從事虛擬現實與先進仿真等技術研究和應用開發的人員，高等院校計算機、自動控制、仿真、電子等相關專業高年級本科生和研究生
目錄
第1章 虛擬現實概述 1
1.1 虛擬現實的概念 1
1.2 虛擬現實的產生及發展過程 2
1.3 基本特點 4
1.3.1 虛擬現實的3I特征與4類系統形態 5
1.3.2 虛擬現實的4類主要應用 6
第2章 虛擬現實典型硬件設備和軟件平臺 10
2.1 虛擬現實硬件設備 10
2.1.1 顯示設備 10
2.1.2 跟蹤定位設備 13
2.1.3 觸力覺交互設備 17
2.1.4 數據獲取設備 19
2.1.5 多自由度運動平臺 22
2.2 虛擬現實軟件開發平臺 23
2.2.1 建模軟件 23
2.2.2 繪制軟件 25
2.2.3 綜合類軟件 28
第3章 國內外虛擬現實技術研究現狀 30
3.1 獲取與建模技術 31
3.1.1 國外情況 31
3.1.2 國內情況 34
3.2 分析與利用技術 36
3.2.1 國外情況 36
3.2.2 國內情況 38
3.3 交換與分發技術 38
3.3.1 國外情況 38
3.3.2 國內情況 41
3.4 展示與交互技術 42
3.4.1 國外情況 42
3.4.2 國內情況 46
3.5技術標準及評價體系 47
3.5.1 國外情況 47
3.5.2 國內情況 50
第4章 社會發展對虛擬現實的需求分析 52
4.1 行業領域發展對虛擬現實技術的需求 52
4.1.1 國防軍事 52
4.1.2 航空航天 55
4.1.3 公共安全 57
4.1.4 裝備制造 60
4.1.5 城市管理 63
4.2 大眾消費對虛擬現實技術的需求 65
4.2.1 醫療健康 65
4.2.2 電子商務 67
4.2.3 教育培訓 70
4.2.4 文化娛樂 73
4.3 瓶頸問題分析 76
第5章 相關技術對虛擬現實的影響 77
5.1 新型網絡技術產生的需求與影響 77
5.1.1 基于虛擬現實十視頻的網絡化虛實融合技術 77
5.1.2 基于三維角色的網絡增強虛擬環境技術 81
5.1.3 基于云服務的交互式虛擬現實應用技術 83
5.1.4 移動互聯網上的虛擬現實技術 86
5.2 可穿戴設備產生的需求與影響 88
5.2.1 智能手環和智能手表 88
5.2.2 頭盔顯示器 89
5.2.3 可穿戴設備發展趨勢及存在的問題 108
5.3 智能交互技術產生的需求與影響 110
5.3.1 智能語音交互 111
5.3.2 體感交互 113
5.3.3 腦機接口 114
5.3.4 眼動跟蹤 115
第6章 新型虛擬現實的特點分析 117
6.1 新型虛擬現實系統 117
6.1.1 國防軍事 117
6.1.2 醫療健康 120
6.1.3 空間技術 122
6.1.4 汽車制造 123
6.2 新型虛擬現實系統特點 126
6.2.1 設備價格大眾化 126
6.2.2 硬件設備小型化和輕量化 127
6.2.3 虛擬現實技術更加市場化 12
6.2.4 更加注重用戶體驗 127
6.3 虛擬現實技術發展趨勢 128
6.3.1 虛擬現實系統智能化 128
6.3.2虛實環境對象無縫融合 129
6.3.3 自然交互多方位與舒適化 129
6.4 重大虛擬現實基礎平臺和應用設備開始出現 129
第7章 量虛擬現實產業分析 131
7.1 虛擬現實產業現狀 133
7.1.1 虛擬現實硬件產業現狀 133
7.1.2 虛擬現實軟件和內容產業現狀 136
7.1.3 虛擬現實應用和服務產業現狀 140
7.2 虛擬現實產業面臨的問題和可能的生長點 148
7.2.1 虛擬現實產業面臨的主要問題 148
7.2.2 虛擬現實產業可能的生長點 151
第8章 我國虛擬現實發展的道路 153
參考文獻 156
第1章 虛擬現實概述
1.1 虛擬現實的概念
虛擬現實(virtual reality，VR)涉及高性能計算、圖形圖像處理、人機交互、人機環境等，是計算機技術與應用銜接，向不同領域滲透，正在對各行業運行產生重大影響的顛覆性技術。虛擬現實在其產生和發展過程中，內涵和外延不斷演化，同時，虛擬現實因多學科交叉融合也使得其在不同領域、不同學科中的表述有所差異，因此概念也在不斷發生變化。綜合而言，虛擬現實概念的定義在學術界較為經典和具有代表性的有如下幾個：
虛擬現實概念1 (Wikipedia)虛擬現實，又稱為沉浸式多媒體或計算機仿真現實，能重現一種可以模擬真實世界或虛擬世界中實際存在的環境，允許用戶與世界交互。虛擬現實人工地創造感官，包括視覺、觸覺、聽覺和嗅覺等。
虛擬現實概念2 (Bryson)虛擬現實是指利用計算機和人機接口來創造擁有可交互對象和強烈三維空間感的虛擬世界的手段。
虛擬現實概念3 (NASA)虛擬現實是指利用計算機技術創建擁有可交互特性和強烈空間感的三維世界這一過程。
虛擬現實概念4(趙沁平)虛擬現實是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實環境在視覺、聽覺、觸感等方面高度近似的數字他環境，用戶借助必要的裝備與數字化環境中的對象進行交互，相互影響，可獲得親臨對應真實環境的感受和體驗。
上述概念高度凝練了虛擬現實的重要內容，如計算機技術是構造虛擬現實的核心技術，因此計算機技術的快速發展是虛擬現實不斷進步的重要驅動力；視覺、聽覺和觸感等多感官輸出是虛擬現實作用于用戶的通道，也是使虛擬現實具有多學科交叉融合特點的重要基礎；虛擬現實與人機交互密切關聯，是人機交互界面的形態，人機交互也是虛擬現實的重要組成內容。
1.2 虛擬現實的產生及發展過程
虛擬現實的產生和發展存在必然性。模擬仿制真實世界的對象為人所用，一直是人類追求的一個目標。"草船借箭"中的稻草人、"紙船明燭照天燒"中的紙船，以及軍隊訓練拼刺刀用的木槍就是對人、船和槍的簡單實物仿真。現代科學技術的發展將人類這一追求不斷推向新的階段和高度。虛擬現實就是隨著高性能計算、圖形圖像處理、人機交互等技術的發展，人們在模擬真實世界方向上達到的境界。虛擬現實從概念產生、技術實現到產業發展，先后經歷了幾個不同的階段：
1929年，Edwin發明了一種飛行模擬器，使乘坐者體驗到了飛行的感覺。其后隨著控制技術的不斷發展，各種仿真模擬器陸續問世。1956年，Heileg開發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，并能產生振動感覺，Heileg于1962年申請的專利"SensoramaSimulator"已具有虛擬現實的思想萌芽。
1963年，作家、發明家和未來學家Gernsback在Life雜志上發表了文章，論述了其發明的Teleyeglasses，這是他構思的一款頭戴式電視收看設備，是虛擬現實顯示器的萌芽。
1965年，計算機圖形學、虛擬現實奠基人Sutherland博士發表了一篇短文"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。他設想，使用這種顯示技術，觀察者可以沉浸在計算機生成的虛擬環境中，就如同生活在真實世界中一樣。同時，觀察者還能以自然的方式與虛擬環境進行交互，如觸摸感知和控制虛擬對象等。1968年，Sutherland研制了個頭戴式顯示設備，稱為"達摩克利斯之劍"(The Sword of Damocles)，這是個虛擬現實原型設備，開啟了虛擬現實研究領域。
1973年，Krueger提出了"artificial reality"一詞，這是早出現的虛擬現實詞語。受計算機技術本身發展的限制，20世紀70年代虛擬現實技術發展較為緩慢。進入80年代，隨著計算機技術，特別是個人計算機和計算機網絡的發展，虛擬現實技術發展加快，這一時期出現了幾個典型的虛擬現實系統。1983年，美國陸軍和美國國防部高級項目研究計劃局(DARPA)共同制定并實施SIMNET (SIMulation NETwork)計劃，開創了分布交互仿真技術的研究和應用，對分布式虛擬現實技術的發展具有重要影響。1984年，Greevy和Humphries開發了虛擬環境視覺顯示器，將火星探測器發回地面的數據輸入計算機，構造了三維虛擬火星表面環境。此外還有Videoplace、View等，這些系統的開發推動了虛擬現實的應用。
1986年，Fisher等發表了虛擬現實方面的論文"The virtual environment display system"。1987年，Foley在《科學美國人》(Scientjfc American)上發表了題目為"Interfaces for advanced computing"的文章。該雜志還發表了數據手套的文章，引起了人們的關注。1989年，美國VPL公司的創始人Lanier提出了"virtual reality"一詞，這一詞語很快被學術界、產業界所接受，并成為該領域的專用名稱。
90年代以后，隨著高性能計算、人機交互技術與設備、計算機網絡與通信等科學技術領域的突破和高速發展，以及軍事演練、航空航天、復雜設備研制等重要應用領域的巨大需求，虛擬現實進入快速發展階段。
1990年在美國Dallas召開的SIGGRAPH會議上，研究者們對虛擬現實展開了討論，提出了虛擬現實研究的主要內客是實時三維圖形生成技術、多傳感交互技術，以及高分辨率顯示技術等。1993年，Heim在其著作Metaphysics of Virtual Reality中刻畫了虛擬現實的7個特征——模擬性、交互作用、人工現實、沉浸性、遙在、全身沉浸和網絡通信。1994年，Burdea和Coiffet出版了Virtual Reality Technology一書，用3I(immersion-1nteraction-imagination)概括了虛擬現實的基本特征。
同期，一批用于虛擬現實系統開發的軟件平臺和建模語言開始出現。
1989年，Quantum 3D公司開發了OpenGVS。1992年，Sense8公司推出了WTK。1994年3月在日內瓦召開的屆WWW大會上，首次提出了VRML，開始了相關國際標準的制定，并逐步形成了X3D、基于HTML5的WebGL等。
進入21世紀以來，計算機技術得到了更高速的發展，互聯網、移動終端等改變了人類生活和工作的方式，其推動社會發展的作用凸顯。虛擬現在80年代及90年代初期取得了一定成效，一些發達國家開始對其重視，將對其發展的支持提升到國家戰略層面。美國、歐洲、日本和找國先后在國家科技發展戰略中部署虛擬現實，其研究和應用向行業高端和大眾普及兩個方向拓展。
2002年，Nvida和ATI等公司推出可編程圖形處理單元(graphics processing unit，GPU)，大幅提升了個人計算機的三維圖形實時處理能力，并成為高性能計算機的重要組成部分。2009年，電影《阿凡達》使人們對虛擬現實有了更直接的感受，該年也被稱為3D元年。其后許多國家掀起了制作三維電影的熱潮，更具虛擬現實交互體驗感的四維影院已成為受大眾喜愛的觀影方式。
2014年，虛擬現實顯示器(head mounted display，HMD) Oculus Rift入選MIT《技術評論》年度10大突破性技術。評論認為：虛擬現實頭盔顯示器和沉浸式虛擬環境已經存在了三十多年，這項技術似乎開始進入終的廣泛使用階段，從各種媒體報道來看，Oculus Rift不但價格便宜，而且擺脫了傳統昂貴頭盔顯示器帶來的不適感，體驗感更好。2014年3月，Facebook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，增強了三維購物/娛樂體驗；同年9月，Microsoft公司研發了三維觸覺反饋觸摸屏，可以輔助醫生"觸摸"腫瘤，提升醫療診斷水平。Sony、HTC、Samsung、Vuzix、Nvida等巨頭也紛紛介入頭盔顯示器和移動終端三維處理等領域。2015年，Google公司領投數億美元的Magic Leap創業公司突破一項顛覆性技術，能使虛擬物體看起來與現實生活中一樣。這～技術將給影視、游戲、商務、旅游和電信等行業帶來全新的機會和顛覆性影響。
2016年初，美國著名投資銀行高盛的一份報告詳細討論了虛擬現實與增強現實(augment reality，AR)產業的未來發展狀況。高盛公司認為虛擬現實與增強現實擁有巨大潛力，到2025年虛擬現實與增強現實軟硬件營收將達到800億美元，樂觀估計，年營收可達到1820億美元，保守預測，到2025年也將達到230億美元。如果高盛公司預測，那么2025年時虛擬現實與增強現實市場將比TV市場還大，規模可達到1100億美元，而TV市場是990億美元。信息技術及科技咨詢公司IDC預測，2016年我國虛擬現實設備出貨量將達到48萬臺，同比增長476%，行業將迎來爆發式增長。因此，許多媒體將2016年稱為虛擬現實產業元年。
總之，人類探求自然的目標和社會需求是虛擬現實產生與發展的驅動力。計算機科技工作者對計算機系統更快捷、更聰明、更和諧的永恒追求，促使虛擬現實技術不斷發展。
1.3 基本特點
虛擬現實的基本特點可以從其典型特征、系統形態、應用方向三方面概括為3I特征、4類系統形態和4大應用方向。
1.3.1 虛擬現實的3I特征與4類系統形態
1.虛擬現實的引特征
長期以來，虛擬現實的典型特征被概括為3I，即沉浸(immersion)、交互(interaction)和構想(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感；交互是指提供參與人員適人化的人機操作；構想是指通過沉浸和交互，使參與人員產生創想能力。近年來，虛擬現實系統的智能化研究日益受到重視，因此智能(intelligence)將成為虛擬現實的第4個重要特征，這在后續章節論述。
2.虛擬現實的4類典型系統形態
虛擬現實系統雖然具有31共性特征，但在表現形態上卻千差萬別，因應用而異，目前一般將其分為如下四種類型。
1) 沉浸型
主要面向高端應用，其特點是使用高端圖形工作站(群)和高逼真感的視聽觸覺設備，以提供更好的沉浸感。例如，在視覺和聽覺上使用大型360。環幕、頭盔顯示器、高逼真聲場設備等，在觸感和交互上使用高精度三維定位、數據手套、體姿獲取裝置等沉浸型交互設備。
2) 桌面型
主要面向普及型應用，其特點是基于個人計算機和常規交互設備，在通用硬件上構造簡易型系統。例如，采用常規鍵盤、游戲桿、鼠標(三維鼠標)、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) 增強型
主要面向增強現實應用，其特點是利用機械、聲波、光學和電磁技術獲取運動物體的三維姿態，然后與虛擬對象進行注冊、融合，并使用透視式頭盔顯示器，在現實場景中疊加虛擬物體，增加虛實融合的內容。
4) 分布型
主要面向網絡環境中的虛擬現實應用，其特點是利用網絡將不同節點的虛擬現實系統聯結在一起，共享一致的虛擬環境，從而進行分布交互和協同工作。這里，網絡可以是專有網絡，主要面向軍事、航空航天等特定應用，也可以是互聯網，主要面向教育、娛樂等大眾普及型應用。目前，基于移動互聯網的分布式虛擬現實系統是研究和應用的熱點。
上述四種類型系統既有區別，也有聯系。例如，沉浸型、桌面型和增強型系統都可以作為分布
