虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)踐

1、內(nèi)容提要本書是新世世紀(jì)高職高高專教改項(xiàng)項(xiàng)目成果教教材。在書書中主要介介紹了虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的基本概概念、虛擬擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)的組成、虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的的硬件設(shè)備備、虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的相關(guān)關(guān)技術(shù)、虛虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)在現(xiàn)實(shí)實(shí)世界中的的應(yīng)用。全全書共有66 個(gè)章節(jié)節(jié)，內(nèi)容包括：概論、虛虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)的硬件件設(shè)備、虛虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)的相關(guān)關(guān)技術(shù)與軟軟件、全景景技術(shù)、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)三維互互動(dòng)Cullt3D、虛擬現(xiàn)實(shí)建建模語(yǔ)言VVRML。附錄中附附有VRMML 的關(guān)關(guān)鍵字和域域參考等。本書內(nèi)容較較為全面且且涉及面廣廣，在編寫寫時(shí)本著側(cè)側(cè)重于普及及、推廣及及應(yīng)用的原原則，內(nèi)容容方面沒(méi)有有過(guò)多涉及及有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)的算法法理論及程

2、程序等。本本書既介紹紹了虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的必要理論論，又介紹紹了具有代代表性的虛虛擬現(xiàn)實(shí)軟軟件的使用，并并采用實(shí)例例進(jìn)行講解解，使讀者者能在較短短的時(shí)間內(nèi)內(nèi)達(dá)到入門門及應(yīng)用的的效果。本書適合于于高等職業(yè)業(yè)學(xué)校、高高等專科學(xué)學(xué)校、成人人高校、本本科院校舉舉辦的二級(jí)級(jí)職業(yè)技術(shù)術(shù)學(xué)院，也也可供示范范性軟件職業(yè)技術(shù)術(shù)學(xué)院、繼繼續(xù)教育學(xué)學(xué)院、民辦辦高校、技技能型緊缺缺人才培養(yǎng)養(yǎng)使用，還還可供本科科院校、計(jì)計(jì)算機(jī)專業(yè)業(yè)人員和愛(ài)愛(ài)好者參考使使用。圖書在版編編目（CIIP）數(shù)據(jù)據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)與應(yīng)用用胡小強(qiáng)強(qiáng)主編. 北京：高高等教育出版社，2004.4ISBN 7-04-0147758-0. 虛 . 胡 .

3、虛擬技技術(shù)-高等學(xué)校校-教材 . TP3991中國(guó)版本圖圖書館 CIP 數(shù)據(jù)核字字（20004）第0244745 號(hào)策劃編輯 馮 英 責(zé)任編輯輯 焦建虹 封面設(shè)計(jì)計(jì) 王凌波 責(zé)任繪圖圖 宗小梅版式設(shè)計(jì) 王艷紅 責(zé)任校對(duì)對(duì) 存 怡 責(zé)任印制制出版發(fā)行 高等教育育出版社 購(gòu)書熱線線 010 - 6400545888社址 北京京市西城區(qū)區(qū)德外大街街 4 號(hào) 免費(fèi)咨詢?cè)?800-810-05988郵政編碼 1000011 網(wǎng)網(wǎng)址 httpp:/wwww.hhep.eedu.ccn總機(jī) 0110 - 8202288999 htttp:/經(jīng) 銷 新新華書店北北京發(fā)行所所印 刷開(kāi) 本 778710922 1

4、/116 版次次 年 月第 1 版印 張 114.5 印次 年 月第 次印刷字 數(shù) 3350 0000 定定價(jià) 18.550 元本書如有缺缺頁(yè)、倒頁(yè)頁(yè)、脫頁(yè)等等質(zhì)量問(wèn)題題，請(qǐng)到所所購(gòu)圖書銷銷售部門聯(lián)聯(lián)系調(diào)換。版權(quán)所有 侵權(quán)必究究前 言近幾年來(lái)，虛虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)成為一項(xiàng)十分熱門的技術(shù)，越來(lái)越多的人員投身到這個(gè)研究究領(lǐng)域，致致力于虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)及應(yīng)應(yīng)用推廣。虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)、理理論分析和和科學(xué)實(shí)驗(yàn)已成成為人類探探索客觀世世界規(guī)律的的三大手段段。據(jù)權(quán)威威人士斷言言，虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將將是21 世紀(jì)信息技術(shù)的的代表，由由此可見(jiàn)其其重要性。虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)給我們們

5、帶來(lái)了什什么？第一一，它改變變了我們的的觀念，從從以前的“以計(jì)算機(jī)機(jī)為中心”變?yōu)椤叭耸鞘切畔⒓夹g(shù)術(shù)的主體”；第二，它它改進(jìn)了人人機(jī)交互方方式，由過(guò)過(guò)去人機(jī)之之間枯燥、被動(dòng)的方方式變成了人人通過(guò)手和和聲音等自自然的交互互方式與機(jī)機(jī)器交流，人人機(jī)融為一一體；第三三，改變了了人們生活活與娛樂(lè)的方方式?？傊摂M現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的出現(xiàn)必將將對(duì)我們的的生活、工工作帶來(lái)巨巨大的沖擊擊，虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一個(gè)個(gè)值得關(guān)注注的重要技技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)是200 世紀(jì)以以來(lái)科學(xué)技技術(shù)進(jìn)步的的結(jié)晶，在在虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)中集集中體現(xiàn)了了計(jì)算機(jī)技技術(shù)、計(jì)算機(jī)機(jī)圖形學(xué)、傳感技術(shù)術(shù)、人體工工程學(xué)、人人機(jī)交互理理論等多個(gè)個(gè)領(lǐng)域的最

6、最新成果。也正是由由于這些特點(diǎn)及及其在應(yīng)用用中的魅力力，深深地地吸引了科科技界的研研究人員進(jìn)進(jìn)行孜孜不不倦的探索索，但同時(shí)時(shí)我們也意識(shí)到到，我國(guó)虛虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)的水平平離人們心心目中追求求的目標(biāo)尚尚有較大的的距離，與與國(guó)外虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研研究與應(yīng)用用也存在較較大的差距距，因此該該項(xiàng)技術(shù)需需要我們進(jìn)進(jìn)一步研究究、開(kāi)發(fā)及及完善?，F(xiàn)現(xiàn)在存在的問(wèn)題題有：硬件件方面相應(yīng)應(yīng)的交互設(shè)設(shè)備較少，現(xiàn)現(xiàn)有的設(shè)備備價(jià)格十分分昂貴；軟軟件工具方方面存在著著語(yǔ)言專業(yè)性性過(guò)強(qiáng)、通通用性差、開(kāi)發(fā)費(fèi)用用高等問(wèn)題題。同時(shí)，有有關(guān)嗅覺(jué)和和味覺(jué)的建建模和傳感感技術(shù)在虛虛擬現(xiàn)實(shí)中的的應(yīng)用還沒(méi)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，即即使對(duì)于目目前相對(duì)較較成熟的

7、視視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)覺(jué)和觸覺(jué)的的建模和再再現(xiàn)技術(shù)，要達(dá)到理想想的真實(shí)感感和實(shí)時(shí)性性仍然有較較大的距離離。美國(guó)一家雜雜志社在評(píng)評(píng)選影響未未來(lái)的十大大科學(xué)技術(shù)術(shù)時(shí)，評(píng)選選結(jié)果為IInterrnet 位居第一一，虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)名列列第二。最最近幾年來(lái)來(lái)，Intterneet 的應(yīng)應(yīng)用變得十十分廣泛，媒媒體也吵得得沸沸揚(yáng)揚(yáng)揚(yáng)，相比之之下，虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)仍像剛剛剛問(wèn)世的的電腦、互互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)一一樣，還沒(méi)沒(méi)有引起人人們的足夠夠重視。該該項(xiàng)技術(shù)在在國(guó)內(nèi)介紹較少少，業(yè)界也也重視不足足?；谝陨蠋讕讉€(gè)原因，我我們覺(jué)得有有必要在高高等教育中中增加有關(guān)關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的教教學(xué)內(nèi)容，吸吸引更多的人去去了解它、關(guān)注它、研究它、應(yīng)用

8、它，以以推動(dòng)我國(guó)國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的發(fā)發(fā)展。目前虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的應(yīng)用面較較廣，涉及及軍事、航航空、教育育、建筑、醫(yī)學(xué)、工工業(yè)、文化化、藝術(shù)與娛樂(lè)等領(lǐng)領(lǐng)域。本書書在編寫中中主要側(cè)重重于虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的應(yīng)用，在在書中介紹紹虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的基基本概念、虛擬擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)的硬件設(shè)設(shè)備、虛擬擬現(xiàn)實(shí)中的的相關(guān)技術(shù)術(shù)，還介紹紹了基于實(shí)實(shí)用的幾個(gè)個(gè)桌面虛擬擬現(xiàn)實(shí)工具軟件件，而有關(guān)關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)的理理論如建模模方法、優(yōu)優(yōu)化、壓縮縮算法及程程序等內(nèi)容容可參閱其其他有關(guān)資料。本書在介紹紹虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)必要要理論的同同時(shí)，主要要側(cè)重于系系統(tǒng)介紹虛虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)的硬件件與軟件以及桌面虛虛擬現(xiàn)實(shí)工工具軟件的的使用。全全

9、書共有66 個(gè)章節(jié)節(jié)：II 前言言第1 章概概論，主要要介紹虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的概念、組成、特特性，并對(duì)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)在各各領(lǐng)域的應(yīng)應(yīng)用及國(guó)內(nèi)外外的研究現(xiàn)現(xiàn)狀、應(yīng)用用現(xiàn)狀作了了介紹。第 2 章章虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)的硬硬件設(shè)備，主主要介紹虛虛擬世界的的生成設(shè)備備、虛擬世世界的感知知設(shè)備、空空間位置跟蹤蹤定位設(shè)備備和面向自自然的人機(jī)機(jī)交互設(shè)備備的功能、特點(diǎn)及應(yīng)應(yīng)用情況。第 3 章章虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)的相相關(guān)技術(shù)與與軟件，主主要介紹有有關(guān)的環(huán)境境建模技術(shù)術(shù)、實(shí)時(shí)三三維圖形繪繪制技術(shù)、三維維虛擬聲音音的顯示技技術(shù)、面向向自然的交交互與傳感感技術(shù)和碰碰撞檢測(cè)技技術(shù)及基于于網(wǎng)絡(luò)的Web3DD 技術(shù)等等。第 4 章

10、章全景技術(shù)術(shù)，主要介介紹全景技技術(shù)的分類類、特點(diǎn)及及全景照片片的拍攝方方法與原則則，并給出出了幾種全景圖圖制作實(shí)例例。第 5 章章網(wǎng)絡(luò)三維維互動(dòng)Cuult3DD，主要介介紹了一種種用于網(wǎng)絡(luò)絡(luò)互動(dòng)展示示的軟件CCult33D，并通通過(guò)實(shí)例講解，使使讀者能掌掌握其基本本的使用方方法。第 6 章章虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)建模語(yǔ)言言VRMLL，VRMLL 是一種種廣泛應(yīng)用用于互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的虛擬建建模語(yǔ)言。本章講述了其發(fā)發(fā)展?fàn)顩r、語(yǔ)法、瀏瀏覽器的使使用等，并并通過(guò)實(shí)例例來(lái)講解VVRML 語(yǔ)言的使使用。本書在編寫寫中注重實(shí)實(shí)用，在內(nèi)內(nèi)容方面力力求做到全全面而系統(tǒng)統(tǒng)，使讀者者能通過(guò)此此書快速入入門并達(dá)到掌握應(yīng)用用的目的。本書

11、第 11、2、3、4、5 章由胡胡小強(qiáng)編寫寫，第6 章由吳北北新編寫，在在編寫過(guò)程程中得到?jīng)r況揚(yáng)、汪艷、徐翔紅紅、高昆等等同志的幫幫助，在此此表示感謝謝。本書承浙江江大學(xué)計(jì)算算機(jī)輔助設(shè)設(shè)計(jì)與圖形形學(xué)國(guó)家重重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室室多媒體與與虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)研究室主主任潘志庚研究員員主審，在在此，對(duì)他他所提的寶寶貴意見(jiàn)表表示感謝，編編者對(duì)此也也已作了相相應(yīng)的修改改與補(bǔ)充。另外，需要要本書相關(guān)關(guān)軟件及素素材的讀者者可以通過(guò)過(guò) E-maail 與與VRBoook 聯(lián)系。由于當(dāng)前虛虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)發(fā)展迅迅速，加之之作者水平平有限，時(shí)時(shí)間倉(cāng)促，書書中錯(cuò)漏之之處在所難難免，懇請(qǐng)讀者批批評(píng)指正。編 者于江西科技技師范學(xué)院院200

12、4 年2 月出版說(shuō)明為認(rèn)真貫徹徹中共中中央國(guó)務(wù)院院關(guān)于深化化教育改革革全面推進(jìn)進(jìn)素質(zhì)教育育的決定和面向向21 世紀(jì)教育振興興行動(dòng)計(jì)劃劃，研究究高職高專專教育跨世世紀(jì)發(fā)展戰(zhàn)戰(zhàn)略和改革革措施，整整體推進(jìn)高高職高專教教學(xué)改革，教育育部決定組組織實(shí)施新世紀(jì)高高職高專教教育人才培培養(yǎng)模式和和教學(xué)內(nèi)容容體系改革革與建設(shè)項(xiàng)項(xiàng)目計(jì)劃（教教高200003 號(hào)，以以下簡(jiǎn)稱計(jì)劃）。計(jì)劃的目標(biāo)是是：“經(jīng)過(guò)五年年的努力，初初步形成適應(yīng)社會(huì)主主義現(xiàn)代化化建設(shè)需要要的具有中中國(guó)特色的的高職高專專教育人才才培養(yǎng)模式式和教學(xué)內(nèi)內(nèi)容體系?！庇?jì)劃的的研究項(xiàng)目目涉及高職職高專教育育的地位、作用、性性質(zhì)、培養(yǎng)養(yǎng)目標(biāo)、培培養(yǎng)模式、教學(xué)內(nèi)

13、容容與課程體系、教學(xué)方法法與手段、教學(xué)管理理等諸多方方面，重點(diǎn)點(diǎn)是人才培培養(yǎng)模式的的改革和教教學(xué)內(nèi)容體體系的改革，先先導(dǎo)是教育育思想的改改革和教育育觀念的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變。與此此同時(shí)，為為了貫徹落落實(shí)教育育部關(guān)于加加強(qiáng)高職高專教教育人才培培養(yǎng)工作的的意見(jiàn)（教教高200002 號(hào)）的的精神，教教育部高等等教育司決決定從20000年起，在全全國(guó)各省市市的高等職職業(yè)學(xué)校、高等?？瓶茖W(xué)校、成成人高等學(xué)學(xué)校以及本本科院校的的職業(yè)技術(shù)術(shù)學(xué)院（以下簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱高職高高專院校）中中廣泛開(kāi)展展專業(yè)教學(xué)學(xué)改革試點(diǎn)點(diǎn)工作，目目標(biāo)是：在在全國(guó)高職職高專院校校中，遴選若若干專業(yè)點(diǎn)點(diǎn)，進(jìn)行以以提高人才才培養(yǎng)質(zhì)量量為目的、人才培養(yǎng)養(yǎng)模式改

14、革革與創(chuàng)新為為主題的專專業(yè)教學(xué)改革試試點(diǎn)，經(jīng)過(guò)過(guò)幾年的努努力，力爭(zhēng)爭(zhēng)在全國(guó)建建成一批特特色鮮明、在國(guó)內(nèi)同同類教育中中具有帶頭頭作用的示范專專業(yè)，推動(dòng)動(dòng)高職高專專教育的改改革與發(fā)展展。教育部計(jì)計(jì)劃和專專業(yè)試點(diǎn)等等新世紀(jì)高高職高專教教改項(xiàng)目工工作開(kāi)展以以來(lái)，各有有關(guān)高職高高專院校投入了大量量的人力、物力和財(cái)財(cái)力，在高高職高專教教育人才培培養(yǎng)目標(biāo)、人才培養(yǎng)養(yǎng)模式以及及專業(yè)設(shè)置置、課程改革等等方面做了了大量的研研究、探索索和實(shí)踐，取取得了不少少成果。為為使這些教教改項(xiàng)目成成果能夠得得以固化并更更好地推廣廣，從而總總體上提高高高職高專專教育人才才培養(yǎng)的質(zhì)質(zhì)量，我們們組織了有有關(guān)高職高高專院校進(jìn)行了了多次

15、研討討，并從中中遴選出了了一些較為為成熟的成成果，組織織編寫了一一批“新世紀(jì)高高職高專教改項(xiàng)目成成果”教材。這這些教材結(jié)結(jié)合教改項(xiàng)項(xiàng)目成果，反反映了最新新的教學(xué)改改革方向，很很值得廣大大高職高專院校校借鑒。新世紀(jì)高職職高專教改改項(xiàng)目成果果教材適用用于高等職職業(yè)學(xué)校、高等專科科學(xué)校、成成人高校及及本科院校舉辦的二二級(jí)職業(yè)技技術(shù)學(xué)院、繼續(xù)教育育學(xué)院和民民辦高校使使用。高等教育出出版社2002 年11 月30 日目 錄 II目錄第 1 章章概論販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 11.1 虛虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)概述販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 21.1.11 VR

16、 技術(shù)的發(fā)發(fā)展過(guò)程販販販販販販販販販販販販販販販販販 21.1.22 VR 技術(shù)的概概念與構(gòu)成成販販販販販販販販販販販販販販販 31.1.33 VR 技術(shù)的特特征及意義義販販販販販販販販販販販販販販販 51.1.44 VR 技術(shù)與三三維動(dòng)畫技技術(shù)的異同同販販販販販販 71.2 虛虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)的分類類販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 81.2.11 沉浸式VRR 系統(tǒng)販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 81.2.22 桌面式VRR 系統(tǒng)販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 101.2.33 增強(qiáng)式VRR 系統(tǒng)販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販111.2.44 分布式VRR

17、 系統(tǒng)販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販111.3 虛虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)的應(yīng)用用販販販販販販販販販販販販販販販販販販 131.3.11 軍事與航航空航天販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 131.3.22 教育與訓(xùn)訓(xùn)練販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 161.3.33 商業(yè)應(yīng)用用販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 191.3.44 建筑設(shè)計(jì)計(jì)與規(guī)劃販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 201.3.55 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域域的應(yīng)用販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 211.3.66 工業(yè)應(yīng)用用販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 221.3.77 影視

18、娛樂(lè)樂(lè)界的應(yīng)用用販販販販販販販販販販販販販販販販 231.4 虛虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)研究現(xiàn)現(xiàn)狀與研究究方向販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 241.4.11 VR 技術(shù)的現(xiàn)現(xiàn)狀販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 241.4.22 VR 技術(shù)的局局限性販販販販販販販販販販販販販販販販販販 261.4.33 VR 技術(shù)的研研究方向販販販販販販販販販販販販販販販 27本章小結(jié)販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 27習(xí)題與思考考題販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 28第 2 章章虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)的硬硬件設(shè)備

19、 販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販 292.1 虛虛擬世界的的生成設(shè)備備販販販販販販販販販販販販販販販販販販 292.2 虛虛擬世界的的感知設(shè)備備販販販販販販販販販販販販販販販販販販 312.2.11 視覺(jué)感知知設(shè)備販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販3312.2.22 聽(tīng)覺(jué)感知知設(shè)備販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販4412.2.33 觸覺(jué)、力力覺(jué)感知設(shè)設(shè)備販販販販販販販販販販販販販販販422.3 空空間位置跟跟蹤定位設(shè)設(shè)備販販販販販販販販販販販販販販販販4442.3.11 磁跟蹤系系統(tǒng)販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販452.3.22 光

20、學(xué)跟蹤蹤系統(tǒng)販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販4462.3.33 機(jī)械跟蹤蹤系統(tǒng)販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販4462.3.44 聲學(xué)跟蹤蹤系統(tǒng)販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販4472.3.55 慣性位置置跟蹤系統(tǒng)統(tǒng)販販販販販販販販販販販販販販販販販4882.3.66 圖像提取取跟蹤系統(tǒng)統(tǒng)販販販販販販販販販販販販販販販販販4882.4 面面向自然的的人機(jī)交互互設(shè)備販販販販販販販販販販販販販販販4882.4.11 數(shù)據(jù)手套套販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販482.4.22 數(shù)據(jù)衣販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販502.4.3

21、3 三維控制制器販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販512.4.44 三維模型型數(shù)字化儀儀販販販販販販販販販販販販販販販販販522本章小結(jié)販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販533習(xí)題與思考考題販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販54第 3 章章虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)的相相關(guān)技術(shù)與軟件件 販販販販販販販販販販販販販販販販販販5553.1 環(huán)環(huán)境建模技技術(shù)販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販553.1.11 幾何建模模技術(shù)販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販5563.1.22 物理建模模技術(shù)販販販販販販販販販販販販販

22、販販販販販販販販5563.1.33 行為建模模技術(shù)販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販5573.2 實(shí)實(shí)時(shí)三維圖圖形繪制技技術(shù)販販販販販販販販販販販販販販販販5773.2.11 基于幾何何圖形的實(shí)實(shí)時(shí)繪制技術(shù) 販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販販583.2.22 基于圖像像的實(shí)時(shí)繪繪制技術(shù)販販販販販販販販販販販販593.3 三三維虛擬聲聲音的顯示示技術(shù)販販販販販販販販販販販販販販販6003.3.11 三維虛擬擬聲音的概概念與作用用販販販販販販販販6603.3.22 三維虛擬擬聲音的特特征販販販販販販販販販販販販販販販61_II 目錄錄3.3.33 人類的聽(tīng)聽(tīng)覺(jué)模型與

23、與頭相關(guān)轉(zhuǎn)移函數(shù) 613.3.44 語(yǔ)音識(shí)別別與合成技技術(shù) 6223.4 自自然交互與與傳感技術(shù)術(shù) 6633.4.11 手勢(shì)識(shí)別別 633.4.22 面部表情情識(shí)別 643.4.33 眼動(dòng)跟蹤蹤 6443.4.44 觸覺(jué)、力力覺(jué)反饋傳傳感技術(shù) 653.5 碰碰撞檢測(cè)技技術(shù) 6663.6 虛虛擬現(xiàn)實(shí)工工具軟件 6773.7 WWeb3DD 技術(shù)與與軟件 683.7.11 Webb3D 技技術(shù)特點(diǎn) 6883.7.22 Webb3D 應(yīng)應(yīng)用工具軟軟件 693.7.33 Webb3D 應(yīng)應(yīng)用與發(fā)展展 772本章小結(jié) 773習(xí)題與思考考題 733第 4 章章全景技術(shù)術(shù) 744.1 全全景技術(shù)概概述 74

24、44.1.11 全景技術(shù)術(shù)的特點(diǎn)及及應(yīng)用 754.1.22 全景技術(shù)術(shù)的分類 7754.2 常常見(jiàn)全景技技術(shù)軟件 7774.2.11 QuiickTiime VVR 784.2.22 IPIIX 全景景圖片技術(shù)術(shù) 794.2.33 PixxMakeer 全景景圖片技術(shù)術(shù) 804.2.44 PhootoViista 全景圖片片技術(shù) 8004.2.55 Jieetusooft 全全景圖片技技術(shù) 804.3 全全景圖制作作硬件 804.3.11 數(shù)碼相機(jī)機(jī) 8114.3.22 魚(yú)眼鏡頭頭 8224.3.33 全景頭 8834.4 全全景照片拍拍攝方法與與原則 8854.4.11 全景照片片的拍攝方方

25、法 8554.4.22 數(shù)碼相機(jī)機(jī)的拍攝原原則 8884.5 全全景圖制作作實(shí)例 894.5.11 柱形全景景制作實(shí)例例 894.5.22 球形與立立方體形全全景制作實(shí)實(shí)例 944.5.33 對(duì)象全景景制作實(shí)例例 1001本章小結(jié)105習(xí)題與思考考題1105第 5 章章網(wǎng)絡(luò)三維維互動(dòng)Cult33D 1065.1 CCult33D 概述述10065.1.11 Cullt3D 應(yīng)用簡(jiǎn)介介1075.1.22 Cullt3D 的組成10095.1.33 Cullt3D 的工作流流程10095.1.44 Cullt 3DD 模型的的導(dǎo)出 11105.2 CCult33D 窗口口簡(jiǎn)介 11175.2.11

26、 Sceene GGraphh（場(chǎng)景圖圖形）窗口 1175.2.22 Acttionss（行為）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（對(duì)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（對(duì)對(duì)象屬性）窗口 11255.3 CCult33D 應(yīng)用用12255.3.11 制作基本本三維演示示12255.3.22 制作三維維

27、交互演示示13315.3.33 Cullt3D 的應(yīng)用展展示1444本章小結(jié)150習(xí)題與思考考題1150第 6 章章虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)建模語(yǔ)言言VRML15516.1 VVRML 虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)建模語(yǔ)言言15516.1.11 VRMML 基本本概念15516.1.22 VRMML 文件件的基本特特點(diǎn)11526.1.33 VRMML 場(chǎng)景景的編輯與與瀏覽15556.2 在在場(chǎng)景中建建造基本幾幾何模型15996.2.11 外形節(jié)點(diǎn)點(diǎn)Shappe 的使使用1596.2.22 構(gòu)建虛擬擬場(chǎng)景的幾幾何造型geomeetry 域1159目 錄 II II6.2.33 創(chuàng)建基本本幾何造型型 16606.2.44 在虛擬

28、場(chǎng)場(chǎng)景中添加加文本造型型 16336.3 在在場(chǎng)景中構(gòu)構(gòu)建復(fù)雜造造型 11656.3.11 虛擬場(chǎng)景景中點(diǎn)、線線、面的創(chuàng)建 1656.3.22 構(gòu)造離散散點(diǎn)的集合合造型 16656.3.33 構(gòu)造空間間折線造型型 16676.3.44 構(gòu)造空間間平面集合合造型 16686.4 設(shè)設(shè)置虛擬造造型的外觀觀 17006.4.11 設(shè)置虛擬擬對(duì)象的外外觀和材質(zhì) 11706.4.22 為幾何體體添加紋理理 17736.4.33 紋理的變變換 17556.5 虛虛擬造型群群節(jié)點(diǎn)的使使用 11756.5.11 編組節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的使用 17556.5.22 空間坐標(biāo)標(biāo)變換節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的使用 11776.6 構(gòu)構(gòu)建虛擬現(xiàn)現(xiàn)

29、實(shí)的環(huán)境境 17996.6.11 給虛擬場(chǎng)場(chǎng)景添加背背景 1796.6.22 給虛擬場(chǎng)場(chǎng)景添加光光照 1826.7 虛虛擬對(duì)象的的動(dòng)畫效果果19116.7.11 時(shí)間傳感感器節(jié)點(diǎn)的的使用19116.7.22 利用插補(bǔ)補(bǔ)器構(gòu)造動(dòng)動(dòng)畫11926.8 虛虛擬對(duì)象交交互功能的的實(shí)現(xiàn)1976.8.11 檢測(cè)器的的基本功能能19976.8.22 各類檢測(cè)測(cè)器的基本本作用與使用11976.9 33DSMAAX 與VRMLL 22076.9.11 3DSSMAX 的場(chǎng)景導(dǎo)導(dǎo)出2076.9.22 在3DSMMAX 中中插入VRRML節(jié)點(diǎn)22076.9.33 VRMML 文件件的壓縮 2111本章小結(jié) 2111習(xí)

30、題與思考考題2212附錄 A VRMLL 的關(guān)鍵鍵字2213附錄B VVRML 的域參考考2166參考文獻(xiàn)2219第1 章概 論學(xué)習(xí)目標(biāo)： 掌握握 VR 技術(shù)的基基本概念 掌握握 VR 技術(shù)的分分類、特性性 了解解 VR 技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用 了解解 VR 技術(shù)在國(guó)國(guó)內(nèi)外的研研究狀況 了解解 VR 技術(shù)中目目前存在的的問(wèn)題曾幾何時(shí)，科科幻小說(shuō)家家為我們描描繪著一個(gè)個(gè)夢(mèng)想，人人們可以通通過(guò)電子或或虛擬的方方式來(lái)豐富富我們的生活，夢(mèng)夢(mèng)想有一天天，人類可可以進(jìn)入一一個(gè)虛擬的的世界，在在那里可以以通過(guò)替身身（化身）在在三維空間間中進(jìn)行探險(xiǎn)險(xiǎn)、娛樂(lè)、工作以及及與人交往往。隨著計(jì)計(jì)算機(jī)技術(shù)術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技技術(shù)、多媒媒體

31、技術(shù)、三維圖形形技術(shù)等技術(shù)的的發(fā)展，人人類的這一一夢(mèng)想將變變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，這這就是虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)是是從英文VVirtuual RRealiity 一一詞翻譯過(guò)過(guò)來(lái)的，VVirtuual 是是虛假的意意思，Reealitty 是真真實(shí)的意思，合并并起來(lái)就是是虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)（以下正正文中簡(jiǎn)稱稱VR），也也就是說(shuō)本本來(lái)沒(méi)有的的事物和環(huán)環(huán)境，通過(guò)過(guò)各種技術(shù)虛擬擬出來(lái)，讓讓你感覺(jué)就就如同置身身于真實(shí)世世界中一樣樣。VR 技術(shù)術(shù)，又稱虛虛擬實(shí)境或或靈境技術(shù)術(shù)，這項(xiàng)技技術(shù)原本是是美國(guó)軍方方開(kāi)發(fā)研究究出來(lái)的一一項(xiàng)計(jì)算機(jī)機(jī)技術(shù)。到220 世紀(jì)紀(jì)80 年代代末才逐漸漸為各界所所關(guān)注，它它以計(jì)算機(jī)機(jī)技術(shù)為主主，利

32、用并并綜合三維維圖形技術(shù)、多媒體體技術(shù)、仿仿真技術(shù)、傳感技術(shù)術(shù)、顯示技技術(shù)、伺服服技術(shù)等多多種高科技技的最新發(fā)發(fā)展成果，利利用計(jì)算機(jī)等等設(shè)備來(lái)產(chǎn)產(chǎn)生一個(gè)逼逼真的三維維視覺(jué)、觸觸覺(jué)、嗅覺(jué)覺(jué)等多種感感官體驗(yàn)的的虛擬世界界，從而使使處于虛擬世界界中的人產(chǎn)產(chǎn)生一種身身臨其境的的感覺(jué)。在在這個(gè)虛擬擬世界中，人人們可直接接觀察周圍圍世界及物物體的內(nèi)在變變化，與其其中的物體體之間進(jìn)行行自然的交交互，并能能實(shí)時(shí)產(chǎn)生生與真實(shí)世世界相同的的感覺(jué)，使使人與計(jì)算機(jī)融融為一體。與傳統(tǒng)的的模擬技術(shù)術(shù)相比，VVR 技術(shù)術(shù)的主要特特征是：用用戶能夠進(jìn)進(jìn)入到一個(gè)個(gè)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生生成的交互互式的三維維虛擬環(huán)境境中，可以以與之進(jìn)行

33、行交互。通通過(guò)參與者者與仿真環(huán)環(huán)境的相互互作用，并利用用人類本身身對(duì)所接觸觸事物的感感知和認(rèn)知知能力，幫幫助啟發(fā)參參與者的思思維，全方方位地獲取取事物的各種空空間信息和和邏輯信息息。隨著計(jì)算機(jī)機(jī)技術(shù)及相相關(guān)技術(shù)的的發(fā)展，在在PC 機(jī)上上實(shí)現(xiàn)VRR 技術(shù)已已成為可能能。VR 技術(shù)、理理論分析、科學(xué)實(shí)實(shí)驗(yàn)已成為為人類探索索客觀世界界規(guī)律的三三大手段。VR 技術(shù)術(shù)的發(fā)展與與普及，改改變了過(guò)去去人與計(jì)算機(jī)之之間枯燥、生硬、被被動(dòng)的交流流方式，使使人機(jī)之間間的交互變變得更人性性化，也同同時(shí)改變了了人們的工作方方式和生活活方式，改改變了人的的思想觀念念。VR 技術(shù)將深深入到我們們的生活中中，成為一一門藝術(shù)

34、、一種文文化。據(jù)有有關(guān)權(quán)威人人士斷言，到到21 世紀(jì)紀(jì)，人類將將進(jìn)入VRR 的科技技新時(shí)代，VR 技術(shù)將是2 第1章章概論信息技術(shù)的的代表。1.1 虛虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)概述1.1.11 VR 技術(shù)的發(fā)發(fā)展過(guò)程關(guān)于 VRR，其實(shí)在在很久以前前就有人提提出這一構(gòu)構(gòu)想。早在在20 世紀(jì)紀(jì)50 年代代中期，計(jì)計(jì)算機(jī)剛在在美國(guó)、英國(guó)的的一些大學(xué)學(xué)出現(xiàn)，電電子技術(shù)還還處于以真真空電子管管為基礎(chǔ)的的時(shí)候，美美國(guó)的莫頓頓海利希就就成功地利用用電影技術(shù)術(shù)，通過(guò)“拱廓體驗(yàn)驗(yàn)”讓觀眾經(jīng)經(jīng)歷了一次次美國(guó)曼哈哈頓的想像像之旅。但但由于當(dāng)時(shí)時(shí)各方面的條條件制約，如如缺乏相應(yīng)應(yīng)的技術(shù)支支持、沒(méi)有有合適的傳傳播載體、硬件處理理設(shè)

35、備缺乏乏等原因，VR 技術(shù)術(shù)并沒(méi)有得得到很大的的發(fā)展，直直到20 世紀(jì)80 年代末，隨隨著計(jì)算機(jī)機(jī)技術(shù)的高高速發(fā)展及及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及及，才使得得VR 技術(shù)術(shù)得到廣泛泛的應(yīng)用。VR 技術(shù)術(shù)的發(fā)展大大致分為33 個(gè)階段段：20 世紀(jì)50 年代到700 年代，是是VR 技術(shù)術(shù)的探索階階段；200世紀(jì)80 年代初期期到80 年代中期期，是VRR 技術(shù)系系統(tǒng)化、從從實(shí)驗(yàn)室走走向?qū)嵱玫牡碾A段；220 世紀(jì)紀(jì)80 年代末期到221 世紀(jì)紀(jì)初，是VVR 技術(shù)術(shù)高速發(fā)展展的階段。第一套具有有VR 思想想的裝置是是莫頓海利希在在19622 年研制制的稱為SSensooramaa 的具有有多種感官官刺激的立體體電

36、影系統(tǒng)統(tǒng)，它是一一套只能供供個(gè)人觀看看立體電影影的設(shè)備，采采用模擬電電子技術(shù)與與娛樂(lè)技術(shù)術(shù)相結(jié)合的全全新技術(shù)，能能產(chǎn)生立體體聲音效果果，并能有有不同的氣氣味，座位位也能根據(jù)據(jù)劇情的變變化搖擺或或振動(dòng)，觀看看時(shí)還能感感覺(jué)到有風(fēng)風(fēng)在吹動(dòng)。在當(dāng)時(shí)，這這套設(shè)備非非常先進(jìn)，但但觀眾只能能觀看，而而不能改變所看到的的和所感受受到的世界界，也就是是說(shuō)無(wú)交互互操作功能能。1965 年，計(jì)算算機(jī)圖形學(xué)學(xué)的奠基者者美國(guó)科學(xué)學(xué)家艾凡薩瑟蘭在在一篇名為為終極的的顯示的的論文中，首次提提出了一種種假設(shè)，觀觀察者不是是通過(guò)屏幕幕窗口來(lái)觀觀看計(jì)算機(jī)機(jī)生成的虛虛擬世界，而而是生成一一種直接使觀觀察者沉浸浸并能互動(dòng)動(dòng)的環(huán)境。這

37、一理論論后來(lái)被公公認(rèn)為在VVR 技術(shù)術(shù)中起著里里程碑的作作用，所以我們稱稱他既是“計(jì)算機(jī)圖圖形學(xué)”之父，也也是“虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)”之父。在隨后幾年年中，艾凡凡薩瑟蘭在在麻省理工工學(xué)院開(kāi)始始頭盔式顯顯示器的研研制工作，人人們戴上這這個(gè)頭盔式顯示示器，就會(huì)會(huì)產(chǎn)生身臨臨其境的感感覺(jué)。在11968 年，艾凡凡薩瑟蘭使使用兩個(gè)可可以戴在眼眼睛上的陰極射線線管（CRRT）研制制出了第一一個(gè)頭盔式式顯示器（HMD），并發(fā)表了A Head-Mounted 3DDispllay的的論文，他他對(duì)頭盔式式顯示器裝裝置的設(shè)計(jì)計(jì)要求、構(gòu)構(gòu)造原理進(jìn)進(jìn)行了深入入的分析，并并描繪出這這個(gè)裝置的設(shè)設(shè)計(jì)原型，此此舉成為三三維立體顯

38、顯示技術(shù)的的奠基性成成果。在第第一個(gè)HMMD 的樣樣機(jī)完成后后不久，研制者者們又反復(fù)復(fù)研究，在在此基礎(chǔ)上上把能夠模模擬力量和和觸覺(jué)的力力反饋裝置置加入到這這個(gè)系統(tǒng)中中，并于19770 年研研制出了第第一個(gè)功能能較齊全的的HMD 系統(tǒng)?；?200 世紀(jì)60 年代以來(lái)來(lái)所取得的的一系列成成就，美國(guó)國(guó)的Jarron LLanieer 在20 世紀(jì)紀(jì)80 年代代初正式提出了“Virttual Reallity”一詞。20 世紀(jì)紀(jì)80 年代代，美國(guó)國(guó)國(guó)家航空航航天局（NNASA）及及美國(guó)國(guó)防防部組織了了一系列有有關(guān)VR 技術(shù)的研究，并并取得了令令人矚目的的研究成果果，從而引引起了人們們對(duì)VR 技術(shù)的廣

39、廣泛關(guān)注。19844 年，NASSAAmes 研究中心心虛擬行星星探測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室的M.McGrreevyy 和J.Huumphrries 博士組織織開(kāi)發(fā)了用用于火星探探測(cè)的虛擬世世界視覺(jué)顯顯示器，將將火星探測(cè)測(cè)器發(fā)回的的數(shù)據(jù)輸入入計(jì)算機(jī)，為為地面研究究人員構(gòu)造造了火星表表面的三維虛虛擬世界。在隨后的的虛擬交互互世界工作作站（VIIEW）項(xiàng)項(xiàng)目中，他他們又開(kāi)發(fā)發(fā)了通用多多傳感個(gè)人仿真器器和遙控設(shè)設(shè)備。進(jìn)入 200 世紀(jì)90 年代后，迅迅速發(fā)展的的計(jì)算機(jī)硬硬件技術(shù)與與不斷改進(jìn)進(jìn)的計(jì)算機(jī)機(jī)軟件系統(tǒng)統(tǒng)相匹配，使得基于大大型數(shù)據(jù)集集合的聲音音和圖像的的實(shí)時(shí)動(dòng)畫畫制作成為為可能，人人機(jī)交互系系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)不斷

40、創(chuàng)新新，新穎、實(shí)用用的輸入輸輸出設(shè)備不不斷地涌入入市場(chǎng)，而而這些都為為VR 系統(tǒng)統(tǒng)的發(fā)展打打下了良好好的基礎(chǔ)。在應(yīng)用方面面，19993 年11 月，宇宇航員通過(guò)過(guò)VR 系統(tǒng)統(tǒng)的訓(xùn)練，成成功地完成成了從航天天飛機(jī)的運(yùn)運(yùn)輸艙內(nèi)取出新新的望遠(yuǎn)鏡鏡面板的工工作，而用用VR 技術(shù)術(shù)設(shè)計(jì)的波波音7777 飛機(jī)是是虛擬制造造的典型應(yīng)應(yīng)用實(shí)例，這是飛機(jī)設(shè)設(shè)計(jì)史上第第一次在設(shè)設(shè)計(jì)過(guò)程中中沒(méi)有采用用實(shí)物模型型。波音7777 飛飛機(jī)由3000 萬(wàn)個(gè)個(gè)零件組成成，所有的設(shè)計(jì)計(jì)在一個(gè)由由數(shù)百臺(tái)工工作站組成成的虛擬世世界中進(jìn)行行。設(shè)計(jì)師師戴上頭盔盔式顯示器器后，可以以穿行于設(shè)計(jì)的的虛擬“飛機(jī)”之中，審審視“飛機(jī)”的各項(xiàng)設(shè)

41、設(shè)計(jì)指標(biāo)。正是由于 VR 技術(shù)術(shù)產(chǎn)生的具具有交互作作用的虛擬擬世界，使使得人機(jī)交交互界面更更加形象和和逼真，越越來(lái)越激發(fā)了了人們對(duì)VVR 技術(shù)術(shù)的興趣。近十年來(lái)來(lái)，國(guó)內(nèi)外外對(duì)此項(xiàng)技技術(shù)的應(yīng)用用更加廣泛泛，在軍事事、航空航天、科科技開(kāi)發(fā)、商業(yè)、醫(yī)醫(yī)療、教育育、娛樂(lè)等等多個(gè)領(lǐng)域域得到越來(lái)來(lái)越廣泛的的應(yīng)用，并并取得了巨巨大的經(jīng)濟(jì)效益益和社會(huì)效效益。正因因?yàn)閂R 技術(shù)是一一個(gè)發(fā)展前前景非常廣廣闊的新技技術(shù)，因此此，人們對(duì)對(duì)它的應(yīng)用前景充充滿了憧憬憬。1.1.22 VR 技術(shù)的概概念與構(gòu)成成VR 技術(shù)術(shù)是采用以以計(jì)算機(jī)技技術(shù)為核心心的現(xiàn)代高高科技技術(shù)術(shù)，生成逼逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)覺(jué)等一體化化的虛擬環(huán)境境，

42、用戶借借助必要的的設(shè)備以自自然的方式式與虛擬世世界中的物物體進(jìn)行交交互，相互互影響，從從而產(chǎn)生親臨真真實(shí)環(huán)境的的感受和體體驗(yàn)。典型的 VVR 系統(tǒng)統(tǒng)主要由計(jì)計(jì)算機(jī)、應(yīng)應(yīng)用軟件系系統(tǒng)、輸入入輸出設(shè)備備、用戶和和數(shù)據(jù)庫(kù)等等組成，如如圖1-1 所所示。圖1-1 VR 系系統(tǒng)1計(jì)算機(jī)機(jī)在 VR 系統(tǒng)中，計(jì)計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)責(zé)虛擬世界界的生成和和人機(jī)交互互的實(shí)現(xiàn)。由于虛擬擬世界本身身具有高度度復(fù)雜性，尤尤其在某些些應(yīng)用中，如如航空航天天世界的模模擬、大型型建筑物的的立體顯示示、復(fù)雜場(chǎng)場(chǎng)景的建模模等，使得生生成虛擬世世界所需的的計(jì)算量極極為巨大，因因此對(duì)VRR 系統(tǒng)中中計(jì)算機(jī)的的配置提出出了極高的的要求。目前，低

43、低檔的VRR 系統(tǒng)的的配置是以以PC 機(jī)為為基礎(chǔ)并配配置3D 圖形加速速卡；中檔檔的VR 系統(tǒng)一般般采用SUNN 或SGI 等公司的的可視化工工作站；高高檔的VRR 系統(tǒng)則則采用分布布式的計(jì)算算機(jī)系統(tǒng)，即即由幾臺(tái)計(jì)算機(jī)協(xié)協(xié)同工作。由此可見(jiàn)見(jiàn)，計(jì)算機(jī)機(jī)是VR 系統(tǒng)的心心臟。2輸入輸輸出設(shè)備在 VR 系統(tǒng)中，為為了實(shí)現(xiàn)人人與虛擬世世界的自然然交互，必必須采用特特殊的輸入入輸出設(shè)備備，以識(shí)別別用4 第1章章概論戶各種形式式的輸入，并并實(shí)時(shí)生成成相應(yīng)的反反饋信息。常用的方方式為數(shù)據(jù)據(jù)手套加空空間位置跟跟蹤定位設(shè)設(shè)備，它可以感知知運(yùn)動(dòng)物體體的位置及及旋轉(zhuǎn)方向向的變化，通通過(guò)頭盔式式顯示器等等立體顯示示設(shè)

44、備產(chǎn)生生相應(yīng)的圖圖像和聲音。通通常頭盔式式顯示器中中配有空間間位置跟蹤蹤定位設(shè)備備，當(dāng)用戶戶頭部的位位置發(fā)生變變化時(shí)，空空間位置跟蹤定位位設(shè)備檢測(cè)測(cè)到位置發(fā)發(fā)生的相應(yīng)應(yīng)變化，從從而通過(guò)計(jì)計(jì)算機(jī)得到到物體運(yùn)動(dòng)動(dòng)位置等參參數(shù)，并輸輸出相應(yīng)的具有深深度信息及及寬視野的的三維立體體圖像和生生成三維虛虛擬立體聲聲音。3VR 的應(yīng)用軟軟件系統(tǒng)及及數(shù)據(jù)庫(kù)VR 的應(yīng)應(yīng)用軟件系系統(tǒng)可完成成的功能包包括：虛擬擬世界中物物體的幾何何模型、物物理模型、行為模型型的建立，三三維虛擬立立體聲的生生成，模型型管理技術(shù)術(shù)及實(shí)時(shí)顯顯示技術(shù)，虛虛擬世界數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的建建立與管理理等幾部分。虛擬世界界數(shù)據(jù)庫(kù)主主要用于存存放整個(gè)虛虛擬世

45、界中中所有物體體的各個(gè)方方面的信息息。圖 1-22 所示的的是基于頭頭盔式顯示示器的VRR 系統(tǒng)，它它由計(jì)算機(jī)機(jī)、頭盔式式顯示器、數(shù)據(jù)手套套、力反饋裝置、話筒、耳耳機(jī)等設(shè)備備組成。該該系統(tǒng)首先先由計(jì)算機(jī)機(jī)生成一個(gè)個(gè)虛擬世界界，由頭盔盔式顯示器器輸出一個(gè)立體體的顯示，用用戶可以通通過(guò)頭的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)、手的的移動(dòng)、語(yǔ)語(yǔ)音等與虛虛擬世界進(jìn)進(jìn)行自然交交互，計(jì)算算機(jī)能根據(jù)用用戶輸入的的各種信息息實(shí)時(shí)進(jìn)行行計(jì)算，即即刻對(duì)交互互行為進(jìn)行行反饋，由由頭盔式顯顯示器更新新相應(yīng)的場(chǎng)景顯顯示，由耳耳機(jī)輸出虛虛擬立體聲聲音、由力力反饋裝置置產(chǎn)生觸覺(jué)覺(jué)（力覺(jué)）反反饋。_1.1.33 VR 技術(shù)的特特征及意義義VR 技術(shù)術(shù)有3

46、 個(gè)主要要特性：沉沉浸性（IImmerrsionn）、交互互性（Innteraactivvity）和和想像性（Imagination），如圖1-33 所示。1VR 技術(shù)的基基本特性（1）沉浸浸性沉浸性（IImmerrsionn）是指用用戶感受到到被虛擬世世界所包圍，好像完完全置身于于虛擬世界界之中一樣樣。VR 技術(shù)最主主要的技術(shù)特征征是讓用戶戶覺(jué)得自己己是計(jì)算機(jī)機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)創(chuàng)建的虛擬擬世界中的一一部分，使使用戶由觀觀察者變成成參與者，沉沉浸其中并參與虛擬擬世界的活活動(dòng)。理想想的虛擬世世界應(yīng)該達(dá)達(dá)到使用戶戶難以分辨辨真假的程程度，甚至至超越真實(shí)實(shí)，實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)實(shí)實(shí)更逼真的的照明和音音響效果。沉浸性來(lái)源

47、源于對(duì)虛擬擬世界的多多感知性，除除了常見(jiàn)的的視覺(jué)感知知外，還有有聽(tīng)覺(jué)感知知、力覺(jué)感感知、觸覺(jué)感知、運(yùn)動(dòng)感知知、味覺(jué)感感知、嗅覺(jué)覺(jué)感知等。理論上來(lái)來(lái)說(shuō)，VRR 系統(tǒng)應(yīng)應(yīng)該具備人人在現(xiàn)實(shí)世世界中具有的所有有感知功能能，但鑒于于目前技術(shù)術(shù)的局限性性，在現(xiàn)在在的VR 系統(tǒng)的研研究與應(yīng)用用中，較為為成熟或相對(duì)成熟熟的主要是是視覺(jué)沉浸浸、聽(tīng)覺(jué)沉沉浸、觸覺(jué)覺(jué)沉浸技術(shù)術(shù)，而有關(guān)關(guān)味覺(jué)與嗅嗅覺(jué)的感知知技術(shù)正在在研究之中，目目前還很不不成熟。 視覺(jué)沉沉浸。VRR 系統(tǒng)向向用戶提供供虛擬世界界真實(shí)的、直觀的三三維立體視視圖，并直直接接受用用戶的控制。在在VR 系統(tǒng)統(tǒng)中，產(chǎn)生生視覺(jué)方面面的沉浸性性是十分重重要的。視視

48、覺(jué)沉浸性性的建立依依賴于用戶戶與合成圖像的的集成，VVR 系統(tǒng)統(tǒng)必須向用用戶提供立立體三維效效果及較寬寬的視野，同同時(shí)隨著人人的運(yùn)動(dòng)，所所得到的場(chǎng)景景也隨之實(shí)實(shí)時(shí)地改變變。較理想想的視覺(jué)沉沉浸環(huán)境是是在洞穴式式顯示設(shè)備備（CAVVE）中，采采用多面立體投投影系統(tǒng)，因因而可得到到較強(qiáng)的視視覺(jué)效果。另外，可可將此系統(tǒng)統(tǒng)與真實(shí)世世界隔離，避避免受到外面真實(shí)世世界的影響響，用戶可可獲得完全全沉浸于虛虛擬世界的的感覺(jué)。 聽(tīng)覺(jué)沉沉浸。在VVR 系統(tǒng)統(tǒng)中，聲音音是除視覺(jué)覺(jué)以外的一一個(gè)重要感感覺(jué)通道，如如果在VRR 系統(tǒng)中中加入與視覺(jué)覺(jué)同步的聲聲音效果作作為補(bǔ)充，在在很大程度度上可提高高VR 系統(tǒng)統(tǒng)的沉浸效效

49、果。在VVR 系統(tǒng)統(tǒng)中，主要讓用戶戶感覺(jué)到的的是三維空空間的虛擬擬聲音，這這與普通立立體聲有所所不同。普普通立體聲聲可使人感感覺(jué)聲音來(lái)自于于某個(gè)平面面，而三維維虛擬聲音音可使聽(tīng)者者能感覺(jué)到到聲音來(lái)自自于一個(gè)圍圍繞雙耳的的球形空間間的任何位置。它可以模模擬大范圍圍的聲音效效果，如閃閃電、雷鳴鳴、波浪聲聲等自然現(xiàn)現(xiàn)象的聲音音。在沉浸浸式三維虛擬世世界中，兩兩個(gè)物體碰碰撞時(shí)，也也會(huì)出現(xiàn)碰碰撞聲音，讓讓用戶能根根據(jù)聲音準(zhǔn)準(zhǔn)確判斷出出碰撞發(fā)生生的位置。 觸覺(jué)沉沉浸。在虛虛擬世界中中，人們可可以借助于于各種相應(yīng)應(yīng)的交互設(shè)設(shè)備，使用用戶體驗(yàn)抓抓、握等操作的感覺(jué)覺(jué)。當(dāng)然，從從現(xiàn)在技術(shù)術(shù)來(lái)說(shuō)不可可能達(dá)到與與真實(shí)

50、世界界完全相同同的觸覺(jué)沉沉浸，將來(lái)來(lái)也不可能能，除非技術(shù)發(fā)發(fā)展到同人人腦能進(jìn)行行直接交流流，而目前前的技術(shù)水水平主要側(cè)側(cè)重于力反反饋方面。可以使用用充氣式手套，在在虛擬世界界中與物體體相接觸時(shí)時(shí)，能產(chǎn)生生與真實(shí)世世界相同的的感覺(jué)，如如在建筑小小區(qū)瀏覽時(shí)時(shí)，用手推門不不僅門被打打開(kāi)，同時(shí)時(shí)手上也感感覺(jué)到門對(duì)對(duì)手的阻力力（手感）。（2）交互互性交互性（IInterractiivityy）的產(chǎn)生生，主要借借助于VRR 系統(tǒng)中中的特殊硬硬件設(shè)備（如如數(shù)據(jù)手套套、力反饋裝置等），使使用戶能通通過(guò)自然的的方式，產(chǎn)產(chǎn)生同在真真實(shí)世界中中一樣的感感覺(jué)。例如如，用戶可可以用手圖1-3 VR 技技術(shù)的3 個(gè)主要特

51、特性6 第1章章概論直接抓取虛虛擬世界中中的物體，這這時(shí)手有觸觸摸感，并并可以感覺(jué)覺(jué)到物體的的重量，能能區(qū)分所拿拿的是石頭頭還是海綿，并并且場(chǎng)景中中被抓的物物體也能立立刻隨手的的運(yùn)動(dòng)而移移動(dòng)。VR 系統(tǒng)統(tǒng)比較強(qiáng)調(diào)調(diào)人與虛擬擬世界之間間進(jìn)行自然然的交互，如如人的走動(dòng)動(dòng)、頭的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)、手的的移動(dòng)等，通過(guò)這些方方式與虛擬擬世界進(jìn)行行交互。這這與傳統(tǒng)的的多媒體交交互方式有有較大的區(qū)區(qū)別：在傳傳統(tǒng)的多媒媒體技術(shù)中，人人機(jī)之間的的交互工具具從計(jì)算機(jī)機(jī)發(fā)明直到到現(xiàn)在，還還主要是鍵鍵盤與鼠標(biāo)標(biāo)，通過(guò)鍵鍵盤與鼠標(biāo)標(biāo)進(jìn)行一維、二二維的交互互；而在VVR 系統(tǒng)統(tǒng)中，人們們甚至可以以意識(shí)不到到計(jì)算機(jī)的的存在。交互性的另

52、另一個(gè)方面面主要表現(xiàn)現(xiàn)了交互的的實(shí)時(shí)性。例如：頭頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能能立即在所所顯示的場(chǎng)場(chǎng)景中產(chǎn)生相應(yīng)的變變化，并且且能得到相相應(yīng)的其他他反饋；用用手移動(dòng)虛虛擬世界中中的一個(gè)物物體，物體體位置會(huì)立立即發(fā)生相應(yīng)的的變化。（3）想像像性想像性（IImagiinatiion）指指虛擬的環(huán)環(huán)境是人想想像出來(lái)的的，同時(shí)這這種想像體體現(xiàn)出設(shè)計(jì)計(jì)者相應(yīng)的的思想，因而可可以用來(lái)實(shí)實(shí)現(xiàn)一定的的目標(biāo)。所所以說(shuō)VRR 技術(shù)不不僅僅是一一個(gè)媒體或或一個(gè)高級(jí)級(jí)用戶界面面，同時(shí)它還是為為解決工程程、醫(yī)學(xué)、軍事等方方面的問(wèn)題題而由開(kāi)發(fā)發(fā)者設(shè)計(jì)出出來(lái)的應(yīng)用用軟件。通通常它以夸夸大的形式反映映設(shè)計(jì)者的的思想，VVR 系統(tǒng)統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是是VR

53、 技術(shù)術(shù)與設(shè)計(jì)者者并行操作作，是為發(fā)發(fā)揮設(shè)計(jì)者者的創(chuàng)造性而設(shè)計(jì)計(jì)的。VRR 技術(shù)的的應(yīng)用，為為人類認(rèn)識(shí)識(shí)世界提供供了一種全全新的方法法和手段，可可以使人類類跨越時(shí)間與空空間，去經(jīng)經(jīng)歷和體驗(yàn)驗(yàn)世界上早早已發(fā)生或或尚未發(fā)生生的事件；可以使人人類突破生生理上的限制，進(jìn)入入宏觀或微微觀世界進(jìn)進(jìn)行研究和和探索；也也可以模擬擬因條件限限制等原因因而難以實(shí)實(shí)現(xiàn)的事情。例如在建設(shè)設(shè)一座大樓樓之前，傳傳統(tǒng)的方法法是要繪制制各種圖紙紙，而現(xiàn)在在可以采用用VR 系統(tǒng)統(tǒng)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真真。制作的的VR 作品品反映的就就是某個(gè)設(shè)設(shè)計(jì)者的思思想，而它它的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)比那些呆呆板的圖紙紙生動(dòng)強(qiáng)大得多多，所以有有些學(xué)者稱稱VR

54、為放放大人們心心靈的工具具或人工現(xiàn)現(xiàn)實(shí)（Arrtifiical Reallity），這這就是VR 所所具有的第第三類特征征想像性性。現(xiàn)在，VRR 技術(shù)在在許多領(lǐng)域域中起著十十分重要的的作用，如如核試驗(yàn)、新型武器器設(shè)計(jì)、醫(yī)醫(yī)療手術(shù)的的模擬與訓(xùn)練練、自然災(zāi)災(zāi)害預(yù)報(bào)等等，這些問(wèn)問(wèn)題如果采采用傳統(tǒng)方方式去解決決，必然要要花費(fèi)大量量的人力、物力及漫長(zhǎng)的的時(shí)間，有有些還是無(wú)無(wú)法進(jìn)行的的，有些甚甚至?xí)奚藛T的生生命。而VVR 技術(shù)術(shù)的出現(xiàn)，為為解決和處理這這些問(wèn)題提提供了新的的方法及思思路，人們們借助VRR 技術(shù)，沉沉浸在多維維信息空間間中，依靠靠自己的感知和和認(rèn)知能力力全方位地地獲取知識(shí)識(shí)，發(fā)揮主主觀

55、能動(dòng)性性，尋求答答案，找到到新的解決決問(wèn)題的方方法和手段。綜上所述，VR 系統(tǒng)具有的沉浸性、交互性、想像性，使參與者能沉浸于虛擬世界之中并進(jìn)行交互。VVR 系統(tǒng)統(tǒng)是人們可可以通過(guò)視視、聽(tīng)、觸觸覺(jué)等信息息通道感受受到設(shè)計(jì)者者思想的高高級(jí)用戶界界面。2VR 技術(shù)的意意義正是由于 VR 技術(shù)術(shù)的廣泛應(yīng)應(yīng)用，并能能夠?qū)崿F(xiàn)人人與自然之之間的和諧諧交互，擴(kuò)擴(kuò)大人對(duì)信信息空間的的感知通道，提提高人類對(duì)對(duì)跨越時(shí)空空事物和復(fù)復(fù)雜動(dòng)態(tài)事事件的感知知能力，把把計(jì)算機(jī)應(yīng)應(yīng)用提高到到一個(gè)嶄新新的水平，其其作用和意意義是十分分重要的。正因?yàn)槿缛绱?，人們們也從更高高的層次上上?lái)看待其其作用和意意義。首先是在觀觀念上的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變

56、，它使使人們對(duì)計(jì)計(jì)算機(jī)的應(yīng)應(yīng)用從“以計(jì)算機(jī)機(jī)為主體”變成“以人為主體”。傳統(tǒng)的信息息處理環(huán)境境一直強(qiáng)調(diào)調(diào)的是“人適應(yīng)計(jì)計(jì)算機(jī)”，人與計(jì)計(jì)算機(jī)通常常通過(guò)鍵盤盤與鼠標(biāo)進(jìn)進(jìn)行交互，這種交交互是間接接的、非直直覺(jué)的和有有限的。而而VR 技術(shù)術(shù)的目標(biāo)或或理念是要要逐步使“計(jì)算機(jī)適適應(yīng)_人”，人們們要通過(guò)視視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)以及及形體、手手勢(shì)或語(yǔ)言言，參與到到信息處理理的環(huán)境中中去，并獲得身臨臨其境的體體驗(yàn)。人們們不必意識(shí)識(shí)到自己在在同計(jì)算機(jī)機(jī)打交道，而而可以像在在現(xiàn)實(shí)世界界中處理事事情一樣同計(jì)計(jì)算機(jī)交流流，這就把把人從操作作計(jì)算機(jī)的的復(fù)雜工作作中解放出出來(lái)，使用用計(jì)算機(jī)無(wú)無(wú)需學(xué)習(xí)，操操作也異常簡(jiǎn)簡(jiǎn)

57、單而方便便。第二個(gè)轉(zhuǎn)變變發(fā)生在哲哲學(xué)中人們們對(duì)“虛”和“實(shí)”之間的辯辯證關(guān)系的的理解上。虛和實(shí)的關(guān)關(guān)系是一個(gè)個(gè)古老的哲哲學(xué)話題。我們是處處于真實(shí)的的客觀世界界中，還是是只處于自自己的感知世界中，一一直是唯物物論和唯心心論爭(zhēng)論的的焦點(diǎn)。以以視覺(jué)為例例，我們所所看到的世世界，不過(guò)過(guò)是視網(wǎng)膜膜上的影像。過(guò)去，視視網(wǎng)膜上的的影像都是是真實(shí)世界界的反映，因因此客觀的的真實(shí)世界界同主觀的的感知世界界是一致的?，F(xiàn)在，VVR 導(dǎo)致致了二重性性，VR 的景物對(duì)對(duì)人的感官官來(lái)說(shuō)是實(shí)實(shí)實(shí)在在存存在的，但但它又的的的確確是虛構(gòu)構(gòu)的東西，而而且按照虛虛構(gòu)的東西西行事，往往往又會(huì)得得出正確的的結(jié)果。因因此這就引引發(fā)了哲學(xué)

58、學(xué)上要重新認(rèn)認(rèn)識(shí)“虛”和“實(shí)”之間關(guān)系系的研究。1.1.44 VR 技術(shù)與三三維動(dòng)畫技技術(shù)的異同同也許有人會(huì)會(huì)說(shuō)，VRR 技術(shù)讓讓人看到的的東西與三三維動(dòng)畫技技術(shù)差別不不大，其實(shí)實(shí)兩者是不不同的兩種技術(shù)。VVR 技術(shù)術(shù)和三維動(dòng)動(dòng)畫技術(shù)有有本質(zhì)上的的區(qū)別：三三維動(dòng)畫技技術(shù)是依靠靠計(jì)算機(jī)預(yù)預(yù)先處理好好的路徑上所能能看見(jiàn)的靜靜止照片連連續(xù)播放而而形成的，不不具有任何何交互性，即即不是用戶戶想看什么么地方就能看到到什么地方方，用戶只只能按照設(shè)設(shè)計(jì)師預(yù)先先固定好的的一條線路路去看某些些場(chǎng)景，它它給用戶提供的信息息很少或不不是所需的的，用戶是是被動(dòng)的；而VR 技術(shù)則截截然不同，它它通過(guò)計(jì)算算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算場(chǎng)景

59、，根根據(jù)用戶的的需要把整整個(gè)空間中中所有的信信息真實(shí)地地提供給用用戶，用戶戶可依自己己的路線行走，計(jì)計(jì)算機(jī)會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生相應(yīng)的的場(chǎng)景，真真正做到“想得到，就就看得到”。所以說(shuō)說(shuō)交互性是是兩者最大的不同同。VR 技術(shù)術(shù)源于人們們對(duì)三維動(dòng)動(dòng)畫技術(shù)自自由交互的的渴望，雖雖然它形式式上和三維維動(dòng)畫技術(shù)術(shù)有些相似似之處，但它它可能將是是三維動(dòng)畫畫技術(shù)的替替代品。舉舉例來(lái)說(shuō)，3DSMAX 是三維動(dòng)畫制作的利器，其軟件制作效效果好，運(yùn)運(yùn)行效率高高，用戶遍遍及全球。如果需要要利用3DDSMAXX 渲染一一張小區(qū)建建筑效果圖，大概需需要幾十秒秒的時(shí)間；而VR 軟件在同同樣的分辨辨率下，每每一秒要渲渲染幾十幀幀這樣的效

60、效果圖，因?yàn)槿绻徊荒苓_(dá)到220 幀秒以上的的處理效率率，就難以以達(dá)到和人人類實(shí)時(shí)交交互的效果果，這種效效率是三維動(dòng)畫軟軟件通過(guò)軟軟件的優(yōu)化化所無(wú)法達(dá)達(dá)到的。下面來(lái)看一一個(gè)應(yīng)用的的實(shí)例。房房地產(chǎn)展示示是這兩個(gè)個(gè)技術(shù)最常常用的領(lǐng)域域。在現(xiàn)在在的應(yīng)用中中，很多房地產(chǎn)公司司采用三維維動(dòng)畫技術(shù)術(shù)來(lái)展示樓樓盤，其設(shè)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)長(zhǎng)，模式固固定，制作作費(fèi)用高；而同時(shí)在在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有有多家公司司采用VRR 技術(shù)來(lái)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)，其展示示效果好，設(shè)設(shè)計(jì)周期短短，更重要要的是，它它是基于真實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)的科學(xué)學(xué)仿真，不不僅可達(dá)到到一般展示示的功能，而而且還可以以把業(yè)主帶帶入到未來(lái)來(lái)的建筑物物里參觀，還還可展示如如門的高度度