十六講虛擬現(xiàn)實課件

虛擬現(xiàn)實（VR）虛擬現(xiàn)實（VR）1961年，美國科學家海里戈提出了構(gòu)建虛擬布魯克林城的構(gòu)想，他希望觀眾可以通過他設(shè)計的系統(tǒng)體驗漫步在布魯克林城市街道上的感受。是最早看到虛擬現(xiàn)實技術(shù)前景的人。一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展1961年，美國科學家海里戈提出了構(gòu)建虛擬布魯克林城的構(gòu)想，虛擬現(xiàn)實的概念來自薩瑟蘭的“終極顯示”。1965年，薩瑟蘭在一篇論文中提出了“終極顯示”的概念：認為可以把計算機顯示器作為通往虛擬世界的窗口。對于這個概念，他是這樣描述的：“通過這個窗口，人們可以看到一個虛擬的世界，富有挑戰(zhàn)性的工作是怎樣使那個虛擬世界看起來更加真實，在其中行動真實，聽起來真實，感覺就像真實世界一樣。”薩瑟蘭的設(shè)想是計算機構(gòu)建一個虛擬的物理世界，觀眾可以與其進行交互。虛擬現(xiàn)實的概念來自薩瑟蘭的“終極顯示”。后來到哈佛大學繼續(xù)進行虛擬顯示技術(shù)研究。1966年，他和他的學生鮑勃.斯普勞爾為波奇公司開發(fā)了世界上第一臺數(shù)據(jù)頭盔顯示器。在這中雙目并用的頭盔上，圖片被直接安裝在眼睛前面的顯示器上，當觀眾從這個頭盔顯示器中看到從樓頂上拍攝的地面照片時，顯示了恐懼和驚慌。這個實驗證明了僅利用雙眼就可以實現(xiàn)沉浸的效應。不久，薩瑟蘭用計算機圖像取代了照片，雖然只是一個虛構(gòu)的虛擬空間，但它的效果已遠遠地超過了照片。后來到哈佛大學繼續(xù)進行虛擬顯示技術(shù)研究。1966年，他和他的20世紀80年代以后，虛擬顯示技術(shù)得到了長足的發(fā)展，加州大學伯克利分校的麥克.利威在薩瑟蘭創(chuàng)造的3D虛擬空間的基礎(chǔ)上繼續(xù)創(chuàng)新，利用精巧的液晶顯示器取代了笨重的陰極射線管顯示器，同時它還發(fā)明了精確的頭部定位裝置。20世紀80年代以后，虛擬顯示技術(shù)得到了長足的發(fā)展，加州大學更加重要的發(fā)明出現(xiàn)在1984年，美國國家航空航天局艾米斯研究中心的科學家們利用晶體管集成電路系統(tǒng)設(shè)計了可攜帶的小型立體眼鏡，“艾米斯虛擬工作站”計劃將這一新發(fā)明的立體眼鏡連接在高性能的計算機上，這樣觀眾就可以通過它進入虛擬世界。更加重要的發(fā)明出現(xiàn)在1984年，美國國家航空航天局艾米斯研究同時，斯坦福醫(yī)學院的學生湯姆.奇摩爾曼發(fā)明了一種可以精確跟蹤并反饋手部動作的“數(shù)據(jù)手套”，他在手套的關(guān)節(jié)處放上了小型的感應器，當移動手指時，計算機便可以獲取手指動作的信息。和數(shù)據(jù)頭盔相比，數(shù)據(jù)手套顯示了較高的準確性和靈活性。同時，斯坦福醫(yī)學院的學生湯姆.奇摩爾曼發(fā)明了一種可以精確跟蹤20世紀80年代，美國VPL公司創(chuàng)建人亞倫.拉尼爾提出。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通常是指利用計算機建模技術(shù)、空間、聲音、視覺跟蹤技術(shù)等綜合技術(shù)生成的集視、聽、觸覺為一體的交互式虛擬環(huán)境。在這樣的虛擬空間中，參與者可借助數(shù)據(jù)頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等設(shè)備與計算機進行交互，得到和真實世界極其相近的體驗。20世紀80年代，美國VPL公司創(chuàng)建人亞倫.拉尼爾提出。（1）虛擬世界生成設(shè)備虛擬世界生成設(shè)備無疑可以是一臺或多臺高性能計算機。通常又可分為基于高性能個人計算機、基于高性能圖形工作站和基于分布式異構(gòu)計算機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)三大類。后兩類用于沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，而基于PC機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通常為非沉浸式系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實所用的計算機是帶有圖形加速器和多條圖形輸出流水線的所謂高性能圖形計算機。這是因為三維高真實感場景的生成與顯示在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中具有頭等重要的地位。二、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成（1）虛擬世界生成設(shè)備二、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬世界生成設(shè)備的主要功能包括：①

視覺通道信號生成與顯示——三維高真實感圖形建模與實時繪制。②

聽覺通道信號生成與顯示——三維真實感聲音生成與播放。所謂三維真實感聲音是具有動態(tài)方位感、距離感和三維空間效應的聲音。③

觸覺與力覺通信信號與顯示——皮膚感知的觸摸，溫度、壓力、紋理信號以及肌肉、失節(jié)、腱等感知的力信號的建模與反饋。④

支持實時人機交互操作的功能——三維空間定位、碰撞檢測、語音識別以及人機實時對話功能。虛擬世界生成設(shè)備的主要功能包括：（2）感知設(shè)備

感知設(shè)備是指將虛擬世界各類感知模型轉(zhuǎn)變?yōu)槿四芙邮艿亩嗤ǖ来碳ば盘柕脑O(shè)備。感知包括視、聽、觸（力）、嗅、味覺等多種通道。然而，成熟和相對成熟的感知信息產(chǎn)生和檢測的技術(shù)，僅有視覺、聽覺和力覺三種通道。①

視覺感知設(shè)備——立體寬視場圖形顯示器。立體寬視場圖形顯示器可分為沉浸式和非沉浸式兩大類。②

聽覺感知設(shè)備——三維真實感聲音的播放設(shè)備。常用的有耳機式、雙揚聲器組和多揚聲器組三種。通常由專用聲卡將單通道聲源信號處理成具有雙耳效應的真實感聲音。③

觸覺（力覺）感知設(shè)備——觸覺（力覺）反饋裝置。觸覺和力覺實際是兩種不同的感知。觸覺包含的感知內(nèi)容更豐富一些，例如應包含一般的接觸感（類似于“摸到了一個面”的感覺），進一步應包含感知材料的質(zhì)感（布料、海綿、橡膠、木材、金屬、石料等等），紋理感（平滑、粗糙程度等）以及溫度感等。力覺感知設(shè)備要求能反饋力的大小和方向，與觸覺反饋裝置相比，力反饋裝置相對較成熟一些。（2）感知設(shè)備（3）跟蹤設(shè)備跟蹤設(shè)備是跟蹤并檢測位置和方位的裝置，用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中基于自然方式的人機交互操作。目前，先進的跟蹤定位系統(tǒng)可用于動態(tài)記錄人體運動。

最常用的跟蹤設(shè)備有基于機械臂原理、磁傳感器原理、超聲傳感器原理和光傳感器原理四種。

除機械臂式定位跟蹤器以外，其它三種跟蹤器都由一個（或多個）信號發(fā)射器以及數(shù)個接收器組成，發(fā)射器安裝在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中某個固定位置，接收器安裝在被跟蹤的部位。如安裝在頭部，通常用來跟蹤視線方向；如安裝在手部，通常用來跟蹤交互設(shè)備數(shù)據(jù)手套的位置及其朝向；如果將多個接收器安裝在貼身衣服的各個關(guān)節(jié)部位上，則實時記錄人體各個活動關(guān)節(jié)的位置，經(jīng)過軟件處理可實時跟蹤顯示人的動作。（3）跟蹤設(shè)備（4）人機交互設(shè)備應用手勢、體勢、眼神以及自然語言的人機交互設(shè)備，常見的有數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服（帶傳感器的衣服）、眼球跟蹤器以及語音綜合和識別裝置。（4）人機交互設(shè)備三、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件和軟件1．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件包括虛擬現(xiàn)實發(fā)生器以及輸入輸出設(shè)備。（1）虛擬現(xiàn)實發(fā)生器

虛擬現(xiàn)實發(fā)生器用來處理和產(chǎn)生虛擬境界，是任何虛擬系統(tǒng)的核心。它一般由計算機加圖形生成器或加速卡組成。計算機可以是個人計算機、工作站或者小型計算機。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的計算機主要完成三項任務(wù)：數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出、虛擬境界的管理和生成。系統(tǒng)中的計算機必須具有足夠高的處理能力，以確保參與者與虛擬境界的交互能實時進行。三、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件和軟件1．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件（2）虛擬現(xiàn)實輸入設(shè)備有兩類跟蹤系統(tǒng)，分別是有源跟蹤系統(tǒng)和無源系統(tǒng)。有源跟蹤系統(tǒng)使用兩路信號處理輸入數(shù)據(jù)，這種系統(tǒng)通過發(fā)射器和傳感器跟蹤參與者的位置和取向。無源跟蹤系統(tǒng)使用一路信號處理輸入數(shù)據(jù)，只有一個傳感器用來跟蹤位置和方向。（3）虛擬現(xiàn)實輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸出設(shè)備用于將電子信號轉(zhuǎn)變成各種人體感宮可以感覺到的刺激。常用的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)輸出設(shè)備有頭戴式顯示器和聲音發(fā)生器。（2）虛擬現(xiàn)實輸入設(shè)備2．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件用來進行境界構(gòu)造，包括建模和繪制對象，給這些對象指定行為，提供交互性和編程。虛擬現(xiàn)實軟件可分為工具包和創(chuàng)作工具。工具包即程序庫，一般用C或C＋＋等編制，利用它所提供的函數(shù)集合，熟練的程序員可以生成具體的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應用。VRML就是這樣一個程序庫。創(chuàng)作工具是帶有圖形用戶界面的完整軟件，通過創(chuàng)作工具只需簡單編程就可生成虛擬境界。程序庫一般比創(chuàng)作工具更靈活，繪制速度更快，但需要豐富的編程經(jīng)驗。由于軟件的方法對硬件的依賴性不高，相對來說容易實現(xiàn)，而且其適用的范圍很廣，因此目前發(fā)展很快，很多公司紛紛推出軟件開發(fā)包，以及其它一些工具。2．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件 VRP軟件簡介

VRP是一款由中視典數(shù)字科技有限公司獨立開發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的直接面向三維美工的一款虛擬現(xiàn)實軟件，是目前中國虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，市場占有率最高的一款虛擬現(xiàn)實軟件。VRP適用性強、操作簡單、功能強大、高度可視化、所見即所得。VRP所有的操作都是以美工可以理解的方式進行，不需要程序員參與。 VRP軟件簡介VRP適用性強、操作簡單、功能強大、高度1．菜單欄2．工具欄3．Flash窗口4．功能分類面板5．主功能區(qū)面板6．視圖區(qū)7．屬性面板8．信息欄9．狀態(tài)欄1．菜單欄2．工具欄3．Flash窗口4．功能（1）用戶首先激活頭盔，手套和話筒等輸

入設(shè)備，為計算機提供輸入信號；（2）VR軟件收到由跟蹤器和傳感器送來

的輸入信號加以處理；（3）對虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫做必要的更新，調(diào)整當前的虛擬環(huán)境場景，并將這一新視點下的三維視覺圖像以及其他（如聲音、觸覺、力反饋等）信息立即傳送給相應的輸出設(shè)備（頭盔顯示器、耳機、數(shù)據(jù)手套等），以便用戶及時獲得感官上的虛擬效果，這一過程必須每秒鐘發(fā)生多次才能使用戶感受到實時連續(xù)的效果。

典型的VR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四、用戶與虛擬世界交互的過程（1）用戶首先激活頭盔，手套和話筒等輸?shù)湫偷腣R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四、

進入20世紀90年代后，基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為可能，人機交互系統(tǒng)的設(shè)計不斷創(chuàng)新，新穎、實用的輸入輸出設(shè)備不斷地涌入市場，這些都為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。進入20世紀90年代后，基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像五、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用自然、文化遺產(chǎn)的保護和弘揚虛擬人機工程學軍事與航天制造工業(yè)教育與訓練醫(yī)學領(lǐng)域商業(yè)領(lǐng)域影視娛樂規(guī)劃與設(shè)計五、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用自然、文化遺產(chǎn)的保護和弘揚教育與訓練十六講虛擬現(xiàn)實六、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征

沉浸性

VR技術(shù)最主要的技術(shù)特征是讓用戶覺得自己是計算機系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬世界中的一部分，使用戶由觀察者變成參與者，沉浸其中并參與虛擬世界的活動。

交互性

交互性（Interactivity）的產(chǎn)生，主要借助于VR系統(tǒng)中的特殊硬件設(shè)備（如數(shù)據(jù)手套、力反饋裝置等），使用戶能通過自然的方式，產(chǎn)生同在真實世界中一樣的感覺。

想像性

想像性（Imagination）指虛擬的環(huán)境是人想像出來的，同時這種想像體現(xiàn)出設(shè)計者相應的思想，因而可以用來實現(xiàn)一定的目標。六、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征 沉浸性 交互性 想像性七、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)（1）動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心內(nèi)容。動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù)（有規(guī)則的環(huán)境），而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術(shù)，兩者的有機結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。七、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)（1）動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)（2）實時三維圖形生成技術(shù)三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其關(guān)鍵是如何實現(xiàn)“實時”生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15幀／秒，最好是高于30幀／秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復雜度的前提下，提高刷新頻率。這里，圖形生成的硬件體系結(jié)構(gòu)以及在虛擬現(xiàn)實的真實感圖形生成中用于加速的各種有效技術(shù)是關(guān)鍵所在。（2）實時三維圖形生成技術(shù)（3）立體顯示和傳感器技術(shù)虛擬現(xiàn)實依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，立體顯示技術(shù)涉及到人眼的生理原理以及在計算機上如何產(chǎn)生深度線索的技術(shù)?，F(xiàn)有的硬件系統(tǒng)如頭盔顯示器、單目鏡及可移動視覺顯示器有待進一步研究，光學顯示還存在許多局限性；傳感器技術(shù)中需解決設(shè)備的可靠性、可重復性、精確性及安全性等問題，各種類型傳感器的性能急需提高。（3）立體顯示和傳感器技術(shù)（4）應用系統(tǒng)開發(fā)工具虛擬現(xiàn)實應用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當?shù)膽脤ο罂梢源蠓鹊靥岣呱a(chǎn)效率、減輕勞動強度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。為了達到這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具。（5）系統(tǒng)集成技術(shù)由子虛擬現(xiàn)實中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識別和合成技術(shù)等。（4）應用系統(tǒng)開發(fā)工具（5）系統(tǒng)集成技術(shù)八、虛擬現(xiàn)實作品據(jù)構(gòu)成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備以及帶給觀眾的不同體驗，可以將虛擬現(xiàn)實的藝術(shù)作品分為桌面級、沉浸級、增強現(xiàn)實級和分布式四個層次。結(jié)合藝術(shù)家的作品，不同層次的虛擬顯示系統(tǒng)可分為：桌面式虛擬現(xiàn)實；沉浸式虛擬現(xiàn)實；增強現(xiàn)實式虛擬顯示；分布式虛擬現(xiàn)實。八、虛擬現(xiàn)實作品據(jù)構(gòu)成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備以及帶給觀眾的不1．桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）

桌面式VR系統(tǒng)僅使用個人計算機和低級工作站來產(chǎn)生三維空間的交互場景。它把計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬環(huán)境的一個窗口，參與者需要使用手拿輸入設(shè)備或位置跟蹤器來駕馭虛擬環(huán)境和操縱虛擬場景中的各種物體。在桌面VR系統(tǒng)中，參與者雖然坐在監(jiān)視器前面，但可以通過計算機屏幕觀察360°范圍內(nèi)的虛擬環(huán)境；可以通過交互操作，使虛擬環(huán)境的物體平移和旋轉(zhuǎn)，以便從各個方向觀看物體，也可以利用“throughwalk”進入功能在虛擬環(huán)境中瀏覽。但參與者并沒有完全沉浸，他仍然會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾。桌面VR系統(tǒng)雖然缺乏完全的沉浸感，但它仍然比較普及，這主要是出于其成本相對來說較低。在桌面VR系統(tǒng)中，用戶借助三維眼鏡或安裝在計算機屏幕上方的立體觀察器、液晶顯示光學眼鏡等一些廉價的設(shè)備，就可以產(chǎn)生一種三維空間的幻覺來增加沉浸的感覺；而它采用的標準CRT顯示器和立體圖像顯示技術(shù)，又使得系統(tǒng)分辨率較高，價格也比較便宜；另外，聲卡和內(nèi)部信號處理電路也可以通過廉價的硬件產(chǎn)生真實性很強的聲音效果。桌面VR系統(tǒng)通常用于工程CAD、建筑設(shè)計、培訓、教育及某些醫(yī)療應用。1．桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）2．沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）

沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等各種交互設(shè)備把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，而使用戶真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部的一個參與者，并能利用這些交互設(shè)備操作和駕馭虛擬環(huán)境，產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺，一般用于娛樂、或驗證某一猜想假設(shè)、訓練、模擬、預演、檢驗、體驗等。常見的沉浸式系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、遠程存在系統(tǒng)等。與桌面式VR系統(tǒng)相比，沉浸式VR系統(tǒng)的主要特點在于：（1）具有高度的實時性能。（2）具有高度的沉浸感。（3）能支持多種I/O交互設(shè)備并行。2．沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）3．增強式VR系統(tǒng)

增強式VR系統(tǒng)允許用戶對現(xiàn)實世界進行觀察的同時，通過穿透型頭戴式顯示器將計算機虛擬圖像疊加在現(xiàn)實世界之上，為操作員提供與他所看到的現(xiàn)實環(huán)境有關(guān)的、存儲在計算機中的信息，從而增強操作員對真實環(huán)境的感受因此又被稱為補充現(xiàn)實系統(tǒng)。與其他各類VR系統(tǒng)相比，補充現(xiàn)實式的虛擬現(xiàn)實不僅是利用VR技術(shù)來模擬現(xiàn)實世界、仿真現(xiàn)實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環(huán)境的感受，也就是增強現(xiàn)實中無法感知或不方便的感受。人們可以按日常的工作方式對周圍的物體進行操作或研究，但同時又可以從計算機生成的環(huán)境中得到同步的、有關(guān)活動的指導信息。目前，這樣的工作方式已經(jīng)有了一些實驗性的例子，如計算機指導的復印機修理；在菱形空間框架中安裝鋁構(gòu)件；電線束在安裝到飛機上之前的捆綁等。其中一個典型的實例是戰(zhàn)機飛行員的平視顯示器，它能將儀表讀數(shù)和武器瞄準數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而集中精力盯著敵人的飛機或?qū)Ш狡?。它的工作原理是：在這種頭戴式顯示器中，光源產(chǎn)生的圖像被光學系統(tǒng)引導到組合器，組合器是一種專用屏幕，它對于從真實環(huán)境進來的光線呈現(xiàn)透明特性，但對準它的光線卻被頭戴式顯示器的光學系統(tǒng)反射掉，這樣就使得操作員可以清晰地看到計算機圖形與其即時環(huán)境重合在—起的現(xiàn)實效果。3．增強式VR系統(tǒng)4．分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR，DVR）

分布式VR系統(tǒng)是指基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境。它在沉浸式VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將位于不同物理位置的多個用戶或多個虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相連接，并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達到一個更高的境界。VR系統(tǒng)之所以運行在分布式環(huán)境，一方面是它可以充分利用分布式計算機系統(tǒng)提供的強大計算能力，另一方面是因為有些應用本身具有分布特性。例如，許多VR應用要求若干人能同時參與同一個虛擬環(huán)境，即協(xié)同工作的VR。這些人既可能在同一個地方，也可能在世界上各個不同的地方，彼此間只通過遠距離網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起。前面所述的那些VR技術(shù)雖然可以使動態(tài)的虛擬環(huán)境栩栩如生，但它們都無法解決資源共享的問題，應用DVR系統(tǒng)就可以滿足這類需求。分布式VR系統(tǒng)最重要的特性是它們對于多用戶協(xié)作模擬的協(xié)調(diào)適應能力，即操作系統(tǒng)必須能在不同計算機上處理不相似的虛擬世界，因此分布式VR系統(tǒng)需要使用專用的操作系統(tǒng)——分布式操作系統(tǒng)。另外，DVR系統(tǒng)在設(shè)計和實現(xiàn)時，還必須考慮很多網(wǎng)絡(luò)通信因素，如網(wǎng)絡(luò)帶寬、分布機制、網(wǎng)絡(luò)延遲以及通信可靠性等。分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品異地設(shè)計、遠程醫(yī)療、大規(guī)模軍事訓練、多用戶游戲等方面具有廣泛的應用前景。4．分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR，DVR）杰弗里.肖是一位著名的澳大利亞交互藝術(shù)家，后來移居德國，任德國ZMK影像研究所主任。《易懂的城市》1989年曼哈頓城市的信息被轉(zhuǎn)換成一些數(shù)據(jù)，觀眾通過自行車的車把和腳踏板來控制自己在虛擬世界的方向和速度，漫游虛擬的曼哈頓。此后，又制作了荷蘭的阿姆斯特丹和德國的卡爾斯魯厄兩個城市的虛擬漫游版本。杰弗里.肖是一位著名的澳大利亞交互藝術(shù)家，后來移居德國，任德《洞穴》1998世界上獨一無二的利用木頭人作為界面與虛擬世界進行交互的裝置藝術(shù)作品。在一個洞窟狀的環(huán)境中，當你拿起木頭人的時候，它即開始驅(qū)動計算機和投影系統(tǒng)將圖像投向周圍的墻壁，你可以打開木頭人的眼睛，高舉它的手臂、擺動大腿等，隨意利用它來控制影像世界，投在六個方向的屏幕上的圖像隨著木頭人的動作而發(fā)生千變?nèi)f化的組合，營造了一個具有高度沉浸感的影像世界?！抖囱ā?998世界上獨一無二的利用木頭人作為界面與虛擬世界《魯爾》2000提供了一個體驗此地區(qū)被毀壞的煤礦、建筑、礦渣場等場景的虛擬空間。一個在甲烷爆炸中喪生的94名礦工的公墓、一個世界上最大的煉焦廠等。虛擬空間中的這些歷史痕跡，留給人們深刻的印象，讓人們在這些虛擬的煤礦和廢墟中漫游，認識到世界上許多美好的地方正在因工業(yè)化發(fā)展而遭到破壞?！遏敔枴?000提供了一個體驗此地區(qū)被毀壞的煤礦、建筑、礦渣《超越曼扎納爾》2000加州的曼扎納爾是第二次世界大戰(zhàn)中收容日裔美國人的集中營，荒涼卻非常美麗。日裔美國藝術(shù)家塔米克.蒂爾和伊朗作家、舞臺美術(shù)家扎拉.胡什曼德合作利用二戰(zhàn)中的真實照片和3D技術(shù)再現(xiàn)了第二次世界大戰(zhàn)時曼扎納爾集中營的情景，按照真實歷史資料復原的真人大小圖像被投影在屏幕上，觀眾可以利用操作桿在夢幻的空間中移動?！冻铰{爾》2000加州的曼扎納爾是第二次世界大戰(zhàn)中收容EVE：瓦爾基里平臺：OculusRift，ProjectMorpheus作為最萬眾矚目的VR游戲，《EVE：瓦爾基里》將成為一款縮小PC玩家和VR玩家差距的游戲?！禘VE：瓦爾基里》能在更多的設(shè)備上運行，甚至還將登陸PS4，為游戲機玩家提供恢宏的宇宙體驗。可能促進VR的普及，同時游戲分別登陸兩款VR頭顯時，還將促進頭顯改進。EVE：瓦爾基里平臺：OculusRift，Project《羅賓遜：旅程它采用有名的頂級游戲引擎CryEngine，把玩家送到一個布滿恐龍和充滿奇妙景象的遙遠大陸?！读_賓遜：旅程它采用有名的頂級游戲引擎CryEngine，把《廚房》Kitchen平臺：ProjectMorpheus《廚房》是一款由Capcom開發(fā)的VR游戲，并在E3大會上演示。體驗過《廚房》的玩家都稱這是他們體驗過的最恐怖的游戲之一?！稄N房》Kitchen平臺：ProjectMorphHoloLens版《我的世界》(Minecraft)平臺：微軟HoloLens以一種全新的方式來體驗這款備受歡迎的沙盒游戲。從技術(shù)上看，HoloLens是一款增強現(xiàn)實設(shè)備，就是說它會把電腦生成的畫面疊加于真實世界中。HoloLens版《我的世界》(Minecraft)平臺時間機器(TimeMachine)平臺：OculusRift《時間機器》是由開發(fā)《貧民區(qū)冒險記》(Papo&Yo)的MinorityMedia打造的一款新游戲。從《貧民區(qū)冒險記》中一個孩子為躲避嗜酒父親進入自己幻想世界的奇幻故事，到《時間機器》中穿越時間，探索水下恐龍的奇妙經(jīng)歷，Minority再次為大家?guī)眢@喜?！稌r間機器》結(jié)合了《口袋妖怪快照》(PokemeonSnap)和《侏羅紀公園》(JurassicPark)的游戲特點，成為另一款適配OculusRift的特別VR游戲。在游戲中，你將乘坐時光機回到過去，掃描史前海底的各種生物。但當你看到這些海底生物時，不能傷害它們，如果它們受到了任何傷害，會立即引起巨大的動蕩。對一些轉(zhuǎn)瞬即逝的時光，你能夠減慢時間的流逝，但你必須足夠接近這些致命的生物，對它們進行掃描以便獲取更多的信息，然后將信息傳回到今天。游戲中，被傳回來的信息將提供給游客，讓他們更加了解過去已滅絕的那些怪獸。時間機器(TimeMachine)平臺：OculusRi深海(TheDeep)平臺：ProjectMorpheus它在眾多VR游戲中脫穎而出——一條大鯊魚。索尼位于倫敦的游戲開發(fā)工作室意識到，現(xiàn)在并沒有很多游戲中出現(xiàn)大鯊魚，把海洋中最大掠奪者放進游戲，并用ProjectMorpheus體驗最緊張刺激的場景。深海(TheDeep)平臺：ProjectMorphe鬼影實錄(ParanormalActivity)《重返恐龍島》無處可逃(EdgeofNowhere)鬼影實錄(ParanormalActivity)《重返恐龍?zhí)摂M現(xiàn)實（VR）虛擬現(xiàn)實（VR）1961年，美國科學家海里戈提出了構(gòu)建虛擬布魯克林城的構(gòu)想，他希望觀眾可以通過他設(shè)計的系統(tǒng)體驗漫步在布魯克林城市街道上的感受。是最早看到虛擬現(xiàn)實技術(shù)前景的人。一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展1961年，美國科學家海里戈提出了構(gòu)建虛擬布魯克林城的構(gòu)想，虛擬現(xiàn)實的概念來自薩瑟蘭的“終極顯示”。1965年，薩瑟蘭在一篇論文中提出了“終極顯示”的概念：認為可以把計算機顯示器作為通往虛擬世界的窗口。對于這個概念，他是這樣描述的：“通過這個窗口，人們可以看到一個虛擬的世界，富有挑戰(zhàn)性的工作是怎樣使那個虛擬世界看起來更加真實，在其中行動真實，聽起來真實，感覺就像真實世界一樣?！彼_瑟蘭的設(shè)想是計算機構(gòu)建一個虛擬的物理世界，觀眾可以與其進行交互。虛擬現(xiàn)實的概念來自薩瑟蘭的“終極顯示”。后來到哈佛大學繼續(xù)進行虛擬顯示技術(shù)研究。1966年，他和他的學生鮑勃.斯普勞爾為波奇公司開發(fā)了世界上第一臺數(shù)據(jù)頭盔顯示器。在這中雙目并用的頭盔上，圖片被直接安裝在眼睛前面的顯示器上，當觀眾從這個頭盔顯示器中看到從樓頂上拍攝的地面照片時，顯示了恐懼和驚慌。這個實驗證明了僅利用雙眼就可以實現(xiàn)沉浸的效應。不久，薩瑟蘭用計算機圖像取代了照片，雖然只是一個虛構(gòu)的虛擬空間，但它的效果已遠遠地超過了照片。后來到哈佛大學繼續(xù)進行虛擬顯示技術(shù)研究。1966年，他和他的20世紀80年代以后，虛擬顯示技術(shù)得到了長足的發(fā)展，加州大學伯克利分校的麥克.利威在薩瑟蘭創(chuàng)造的3D虛擬空間的基礎(chǔ)上繼續(xù)創(chuàng)新，利用精巧的液晶顯示器取代了笨重的陰極射線管顯示器，同時它還發(fā)明了精確的頭部定位裝置。20世紀80年代以后，虛擬顯示技術(shù)得到了長足的發(fā)展，加州大學更加重要的發(fā)明出現(xiàn)在1984年，美國國家航空航天局艾米斯研究中心的科學家們利用晶體管集成電路系統(tǒng)設(shè)計了可攜帶的小型立體眼鏡，“艾米斯虛擬工作站”計劃將這一新發(fā)明的立體眼鏡連接在高性能的計算機上，這樣觀眾就可以通過它進入虛擬世界。更加重要的發(fā)明出現(xiàn)在1984年，美國國家航空航天局艾米斯研究同時，斯坦福醫(yī)學院的學生湯姆.奇摩爾曼發(fā)明了一種可以精確跟蹤并反饋手部動作的“數(shù)據(jù)手套”，他在手套的關(guān)節(jié)處放上了小型的感應器，當移動手指時，計算機便可以獲取手指動作的信息。和數(shù)據(jù)頭盔相比，數(shù)據(jù)手套顯示了較高的準確性和靈活性。同時，斯坦福醫(yī)學院的學生湯姆.奇摩爾曼發(fā)明了一種可以精確跟蹤20世紀80年代，美國VPL公司創(chuàng)建人亞倫.拉尼爾提出。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通常是指利用計算機建模技術(shù)、空間、聲音、視覺跟蹤技術(shù)等綜合技術(shù)生成的集視、聽、觸覺為一體的交互式虛擬環(huán)境。在這樣的虛擬空間中，參與者可借助數(shù)據(jù)頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等設(shè)備與計算機進行交互，得到和真實世界極其相近的體驗。20世紀80年代，美國VPL公司創(chuàng)建人亞倫.拉尼爾提出。（1）虛擬世界生成設(shè)備虛擬世界生成設(shè)備無疑可以是一臺或多臺高性能計算機。通常又可分為基于高性能個人計算機、基于高性能圖形工作站和基于分布式異構(gòu)計算機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)三大類。后兩類用于沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，而基于PC機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通常為非沉浸式系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實所用的計算機是帶有圖形加速器和多條圖形輸出流水線的所謂高性能圖形計算機。這是因為三維高真實感場景的生成與顯示在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中具有頭等重要的地位。二、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成（1）虛擬世界生成設(shè)備二、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬世界生成設(shè)備的主要功能包括：①

視覺通道信號生成與顯示——三維高真實感圖形建模與實時繪制。②

聽覺通道信號生成與顯示——三維真實感聲音生成與播放。所謂三維真實感聲音是具有動態(tài)方位感、距離感和三維空間效應的聲音。③

觸覺與力覺通信信號與顯示——皮膚感知的觸摸，溫度、壓力、紋理信號以及肌肉、失節(jié)、腱等感知的力信號的建模與反饋。④

支持實時人機交互操作的功能——三維空間定位、碰撞檢測、語音識別以及人機實時對話功能。虛擬世界生成設(shè)備的主要功能包括：（2）感知設(shè)備

感知設(shè)備是指將虛擬世界各類感知模型轉(zhuǎn)變?yōu)槿四芙邮艿亩嗤ǖ来碳ば盘柕脑O(shè)備。感知包括視、聽、觸（力）、嗅、味覺等多種通道。然而，成熟和相對成熟的感知信息產(chǎn)生和檢測的技術(shù)，僅有視覺、聽覺和力覺三種通道。①

視覺感知設(shè)備——立體寬視場圖形顯示器。立體寬視場圖形顯示器可分為沉浸式和非沉浸式兩大類。②

聽覺感知設(shè)備——三維真實感聲音的播放設(shè)備。常用的有耳機式、雙揚聲器組和多揚聲器組三種。通常由專用聲卡將單通道聲源信號處理成具有雙耳效應的真實感聲音。③

觸覺（力覺）感知設(shè)備——觸覺（力覺）反饋裝置。觸覺和力覺實際是兩種不同的感知。觸覺包含的感知內(nèi)容更豐富一些，例如應包含一般的接觸感（類似于“摸到了一個面”的感覺），進一步應包含感知材料的質(zhì)感（布料、海綿、橡膠、木材、金屬、石料等等），紋理感（平滑、粗糙程度等）以及溫度感等。力覺感知設(shè)備要求能反饋力的大小和方向，與觸覺反饋裝置相比，力反饋裝置相對較成熟一些。（2）感知設(shè)備（3）跟蹤設(shè)備跟蹤設(shè)備是跟蹤并檢測位置和方位的裝置，用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中基于自然方式的人機交互操作。目前，先進的跟蹤定位系統(tǒng)可用于動態(tài)記錄人體運動。

最常用的跟蹤設(shè)備有基于機械臂原理、磁傳感器原理、超聲傳感器原理和光傳感器原理四種。

除機械臂式定位跟蹤器以外，其它三種跟蹤器都由一個（或多個）信號發(fā)射器以及數(shù)個接收器組成，發(fā)射器安裝在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中某個固定位置，接收器安裝在被跟蹤的部位。如安裝在頭部，通常用來跟蹤視線方向；如安裝在手部，通常用來跟蹤交互設(shè)備數(shù)據(jù)手套的位置及其朝向；如果將多個接收器安裝在貼身衣服的各個關(guān)節(jié)部位上，則實時記錄人體各個活動關(guān)節(jié)的位置，經(jīng)過軟件處理可實時跟蹤顯示人的動作。（3）跟蹤設(shè)備（4）人機交互設(shè)備應用手勢、體勢、眼神以及自然語言的人機交互設(shè)備，常見的有數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服（帶傳感器的衣服）、眼球跟蹤器以及語音綜合和識別裝置。（4）人機交互設(shè)備三、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件和軟件1．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件包括虛擬現(xiàn)實發(fā)生器以及輸入輸出設(shè)備。（1）虛擬現(xiàn)實發(fā)生器

虛擬現(xiàn)實發(fā)生器用來處理和產(chǎn)生虛擬境界，是任何虛擬系統(tǒng)的核心。它一般由計算機加圖形生成器或加速卡組成。計算機可以是個人計算機、工作站或者小型計算機。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的計算機主要完成三項任務(wù)：數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出、虛擬境界的管理和生成。系統(tǒng)中的計算機必須具有足夠高的處理能力，以確保參與者與虛擬境界的交互能實時進行。三、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件和軟件1．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件（2）虛擬現(xiàn)實輸入設(shè)備有兩類跟蹤系統(tǒng)，分別是有源跟蹤系統(tǒng)和無源系統(tǒng)。有源跟蹤系統(tǒng)使用兩路信號處理輸入數(shù)據(jù)，這種系統(tǒng)通過發(fā)射器和傳感器跟蹤參與者的位置和取向。無源跟蹤系統(tǒng)使用一路信號處理輸入數(shù)據(jù)，只有一個傳感器用來跟蹤位置和方向。（3）虛擬現(xiàn)實輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸出設(shè)備用于將電子信號轉(zhuǎn)變成各種人體感宮可以感覺到的刺激。常用的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)輸出設(shè)備有頭戴式顯示器和聲音發(fā)生器。（2）虛擬現(xiàn)實輸入設(shè)備2．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件用來進行境界構(gòu)造，包括建模和繪制對象，給這些對象指定行為，提供交互性和編程。虛擬現(xiàn)實軟件可分為工具包和創(chuàng)作工具。工具包即程序庫，一般用C或C＋＋等編制，利用它所提供的函數(shù)集合，熟練的程序員可以生成具體的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應用。VRML就是這樣一個程序庫。創(chuàng)作工具是帶有圖形用戶界面的完整軟件，通過創(chuàng)作工具只需簡單編程就可生成虛擬境界。程序庫一般比創(chuàng)作工具更靈活，繪制速度更快，但需要豐富的編程經(jīng)驗。由于軟件的方法對硬件的依賴性不高，相對來說容易實現(xiàn)，而且其適用的范圍很廣，因此目前發(fā)展很快，很多公司紛紛推出軟件開發(fā)包，以及其它一些工具。2．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件 VRP軟件簡介

VRP是一款由中視典數(shù)字科技有限公司獨立開發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的直接面向三維美工的一款虛擬現(xiàn)實軟件，是目前中國虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，市場占有率最高的一款虛擬現(xiàn)實軟件。VRP適用性強、操作簡單、功能強大、高度可視化、所見即所得。VRP所有的操作都是以美工可以理解的方式進行，不需要程序員參與。 VRP軟件簡介VRP適用性強、操作簡單、功能強大、高度1．菜單欄2．工具欄3．Flash窗口4．功能分類面板5．主功能區(qū)面板6．視圖區(qū)7．屬性面板8．信息欄9．狀態(tài)欄1．菜單欄2．工具欄3．Flash窗口4．功能（1）用戶首先激活頭盔，手套和話筒等輸

入設(shè)備，為計算機提供輸入信號；（2）VR軟件收到由跟蹤器和傳感器送來

的輸入信號加以處理；（3）對虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫做必要的更新，調(diào)整當前的虛擬環(huán)境場景，并將這一新視點下的三維視覺圖像以及其他（如聲音、觸覺、力反饋等）信息立即傳送給相應的輸出設(shè)備（頭盔顯示器、耳機、數(shù)據(jù)手套等），以便用戶及時獲得感官上的虛擬效果，這一過程必須每秒鐘發(fā)生多次才能使用戶感受到實時連續(xù)的效果。

典型的VR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四、用戶與虛擬世界交互的過程（1）用戶首先激活頭盔，手套和話筒等輸?shù)湫偷腣R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四、

進入20世紀90年代后，基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為可能，人機交互系統(tǒng)的設(shè)計不斷創(chuàng)新，新穎、實用的輸入輸出設(shè)備不斷地涌入市場，這些都為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。進入20世紀90年代后，基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像五、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用自然、文化遺產(chǎn)的保護和弘揚虛擬人機工程學軍事與航天制造工業(yè)教育與訓練醫(yī)學領(lǐng)域商業(yè)領(lǐng)域影視娛樂規(guī)劃與設(shè)計五、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用自然、文化遺產(chǎn)的保護和弘揚教育與訓練十六講虛擬現(xiàn)實六、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征

沉浸性

VR技術(shù)最主要的技術(shù)特征是讓用戶覺得自己是計算機系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬世界中的一部分，使用戶由觀察者變成參與者，沉浸其中并參與虛擬世界的活動。

交互性

交互性（Interactivity）的產(chǎn)生，主要借助于VR系統(tǒng)中的特殊硬件設(shè)備（如數(shù)據(jù)手套、力反饋裝置等），使用戶能通過自然的方式，產(chǎn)生同在真實世界中一樣的感覺。

想像性

想像性（Imagination）指虛擬的環(huán)境是人想像出來的，同時這種想像體現(xiàn)出設(shè)計者相應的思想，因而可以用來實現(xiàn)一定的目標。六、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征 沉浸性 交互性 想像性七、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)（1）動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心內(nèi)容。動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù)（有規(guī)則的環(huán)境），而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術(shù)，兩者的有機結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。七、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)（1）動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)（2）實時三維圖形生成技術(shù)三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其關(guān)鍵是如何實現(xiàn)“實時”生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15幀／秒，最好是高于30幀／秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復雜度的前提下，提高刷新頻率。這里，圖形生成的硬件體系結(jié)構(gòu)以及在虛擬現(xiàn)實的真實感圖形生成中用于加速的各種有效技術(shù)是關(guān)鍵所在。（2）實時三維圖形生成技術(shù)（3）立體顯示和傳感器技術(shù)虛擬現(xiàn)實依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，立體顯示技術(shù)涉及到人眼的生理原理以及在計算機上如何產(chǎn)生深度線索的技術(shù)?，F(xiàn)有的硬件系統(tǒng)如頭盔顯示器、單目鏡及可移動視覺顯示器有待進一步研究，光學顯示還存在許多局限性；傳感器技術(shù)中需解決設(shè)備的可靠性、可重復性、精確性及安全性等問題，各種類型傳感器的性能急需提高。（3）立體顯示和傳感器技術(shù)（4）應用系統(tǒng)開發(fā)工具虛擬現(xiàn)實應用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當?shù)膽脤ο罂梢源蠓鹊靥岣呱a(chǎn)效率、減輕勞動強度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。為了達到這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具。（5）系統(tǒng)集成技術(shù)由子虛擬現(xiàn)實中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識別和合成技術(shù)等。（4）應用系統(tǒng)開發(fā)工具（5）系統(tǒng)集成技術(shù)八、虛擬現(xiàn)實作品據(jù)構(gòu)成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備以及帶給觀眾的不同體驗，可以將虛擬現(xiàn)實的藝術(shù)作品分為桌面級、沉浸級、增強現(xiàn)實級和分布式四個層次。結(jié)合藝術(shù)家的作品，不同層次的虛擬顯示系統(tǒng)可分為：桌面式虛擬現(xiàn)實；沉浸式虛擬現(xiàn)實；增強現(xiàn)實式虛擬顯示；分布式虛擬現(xiàn)實。八、虛擬現(xiàn)實作品據(jù)構(gòu)成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備以及帶給觀眾的不1．桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）

桌面式VR系統(tǒng)僅使用個人計算機和低級工作站來產(chǎn)生三維空間的交互場景。它把計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬環(huán)境的一個窗口，參與者需要使用手拿輸入設(shè)備或位置跟蹤器來駕馭虛擬環(huán)境和操縱虛擬場景中的各種物體。在桌面VR系統(tǒng)中，參與者雖然坐在監(jiān)視器前面，但可以通過計算機屏幕觀察360°范圍內(nèi)的虛擬環(huán)境；可以通過交互操作，使虛擬環(huán)境的物體平移和旋轉(zhuǎn)，以便從各個方向觀看物體，也可以利用“throughwalk”進入功能在虛擬環(huán)境中瀏覽。但參與者并沒有完全沉浸，他仍然會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾。桌面VR系統(tǒng)雖然缺乏完全的沉浸感，但它仍然比較普及，這主要是出于其成本相對來說較低。在桌面VR系統(tǒng)中，用戶借助三維眼鏡或安裝在計算機屏幕上方的立體觀察器、液晶顯示光學眼鏡等一些廉價的設(shè)備，就可以產(chǎn)生一種三維空間的幻覺來增加沉浸的感覺；而它采用的標準CRT顯示器和立體圖像顯示技術(shù)，又使得系統(tǒng)分辨率較高，價格也比較便宜；另外，聲卡和內(nèi)部信號處理電路也可以通過廉價的硬件產(chǎn)生真實性很強的聲音效果。桌面VR系統(tǒng)通常用于工程CAD、建筑設(shè)計、培訓、教育及某些醫(yī)療應用。1．桌面式VR系統(tǒng)（DesktopVR）2．沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）

沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等各種交互設(shè)備把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，而使用戶真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部的一個參與者，并能利用這些交互設(shè)備操作和駕馭虛擬環(huán)境，產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺，一般用于娛樂、或驗證某一猜想假設(shè)、訓練、模擬、預演、檢驗、體驗等。常見的沉浸式系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、遠程存在系統(tǒng)等。與桌面式VR系統(tǒng)相比，沉浸式VR系統(tǒng)的主要特點在于：（1）具有高度的實時性能。（2）具有高度的沉浸感。（3）能支持多種I/O交互設(shè)備并行。2．沉浸式VR系統(tǒng)（ImmersiveVR）3．增強式VR系統(tǒng)

增強式VR系統(tǒng)允許用戶對現(xiàn)實世界進行觀察的同時，通過穿透型頭戴式顯示器將計算機虛擬圖像疊加在現(xiàn)實世界之上，為操作員提供與他所看到的現(xiàn)實環(huán)境有關(guān)的、存儲在計算機中的信息，從而增強操作員對真實環(huán)境的感受因此又被稱為補充現(xiàn)實系統(tǒng)。與其他各類VR系統(tǒng)相比，補充現(xiàn)實式的虛擬現(xiàn)實不僅是利用VR技術(shù)來模擬現(xiàn)實世界、仿真現(xiàn)實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環(huán)境的感受，也就是增強現(xiàn)實中無法感知或不方便的感受。人們可以按日常的工作方式對周圍的物體進行操作或研究，但同時又可以從計算機生成的環(huán)境中得到同步的、有關(guān)活動的指導信息。目前，這樣的工作方式已經(jīng)有了一些實驗性的例子，如計算機指導的復印機修理；在菱形空間框架中安裝鋁構(gòu)件；電線束在安裝到飛機上之前的捆綁等。其中一個典型的實例是戰(zhàn)機飛行員的平視顯示器，它能將儀表讀數(shù)和武器瞄準數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而集中精力盯著敵人的飛機或?qū)Ш狡?。它的工作原理是：在這種頭戴式顯示器中，光源產(chǎn)生的圖像被光學系統(tǒng)引導到組合器，組合器是一種專用屏幕，它對于從真實環(huán)境進來的光線呈現(xiàn)透明特性，但對準它的光線卻被頭戴式顯示器的光學系統(tǒng)反射掉，這樣就使得操作員可以清晰地看到計算機圖形與其即時環(huán)境重合在—起的現(xiàn)實效果。3．增強式VR系統(tǒng)4．分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR，DVR）

分布式VR系統(tǒng)是指基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境。它在沉浸式VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將位于不同物理位置的多個用戶或多個虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相連接，并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達到一個更高的境界。VR系統(tǒng)之所以運行在分布式環(huán)境，一方面是它可以充分利用分布式計算機系統(tǒng)提供的強大計算能力，另一方面是因為有些應用本身具有分布特性。例如，許多VR應用要求若干人能同時參與同一個虛擬環(huán)境，即協(xié)同工作的VR。這些人既可能在同一個地方，也可能在世界上各個不同的地方，彼此間只通過遠距離網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起。前面所述的那些VR技術(shù)雖然可以使動態(tài)的虛擬環(huán)境栩栩如生，但它們都無法解決資源共享的問題，應用DVR系統(tǒng)就可以滿足這類需求。分布式VR系統(tǒng)最重要的特性是它們對于多用戶協(xié)作模擬的協(xié)調(diào)適應能力，即操作系統(tǒng)必須能在不同計算機上處理不相似的虛擬世界，因此分布式VR系統(tǒng)需要使用專用的操作系統(tǒng)——分布式操作系統(tǒng)。另外，DVR系統(tǒng)在設(shè)計和實現(xiàn)時，還必須考慮很多網(wǎng)絡(luò)通信因素，如網(wǎng)絡(luò)帶寬、分布機制、網(wǎng)絡(luò)延遲以及通信可靠性等。分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品異地設(shè)計、遠程醫(yī)療、大規(guī)模軍事訓練、多用戶游戲等方面具有廣泛的應用前景。4．分布式VR系統(tǒng)（DistributedVR，DVR）杰弗里.肖是一位著名的澳大利亞交互藝術(shù)家，后來移居德國，任德國ZMK影像研究所主任?！兑锥某鞘小?989年曼哈頓城市的信息被轉(zhuǎn)換成一些數(shù)據(jù)，觀眾通過自行車的車把和腳踏板來控制自己在虛擬世界的方向和速度，漫游虛擬的曼哈頓。此后，又制作了荷蘭的阿姆斯特丹和德國的卡爾斯魯厄兩個城市的虛擬漫游版本。杰