虛擬現(xiàn)實(shí)教程 課件 第一章 虛擬現(xiàn)實(shí)走進(jìn)VR夢幻世界

1-1虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)原理虛擬現(xiàn)實(shí)：走進(jìn)VR夢幻世界01虛擬現(xiàn)實(shí)：走進(jìn)VR夢幻世界ABC【本章目標(biāo)】虛擬現(xiàn)實(shí)究竟是什么虛擬現(xiàn)實(shí)的前生今世FED實(shí)戰(zhàn)：國內(nèi)外著名VR案例欣賞常見感知設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)的3I特征【本章目標(biāo)】虛擬現(xiàn)實(shí)：走進(jìn)VR夢幻世界了解虛擬現(xiàn)實(shí)基本概念了解虛擬現(xiàn)實(shí)基本特征欣賞虛擬現(xiàn)實(shí)著名案例【本章目標(biāo)】了解虛擬現(xiàn)實(shí)基本概念了解虛擬現(xiàn)實(shí)基本特征欣賞虛擬現(xiàn)實(shí)著名案例虛擬現(xiàn)實(shí)究竟是什么虛擬現(xiàn)實(shí)：走進(jìn)VR夢幻世界伴隨著《阿凡達(dá)》、《黑客帝國》夢境般的場景，虛擬現(xiàn)實(shí)帶來的震撼體驗(yàn)令人欲罷不能。所謂的虛擬現(xiàn)實(shí)便是時(shí)下熱門的VR。借助VR，我們可以遨游海底世界，看魚群從身旁穿梭；借助VR，我們可以翱翔在太空，欣賞浩瀚銀河的壯美。“可下五洋捉鱉，可上九天攬?jiān)隆保瑐ト说脑娋湟粤硪环N方式成為現(xiàn)實(shí)。VR電影、VR游戲、VR旅游乃至VR電商、VR教育等等層出不窮，虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)確確實(shí)實(shí)地走進(jìn)了人們的生活。1虛擬現(xiàn)實(shí)2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)3混合現(xiàn)實(shí)4虛擬現(xiàn)實(shí)究竟是什么伴隨著《阿凡達(dá)》、《黑客帝國》夢境般的場景，虛擬現(xiàn)實(shí)帶來的震撼體驗(yàn)令人欲罷不能。所謂的虛擬現(xiàn)實(shí)便是時(shí)下熱門的VR。借助VR，我們可以遨游海底世界，看魚群從身旁穿梭；借助VR，我們可以翱翔在太空，欣賞浩瀚銀河的壯美。“可下五洋捉鱉，可上九天攬?jiān)隆保瑐ト说脑娋湟粤硪环N方式成為現(xiàn)實(shí)。VR電影、VR游戲、VR旅游乃至VR電商、VR教育等等層出不窮，虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)確確實(shí)實(shí)地走進(jìn)了人們的生活。1虛擬現(xiàn)實(shí)2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)3混合現(xiàn)實(shí)4虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality,簡稱VR）技術(shù)，又譯作靈境技術(shù)，是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。它利用計(jì)算機(jī)輔助模擬生成一種融合多元信息的三維可交互環(huán)境，讓用戶能產(chǎn)生逼真的視覺、聽覺、觸覺等多種感覺體驗(yàn)，沉浸其中并能實(shí)時(shí)交互。這項(xiàng)技術(shù)使人能突破時(shí)間、空間等限制，令人能夠“身臨其境”地體會到真實(shí)世界中無法親身經(jīng)歷的體驗(yàn)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所建立的信息空間，已不再是單純的數(shù)字信息空間，而是一個(gè)包容多種信息的多維化的信息空間(Cyberspace)，人類的感性認(rèn)識和理性認(rèn)識能力都能在這個(gè)多維化的信息空間中得到充分的發(fā)揮，如圖1-1所示。圖1-1虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)原理虛擬現(xiàn)實(shí)究竟是什么增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality，簡稱AR）技術(shù)，是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，它通過電腦等科學(xué)技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。它的出現(xiàn)意味著能將計(jì)算機(jī)技術(shù)帶到現(xiàn)實(shí)當(dāng)中來，能使科技更“貼近”人們在現(xiàn)實(shí)世界的生活。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是對現(xiàn)實(shí)的增強(qiáng)，是虛擬影像和現(xiàn)實(shí)影像的融合，如圖1-2所示。圖1-2AR技術(shù)的三大特征增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)的區(qū)別，歸根到底是對現(xiàn)實(shí)的增強(qiáng)還是完全的虛擬化。若是讓人們完全投入虛擬世界的沉浸感，則是虛擬現(xiàn)實(shí)。若是讓虛擬的事物和現(xiàn)實(shí)接軌，則是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)究竟是什么混合現(xiàn)實(shí)混合現(xiàn)實(shí)（MixedReality，簡稱MR）技術(shù)，指的是合并真實(shí)世界和虛擬世界而產(chǎn)生的新的可視化環(huán)境的技術(shù)?；旌犀F(xiàn)實(shí)通過在現(xiàn)實(shí)場景呈現(xiàn)虛擬場景信息，人眼看到的將是經(jīng)過計(jì)算機(jī)渲染后新的“混合畫面”，在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶之間搭起一座交互橋梁，使用戶幾乎感受不到現(xiàn)實(shí)和虛擬世界的差異，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感，如圖1-3所示。圖1-3混合現(xiàn)實(shí)場景虛擬現(xiàn)實(shí)究竟是什么虛擬現(xiàn)實(shí)的前生今世虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷史可以概括為五個(gè)時(shí)期。概念萌芽期（1932-1950）。1935年，科幻小說家StanleyG.Weinbaum在其小說中描寫了一個(gè)可以讓人看到、聽到、聞到各種各樣?xùn)|西的神奇眼鏡，類似于我們當(dāng)前所熟知的VR眼鏡。該小說被認(rèn)為是探討虛擬現(xiàn)實(shí)的第一部作品。產(chǎn)品研發(fā)初期（1950-1980）。MortonHeilig研發(fā)出一臺名為Sensorama的感官模擬設(shè)備，該設(shè)備后來被用于虛擬現(xiàn)實(shí)模擬訓(xùn)練，如圖1-4所示。概念普及期（1980-1990）。Lanier于1985年創(chuàng)辦了VPL研究所，主要研究虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。VR逐漸受到媒體的關(guān)注，人們開始意識到VR存在著巨大潛力。虛擬現(xiàn)實(shí)：走進(jìn)VR夢幻世界產(chǎn)品迭代期（1990-2015）。資本市場發(fā)現(xiàn)VR商業(yè)潛力，并紛紛投入研發(fā)。SEGAVR、MegaDrive、Virtuality、QuickTimeVR、VirtualBoy、Oculus等快速發(fā)展期（2016-）。隨著硬件設(shè)備和信息科技的發(fā)展，帶動(dòng)著VR行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期。各大VR行業(yè)領(lǐng)頭羊紛紛發(fā)力，在2016年迎來了一次大爆發(fā)。產(chǎn)品的廣泛使用，使得設(shè)備價(jià)格更親民，內(nèi)容更豐富，交互體驗(yàn)更吸引用戶。

虛擬現(xiàn)實(shí)的前生今世虛擬現(xiàn)實(shí)的“3I”特征，即沉浸感（Immersion）、構(gòu)想性（Imagination）和交互性（Interaction），是由BurdeaG和Coiffet在1994年首次提出。

虛擬現(xiàn)實(shí)的3I特征沉浸感虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感（Immersion）是利用VR設(shè)備介入用戶的視覺和聽覺，令人產(chǎn)生虛擬視覺，也可使用可穿戴設(shè)備介入用戶的觸覺，令人產(chǎn)生虛擬觸動(dòng)感，所形成的這些虛擬環(huán)境，使用戶高程度覺得自身真實(shí)存在于虛擬世界中。通俗來講，沉浸感即用戶作為一個(gè)人存在于虛擬世界中的真實(shí)感，使用戶覺得自己便是虛擬世界的一部分。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)根據(jù)人類的視覺、聽覺的生理心理特點(diǎn)，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生逼真的三維立體圖像和音頻。使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備，便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一員。使用者與虛擬環(huán)境中的各種對象相互作用，就如同在現(xiàn)實(shí)世界一樣：當(dāng)使用者移動(dòng)頭部時(shí)，虛擬環(huán)境中人物視角所看到的景象畫面也發(fā)生變化；拿起物體可使物體隨著手的移動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，通過多聲道耳機(jī)還可以聽到三維仿真聲音。虛擬現(xiàn)實(shí)的3I特征構(gòu)想性虛擬現(xiàn)實(shí)的構(gòu)想性（Imagination）是指虛擬場景由設(shè)計(jì)者所想象出來的，既可以是真實(shí)現(xiàn)象的重現(xiàn)，也可以有想象的成分。比如建筑設(shè)計(jì)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)甚至能夠比圖紙描繪更形象生動(dòng)，有真實(shí)感。虛擬現(xiàn)實(shí)的構(gòu)想性可以讓人們跨越時(shí)空，體驗(yàn)到現(xiàn)實(shí)生活難以甚至是無法體驗(yàn)的事件和場景。虛擬現(xiàn)實(shí)的3I特征虛擬現(xiàn)實(shí)的3I特征交互性虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性（Interaction）是使虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)交互成為一種更近乎自然的交互特性,使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行交互,而且能夠通過VR頭顯、VR數(shù)據(jù)手套等用于信息輸入輸出的傳感設(shè)備進(jìn)行交互。計(jì)算機(jī)能根據(jù)使用者的頭、手、眼、語言及身體的運(yùn)動(dòng),實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像及聲音。使用者通過自身的語言、身體運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作等自然技能,就能對虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行操作，以此來使用戶能通過自然的方式，產(chǎn)生同在真實(shí)世界中一樣的感受。交互性的另一個(gè)方面是實(shí)時(shí)性，例如用戶抓取虛擬環(huán)境中的物體，該物體會隨抓取動(dòng)作實(shí)時(shí)做出相應(yīng)反應(yīng)，使用戶有握著東西的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)：走進(jìn)VR夢幻世界常見感知設(shè)備動(dòng)作捕捉系統(tǒng)04力反饋設(shè)備05CAVE虛擬系統(tǒng)06構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境離不開VR硬件設(shè)備的支持，常見的硬件設(shè)備和系統(tǒng)有VR頭顯、數(shù)據(jù)手套、動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)、力反饋設(shè)備、CAVE虛擬系統(tǒng)等。01VR頭顯02數(shù)據(jù)手套03構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境離不開VR硬件設(shè)備的支持，常見的硬件設(shè)備和系統(tǒng)有VR頭顯、數(shù)據(jù)手套、動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)、力反饋設(shè)備、CAVE虛擬系統(tǒng)等。常見感知設(shè)備常見感知設(shè)備VR頭顯VR頭顯是一種頭戴式顯示設(shè)備。早期沒有頭顯這個(gè)概念，產(chǎn)生了VR眼鏡、VR眼罩、VR頭盔等各種各樣的叫法。VR頭顯是利用設(shè)備將人的視聽感官封閉，模擬出虛擬環(huán)境，讓用戶產(chǎn)生一種身在其中的感覺。圖1-7VRBOX頭顯圖1-8VR頭顯效果圖數(shù)據(jù)手套圖1-9數(shù)據(jù)手套與虛擬環(huán)境的交互常見感知設(shè)備數(shù)據(jù)手套是一種多模式的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件，它通過軟件編程，可進(jìn)行虛擬場景中物體的抓取、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，也可以利用它的多模式性，用作一種控制場景漫游的工具。數(shù)據(jù)手套的出現(xiàn)，為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了一種全新的交互手段，目前的產(chǎn)品已經(jīng)能夠檢測手指的彎曲，并利用磁定位傳感器來精確地定位出手在三維空間中的位置。這種結(jié)合手指彎曲度測試和空間定位測試的數(shù)據(jù)手套被稱為“真實(shí)手套”，可以為用戶提供一種非常真實(shí)自然的三維交互手段。動(dòng)作捕捉技術(shù)的本質(zhì)其實(shí)就是把現(xiàn)實(shí)人物的動(dòng)作復(fù)制到虛擬人物身上。目前，VR動(dòng)作捕捉存在著兩種主流動(dòng)作捕捉方案：光學(xué)方案與慣性方案。

通過攝像機(jī)進(jìn)行的動(dòng)作捕捉技術(shù)方案，因?yàn)閿z像機(jī)運(yùn)用的是光學(xué)技術(shù)，所以這種方案被稱為光學(xué)動(dòng)捕方案。

IMU（Inertialmeasurementunit）即慣性傳感器單元，識別人的運(yùn)動(dòng)慣性來進(jìn)行動(dòng)作捕捉，通常被稱為慣性動(dòng)捕方案。動(dòng)作捕捉系統(tǒng)常見感知設(shè)備力反饋設(shè)備力反饋就是利用機(jī)械表現(xiàn)出的反作用力，將游戲數(shù)據(jù)通過力反饋設(shè)備表現(xiàn)出來，可以讓用戶身臨其境地體驗(yàn)游戲中的各種效果。力反饋技術(shù)能將游戲中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成用戶可以感覺到的效果，例如道路上的顛簸或者轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤感受到的反作用力，這些效果都是力反饋控制芯片“播放”出來的。CAVE虛擬系統(tǒng)圖1-12CAVE系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬3D環(huán)境常見感知設(shè)備世界上第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)便是CAVE。它把高分辨率的立體投影技術(shù)、三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和音響技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合在一起，產(chǎn)生一個(gè)立體投影畫面包圍的高級虛擬仿真環(huán)境，并借助相應(yīng)虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備（如數(shù)據(jù)手套、力反饋裝置、位置跟蹤器等），從而獲得一種身臨其境的高分辨率三維立體視聽影像和自由度交互感受。虛擬現(xiàn)實(shí)：走進(jìn)VR夢幻世界實(shí)戰(zhàn)：國內(nèi)外著名VR案例欣賞VR電影01VR電商03VR展館02VR游戲04實(shí)戰(zhàn)：國內(nèi)外著名VR案例欣賞VR電影圖1-13愛奇藝VR的影院場景壹圖1-14愛奇藝VR中360環(huán)境的侏羅紀(jì)世界影片貳圖1-15“砥礪奮進(jìn)