虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目教程

“十四五”高等職業(yè)教育新形態(tài)一體化系列教材

虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目教程

張福峰李玉虹◎主編

張芷齊王耀輝王敏李俊榮◎副主編

內(nèi)容簡介

本書針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的相關(guān)崗位需求，以Unity3D為背景，結(jié)合Panno2VR、PTGUI等

全景軟件，以項(xiàng)目任務(wù)為主線，遵循“循序漸進(jìn)、實(shí)用為主”的原則安排全書的整體結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。全

書由八個(gè)項(xiàng)目構(gòu)成，均以崗位任務(wù)驅(qū)動(dòng)的模式制作講解，每個(gè)項(xiàng)目均有學(xué)習(xí)目標(biāo)、任務(wù)，每個(gè)任務(wù)又

包括任務(wù)描述、相關(guān)知識(shí)、任務(wù)實(shí)施、拓展任務(wù)、任務(wù)評(píng)價(jià)等。項(xiàng)目最后配有相應(yīng)習(xí)題，以幫助讀者

進(jìn)一步鞏固知識(shí)技能。

本書適合作為高等職業(yè)院校虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相關(guān)課程的教材，也可作為培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的教材，以

及廣大VR/AR愛好者與從業(yè)者的自學(xué)參考用書。

圖書在版編目（CIP）數(shù)據(jù)

虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目教程/張福峰，李玉虹主編．—北京：

中國鐵道出版社有限公司，2022.8

“十四五”高等職業(yè)教育新形態(tài)一體化系列教材

ISBN978-7-113-29104-4

Ⅰ.①虛…Ⅱ.①張…②李…Ⅲ.①虛擬現(xiàn)實(shí)-高等職業(yè)

教育-教材Ⅳ.①TP391.98

中國版本圖書館CIP數(shù)據(jù)核字(2022)第076490號(hào)

書名：虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目教程

作者：張福峰?李玉虹

策劃：王春霞編輯部電話：（010）63551006

責(zé)任編輯：王春霞?許?璐

封面設(shè)計(jì)：尚明龍

責(zé)任校對(duì)：安海燕

責(zé)任印制：樊啟鵬

出版發(fā)行：中國鐵道出版社有限公司（100054，北京市西城區(qū)右安門西街8號(hào)）

網(wǎng)址：/51eds/

印刷：三河市興達(dá)印務(wù)有限公司

版次：2022年8月第1版2022年8月第1次印刷

開本：850mm×1168mm1/16?印張：19.75?字?jǐn)?shù)：496千

書號(hào)：ISBN978-7-113-29104-4

定價(jià)：55.00元

版權(quán)所有侵權(quán)必究

凡購買鐵道版圖書，如有印制質(zhì)量問題，請(qǐng)與本社教材圖書營銷部聯(lián)系調(diào)換。電話：（010）63550836

打擊盜版舉報(bào)電話：（010）63549461

前言

5G商用加速到來，開啟了VR/AR產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新一輪熱潮，推動(dòng)VR/AR的應(yīng)用范圍從直播、

游戲等消費(fèi)娛樂領(lǐng)域，加速向工業(yè)、醫(yī)療、教育等垂直領(lǐng)域滲透，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展。中華人民

共和國工業(yè)和信息化部（簡稱工信部）曾提出，要引導(dǎo)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提升增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)

實(shí)等新技術(shù)支撐能力，推廣5G+VR/AR、賽事直播、游戲娛樂、虛擬購物等應(yīng)用，促進(jìn)新型

信息消費(fèi)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)解鎖的多種應(yīng)用新場景正變成現(xiàn)實(shí)。

本書結(jié)合作者多年的教學(xué)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)企業(yè)相關(guān)崗位的需求，針對(duì)高職高專院校虛

擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)課程的專業(yè)技能需求，以Unity3D為背景，結(jié)合Panno2VR、PTGUI等全景軟件，

以崗位任務(wù)為引領(lǐng)，以工作任務(wù)為載體，選擇典型教學(xué)案例任務(wù)，做到知識(shí)與工作任務(wù)緊密融

合。項(xiàng)目任務(wù)設(shè)置遵循“循序漸進(jìn)、實(shí)用為主”的原則，注重學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，符合

學(xué)生認(rèn)知學(xué)習(xí)規(guī)律。任務(wù)制作過程中力求遵循“由易到難、先簡后繁”的順序，并對(duì)使用中出

現(xiàn)的問題和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了較全面的剖析，使教材具有趣味性和啟發(fā)性。通過項(xiàng)目任務(wù)的學(xué)習(xí)

與強(qiáng)化訓(xùn)練，學(xué)生能領(lǐng)悟并運(yùn)用相關(guān)軟件完成虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

本書的項(xiàng)目案例以崗位工作任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式制作講解，每個(gè)項(xiàng)目均由學(xué)習(xí)目標(biāo)和任務(wù)組成，

每個(gè)任務(wù)又包括任務(wù)描述、相關(guān)知識(shí)、任務(wù)實(shí)施、拓展任務(wù)、任務(wù)評(píng)價(jià)等。項(xiàng)目最后配有相應(yīng)

習(xí)題，以幫助讀者進(jìn)一步鞏固知識(shí)技能。

本書由八個(gè)項(xiàng)目構(gòu)成。

項(xiàng)目一：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。本項(xiàng)目通過2個(gè)任務(wù)介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征、組成、分類、

關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展歷程趨勢(shì)、應(yīng)用領(lǐng)域、VR/AR/MR/XR區(qū)分，以及虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸入、輸出、

生成等硬件設(shè)備。

項(xiàng)目二：VR全景漫游。本項(xiàng)目通過3個(gè)任務(wù)介紹全景圖片制作、VR全景漫游制作以及

全景圖片合成的方法。

項(xiàng)目三：Unity3D交互基礎(chǔ)。本項(xiàng)目通過3個(gè)任務(wù)介紹Unity3D操作基礎(chǔ)、移動(dòng)交互、材

質(zhì)動(dòng)態(tài)修改方法，并詳細(xì)介紹了資源管理、游戲發(fā)布、腳本使用、物體運(yùn)動(dòng)控制、模型導(dǎo)入、

材質(zhì)創(chuàng)建使用和UI系統(tǒng)。

項(xiàng)目四：Unity3D角色控制。本項(xiàng)目通過2個(gè)任務(wù)介紹Unity3D角色控制系統(tǒng)，并對(duì)資源

包的獲取安裝，第一、第三人稱角色控制器的具體運(yùn)用做出詳細(xì)說明。

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項(xiàng)目五：U3D地形與導(dǎo)航。本項(xiàng)目通過2個(gè)任務(wù)介紹地形系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)地形的創(chuàng)

建編輯、環(huán)境資源包、天空盒以及幾種場景導(dǎo)航運(yùn)用進(jìn)行詳細(xì)的說明。

項(xiàng)目六：Unity3D物理引擎。本項(xiàng)目通過2個(gè)任務(wù)介紹剛體、碰撞器與觸發(fā)器的具體使用。

項(xiàng)目七：Unity3D游戲開發(fā)。本項(xiàng)目綜合運(yùn)用Unity3D完成第三人稱角色射擊游戲的設(shè)計(jì)

制作。

項(xiàng)目八：AR交互設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目通過3個(gè)任務(wù)介紹AR的設(shè)計(jì)開發(fā)，并對(duì)EasyAR的平面、

3D圖像識(shí)別，EasyAR模型交互操作進(jìn)行詳細(xì)介紹。

本書由張福峰、李玉虹任主編，張芷齊、王耀輝、王敏、李俊榮任副主編，唐葉、張植才、

金會(huì)賞、王曉蘭參與編寫。具體編寫分工如下：項(xiàng)目一由王耀輝編寫；項(xiàng)目二由金會(huì)賞、唐葉

編寫；項(xiàng)目三由李俊榮、張植才編寫；項(xiàng)目四由李玉虹編寫；項(xiàng)目五、八由張福峰編寫；項(xiàng)目

六由張芷齊編寫；項(xiàng)目七由王敏、王曉蘭編寫。全書由張福峰統(tǒng)稿。

本書在編寫過程中參考了相關(guān)教材和網(wǎng)站資料，在此向相關(guān)作者表示衷心的感謝！

由于編者水平有限，加上編寫、出版時(shí)間倉促，書中疏漏和不妥之處在所難免，懇請(qǐng)廣

大讀者批評(píng)指正。

編者

2022年2月

II

目錄

項(xiàng)目一?虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)???1任務(wù)實(shí)施???????????37

選擇一款合適的VR眼鏡?????????????????37

任務(wù)1?虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)??????1

拓展任務(wù)???????????40

任務(wù)描述???????????1

任務(wù)評(píng)價(jià)???????????40

相關(guān)知識(shí)???????????2

小結(jié)??????????????40

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)?????????????????????????????2

習(xí)題??????????????

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征??????????????????341

三、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成??????????????????4

四、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類??????????????????5項(xiàng)目二?VR全景漫游????43

五、虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)??????????????????????9

任務(wù)1?全景圖片制作??????43

六、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展歷程?????????????11

七、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)?????????????16任務(wù)描述???????????43

八、我國虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況??????

16相關(guān)知識(shí)???????????44

九、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域????????????????????17

一、全景圖??????????????????????????????????????44

十、區(qū)分VR、AR、MR、XR?????????20

二、全景圖創(chuàng)建???????????????????????????????44

任務(wù)實(shí)施???????????21

任務(wù)實(shí)施???????????45

汽車之家·VR全景看車????????????????????21

一、前期準(zhǔn)備???????????????????????????????????45

拓展任務(wù)???????????23

二、攝影機(jī)設(shè)置???????????????????????????????46

任務(wù)評(píng)價(jià)???????????24三、渲染設(shè)置???????????????????????????????????46

?????????????????????????????????????

任務(wù)2?虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件設(shè)備?24四、PS處理48

任務(wù)描述???????????24拓展任務(wù)???????????49

相關(guān)知識(shí)???????????24任務(wù)評(píng)價(jià)???????????51

一、虛擬現(xiàn)實(shí)的硬件設(shè)備????????????????24任務(wù)2?VR全景制作???????52

二、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸入設(shè)備?????????25

任務(wù)描述???????????52

三、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸出設(shè)備?????????31

相關(guān)知識(shí)???????????53

四、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的生成設(shè)備?????????37

虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目教程

一、VR全景制作軟件?????????????????????53項(xiàng)目三?Unity3D交互基礎(chǔ)??82

二、Pano2VR???????????????????????????????????53

任務(wù)1?初識(shí)Unity3D??????82

任務(wù)實(shí)施???????????63

任務(wù)描述???????????82

一、添加場景???????????????????????????????????63

相關(guān)知識(shí)???????????82

二、輸出全景???????????????????????????????????63

一、安裝軟件???????????????????????????????????

三、添加圖像???????????????????????????????????6482

二、啟動(dòng)軟件???????????????????????????????????

四、添加視頻???????????????????????????????????6483

三、創(chuàng)建項(xiàng)目???????????????????????????????????

五、小行星效果???????????????????????????????6585

四、軟件界面???????????????????????????????????

六、設(shè)置默認(rèn)視圖???????????????????????????6685

五、基本操作???????????????????????????????????

七、添加熱點(diǎn)???????????????????????????????????6688

六、視圖控制???????????????????????????????????

八、添加皮膚???????????????????????????????????6791

七、資源管理???????????????????????????????????92

拓展任務(wù)???????????67

八、游戲發(fā)布???????????????????????????????????93

任務(wù)評(píng)價(jià)???????????68

任務(wù)實(shí)施???????????97

任務(wù)3?全景圖片合成??????69一、新建項(xiàng)目???????????????????????????????????97

任務(wù)描述???????????69二、布置場景???????????????????????????????????97

三、游戲發(fā)布???????????????????????????????????98

相關(guān)知識(shí)???????????69

一、全景圖片拍攝???????????????????????????69拓展任務(wù)??????????100

二、初識(shí)PTGui???????????????????????????????70任務(wù)評(píng)價(jià)??????????101

三、全景圖的不同形式????????????????????71

任務(wù)2?Unity3D移動(dòng)交互???101

四、不同形式全景圖轉(zhuǎn)換????????????????72

任務(wù)描述??????????101

任務(wù)實(shí)施???????????74

相關(guān)知識(shí)??????????102

一、加載圖像???????????????????????????????????74

一、腳本入門?????????????????????????????????

二、對(duì)準(zhǔn)圖像???????????????????????????????????74102

二、變量????????????????????????????????????????

三、創(chuàng)建全景圖???????????????????????????????76103

三、基本數(shù)據(jù)類型?????????????????????????

四、Photoshop補(bǔ)地??????????????????????????77104

四、與??????

五、Photoshop補(bǔ)天??????????????????????????78GameObjectgameObject105

五、與????????????

六、生成VR全景????????????????????????????79Transformtransform105

六、transform與gameObject??????????105

拓展任務(wù)???????????79

七、Unity3D導(dǎo)入3dsMax模型?????106

任務(wù)評(píng)價(jià)???????????80

任務(wù)實(shí)施??????????109

小結(jié)??????????????80

一、移動(dòng)到指定目標(biāo)點(diǎn)??????????????????109

習(xí)題

??????????????81二、鍵盤控制物體移動(dòng)???????????????????113

II

目錄

三、控制物體自動(dòng)旋轉(zhuǎn)???????????????????116一、導(dǎo)入資源包?????????????????????????????150

四、拖動(dòng)鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)物體???????????????????118二、FPSController??????????????????????????151

拓展任務(wù)??????????119拓展任務(wù)??????????152

任務(wù)評(píng)價(jià)??????????121任務(wù)評(píng)價(jià)??????????153

任務(wù)3?動(dòng)態(tài)修改材質(zhì)?????122任務(wù)2?第三人稱控制器????154

任務(wù)描述??????????122任務(wù)描述??????????154

相關(guān)知識(shí)??????????122相關(guān)知識(shí)??????????154

一、材質(zhì)創(chuàng)建與使用??????????????????????122ThirdPersonCharacter

二、UI系統(tǒng)???????????????????????????????????127（第三人稱角色）?????????????????????????154

任務(wù)實(shí)施??????????132任務(wù)實(shí)施??????????155

一、搭建場景?????????????????????????????????132一、ThirdPersonController??????????????155

二、創(chuàng)建材質(zhì)?????????????????????????????????133二、AiThirdPersonController???????????157

三、創(chuàng)建UI對(duì)象???????????????????????????133三、角色模型控制?????????????????????????157

四、切換材質(zhì)?????????????????????????????????135

拓展任務(wù)??????????160

拓展任務(wù)??????????139任務(wù)評(píng)價(jià)??????????164

任務(wù)評(píng)價(jià)??????????140小結(jié)?????????????164

小結(jié)?????????????141習(xí)題?????????????164

習(xí)題?????????????141

項(xiàng)目五?U3D地形與導(dǎo)航??166

項(xiàng)目四?Unity3D角色控制?143

任務(wù)1?地形系統(tǒng)???????166

任務(wù)1?第一人稱控制器????143

任務(wù)描述??????????166

任務(wù)描述??????????143相關(guān)知識(shí)??????????167

相關(guān)知識(shí)??????????143一、創(chuàng)建和編輯地形??????????????????????167

一、標(biāo)準(zhǔn)資源包簡介??????????????????????143二、環(huán)境資源包?????????????????????????????170

二、資源包獲取安裝??????????????????????144三、天空盒（Skybox）??????????????????172

三、導(dǎo)入資源包?????????????????????????????146

任務(wù)實(shí)施??????????177

四、Prototyping（原型）???????????????147

一、創(chuàng)建與編輯地形??????????????????????177

五、FirstPersonCharacter

二、繪制貼圖、樹、草??????????????????178

（第一人稱角色）????????????????????148

三、添加海洋?????????????????????????????????180

任務(wù)實(shí)施??????????150四、添加第一人稱控制器??????????????180

III

虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目教程

拓展任務(wù)??????????181四、創(chuàng)建子彈對(duì)象?????????????????????????206

五、銷毀子彈對(duì)象?????????????????????????

任務(wù)評(píng)價(jià)??????????183207

任務(wù)2?導(dǎo)航系統(tǒng)???????184拓展任務(wù)??????????208

任務(wù)評(píng)價(jià)??????????208

任務(wù)描述??????????184

相關(guān)知識(shí)??????????184任務(wù)2?碰撞器與觸發(fā)器????209

一、導(dǎo)航網(wǎng)格（NavMesh）???????????184任務(wù)描述??????????209

二、導(dǎo)航視圖?????????????????????????????????184相關(guān)知識(shí)??????????210

三、導(dǎo)航網(wǎng)格代理?????????????????????????186

一、Unity3D碰撞器???????????????????????210

四、分離網(wǎng)格鏈接

二、Unity3D觸發(fā)器???????????????????????213

（OffMeshLink）????????????????????187

任務(wù)實(shí)施??????????214

五、導(dǎo)航網(wǎng)格障礙?????????????????????????187

一、創(chuàng)建場景對(duì)象?????????????????????????214

任務(wù)實(shí)施??????????188

二、用鍵盤控制物體移動(dòng)??????????????216

一、導(dǎo)航????????????????????????????????????????188

三、控制相機(jī)跟隨主角移動(dòng)???????????216

二、坡度導(dǎo)航?????????????????????????????????190

四、控制金幣旋轉(zhuǎn)?????????????????????????217

三、選擇導(dǎo)航?????????????????????????????????192

五、顯示分?jǐn)?shù)?????????????????????????????????217

拓展任務(wù)??????????195六、觸發(fā)檢測吃金幣??????????????????????218

七、添加音效?????????????????????????????????

任務(wù)評(píng)價(jià)??????????198218

小結(jié)?????????????198拓展任務(wù)??????????219

習(xí)題?????????????198任務(wù)評(píng)價(jià)??????????221

小結(jié)?????????????222

項(xiàng)目六?Unity3D物理引擎?200習(xí)題?????????????222

任務(wù)1?剛體?????????200

項(xiàng)目七?Unity3D游戲開發(fā)?224

任務(wù)描述??????????200

相關(guān)知識(shí)??????????200任務(wù)?射擊游戲開發(fā)??????224

一、Unity3D物理引擎???????????????????200任務(wù)描述??????????224

二、剛體（Rigidbody）?????????????????201相關(guān)知識(shí)??????????225

任務(wù)實(shí)施??????????204預(yù)制體（Prefab）???????????????????????????225

一、創(chuàng)建場景對(duì)象?????????????????????????204任務(wù)實(shí)施??????????228

二、設(shè)置材質(zhì)?????????????????????????????????204一、布置場景對(duì)象?????????????????????????228

三、生成磚塊對(duì)象?????????????????????????205二、添加主角?????????????????????????????????229

IV

目錄

三、讓主角動(dòng)起來?????????????????????????230四、EasyARSenseUnity資源包?????266

四、添加動(dòng)畫控制器??????????????????????231五、EasyAR平面圖像跟蹤????????????267

五、添加剛體與碰撞??????????????????????235六、案例分析——EasyAR平面圖像

六、相機(jī)跟隨?????????????????????????????????235跟蹤????????????????????????????????????????268

七、敵人突襲而來?????????????????????????236七、項(xiàng)目發(fā)布?????????????????????????????????271

八、為生存而戰(zhàn)斗?????????????????????????243八、EasyAR3D物體跟蹤??????????????272

九、敵人接踵而至?????????????????????????246九、案例分析——3D物體跟蹤??????273

拓展任務(wù)??????????252任務(wù)實(shí)施??????????274

任務(wù)評(píng)價(jià)??????????254一、EasyAR平面圖像跟蹤????????????274

二、物體跟蹤??????????????

小結(jié)?????????????254EasyAR3D278

習(xí)題?????????????255拓展任務(wù)??????????280

任務(wù)評(píng)價(jià)??????????283

項(xiàng)目八?AR交互設(shè)計(jì)???256任務(wù)3?EasyAR模型交互操作?284

任務(wù)1?走進(jìn)AR世界?????256任務(wù)描述??????????284

任務(wù)描述??????????256相關(guān)知識(shí)??????????284

一、移動(dòng)設(shè)備的觸控操作??????????????

相關(guān)知識(shí)??????????257284

二、運(yùn)行平臺(tái)檢測?????????????????????????286

一、初識(shí)AR??????????????????????????????????257

三、觸控操作實(shí)例?????????????????????????287

二、AR平臺(tái)??????????????????????????????????259

任務(wù)實(shí)施??????????289

任務(wù)實(shí)施??????????261

一、雙指縮放模型?????????????????????????289

一、百度地圖AR實(shí)景導(dǎo)航???????????261

二、單指旋轉(zhuǎn)模型?????????????????????????292

二、高德地圖AR駕車導(dǎo)航???????????261

三、單指移動(dòng)模型?????????????????????????293

拓展任務(wù)??????????262四、鼠標(biāo)拖動(dòng)模型?????????????????????????294

五、更換模型材質(zhì)?????????????????????????295

任務(wù)評(píng)價(jià)??????????263

六、AR模型脫卡???????????????????????????296

任務(wù)2?EasyAR識(shí)別跟蹤???263七、按鈕切換模型?????????????????????????297

任務(wù)描述??????????263拓展任務(wù)??????????300

相關(guān)知識(shí)??????????263任務(wù)評(píng)價(jià)??????????304

一、EasyAR產(chǎn)品概覽????????????????????263小結(jié)?????????????305

二、注冊(cè)下載?????????????????????????????????265

習(xí)題?????????????305

三、申請(qǐng)Sence許可證密匙???????????266

V

項(xiàng)目一

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)

從能夠營造夢(mèng)幻般舞臺(tái)效果的全息投影技術(shù)，到已經(jīng)走入人們?nèi)粘Ｉ畹奶摂M現(xiàn)實(shí)頭盔，近

幾年，“虛擬現(xiàn)實(shí)”一詞越來越引起人們的關(guān)注。對(duì)于不少普通人來說，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的印象還僅僅

停留在娛樂方面，但實(shí)際上，在軍事、醫(yī)學(xué)、裝備制造、智慧城市等諸多領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都

大有用武之地。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

（1）學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征。

（2）學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的組成、分類及關(guān)鍵技術(shù)。

（3）學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程、發(fā)展趨勢(shì)。

（4）學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

（5）學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的輸入、輸出、生成設(shè)備。

任務(wù)1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

任務(wù)描述

不知不覺間虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ畹?/p>

方方面面，伴隨5G網(wǎng)絡(luò)的商用，將解鎖更多VR的

未來。本任務(wù)將帶您走進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)，學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實(shí)技

術(shù)的特征、組成、分類、關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展歷程及應(yīng)

用領(lǐng)域等相關(guān)知識(shí)。通過汽車之家·VR全景看車，

體驗(yàn)足不出戶在線選車的樂趣，內(nèi)飾展示如圖1-1-1

所示。圖1-1-1汽車之家·VR全景看車

1

虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目教程

相關(guān)知識(shí)

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)是從英文VirtualReality一詞翻譯過來的，簡稱VR，是由美國VPLResearch公司創(chuàng)始人

JaronLanier在1989年提出的。所謂虛擬現(xiàn)實(shí)，是一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境。具體來說，

就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技手段，在特定范圍內(nèi)生成逼真的視、聽、觸覺等一體化的虛

擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互、相互影響，從而產(chǎn)生親臨真

實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)主要有三方面的含義：

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)是借助計(jì)算機(jī)生成逼真的實(shí)體，“實(shí)體”是對(duì)于人的感覺（視、聽、觸、嗅）而言的。

（2）用戶可以通過人的自然技能與這個(gè)環(huán)境交互。自然技能是指人的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)、眼動(dòng)、手勢(shì)等其

他人體的動(dòng)作。

（3）虛擬現(xiàn)實(shí)往往要借助一些三維設(shè)備和傳感設(shè)備來完成交互操作。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡稱VR技術(shù)，是20世紀(jì)末逐漸興起的一門綜合性信息技術(shù)，作為一項(xiàng)尖端科技，

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成了數(shù)字圖像處理、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)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計(jì)算機(jī)生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。它最早源于美國軍

方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，20世紀(jì)90年代初逐漸為各界所關(guān)注并且在商業(yè)領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

早期，對(duì)“VirtualReality”的研究引起了國內(nèi)外學(xué)者們的極大興趣，研究范圍從虛擬技術(shù)擴(kuò)大到虛

擬空間和虛擬生存，研究的視角也從技術(shù)應(yīng)用的社會(huì)學(xué)層面上升到虛擬本身的哲學(xué)層面，對(duì)于“Virtual

Reality”的譯法有著很多爭論和分歧，除了常見的“虛擬現(xiàn)實(shí)”和“虛擬實(shí)在”譯法外，還有諸如“實(shí)

境技術(shù)”“人工現(xiàn)實(shí)”“模擬現(xiàn)實(shí)”“虛擬實(shí)境”“擬真”“虛擬真實(shí)”等譯法。

最開始提到“VirtualReality”時(shí)，技術(shù)專家們將之譯為“虛擬現(xiàn)實(shí)”，錢學(xué)森教授認(rèn)為“Virtual

Reality”是指用科學(xué)技術(shù)手段向接受者輸送視覺的、聽覺的、觸覺的以至嗅覺的信息，使接受者感到身

臨其境。為了便于人們理解和接受“VirtualReality”技術(shù)的概念，按中國傳統(tǒng)文化的語義稱VR技術(shù)為“靈

境”技術(shù)。

汪成為教授認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)軟硬件及各種傳感器（如高性能計(jì)算機(jī)、圖形圖像生產(chǎn)

系統(tǒng)、特制服裝、特制手套、特制眼鏡等）的支持下生成的一個(gè)逼真的、三維的，具有一定視、聽、觸、

嗅等感知能力的環(huán)境。使用戶在這些軟硬件設(shè)備的支持下，以簡捷、自然的方法與這一由計(jì)算機(jī)所產(chǎn)生

的“虛擬”世界中的對(duì)象進(jìn)行交互作用。

工程院院士、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任趙沁平教授認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實(shí)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)

為核心，結(jié)合相關(guān)的科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍內(nèi)真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)

境。用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，可以產(chǎn)生親臨對(duì)應(yīng)真實(shí)環(huán)境

的感受和體驗(yàn)。

總之，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高新技術(shù)，生成逼真的視覺、聽覺、觸覺

一體化的虛擬環(huán)境。參與者可以借助必要的裝備，以自然的方式與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互，并相互

影響，從而獲得等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

2

項(xiàng)目一虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境，包括以下形式：

（1）模擬真實(shí)世界中的環(huán)境。例如地理環(huán)境、建筑場館、文物古跡等。這種真實(shí)環(huán)境可能是已經(jīng)

存在的，也可能是已經(jīng)設(shè)計(jì)好但還沒有建成的，或者是曾經(jīng)存在但現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生變化、消失或者受到破

壞的。

（2）人類主觀構(gòu)造的環(huán)境。例如影視制作中的科幻場景，電子游戲中三維虛擬世界。此環(huán)境完全

是虛構(gòu)的，是用戶也可以參與，并與之進(jìn)行交互的非真實(shí)世界。

（3）模仿真實(shí)世界中人類不可見的環(huán)境。例如分子的結(jié)構(gòu)，空氣中的速度、壓力的分布等。這種

環(huán)境是真實(shí)環(huán)境，客觀存在的，但是受到人類視覺、聽覺器官的限制，不能感應(yīng)到。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征????Interaction?

1994年，美國科學(xué)家G.Burdea和P.Coiffet在《虛擬

3

現(xiàn)實(shí)技術(shù)》一書中提出，虛擬現(xiàn)實(shí)具有三個(gè)重要特征：I

沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和構(gòu)想性

????Immersion?????Imagination?

（Imagination），常被稱為虛擬現(xiàn)實(shí)的3I特征，如圖1-1-2

所示。圖1-1-2虛擬現(xiàn)實(shí)的3I特征

（1）沉浸感（Immersion）：指用戶感受到被虛擬世界所包圍，好像完全置身于虛擬世界之中一樣。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最主要的技術(shù)特征是讓用戶覺得自己是計(jì)算機(jī)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(dòng)。沉浸性來源于對(duì)虛擬世界的感知性，除了常見

的視覺感知外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知、味覺感知、嗅覺感知等。理論上來說，

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)該具備人在現(xiàn)實(shí)世界中具有的所有感知功能，但鑒于目前技術(shù)的局限性，在現(xiàn)在的虛擬

現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用中，較為成熟或相對(duì)成熟的主要是視覺沉浸、聽覺沉浸、觸覺沉浸技術(shù)，而有關(guān)

味覺與嗅覺的感知技術(shù)正在研究之中，目前還很不成熟。

（2）交互性（Interaction）：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。

交互性的產(chǎn)生，主要借助于虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)世界中一樣的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)比較強(qiáng)調(diào)人與虛擬世界之間進(jìn)行自然

的交互，交互性的另一個(gè)方面主要表現(xiàn)了交互的實(shí)時(shí)性。例如，虛擬模擬駕駛系統(tǒng)。

交互性能的好壞是衡量虛擬系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)交互是一種近乎自然的

交互，使用者不僅可以利用計(jì)算機(jī)鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行交互，而且能夠通過特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)

備交互。參與者不是被動(dòng)地感受，而是可以通過自己的動(dòng)作改變感受的內(nèi)容。計(jì)算機(jī)能夠根據(jù)使用者的

頭、手、眼、語言及身體的運(yùn)動(dòng)，來調(diào)整系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像及聲音。參與者通過自身的感官、語言、身體

運(yùn)動(dòng)或肢體動(dòng)作等，就能對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行觀察或操作。

（3）構(gòu)想性（Imagination）：指虛擬的環(huán)境是人想象出來的，同時(shí)這種想象體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者相應(yīng)的思

想，因而可以用來實(shí)現(xiàn)一定的目標(biāo)。所以說虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅是一個(gè)媒體或一個(gè)高級(jí)用戶界面，同時(shí)它

還是為解決工程、醫(yī)學(xué)、軍事等方面的問題而由開發(fā)者設(shè)計(jì)出來的應(yīng)用軟件。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，為

人類認(rèn)識(shí)世界提供了一種全新的方法和手段，可以使人類跨越時(shí)間與空間，去經(jīng)歷和體驗(yàn)世界上早已發(fā)

生或尚未發(fā)生的事件；可以使人類突破生理上的限制，進(jìn)入宏觀或微觀世界進(jìn)行研究和探索；也可以模

3

虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目教程

擬因條件限制等原因而難以實(shí)現(xiàn)的事情。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成

一般的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由專業(yè)圖形處理計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入設(shè)備和演示設(shè)備等組成。虛

擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征之一就是人機(jī)之間的交互性，為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間信息的充分交換，必須設(shè)計(jì)特殊輸入

工具和演示設(shè)備，以識(shí)別人的各種輸入命令，且提供相應(yīng)反饋信息，實(shí)現(xiàn)真正的仿真效果。不同的項(xiàng)目

可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用有選擇地使用這些工具，主要包括：頭盔式顯示器，跟蹤器，傳感手套，屏幕式、房

式立體顯示系統(tǒng)，三維立體聲音生成裝置。

1．計(jì)算機(jī)

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)起著至關(guān)重要的作用，可以稱為虛擬現(xiàn)實(shí)世界的心臟。它負(fù)責(zé)整個(gè)虛擬

世界的實(shí)時(shí)渲染計(jì)算，用戶和虛擬世界的實(shí)時(shí)交互計(jì)算等功能。由于計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界具有高度