1、了解虚拟现实的概念；
2、了解虚拟现实的组成及国内
和同外虚拟现实研究的现状。
人脸识别医疗
教学重点：
1、虚拟现实定义；
固液分离装置2、虚拟现实的组成；
3、虚拟现实的应用研究现状；
4、虚拟现实的应用前景。
1.前言
人类有许多梦想，一些梦想已经变为现实，而有一些梦想也许永远都 不可能实现。然而，有一种技术却能使一切梦想全部在感知中实现，这就 是虚拟现实技术 虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）。
虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒 体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，由于它生成的视觉环 境是立体的、音效是立体的，人机交互是和谐友好的，因此虚拟现实技术 将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，即计算机创造的环境将 人们陶醉在流连忘返的工作环境之中。
虚拟现实（VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术， 它集多媒体、网络技术、传感技术等多种先进技术为一体，
是当今前景最好的计算机技术之一。
虚拟现实
虚拟环境
虚拟房间 虚拟汽车
虚拟人
虚拟现实技术的发展
1965年，Sutherland在篇名为《终极的显示》（The Ultimate Display）的 论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟 现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现 实系统的研究探索历程。
1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以来所脚踏式垃圾桶
取得的一系列成就，美国的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词。
80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实 技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技 术的广泛关注。1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室组织开 发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计 算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。
虚拟现实技术的发展
90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机 软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时 动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实 用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统 的发展打下了良好的基础。
例如1993年的11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成 了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚 拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来引起科技界瞩目 的又一件工作。
虚拟现实技术的发展
虚拟现实外国有时还称为：“信息空间”，“人工现实”，“合成环 境“等，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提
供诸如视、听、嗅、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限
度地方便用户的操作，从而提高整个系统的工作效率。我们可以简单地理
解为：
利用计算机生成的能给人多种感官刺激的人机交互系统。
两个方面：
第一是计算机生成的虚拟环境必
须是能给人提供多种感觉的感官刺激
的环境，能让人有“沉浸”的感觉，现
在的技术水平，虚拟现实通常由视觉、
听觉和触觉构成。
其二是虚拟现实系统是一种高级
的人机交互系统，因此人机交互是虚
拟现实的核心。钢结硬质合金
2. VE (Virtual Environment) 技术
– 科学技术的发展使得人们对信息的需求越来越多， 人门对信息的接受和理解变得也愈重要，人门不 再满足通过数字、图像的方式观察信息的处理结 果，而迫切需要通过视觉、听觉、触觉、嗅觉、 以及形体、手势或口令，并直接参与到信息的处 理环境中，获得身临其境的感觉。
VE (Virtual Environment) 技术
• 虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），是 一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具 体地说，就是采用以计算机技术为核心的现 代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的 特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备 以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互 作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环 境的感受和体验。
VE (Virtual Environment) 技术
• VR起源可追溯到1965年Ivan Sutherland在 IFIP会议上的《终极的显示》报告，而 Virtual Reality一词是80年代初美国VPL公 司的创建人之一Jaron Lanier提出来的。VR 系统在若干领域的成功应用，导致了它在90 年代的兴起。虚拟现实是高度发展的计算机 技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映， 不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网 络技术、并行处理技术、人工智能等高性能 计算技术，而且涉及数学、物理、通信，甚 至与气象、地理、美学、心理学和社会学等 相关。
VE (Virtual Environment) 技术 定义
:
虚拟环境是相对于实环境的，并有人的 操作和参与而形成的一种虚构的、视觉 上的、听觉上的、感觉上、嗅觉上的存 在，是一种物理意义上的人机交互和抽 象组合，而这种存在是由计算机系统产 生的。在实环境中，人们可以直接的感 受到实际的物体和存在，并与其进行交 互和远程操作。而虚拟环境是一种利用 显示技术虚构的环境，只是在感觉上能
够体验到的一种境界
虚拟环境
虚拟现实的概念模型
虚
拟环境 实
物虚化 人
虚
物实化
3 虚拟现实的基本特征
• 虚拟环境实质上不在是建立在一维的数字化 信息空间，而是建立在一个多维信息空间的 集成化环境，而虚拟现实 (Virtual Reality VR) 技术是支撑这种集成环境的关键技术，是一 种新的人—机界面形式，它为用户（参与者） 提供了一种临境(immersive)和多感觉通道 （multisensory ）的体验，试图寻求一种最佳 的人机通讯方式。虚拟现实也被称为人工环 境(artifical environments)、电脑空间 (cyberspace)、人工合成环境(synthetic environments)、虚拟环境(Virtual Environment)。
虚拟现实的基本特征
• 虚拟现实技术近年来在技术研究领域十分活跃，它 包容了计算机图形学、多媒体技术、人工智能技术、 人机接口技术、传感器技术、并行实时计算技术和 人的行为学等关键技术，是多媒体技术的一种发展 境界。与传统计算机相比，VR 系统有着三个重要 的特点：
– 临境(immersion)； – 交互性(interactivity)； – 想象(imagination)。
• 这三者都与人密切相关。我们可以简单地说，VR 是计算机图形学和人机交互技术的发展产物。但 从更广泛的意义上讲，VR 是人与技术系统完美的 结合，人在整个系统占有重要的地位。
虚拟现实的基本特征
虚拟技术三角形
虚拟现实的基本特征
• 沉浸感(Iimmersion)是指用户作为主角存在于虚拟环境
中的真实程度。理想的虚拟环境应该达到使用户难以分 辨真假的程度(例如可视场景应随着视点的变化而变化)， 甚至超越真实，如实现比现实更逼真的照明和音响效果 等。
• 交互性(Iinteraction)是指用户对虚拟环境内的物体的
可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。 例如，用户可以用手直接抓取虚拟环境中的物体，这时 手有触摸感，并可以感觉物体的重量，场景中被抓的物 体也立刻随着手的移动而移动。
• 想象(Imagination )是指用户沉浸在多维信息空间中，
依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主
观能动性，寻求解答，形成新的概念。
Immersion Imagination
Interaction
I
3
4 虚拟系统组成
• 虚拟现实系统可分为四大类：
– 桌面虚拟现实系统（Desktop VR ） – 临境虚拟现实系统(Immersive VR)
– 增强性的虚拟现实系统(Augmented Reality ) – 分布式虚拟现实系统(Distributed VR)
4.1 桌面VR系统(简易型虚拟现实系统）
桌面虚拟现实利用个人计算机和低级 工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用 户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输 入设备实现与虚拟现实世界的充分交互， 这些外部设备包括立体眼镜、3D控制器使 监视器或者鼠标，追踪球，力矩球等。它 要求参与者使用输入设备，通过计算机屏 幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵 其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉 浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干 扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的 现实体验，但这种系统的特点是结构简单、 价格低廉，组成灵活，易于普及推广，是 一套经济实用的系统。
桌面VR也称为窗口中的VR，这类系统由于采用 标准的CRT显示器和立体(Stereoscopic)显示技术， 其分辨率较高，价格较便宜。在使用时，桌面VR系统 设定一个虚拟观察者的位置。桌面VR系统通常用于 工程CAD、建筑设计以及某些医疗应用。
• 特点：
–桌面虚拟现实技术就是使用个人计算机或工作站 去产生虚拟境界。将计算机的屏幕作为用户观察 虚拟境界的一个窗口。
4.1桌面VR系统(简易型虚拟现实系统）
–参与者使用位置跟踪和另一个手控输入设备， 如六自由度鼠标器、游戏操纵杆、力矩球等，使 其虽然坐在监视器前面，但可通过计算机屏幕观 察360度范围内的虚拟景物。
–桌面虚拟现实系统虽然使参与者沉浸的程度要 差，但技术上便于实现，成本低，这对于许多用 户来说是很有吸引力的。
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–桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验 ，但应用比较广泛。常见桌面虚拟现实技术有： 基于静态图像的虚拟现实QuickTime VR、虚拟现 实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。
4.1桌面VR系统(简易型虚拟现实系统）
4.2 临境VR虚拟系统 (Immersive VR)
沉浸型虚拟现实系统提供完全沉浸的体验。它利用头盔 式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感 觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利 用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等 使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的 感觉。
4.2 临境VR虚拟系统 (Immersive VR)
• 沉浸式虚拟现实要使用特殊 的硬件设备，如头盔和数据 手套。
• 头盔实际上有三个不同的部 分：头盔显示器（HMD:Head- Mounted Display）、头盔定 位装置和立体声耳机。头盔 显示器又叫虚拟现实眼镜， 它可以将两幅具有一定视差 的图像，通过左右显示屏直 接提供给参与者的眼睛，使 他观看到具有深度感的立体 图象，而将所有无关的视觉 信息滤除掉。
4.2临境VR虚拟系统
• 头盔定位的功能是实时地测定参与者头部的三维坐标 值及旋转角度值，这是形成三维图形的重要参数。声 音的存在可以提高真实感。双声道或多声道耳机所提 供声音不但能使参与者判断它的大致距离和方向，而 且可将它解释的声音变换成一张与眼睛同时接收到的 视觉图象相对应的思维图。
4.2临境VR虚拟系统
• 数据手套是一种典型的手部输入设备。它可以实是 测定手与手指的三维位置值及手指触摸物体的信息 。这样，当参与者戴上头盔和数据手套之后，就可 以通过头盔定位装置输入观察方向；通过头盔显示 器观看计算机生成的三维立体景物以及自身运行和 动作在画面上的反应；通过立体声耳机扣到虚拟空 间中一些对象发出的声音；通过数据手套一方面输 入出手臂的动作姿态，另一方面得到手指接触虚拟 物体的触感；所有这些都促使他产生一种置向于虚 拟世界之中的感觉。
20081212
• 真实世界与操作人员相隔两地 • 遥存在(TelePresence)
过程1v2PO• 主要应用：远程手术，远程探测等
计
算机 实
物虚化
人
虚
物实化 计
算机或机器人 虚
物实化 实
物虚化
计算机网络
虚拟环境
真
实世界
4.2临境VR虚拟系统
• 临境VR系统利用头盔显示器把用户的视觉、听 觉和其他感觉封闭起来，产生一种身在虚拟环 境中的错觉。
–高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户 有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔 式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和 其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感 觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手 控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其 境、全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式 系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟 现实系统、远程存在系统。
4.2临境VR虚拟系统
• 桌面VR和临境VR之间的主要差别在于:
–参与者身临其境的程度，这也是它们的系统 结构、应用领域和成本都大不相同原因。桌 面虚拟现实系统以常规的CRT彩显示器和三 维立体眼镜来增加身临其境的感觉，主要交 互装置为六自由度鼠标或三维操纵杆。临境 虚拟现实系统则采用头盔显示（HMD），主要 交互装置为数据手套和头部跟
踪器。
4.2临境VR虚拟系统
4.3增强虚拟现实系统(Augmented Reality)
• 增强现实性的虚拟现实，增强现实性的虚拟现实 不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真 现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环 境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便 的感受。典型的实例是战机飞行员的平视显示器 ，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装 在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员 不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力 盯着敌人的飞机或导航偏差。
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