚拟现实基本概念了解虚拟现实基本特征欣赏虚拟现实著名案例【本章目标】了解虚拟现实基本概念了解虚拟现实基本特征欣赏虚拟现实著名案例虚拟现实究竟是什么虚拟现实：走进VR梦幻世界伴随着《阿凡达》、《黑客帝国》梦境般的场景，虚拟现实带来的震撼体验令人欲罢不能。所谓的虚拟现实便是时下热门的VR。借助VR，我们可以遨游海底世界，看鱼群从身旁穿梭；借助VR，我们可以翱翔在太空，欣赏浩瀚银河的壮美。“可下五洋捉鳖，可上九天揽月”，伟人的诗句以另一种方式成为现实。VR电影、VR游戏、VR旅游乃至VR电商、VR教育等等层出不穷，虚拟现实已经确确实实地走进了人们的生活。1虚拟现实2增强现实3混合现实4虚拟现实究竟是什么伴随着《阿凡达》、《黑客帝国》梦境般的场景，虚拟现实带来的震撼体验令人欲罢不能。所谓的虚拟现实便是时下热门的VR。借助VR，我们可以遨游海底世界，看鱼群从身旁穿梭；借助VR，我们可以翱翔在太空，欣赏浩瀚银河的壮美。“可下五洋捉鳖，可上九天揽月”，伟人的诗句以另一种方式成为现实。VR电影、VR游戏、VR旅游乃至VR电商、VR教育等等层出不穷，虚拟现实已经确确实实地走进了人们的生活。1虚拟现实2增强现实3混合现实4虚拟现实虚拟现实（VirtualReality,简称VR）技术，又译作灵境技术，是仿真技术与计算机图形学人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。它利用计算机辅助模拟生成一种融合多元信息的三维可交互环境，让用户能产生逼真的视觉、听觉、触觉等多种感觉体验，沉浸其中并能实时交互。这项技术使人能突破时间、空间等限制，令人能够“身临其境”地体会到真实世界中无法亲身经历的体验。通过虚拟现实系统所建立的信息空间，已不再是单纯的数字信息空间，而是一个包容多种信息的多维化的信息空间(Cyberspace)，人类的感性认识和理性认识能力都能在这个多维化的信息空间中得到充分的发挥，如图1-1所示。图1-1虚拟现实系统原理虚拟现实究竟是什么增强现实增强现实（AugmentedReality，简称AR）技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，它通过电脑等科学技术，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。它的出现意味着能将计算机技术带到现实当中来，能使科技更“贴近”人们在现实世界的生活。增强现实技术是对现实的增强，是虚拟影像和现实影像的融合，如图1-2所示。图1-2AR技术的三大特征增强现实和虚拟现实的区别，归根到底是对现实的增强还是完全的虚拟化。若是让人们完全投入虚拟世界的沉浸感，则是虚拟现实。若是让虚拟的事物和现实接轨，则是增强现实。虚拟现实究竟是什么混合现实混合现实（MixedReality，简称MR）技术，指的是合并真实世界和虚拟世界而产生的新的可视化环境的技术。混合现实通过在现实场景呈现虚拟场景信息，人眼看到的将是经过计算机渲染后新的“混合画面”，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一座交互桥梁，使用户几乎感受不到现实和虚拟世界的差异，以增强用户体验的真实感，如图1-3所示。图1-3混合现实场景虚拟现实究竟是什么虚拟现实的前生今世虚拟现实技术的发展历史可以概括为五个时期。概念萌芽期（1932-1950）。1935年，科幻小说家StanleyG.Weinbaum在其小说中描写了一个可以让人看到、听到、闻到各种各样东西的神奇眼镜，类似于我们当前所熟知的VR眼镜。该小说被认为是探讨虚拟现实的第一部作品。产品研发初期（1950-1980）。MortonHeilig研发出一台名为Sensorama的感官模拟设备，该设备后来被用于虚拟现实模拟训练，如图1-4所示。概念普及期（1980-1990）。Lanier于1985年创办了VPL研究所，主要研究虚拟现实设备。VR逐渐受到媒体的关注，人们开始意识到VR存在着巨大潜力。虚拟现实：走进VR梦幻世界产品迭代期（1990-2015）。资本市场发现VR商业潜力，并纷纷投入研发。SEGAVR、MegaDrive、Virtuality、QuickTimeVR、VirtualBoy、Oculus等快速发展期（2016-）。随着硬件设备和信息科技的发展，带动着VR行业进入快速发展期。各大VR行业领头羊纷纷发力，在2016年迎来了一次大爆发。产品的广泛使用，使得设备价格更亲民，内容更丰富，交互体验更吸引用户。

虚拟现实的前生今世虚拟现实的“3I”特征，即沉浸感（Immersion）、构想性（Imagination）和交互性（Interaction），是由BurdeaG和Coiffet在1994年首次提出。

虚拟现实的3I特征沉浸感虚拟现实的沉浸感（Immersion）是利用VR设备介入用户的视觉和听觉，令人产生虚拟视觉，也可使用可穿戴设备介入用户的触觉，令人产生虚拟触动感，所形成的这些虚拟环境，使用户高程度觉得自身真实存在于虚拟世界中。通俗来讲，沉浸感即用户作为一个人存在于虚拟世界中的真实感，使用户觉得自己便是虚拟世界的一部分。虚拟现实技术根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像和音频。使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象相互作用，就如同在现实世界一样：当使用者移动头部时，虚拟环境中人物视角所看到的景象画面也发生变化；拿起物体可使物体随着手的移动而运动，通过多声道耳机还可以听到三维仿真声音。虚拟现实的3I特征构想性虚拟现实的构想性（Imagination）是指虚拟场景由设计者所想象出来的，既可以是真实现象的重现，也可以有想象的成分。比如建筑设计，虚拟现实技术甚至能够比图纸描绘更形象生动，有真实感。虚拟现实的构想性可以让人们跨越时空，体验到现实生活难以甚至是无法体验的事件和场景。虚拟现实的3I特征虚拟现实的3I特征交互性虚拟现实的交互性（Interaction）是使虚拟现实系统中的人机交互成为一种更近乎自然的交互特性,使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互,而且能够通过VR头显、VR数据手套等用于信息输入输出的传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动,实时调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能,就能对虚拟环境中的对象进行操作，以此来使用户能通过自然的方式，产生同在真实世界中一样的感受。交互性的另一个方面是实时性，例如用户抓取虚拟环境中的物体，该物体会随抓取动作实时做出相应反应，使用户有握着东西的感觉。虚拟现实：走进VR梦幻世界常见感知设备动作捕捉系统04力反馈设备05CAVE虚拟系统06构建虚拟现实环境离不开VR硬件设备的支持，常见的硬件设备和系统有VR头显、数据手套、动态捕捉系统、力反馈设备、CAVE虚拟系统等。01VR头显02数据手套03构建虚拟现实环境离不开VR硬件设备的支持，常见的硬件设备和系统有VR头显、数据手套、动态捕捉系统、力反馈设备、CAVE虚拟系统等。常见感知设备常见感知设备VR头显VR头显是一种头戴式显示设备。早期没有头显这个概念，产生了VR眼镜、VR眼罩、VR头盔等各种各样的叫法。VR头显是利用设备将人的视听感官封闭，模拟出虚拟环境，让用户产生一种身在其中的感觉。图1-7VRBOX头显图1-8VR头显效果图数据手套图1-9数据手套与虚拟环境的交互常见感知设备数据手套是一种多模式的虚拟现实硬件，它通过软件编程，可进行虚拟场景中物体的抓取、移动、旋转等动作，也可以利用它的多模式性，用作一种控制场景漫游的工具。数据手套的出现，为虚拟现实系统提供了一种全新的交互手段，目前的产品已经能够检测手指的弯曲，并利用磁定位传感器来精确地定位出手在三维空间中的位置。这种结合手指弯曲度测试和空间定位测试的数据手套被称为“真实手套”，可以为用户提供一种非常真实自然的三维交互手段。动作捕捉技术的本质其实就是把现实人物的动作复制到虚拟人物身上。目前，VR动作捕捉存在着两种主流动作捕捉方案：光学方案与惯性方案。

通过摄像机进行的动作捕捉技术方案，因为摄像机运用的是光学技术，所以这种方案被称为光学动捕方案。

IMU（Inertialmeasurementunit）即惯性传感器单元，识别人的运动惯性来进行动作捕捉，通常被称为惯性动捕方案。动作捕捉系统常见感知设备力反馈设备力反馈就是利用机械表现出的反作用力，将游戏数据通过力反馈设备表现出来，可以让用户身临其境地体验游戏中的各种效果。力反馈技术能将游戏中的数据转化成用户可以感觉到的效果，例如道路上的颠簸或者转动方向盘感受到的反作用力，这些效果都是力反馈控制芯片“播放”出来的。CAVE虚拟系统图1-12CAVE系统构建的虚拟3D环境常见感知设备世界上第一个虚拟现实系统便是CAVE。它把高分辨率的立体投影技术、三维计算机图形技术和音响技术等有机地结合在一起，产生一个立体投影画面包围的高级虚拟仿真环境，并借助相应虚拟现实交互设备（如数据手套、力反馈装置、位置跟踪器等），从而获得一种身临其境的高分辨率三维立体视听影像和自由度交互感受。虚拟现实：走进VR梦幻世界实战：国内外著名VR案例欣赏VR电影01VR电商03VR展馆02VR游戏04实战：国内外著名VR案例欣赏VR电影图1-13爱奇艺VR的影院场景壹图1-14爱奇艺VR中360环境的侏罗纪世界影片贰图1-15“砥砺奋进