（中職）【02】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用教案 第1章 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)電子教案

（中職）【02】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用教案第1章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)電子教案（中職）【02】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用教案第1章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)電子教案PAGEPAGE17（中職）【02】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用教案第1章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)電子教案《虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論》教案授課班級(jí)班級(jí)人數(shù)授課教師課題序號(hào)授課課型授課課時(shí)4課時(shí)授課章節(jié)名稱第1章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1.了解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概況；2.掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分類；3.理解虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)交互感知設(shè)備；4．掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展。技能目標(biāo)掌握和理解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論解決實(shí)際問題的方法和思路。情感目標(biāo)1.培養(yǎng)勤于思考、舉一反三的學(xué)習(xí)習(xí)慣；2.培養(yǎng)良好的團(tuán)隊(duì)合作精神。教學(xué)重點(diǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念的理解教學(xué)難點(diǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理的理解和應(yīng)用教學(xué)方法講授法、自主學(xué)習(xí)法、探究法、小組討論法教學(xué)資源教材、網(wǎng)絡(luò)資源、教學(xué)視頻、相關(guān)PPT，多媒體教室板書設(shè)計(jì)第2章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)[知識(shí)學(xué)習(xí)]1.基本概念2.技術(shù)分類3.虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)交互感知設(shè)備4.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展[技能訓(xùn)練]評(píng)析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)品教學(xué)過程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)教學(xué)目標(biāo)【一】導(dǎo)入新章節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality簡(jiǎn)稱VR)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。在這一章中，我們講從基本概念、技術(shù)分類、動(dòng)態(tài)交互感知設(shè)備、技術(shù)發(fā)展四個(gè)方面一起來認(rèn)識(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)?！径啃率诘?章虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知識(shí)目標(biāo)（1）了解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概況；（2）掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分類；（3）理解虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)交互感知設(shè)備；（4）掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展。2.技能目標(biāo)掌握和理解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論解決實(shí)際問題的方法和思路。[知識(shí)學(xué)習(xí)]1.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概況虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等技術(shù)領(lǐng)域，它用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視覺、聽覺、味覺、觸覺等感覺，使人作為參與者通過適當(dāng)虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。使用者在虛擬三維立體空間進(jìn)行位置移動(dòng)時(shí)，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場(chǎng)感。該技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理技術(shù)等最新發(fā)展成果，是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。[課堂討論]請(qǐng)同學(xué)們分組討論上一章的VR技術(shù)與本章的AR技術(shù)有什么相同點(diǎn)和不同點(diǎn)？[知識(shí)學(xué)習(xí)]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)多感知性、沉浸感、交互性、想象力（簡(jiǎn)稱3I特性），以及網(wǎng)絡(luò)功能、多媒體技術(shù)、人工智能、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、動(dòng)態(tài)交互智能感知和程序驅(qū)動(dòng)三維立體造型與場(chǎng)景等基本特征。1.多感知性（Multi-Sensory）是指除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等一切人類所具有的感知功能。2.浸浸感（Immersion）又稱臨場(chǎng)感指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切看上去是真實(shí)的，聽上去是真實(shí)的，動(dòng)起來是真實(shí)的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真實(shí)的，如同在現(xiàn)實(shí)世界中的感覺一樣。3.交互性（Interactivity）指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）。用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時(shí)手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。4.構(gòu)想性（Imagination）強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可以拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。充分發(fā)揮人類的想象力和創(chuàng)造力，在多維信息空間中，依靠人類的認(rèn)識(shí)和感知能力獲取知識(shí)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，去拓寬知識(shí)領(lǐng)域，開發(fā)新的產(chǎn)品，把“虛擬”和“現(xiàn)實(shí)”有機(jī)的結(jié)合起來，使人類的生活更加富足、美滿和幸福。5．具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，可以通過運(yùn)行X3D/VRML200X程序直接接入Internet上網(wǎng)。可以創(chuàng)建立體網(wǎng)頁與網(wǎng)站。6．具有多媒體功能。能夠?qū)崿F(xiàn)多媒體制作，將文字、語音、圖像、影片等融入三維立體場(chǎng)景，并合成聲音、圖像以及影片達(dá)到舞臺(tái)影視效果。7．創(chuàng)建三維立體造型和場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)更好的立體交互界面。8．具有人工智能，主要體現(xiàn)在X3D/VRML200X具有感知功能。利用感知傳感器節(jié)點(diǎn)，來感受用戶以及造型之間的動(dòng)態(tài)交互感覺。9．動(dòng)態(tài)交互智能感知，用戶可以借助虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備或軟件產(chǎn)品，直接與虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的物體、造型進(jìn)行動(dòng)態(tài)智能感知交互，使用者有身臨其境的真實(shí)感受。10．利用程序驅(qū)動(dòng)三維立體模型與場(chǎng)景，便于與各種程序設(shè)計(jì)語言、網(wǎng)頁程序進(jìn)行交互，有著良好的程序交互性和接口，便于系統(tǒng)擴(kuò)充、交互、上網(wǎng)等功能。11．虛擬人設(shè)計(jì)指X3D虛擬人動(dòng)畫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，即X3D虛擬人動(dòng)畫組件設(shè)計(jì)。在虛擬空間設(shè)計(jì)逼真的三維立體虛擬人，進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互、交流等。12.地理信息系統(tǒng)指X3D地理信息節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球，數(shù)字城市，數(shù)字家庭等，即地理信息學(xué)組件，包括如何在真實(shí)世界位置和X3D場(chǎng)景中元素之間建立關(guān)聯(lián)，以及詳細(xì)說明協(xié)調(diào)地理應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)。13.曲面設(shè)計(jì)指復(fù)雜曲面節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)含蓋曲線與曲面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高級(jí)復(fù)雜曲面開發(fā)和設(shè)計(jì)。14.CAD設(shè)計(jì)指利用X3D/CAD組件實(shí)現(xiàn)從CAD到X3D的轉(zhuǎn)換提高軟件開發(fā)效率。15.分布交互系統(tǒng)指利用分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的強(qiáng)大的功能,又可以利用分布式本身特性，實(shí)現(xiàn)虛擬分布式系統(tǒng)帶來的無窮魅力。一般來說，一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計(jì)算機(jī)為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統(tǒng)、以語音識(shí)別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)、立體鼠標(biāo)、跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備，以及味覺、嗅覺、觸覺以及力覺反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。那么虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)分類呢？接下來一起來了解：[知識(shí)學(xué)習(xí)]1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分類虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分類主要包括：沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、純軟件虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和可穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)以及互聯(lián)網(wǎng)+系統(tǒng)為平臺(tái)，以Unix、Windows、Linux、MacOSX以及Android等操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品和可穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分類層次框圖，底層為計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，中間層包含互聯(lián)網(wǎng)+、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)及VR/AR系統(tǒng)，上層包含沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、增強(qiáng)式現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、純軟件虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、可穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等。1.2.1桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（DesktopVRSystem）是一套基于普通PC平臺(tái)的小型桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。利用中低端圖形工作站及立體顯示器，產(chǎn)生虛擬場(chǎng)景，參與者使用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、力反饋器、三維鼠標(biāo)、或其它手控輸入設(shè)備，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要技術(shù)特征：多感知性、沉浸感、交互性、真實(shí)性。在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的屏幕是參觀者觀察虛擬境界的一個(gè)窗口，在一些專業(yè)軟件的幫助下，參與者可以在仿真過程中設(shè)計(jì)各種環(huán)境。立體顯示器用來觀看設(shè)計(jì)虛擬三維場(chǎng)景的立體效果，它所帶來的立體視覺能使參與者產(chǎn)生一定程度的投入感。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）系統(tǒng)中主要的功能塊包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、利用攝像頭的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、音響系統(tǒng)甚至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）系統(tǒng)中，人們將面對(duì)一種顯示屏幕，通過這個(gè)窗口可以看到一個(gè)虛擬世界。窗口中的景象看起來真實(shí)，聽起來生動(dòng)，操作起來物體的行為感人，如：汽車模擬器、飛機(jī)模擬器、電子會(huì)議等都屬于桌面VR系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是用戶比較自由，不需要佩帶頭盔和耳機(jī)，也不需要帶數(shù)據(jù)手套和跟蹤器，并且可以允許多個(gè)用戶同時(shí)加入系統(tǒng)，對(duì)用戶數(shù)的限制較小。但桌面VR系統(tǒng)難以解決雙目視覺競(jìng)爭(zhēng)問題，難以構(gòu)造用戶沉浸于其中的虛擬環(huán)境。而沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)從根本上解決了這一問題。[知識(shí)應(yīng)用]請(qǐng)以小組為單位，根據(jù)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)，自行搜尋一些桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的案例，在課堂上進(jìn)行分享。[知識(shí)學(xué)習(xí)]1.2.2沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)要求用戶戴上立體眼鏡、立體顯示頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等，使用戶在與計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維圖形交互中，形成一個(gè)虛擬的三維環(huán)境。用戶在這個(gè)三維虛擬環(huán)境中，可以行走、飛行運(yùn)動(dòng)，可以多感知地如：視覺、聽覺、力覺、觸覺等與三維虛擬物體交互，其真實(shí)性感覺或效果與人在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中相類似。由于虛擬現(xiàn)實(shí)把人在三維虛擬世界中的感覺和行為現(xiàn)實(shí)化，因此把這樣的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)稱為沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（ImmersiveVRSystem）。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用封閉的三維立體視景和音響系統(tǒng)，使得用戶“進(jìn)入”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所產(chǎn)生的虛擬世界中，從而產(chǎn)生身臨其境的效果。這是一類較高級(jí)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它把用戶的個(gè)人視點(diǎn)完全沉浸到虛擬世界中。按照沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的不同，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)又可分為基于頭盔顯示器的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，CAVE系統(tǒng)、環(huán)幕式系統(tǒng)、工作墻系統(tǒng)、全息工作臺(tái)系統(tǒng)、球形工作間系統(tǒng)等。1．基于頭盔顯示器沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。利用各種頭盔顯示器把人的視覺、聽覺和其他感覺封閉在一起，通過數(shù)據(jù)手套、頭部跟蹤器等交互裝置，使用戶完全置于計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境中，從而產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯(cuò)覺。2．CAVE（CaveAutomaticVirtualEnvironment）空穴形沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，在外形上是使用投影系統(tǒng)，圍繞著觀察者具有多個(gè)圖像畫面的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，多個(gè)投影面組成一個(gè)空間結(jié)構(gòu)。理論上CAVE是基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)把高分辨率的立體投影技術(shù)和三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、音響技術(shù)、傳感器技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，產(chǎn)生一個(gè)供多人使用的完全沉浸的虛擬環(huán)境。在CAVE虛擬環(huán)境中，當(dāng)具備結(jié)合模擬軟件的額外處理能力后，用戶就可交互的探索新景觀，體驗(yàn)到實(shí)時(shí)的視覺回應(yīng)。CAVE的典型應(yīng)用包括交互式分子造型、科學(xué)計(jì)算可視化、聲音模擬、機(jī)械制造、建筑設(shè)計(jì)、天氣模擬及醫(yī)學(xué)造型等。[課堂討論]請(qǐng)同學(xué)們以小組為單位討論“桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)”與“沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)”的區(qū)別？[知識(shí)學(xué)習(xí)]1.2.3分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（DistributedVRSystem）是虛擬現(xiàn)實(shí)與因特網(wǎng)（Internet）、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)（Intranet）和外聯(lián)網(wǎng)（Extranet）、信息高速公路（InformationSuper-highway）等技術(shù)的結(jié)合。近年來，隨著因特網(wǎng)/萬維網(wǎng)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)研究領(lǐng)域，出現(xiàn)了另一個(gè)新的研究方向，即在線虛擬現(xiàn)實(shí)方向。在線虛擬現(xiàn)實(shí)是指分布在不同地理位置的人，通過因特網(wǎng)/萬維網(wǎng)連接到一個(gè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的網(wǎng)上三維環(huán)境，用戶在該三維環(huán)境中，可以行走、飛行，也可以與虛擬物體或其他用戶相互交互。但是，用戶不必帶上立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實(shí)時(shí)圖像壓縮技術(shù)等，它的關(guān)鍵是分布式交互仿真協(xié)議。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是更為高級(jí)的系統(tǒng)，他在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將多個(gè)用戶連在一起，共享同一虛擬空間，從而為用戶提供一個(gè)更為真實(shí)的人工合成環(huán)境。隨著高速網(wǎng)、寬帶網(wǎng)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)計(jì)算和三維圖形處理能力的提高，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)逐漸地與因特網(wǎng)/萬維網(wǎng)融合在一起，分布式虛擬環(huán)境也同時(shí)成為沉浸式虛擬環(huán)境。在分布式虛擬環(huán)境中，通過寬帶網(wǎng)絡(luò)可以將分布在世界各地的各種服務(wù)器由高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接起來。通過預(yù)警機(jī)將分布在不同地理位置的獨(dú)立的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)共享信息，多個(gè)用戶在一個(gè)共享的三維虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互，協(xié)作完成一項(xiàng)任務(wù)。1.2.4增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality，簡(jiǎn)稱AR）系統(tǒng)是近年來國(guó)外眾多知名大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)之一。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)也被稱之為混合現(xiàn)實(shí)，它通過電腦技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫面或空間同時(shí)存在。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)提供了在一般情況下，不同于人類可以感知的信息。它不僅展現(xiàn)了真實(shí)世界的信息,而且將虛擬的信息同時(shí)顯示出來，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加。在視覺化的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，用戶利用頭盔顯示器，把真實(shí)世界與電腦圖形多重合成在一起，便可以看到真實(shí)的世界圍繞著它。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)借助計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對(duì)象，并通過傳感技術(shù)將虛擬對(duì)象準(zhǔn)確“放置”在真實(shí)環(huán)境中，借助顯示設(shè)備將虛擬對(duì)象與真實(shí)環(huán)境融為一體，并呈現(xiàn)給使用者一個(gè)感官效果真實(shí)的新環(huán)境。因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維注冊(cè)的新特點(diǎn)。由上海交通大學(xué)、德國(guó)帕得博恩大學(xué)等共同主辦的第二屆中德“虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用”研討會(huì)上展示了愛迪斯通帶來完整的3D工業(yè)仿真產(chǎn)品，本次會(huì)議以推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，增強(qiáng)中國(guó)工業(yè)創(chuàng)新能力為主題，旨在為科研人員、企業(yè)和供應(yīng)商搭建技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的交流平臺(tái)，展示VR/AR在工業(yè)過程應(yīng)用中最新的發(fā)展和成效。共享使VR/AR工業(yè)應(yīng)用成為可能的研究成果，從而促成廣泛而深入的工業(yè)應(yīng)用。圖1-63D工業(yè)仿真系統(tǒng)[知識(shí)應(yīng)用]請(qǐng)以小組為單位，根據(jù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)，自行搜尋一些桌面增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)案例，在課堂上進(jìn)行分享。[知識(shí)學(xué)習(xí)]1.2.5純軟件虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)集成高性能的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)、硬件及先進(jìn)的傳感器設(shè)備等，因此虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、價(jià)格昂貴。不利于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展、推廣和普及，因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟件平臺(tái)的出現(xiàn)成為歷史發(fā)展的必然。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟件平臺(tái)以其傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)為依托，以虛擬現(xiàn)實(shí)軟件為基礎(chǔ)，構(gòu)造出大眾化的虛擬現(xiàn)實(shí)三維立體場(chǎng)景。實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備投入，只需投入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件產(chǎn)品，同樣可以達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的動(dòng)態(tài)交互效果。純軟件虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，也稱大眾化模式，是在無虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備和接口的前提下，利用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實(shí)軟件環(huán)境實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。特點(diǎn)是投資最少，效果最顯著，屬于民用范圍。適合于個(gè)人、小集體開發(fā)使用。是既經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠的一種虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)模式。虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的典型代表，X3D、VRML、JAVA3D、OpenGL以及Vega等軟件產(chǎn)品。圖1-7純軟件虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目1.2.6虛擬現(xiàn)實(shí)可穿戴系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)可穿戴系統(tǒng)，即可穿戴式交互設(shè)備。虛擬現(xiàn)實(shí)重新定義并打造了可穿戴式交互設(shè)備。我們這個(gè)世界正在進(jìn)入科幻時(shí)代，從前只能在科幻片里才能看到的東西，正在一件件出現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)生活中，“未來科技”虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在向我們走來?？纱┐魇街悄茉O(shè)備應(yīng)用于可穿戴式技術(shù)對(duì)日常穿戴進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)、開發(fā)出可以穿戴的設(shè)備的總稱，如眼鏡、手套、手表、服飾及鞋等?？纱┐魇街悄茉O(shè)備包括功能齊全、尺寸大小適中，可不依賴智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)完整或者部分的功能，如：智能手表或智能眼鏡等，以及只專注于某一類應(yīng)用功能，需要和其它設(shè)備如智能手機(jī)配合使用，如各類進(jìn)行體征監(jiān)測(cè)的智能手環(huán)、智能首飾等。隨著技術(shù)的進(jìn)步以及用戶需求的變遷，可穿戴式智能設(shè)備的形態(tài)與應(yīng)用熱點(diǎn)也在不斷的變化。圖1-8可穿戴智能交互設(shè)備[課堂提問]虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)交互感知設(shè)備有哪些呢？[知識(shí)學(xué)習(xí)]1.3虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)交互感知設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)交互感知設(shè)備主要包括：三維立體眼鏡、3D頭盔顯示器（HMD）、數(shù)據(jù)手套（DataGlove）、數(shù)據(jù)衣（DataSuit）、跟蹤設(shè)備（TrackingEquipment）、控制球（SphereController）、三維立體聲耳機(jī)（ThreeDimensionalEarphone）、三維立體掃描儀和三維立體投影設(shè)備等。虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)集成高性能的計(jì)算機(jī)軟、硬件、跟蹤器及先進(jìn)的傳感器等設(shè)備，因此，虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜而且昂貴。1.3.1.三維立體眼鏡三維立體眼鏡是用于3D模擬場(chǎng)景VR效果的觀察裝置，它利用液晶光閥高速切換左右眼圖像原理，來增加沉浸感，支持逐行和隔行立體顯示觀察，它可分為有線和無線兩大類，是目前最為流行和經(jīng)濟(jì)適用的VR觀察設(shè)備。有線立體眼鏡的鏡框上裝有電池及液晶調(diào)制器控制的鏡片，立體監(jiān)視器裝有紅外線發(fā)射器，根據(jù)監(jiān)視器顯示左右眼視圖的頻率發(fā)射紅外控制信號(hào)。有線立體眼鏡的液晶調(diào)制器接收到紅外控制信號(hào)后，調(diào)制左右鏡片上的液晶的光閥的通斷狀態(tài)，即控制左右鏡片的透明和不透明狀態(tài)。輪流高速切換鏡片的通斷，使左右眼睛分別只能看到監(jiān)視器上顯示的左右圖像。有線立體眼鏡的圖像質(zhì)量好，價(jià)格高，活動(dòng)范圍有限。無線立體眼鏡是在立體眼鏡的左右鏡片上，利用兩片正交的偏振濾光片，分別只容許一個(gè)方向的偏振光通過。監(jiān)視器顯示器前還安裝有一塊與顯示屏同樣尺寸的液晶立體調(diào)制器，監(jiān)視器顯示的左右眼圖像經(jīng)液晶立體調(diào)制后形成左偏振光和右偏振光，然后，分別透過無線立體眼鏡的左右鏡片，實(shí)現(xiàn)左右眼分別只能看到監(jiān)視器上顯示的左右圖像的目的。無線立體眼鏡價(jià)格低廉，適合于大眾消費(fèi)。圖1-9三維立體眼鏡1.3.2數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的基本交互設(shè)備，它作為一只虛擬的手或控件用于三維虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的模擬交互，可進(jìn)行物體抓取、移動(dòng)、裝配、操縱、控制。數(shù)據(jù)手套具有有線和無線、左手和右手之分，可用于WTK、Vega等3DVR或視景仿真軟件環(huán)境中。在數(shù)據(jù)手套上有一個(gè)附加在手背上的傳感器，以及附加在拇指和其他手指上的彎曲的柔件傳感器，各個(gè)柔件傳感器可用于測(cè)定拇指及其他手指的關(guān)節(jié)角。該系統(tǒng)向手套控制器詢問它的當(dāng)前數(shù)據(jù)，可以使系統(tǒng)在任何時(shí)刻計(jì)算出手的位置和方向。圖1-10幾種常用數(shù)據(jù)手套1.3.3.數(shù)據(jù)頭盔頭盔顯示器（HeadMountedDisplay，HMD）是沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中最主要硬件設(shè)備，用于觀測(cè)和顯示虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)三維立體場(chǎng)景和造型。HMD是將小型顯示器的影像透過自由曲面棱鏡變成具有身臨其境三維立體的視覺效果，HMD具有頭戴式顯示器功能，使用方便、快捷，可以直接與計(jì)算機(jī)相連。在HMD上輔以空間跟蹤定位器可對(duì)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)三維立體輸出效果進(jìn)行觀察和自由移動(dòng)。沉浸式頭盔顯示器優(yōu)于桌面式立體眼鏡顯示效果。頭盔顯示器通常固定于用戶的頭部，用兩個(gè)LCD或LED顯示，分別向左右眼睛顯示由虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中生成的圖像，左右兩個(gè)顯示屏中的圖像是由計(jì)算機(jī)圖形控制部分分別驅(qū)動(dòng)的，屏幕上的兩幅圖像存在著視差，類似人類的雙眼視差，大腦最終將融合這兩幅圖像獲得三維立體效果。頭盔顯示器上裝有頭部位置跟蹤設(shè)備，虛擬現(xiàn)實(shí)用戶頭部的動(dòng)作和視覺能夠得到實(shí)時(shí)跟蹤，計(jì)算機(jī)隨時(shí)可以知道用戶頭部的位置及運(yùn)動(dòng)方向。計(jì)算機(jī)就可以隨著用戶頭部的運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)地改變呈現(xiàn)在用戶視野中的圖像，提高了用戶的臨場(chǎng)沉浸感，獲得了更好的三維立體視覺效果。圖1-11幾種常見的頭盔顯示器1.3.4虛擬現(xiàn)實(shí)三維空間跟蹤球三維空間跟蹤球是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的另一基本的交互設(shè)備，該設(shè)備用于六個(gè)自由度虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的模擬交互，可從不同的角度和方位對(duì)虛擬空間三維物體進(jìn)行觀察、瀏覽、操縱。作為三維空間跟蹤定位器，既可作為3D鼠標(biāo)來使用，也可以與數(shù)據(jù)手套以及立體眼鏡聯(lián)合使用。三維空間跟蹤球和3D鼠標(biāo)，在三維空間有6個(gè)自由度，三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)方向，即物體沿著X軸、Y軸、Z軸三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)；圍繞三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，即物體圍繞X軸、Y軸、Z軸旋轉(zhuǎn)形成6個(gè)自由度在三維立體空間任意馳騁。三維空間跟蹤球利用6個(gè)自由度進(jìn)行操作，空間跟蹤球裝在一個(gè)凹形支架上可以扭轉(zhuǎn)、擠壓、按下、拉出和搖晃等。其中，變形測(cè)定器可以測(cè)量用戶施加在該球上的力度，該裝置還配有傳感器測(cè)量物體6個(gè)自由度操作情況，實(shí)現(xiàn)完善三維交互過程。圖1-12三維空間跟蹤球與3D鼠標(biāo)設(shè)備1.3.5虛擬現(xiàn)實(shí)三維空間跟蹤定位器三維空間跟蹤定位器是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中用于空間跟蹤定位的裝置，一般與其他虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備結(jié)合使用，如：數(shù)據(jù)頭盔、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等，使參與者在空間上能夠自由移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，不局限于固定的空間位置，操作更加靈活、自如、隨意。三維空間跟蹤定位器有六個(gè)自由度和三個(gè)自由之分，根據(jù)用戶使用情況選擇相應(yīng)產(chǎn)品。圖1-13三維空間跟蹤定位器1.3.6虛擬現(xiàn)實(shí)力反饋器力反饋器是虛擬現(xiàn)實(shí)研究中的一種重要的設(shè)備，該設(shè)備能使參與者實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中除視覺、聽覺之外的第三感覺——觸覺和力反饋感，進(jìn)一步增強(qiáng)虛擬環(huán)境的交互性，從而真正體會(huì)到虛擬世界中的交互真實(shí)感，該設(shè)備廣泛應(yīng)用于虛擬醫(yī)療、虛擬裝配等諸多領(lǐng)域。1．觸覺反饋裝置：視覺的觸覺反饋、電刺激式和神經(jīng)肌肉刺激式觸覺反饋、充氣式觸覺反饋、振動(dòng)式觸覺反饋。2．力反饋裝置：機(jī)械臂式、操縱桿式。 圖1-14力反饋器1.3.7虛擬現(xiàn)實(shí)三維模型數(shù)字化儀虛擬現(xiàn)實(shí)三維模型數(shù)字化儀（三維掃描儀）是一種先進(jìn)的三維建模設(shè)備，該設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連。三維模型數(shù)字化儀利用CCD成像、激光掃描等技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維模型的采樣，利用配套的矢量化軟件對(duì)三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化。該設(shè)備特別適合于建立一些不規(guī)則三維物體造型，如人體器官、骨骼、雕像的三維建模等。圖1-15三維掃描儀硬件設(shè)備1.3.8虛擬現(xiàn)實(shí)立體顯示器三維立體顯示器是目前剛剛問世的一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)品，過去的立體顯示和立體觀察都是在CRT監(jiān)視器上戴上液晶光閥的立體眼鏡進(jìn)行觀看，并且需要通過高技術(shù)編程開發(fā)才能實(shí)現(xiàn)立體顯示和立體觀察。而該立體顯示器則擺脫了以往的技術(shù)需求，不需要任何編程開發(fā)，就可以實(shí)現(xiàn)三維模型的立體顯示，只要用肉眼即可觀察到突出的立體顯示效果，不需要帶任何立體眼鏡設(shè)備；同時(shí)，它也可以實(shí)現(xiàn)視頻圖像的立體顯示和立體觀察，如立體電影，同樣也無須戴任何立體眼鏡。[課堂討論]同學(xué)們都接觸過以上哪些虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)交互感知設(shè)備呢？與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)設(shè)備相比有哪些區(qū)別？[知識(shí)學(xué)習(xí)]1.4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是二十世紀(jì)末才興起的一門嶄新的計(jì)算機(jī)前沿科技，它融合數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)、仿真與人工智能等多學(xué)科于一體，為人們建立起一種逼真的、虛擬的、交互式的三維空間環(huán)境，能對(duì)人的活動(dòng)或操作做出實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的響應(yīng)，使人仿佛置身于現(xiàn)實(shí)世界之中。這種虛擬境界是由計(jì)算機(jī)生成，但它又是現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)反映，故稱為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)并不是一個(gè)新事物，1989年VR被首次提出，然而并未獲得市場(chǎng)認(rèn)可。隨著Facebook收購Oculus以及技術(shù)的不斷完善，VR在2014年迎來發(fā)展元年，2014-2016年，VR處于市場(chǎng)培育期。2017-2019年，隨著廣泛的產(chǎn)品應(yīng)用出現(xiàn)，VR將進(jìn)入快速發(fā)展期，知名品牌產(chǎn)品的上市將帶動(dòng)VR消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)認(rèn)知加深和啟動(dòng)，同時(shí)也將帶動(dòng)VR企業(yè)級(jí)市場(chǎng)的同步全面發(fā)展。預(yù)計(jì)到2020年，虛擬現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)將進(jìn)入相對(duì)成熟期，產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善。企業(yè)級(jí)應(yīng)用在內(nèi)容拓展有望推動(dòng)VR全面穩(wěn)步發(fā)展。目前虛擬現(xiàn)實(shí)類產(chǎn)品尚未觸發(fā)消費(fèi)者購買痛點(diǎn)的一個(gè)重要原因就是內(nèi)容的缺失。由于成本較高等原因，企業(yè)級(jí)應(yīng)用除了軍事應(yīng)用有國(guó)家大量的經(jīng)費(fèi)支持，且關(guān)系到國(guó)防安全已有一定基礎(chǔ)，房地產(chǎn)類等行業(yè)對(duì)VR投資較高，其它還有待加強(qiáng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)趨勢(shì)分析，新一代GPU、顯示、傳感等技術(shù)進(jìn)步支撐VR發(fā)展?；谛乱淮鶪PU、CPU、顯示技術(shù)等技術(shù)進(jìn)步，VR設(shè)備的延遲技術(shù)、追蹤算法以及交互技術(shù)得以改進(jìn)，產(chǎn)品的延遲和暈眩感問題將得到改善;計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、顯卡性能等改善，屏幕分辨率和刷新率將進(jìn)一步提升。消費(fèi)級(jí)和企業(yè)級(jí)VR設(shè)備形態(tài)分化將日趨明顯。移動(dòng)類VR將成為消費(fèi)級(jí)VR市場(chǎng)的主流形態(tài)，但未來VR一體機(jī)將逐步成為主流；PC級(jí)頭盔將成為企業(yè)級(jí)市場(chǎng)的主流設(shè)備，這部分市場(chǎng)對(duì)計(jì)算能力要求高、使用便捷性要求較低，更適用于企業(yè)級(jí)市場(chǎng)。VR應(yīng)用場(chǎng)景多樣，消費(fèi)級(jí)應(yīng)用最貼近市場(chǎng)，其中游戲是VR的終極應(yīng)用者。而企業(yè)級(jí)2B應(yīng)用則需要靠企業(yè)、政府等多方面市場(chǎng)主體共同推動(dòng)，目前來看，軍事、房地產(chǎn)、工程和教育最有可能成為引領(lǐng)企業(yè)級(jí)市場(chǎng)的應(yīng)用。VR應(yīng)用涉及領(lǐng)域日趨多樣化。VR應(yīng)用已經(jīng)深入教育、科研、生產(chǎn)、生活、影視娛樂、安防、軍事以及餐飲等各個(gè)領(lǐng)域，VR產(chǎn)業(yè)與5G產(chǎn)業(yè)相融合并相互促進(jìn)?；仡橵R虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的近年來得快速發(fā)展，2014年至2016年是VR產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)培育期，圖像處理能力提升；2017年是產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展期；而2018年至2019年迎來產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展期，出現(xiàn)了廣泛的產(chǎn)品應(yīng)用。經(jīng)過幾年的發(fā)展，VR對(duì)于很多人來說并不陌生，但由于VR技術(shù)與設(shè)