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第8章 虚拟现实技术基础 主要内容： 8.1 虚拟现实技术概述 8.2 虚拟现实系统 8.3 虚拟现实系统的技术特点 8.4 虚拟现实技术的应用及展望 8.1 虚拟现实技术概述 8.1.1 虚拟现实技术基本概念 8.1.2 虚拟现实技术的发展 8.1.3 虚拟现实技术的发展现状 8.1.4 虚拟现实技术的基本特征 8.1.5 虚拟现实系统的分类 8.1.1 虚拟现实技术基本概念 虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术；VR技术可以让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作，同时提供视、听、摸等多种直观而又自然的实时感知。 虚拟现实的概念包括： （1）虚拟环境：是由计算机生成的环境，它具有双视点的实时动态三维立体的逼真模型，并可通过听觉、触觉、嗅觉参与其中；模拟的环境可以是某一特定现实世界的虚拟实现，也可以是自由想象的虚拟世界。 （2）感知：虚拟现实技术应具有人所具有的一切感知。 （3）自然技能：包括人头部、眼睛、手势或其它的人体行为动作。计算机处理与用户动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时反应，反馈到用户的五官。 （4）传感器：也就是三维交互设各。常用的有立体头盔、数据手套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置，以及许多置于环境中的装置。 8.1.2 虚拟现实技术的发展 1929年，Edwin Link设计了一种竞赛乘坐器，它使得乘坐者有一种在飞机中飞行的感觉。Link飞行模拟器是虚拟现实几个先驱中的一个。 1961年，美国Philoo公司首创了头盔立体显示器。 1965年，美国人艾凡·萨瑟兰发表了一篇题为“终极的显示”的论文，后来被公认为在虚拟环境领域中起着里程碑的作用。 1966年，艾凡·萨瑟兰在麻省理工学院开始了他的第一个头盔的研制工作。参观者戴上头盔看虚拟环境，可以如同身临其境—样。 1967年，美国的北卡罗来纳大学的弗雷德里克·布鲁克斯研究了力反馈问题，使用户能感到虚拟环境中计算机仿真物体和环境中力的作用。 1972年，诺兰·布什内尔开发出了第一种交互式电子游戏，称为Pong。它允许玩游戏的操作者在电视屏幕上操作一个弹跳的乒乓球。由于交互性是虚拟现实效术的一个关键，因而这个交互性游戏的开发具有重要的意义。 8.1.2 虚拟现实技术的发展 20世纪80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起丁人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M．Mc Greevy和J．Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探侧器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站（VIEW）项目中，他们还开发了通用多传感个人仿真器以及遥控设备等。 进入20世纪90年代，迅速发展的计算机软、硬件系统使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能，越来越多的新颖、实用的输入输出设备相继进入市场，而人机交互系统的设计也在不断创新，这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。其中，利用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来又一件引起科技界瞩目的伟大成果。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，使得人门对它广阔的发展前景充满了憧憬与兴趣。 8.1.3 虚拟现实技术的发展现状 虚拟现实技术的发展基本上可分为三个阶段：从20世纪50年代到70年代为第一阶段，是虚拟现实的起源阶段；从80年代初到80年代中期为第二阶段，形成了虚拟现实的基本概念，并产生了一些实用系统；第三阶段从80年代末期至今，这一阶段中，虚拟现实技术得到了较广泛的应用。 80年代初，美国的DWA开始为坦克的编队作战训练开发了一个实用的虚拟战场。DARP计划进一步扩大，逐步把不同国家的兵力“汇集入SIMNT而成为一个虚拟战场”，其目的是将分布于不同地点的地面车辆模拟器用计算机网络连接起来，进行攻防对抗演习。SIMN ET计划最初是针对地面车辆等低速运动对象，后来在美国国防部的推动下，将飞机、水面舰艇和潜艇等作战对象也引进来，从而构成陆、海、空三军立体作战逼真环境下的大规模实战演习。该计划的实施最终导致系统仿真的前沿技术——分布式交互仿真（DIS）技术的产生。美国海军的反潜艇战系统中，使用了头盔显示器和三维立体声装置，操作员可以通过手势和声音控制这个仿真器。美国的NASA和ESA（欧洲空间局）都在积极地将VR技术应用在航天运载器外的空间活动的研究、空间站自由操纵研究和对哈勃空间维修的研究项目。 8