日本免费精品视频,男人的天堂在线免费视频,成人久久久精品乱码一区二区三区,高清成人爽a毛片免费网站

第1章 虛擬現(xiàn)實(shí)概述

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)涉及高性能計(jì)算、圖形圖像處理、人機(jī)交互、人機(jī)環(huán)境等，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用銜接，向不同領(lǐng)域滲透，正在對(duì)各行業(yè)運(yùn)行產(chǎn)生重大影響的顛覆性技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)在其產(chǎn)生和發(fā)展過程中，內(nèi)涵和外延不斷演化，同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)因多學(xué)科交叉融合也使得其在不同領(lǐng)域、不同學(xué)科中的表述有所差異，因此概念也在不斷發(fā)生變化。綜合而言，虛擬現(xiàn)實(shí)概念的定義在學(xué)術(shù)界較為經(jīng)典和具有代表性的有如下幾個(gè)：

虛擬現(xiàn)實(shí)概念1 (Wikipedia)虛擬現(xiàn)實(shí)，又稱為沉浸式多媒體或計(jì)算機(jī)仿真現(xiàn)實(shí)，能重現(xiàn)一種可以模擬真實(shí)世界或虛擬世界中實(shí)際存在的環(huán)境，允許用戶與世界交互。虛擬現(xiàn)實(shí)人工地創(chuàng)造感官，包括視覺、觸覺、聽覺和嗅覺等。

虛擬現(xiàn)實(shí)概念2 (Bryson)虛擬現(xiàn)實(shí)是指利用計(jì)算機(jī)和人機(jī)接口來創(chuàng)造擁有可交互對(duì)象和強(qiáng)烈三維空間感的虛擬世界的手段。

虛擬現(xiàn)實(shí)概念3 (NASA)虛擬現(xiàn)實(shí)是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)建擁有可交互特性和強(qiáng)烈空間感的三維世界這一過程。

虛擬現(xiàn)實(shí)概念4(趙沁平)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)科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視覺、聽覺、觸感等方面高度近似的數(shù)字他環(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，相互影響，可獲得親臨對(duì)應(yīng)真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

上述概念高度凝練了虛擬現(xiàn)實(shí)的重要內(nèi)容，如計(jì)算機(jī)技術(shù)是構(gòu)造虛擬現(xiàn)實(shí)的核心技術(shù)，因此計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展是虛擬現(xiàn)實(shí)不斷進(jìn)步的重要驅(qū)動(dòng)力；視覺、聽覺和觸感等多感官輸出是虛擬現(xiàn)實(shí)作用于用戶的通道，也是使虛擬現(xiàn)實(shí)具有多學(xué)科交叉融合特點(diǎn)的重要基礎(chǔ)；虛擬現(xiàn)實(shí)與人機(jī)交互密切關(guān)聯(lián)，是人機(jī)交互界面的形態(tài)，人機(jī)交互也是虛擬現(xiàn)實(shí)的重要組成內(nèi)容。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)生及發(fā)展過程

虛擬現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展存在必然性。模擬仿制真實(shí)世界的對(duì)象為人所用，一直是人類追求的一個(gè)目標(biāo)。"草船借箭"中的稻草人、"紙船明燭照天燒"中的紙船，以及軍隊(duì)訓(xùn)練拼刺刀用的木槍就是對(duì)人、船和槍的簡(jiǎn)單實(shí)物仿真。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展將人類這一追求不斷推向新的階段和高度。虛擬現(xiàn)實(shí)就是隨著高性能計(jì)算、圖形圖像處理、人機(jī)交互等技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谀M真實(shí)世界方向上達(dá)到的境界。虛擬現(xiàn)實(shí)從概念產(chǎn)生、技術(shù)實(shí)現(xiàn)到產(chǎn)業(yè)發(fā)展，先后經(jīng)歷了幾個(gè)不同的階段：

1929年，Edwin發(fā)明了一種飛行模擬器，使乘坐者體驗(yàn)到了飛行的感覺。其后隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，各種仿真模擬器陸續(xù)問世。1956年，Heileg開發(fā)出一種摩托車模擬器Sensorama，該模擬器具有三維顯示和立體聲效果，并能產(chǎn)生振動(dòng)感覺，Heileg于1962年申請(qǐng)的專利"SensoramaSimulator"已具有虛擬現(xiàn)實(shí)的思想萌芽。

1963年，作家、發(fā)明家和未來學(xué)家Gernsback在Life雜志上發(fā)表了文章，論述了其發(fā)明的Teleyeglasses，這是他構(gòu)思的一款頭戴式電視收看設(shè)備，是虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器的萌芽。

1965年，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)奠基人Sutherland博士發(fā)表了一篇短文"The ultimate display"，以其敏銳的洞察力和豐富的想象力描述了一種新的顯示技術(shù)。他設(shè)想，使用這種顯示技術(shù)，觀察者可以沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，就如同生活在真實(shí)世界中一樣。同時(shí)，觀察者還能以自然的方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，如觸摸感知和控制虛擬對(duì)象等。1968年，Sutherland研制了個(gè)頭戴式顯示設(shè)備，稱為"達(dá)摩克利斯之劍"(The Sword of Damocles)，這是個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)原型設(shè)備，開啟了虛擬現(xiàn)實(shí)研究領(lǐng)域。

1973年，Krueger提出了"artificial reality"一詞，這是早出現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)詞語。受計(jì)算機(jī)技術(shù)本身發(fā)展的限制，20世紀(jì)70年代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展較為緩慢。進(jìn)入80年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是個(gè)人計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展加快，這一時(shí)期出現(xiàn)了幾個(gè)典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。1983年，美國(guó)陸軍和美國(guó)國(guó)防部高級(jí)項(xiàng)目研究計(jì)劃局(DARPA)共同制定并實(shí)施SIMNET (SIMulation NETwork)計(jì)劃，開創(chuàng)了分布交互仿真技術(shù)的研究和應(yīng)用，對(duì)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展具有重要影響。1984年，Greevy和Humphries開發(fā)了虛擬環(huán)境視覺顯示器，將火星探測(cè)器發(fā)回地面的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，構(gòu)造了三維虛擬火星表面環(huán)境。此外還有Videoplace、View等，這些系統(tǒng)的開發(fā)推動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用。

1986年，F(xiàn)isher等發(fā)表了虛擬現(xiàn)實(shí)方面的論文"The virtual environment display system"。1987年，F(xiàn)oley在《科學(xué)美國(guó)人》(Scientjfc American)上發(fā)表了題目為"Interfaces for advanced computing"的文章。該雜志還發(fā)表了數(shù)據(jù)手套的文章，引起了人們的關(guān)注。1989年，美國(guó)VPL公司的創(chuàng)始人Lanier提出了"virtual reality"一詞，這一詞語很快被學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界所接受，并成為該領(lǐng)域的專用名稱。

90年代以后，隨著高性能計(jì)算、人機(jī)交互技術(shù)與設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的突破和高速發(fā)展，以及軍事演練、航空航天、復(fù)雜設(shè)備研制等重要應(yīng)用領(lǐng)域的巨大需求，虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)入快速發(fā)展階段。

1990年在美國(guó)Dallas召開的SIGGRAPH會(huì)議上，研究者們對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)展開了討論，提出了虛擬現(xiàn)實(shí)研究的主要內(nèi)客是實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)，以及高分辨率顯示技術(shù)等。1993年，Heim在其著作Metaphysics of Virtual Reality中刻畫了虛擬現(xiàn)實(shí)的7個(gè)特征——模擬性、交互作用、人工現(xiàn)實(shí)、沉浸性、遙在、全身沉浸和網(wǎng)絡(luò)通信。1994年，Burdea和Coiffet出版了Virtual Reality Technology一書，用3I(immersion-1nteraction-imagination)概括了虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特征。

同期，一批用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)的軟件平臺(tái)和建模語言開始出現(xiàn)。

1989年，Quantum 3D公司開發(fā)了OpenGVS。1992年，Sense8公司推出了WTK。1994年3月在日內(nèi)瓦召開的屆WWW大會(huì)上，首次提出了VRML，開始了相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，并逐步形成了X3D、基于HTML5的WebGL等。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了更高速的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)終端等改變了人類生活和工作的方式，其推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的作用凸顯。虛擬現(xiàn)在80年代及90年代初期取得了一定成效，一些發(fā)達(dá)國(guó)家開始對(duì)其重視，將對(duì)其發(fā)展的支持提升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。美國(guó)、歐洲、日本和找國(guó)先后在國(guó)家科技發(fā)展戰(zhàn)略中部署虛擬現(xiàn)實(shí)，其研究和應(yīng)用向行業(yè)高端和大眾普及兩個(gè)方向拓展。

2002年，Nvida和ATI等公司推出可編程圖形處理單元(graphics processing unit，GPU)，大幅提升了個(gè)人計(jì)算機(jī)的三維圖形實(shí)時(shí)處理能力，并成為高性能計(jì)算機(jī)的重要組成部分。2009年，電影《阿凡達(dá)》使人們對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)有了更直接的感受，該年也被稱為3D元年。其后許多國(guó)家掀起了制作三維電影的熱潮，更具虛擬現(xiàn)實(shí)交互體驗(yàn)感的四維影院已成為受大眾喜愛的觀影方式。

2014年，虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器(head mounted display，HMD) Oculus Rift入選MIT《技術(shù)評(píng)論》年度10大突破性技術(shù)。評(píng)論認(rèn)為：虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔顯示器和沉浸式虛擬環(huán)境已經(jīng)存在了三十多年，這項(xiàng)技術(shù)似乎開始進(jìn)入終的廣泛使用階段，從各種媒體報(bào)道來看，Oculus Rift不但價(jià)格便宜，而且擺脫了傳統(tǒng)昂貴頭盔顯示器帶來的不適感，體驗(yàn)感更好。2014年3月，F(xiàn)acebook公司宣布斥資20億美元收購Oculus VR公司；同年7月，AmazonFire Phone 3D手機(jī)，增強(qiáng)了三維購物/娛樂體驗(yàn)；同年9月，Microsoft公司研發(fā)了三維觸覺反饋觸摸屏，可以輔助醫(yī)生"觸摸"腫瘤，提升醫(yī)療診斷水平。Sony、HTC、Samsung、Vuzix、Nvida等巨頭也紛紛介入頭盔顯示器和移動(dòng)終端三維處理等領(lǐng)域。2015年，Google公司領(lǐng)投數(shù)億美元的Magic Leap創(chuàng)業(yè)公司突破一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，能使虛擬物體看起來與現(xiàn)實(shí)生活中一樣。這～技術(shù)將給影視、游戲、商務(wù)、旅游和電信等行業(yè)帶來全新的機(jī)會(huì)和顛覆性影響。

2016年初，美國(guó)著名投資銀行高盛的一份報(bào)告詳細(xì)討論了虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augment reality，AR)產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展?fàn)顩r。高盛公司認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)擁有巨大潛力，到2025年虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟硬件營(yíng)收將達(dá)到800億美元，樂觀估計(jì)，年?duì)I收可達(dá)到1820億美元，保守預(yù)測(cè)，到2025年也將達(dá)到230億美元。如果高盛公司預(yù)測(cè)，那么2025年時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)將比TV市場(chǎng)還大，規(guī)?？蛇_(dá)到1100億美元，而TV市場(chǎng)是990億美元。信息技術(shù)及科技咨詢公司IDC預(yù)測(cè)，2016年我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備出貨量將達(dá)到48萬臺(tái)，同比增長(zhǎng)476%，行業(yè)將迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)。因此，許多媒體將2016年稱為虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)元年。

總之，人類探求自然的目標(biāo)和社會(huì)需求是虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生與發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。計(jì)算機(jī)科技工作者對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更快捷、更聰明、更和諧的永恒追求，促使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷發(fā)展。

1.3 基本特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特點(diǎn)可以從其典型特征、系統(tǒng)形態(tài)、應(yīng)用方向三方面概括為3I特征、4類系統(tǒng)形態(tài)和4大應(yīng)用方向。

1.3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的3I特征與4類系統(tǒng)形態(tài)

1.虛擬現(xiàn)實(shí)的引特征

長(zhǎng)期以來，虛擬現(xiàn)實(shí)的典型特征被概括為3I，即沉浸(immersion)、交互(interaction)和構(gòu)想(imagination)。其中，沉浸是指在視覺、聽覺和觸覺等方面給參與人員帶來的臨場(chǎng)感；交互是指提供參與人員適人化的人機(jī)操作；構(gòu)想是指通過沉浸和交互，使參與人員產(chǎn)生創(chuàng)想能力。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的智能化研究日益受到重視，因此智能(intelligence)將成為虛擬現(xiàn)實(shí)的第4個(gè)重要特征，這在后續(xù)章節(jié)論述。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)的4類典型系統(tǒng)形態(tài)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)雖然具有31共性特征，但在表現(xiàn)形態(tài)上卻千差萬別，因應(yīng)用而異，目前一般將其分為如下四種類型。

1) 沉浸型

主要面向高端應(yīng)用，其特點(diǎn)是使用高端圖形工作站(群)和高逼真感的視聽觸覺設(shè)備，以提供更好的沉浸感。例如，在視覺和聽覺上使用大型360。環(huán)幕、頭盔顯示器、高逼真聲場(chǎng)設(shè)備等，在觸感和交互上使用高精度三維定位、數(shù)據(jù)手套、體姿獲取裝置等沉浸型交互設(shè)備。

2) 桌面型

主要面向普及型應(yīng)用，其特點(diǎn)是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)和常規(guī)交互設(shè)備，在通用硬件上構(gòu)造簡(jiǎn)易型系統(tǒng)。例如，采用常規(guī)鍵盤、游戲桿、鼠標(biāo)(三維鼠標(biāo))、顯示器(三維顯示器)、三維眼鏡、立體音箱等，為了使交互更為自然，利用Kinect、Wiimote等便攜裝置獲取用戶的體姿和操控信息。

3) 增強(qiáng)型

主要面向增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，其特點(diǎn)是利用機(jī)械、聲波、光學(xué)和電磁技術(shù)獲取運(yùn)動(dòng)物體的三維姿態(tài)，然后與虛擬對(duì)象進(jìn)行注冊(cè)、融合，并使用透視式頭盔顯示器，在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中疊加虛擬物體，增加虛實(shí)融合的內(nèi)容。

4) 分布型

主要面向網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，其特點(diǎn)是利用網(wǎng)絡(luò)將不同節(jié)點(diǎn)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)聯(lián)結(jié)在一起，共享一致的虛擬環(huán)境，從而進(jìn)行分布交互和協(xié)同工作。這里，網(wǎng)絡(luò)可以是專有網(wǎng)絡(luò)，主要面向軍事、航空航天等特定應(yīng)用，也可以是互聯(lián)網(wǎng)，主要面向教育、娛樂等大眾普及型應(yīng)用。目前，基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。

上述四種類型系統(tǒng)既有區(qū)別，也有聯(lián)系。例如，沉浸型、桌面型和增強(qiáng)型系統(tǒng)都可以作為分布