（中職）【02】虛擬現(xiàn)實技術(shù)與應(yīng)用教案 第1章 虛擬現(xiàn)實技術(shù)電子教案

（中職）【02】虛擬現(xiàn)實技術(shù)與應(yīng)用教案第1章虛擬現(xiàn)實技術(shù)電子教案（中職）【02】虛擬現(xiàn)實技術(shù)與應(yīng)用教案第1章虛擬現(xiàn)實技術(shù)電子教案PAGEPAGE17（中職）【02】虛擬現(xiàn)實技術(shù)與應(yīng)用教案第1章虛擬現(xiàn)實技術(shù)電子教案《虛擬現(xiàn)實技術(shù)概論》教案授課班級班級人數(shù)授課教師課題序號授課課型授課課時4課時授課章節(jié)名稱第1章虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學目標知識目標1.了解虛擬現(xiàn)實技術(shù)概況；2.掌握虛擬現(xiàn)實技術(shù)分類；3.理解虛擬現(xiàn)實動態(tài)交互感知設(shè)備；4．掌握虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展。技能目標掌握和理解虛擬現(xiàn)實技術(shù)概論解決實際問題的方法和思路。情感目標1.培養(yǎng)勤于思考、舉一反三的學習習慣；2.培養(yǎng)良好的團隊合作精神。教學重點虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念的理解教學難點虛擬現(xiàn)實技術(shù)原理的理解和應(yīng)用教學方法講授法、自主學習法、探究法、小組討論法教學資源教材、網(wǎng)絡(luò)資源、教學視頻、相關(guān)PPT，多媒體教室板書設(shè)計第2章增強現(xiàn)實技術(shù)[知識學習]1.基本概念2.技術(shù)分類3.虛擬現(xiàn)實動態(tài)交互感知設(shè)備4.虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展[技能訓練]評析虛擬現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)品教學過程主要教學內(nèi)容及步驟教師活動學生活動教學目標【一】導(dǎo)入新章節(jié)虛擬現(xiàn)實(VirtualReality簡稱VR)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。在這一章中，我們講從基本概念、技術(shù)分類、動態(tài)交互感知設(shè)備、技術(shù)發(fā)展四個方面一起來認識虛擬現(xiàn)實?！径啃率诘?章虛擬現(xiàn)實技術(shù)[學習目標]1.知識目標（1）了解虛擬現(xiàn)實技術(shù)概況；（2）掌握虛擬現(xiàn)實技術(shù)分類；（3）理解虛擬現(xiàn)實動態(tài)交互感知設(shè)備；（4）掌握虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展。2.技能目標掌握和理解虛擬現(xiàn)實技術(shù)概論解決實際問題的方法和思路。[知識學習]1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)概況虛擬現(xiàn)實（VR）是一項綜合集成技術(shù)，涉及計算機圖形學、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等技術(shù)領(lǐng)域，它用計算機生成逼真的三維視覺、聽覺、味覺、觸覺等感覺，使人作為參與者通過適當虛擬現(xiàn)實裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者在虛擬三維立體空間進行位置移動時，電腦可以立即進行復(fù)雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場感。該技術(shù)集成了計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理技術(shù)等最新發(fā)展成果，是一種由計算機技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。[課堂討論]請同學們分組討論上一章的VR技術(shù)與本章的AR技術(shù)有什么相同點和不同點？[知識學習]虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點主要體現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)多感知性、沉浸感、交互性、想象力（簡稱3I特性），以及網(wǎng)絡(luò)功能、多媒體技術(shù)、人工智能、計算機圖形學、動態(tài)交互智能感知和程序驅(qū)動三維立體造型與場景等基本特征。1.多感知性（Multi-Sensory）是指除了一般計算機技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等一切人類所具有的感知功能。2.浸浸感（Immersion）又稱臨場感指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切看上去是真實的，聽上去是真實的，動起來是真實的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真實的，如同在現(xiàn)實世界中的感覺一樣。3.交互性（Interactivity）指用戶對模擬環(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（包括實時性）。用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動。4.構(gòu)想性（Imagination）強調(diào)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可以拓寬人類認知范圍，不僅可再現(xiàn)真實存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。充分發(fā)揮人類的想象力和創(chuàng)造力，在多維信息空間中，依靠人類的認識和感知能力獲取知識，發(fā)揮主觀能動性，去拓寬知識領(lǐng)域，開發(fā)新的產(chǎn)品，把“虛擬”和“現(xiàn)實”有機的結(jié)合起來，使人類的生活更加富足、美滿和幸福。5．具有強大的網(wǎng)絡(luò)功能，可以通過運行X3D/VRML200X程序直接接入Internet上網(wǎng)。可以創(chuàng)建立體網(wǎng)頁與網(wǎng)站。6．具有多媒體功能。能夠?qū)崿F(xiàn)多媒體制作，將文字、語音、圖像、影片等融入三維立體場景，并合成聲音、圖像以及影片達到舞臺影視效果。7．創(chuàng)建三維立體造型和場景，實現(xiàn)更好的立體交互界面。8．具有人工智能，主要體現(xiàn)在X3D/VRML200X具有感知功能。利用感知傳感器節(jié)點，來感受用戶以及造型之間的動態(tài)交互感覺。9．動態(tài)交互智能感知，用戶可以借助虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備或軟件產(chǎn)品，直接與虛擬現(xiàn)實場景中的物體、造型進行動態(tài)智能感知交互，使用者有身臨其境的真實感受。10．利用程序驅(qū)動三維立體模型與場景，便于與各種程序設(shè)計語言、網(wǎng)頁程序進行交互，有著良好的程序交互性和接口，便于系統(tǒng)擴充、交互、上網(wǎng)等功能。11．虛擬人設(shè)計指X3D虛擬人動畫節(jié)點設(shè)計，即X3D虛擬人動畫組件設(shè)計。在虛擬空間設(shè)計逼真的三維立體虛擬人，進行動態(tài)交互、交流等。12.地理信息系統(tǒng)指X3D地理信息節(jié)點設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)字地球，數(shù)字城市，數(shù)字家庭等，即地理信息學組件，包括如何在真實世界位置和X3D場景中元素之間建立關(guān)聯(lián)，以及詳細說明協(xié)調(diào)地理應(yīng)用的節(jié)點。13.曲面設(shè)計指復(fù)雜曲面節(jié)點設(shè)計含蓋曲線與曲面設(shè)計，實現(xiàn)高級復(fù)雜曲面開發(fā)和設(shè)計。14.CAD設(shè)計指利用X3D/CAD組件實現(xiàn)從CAD到X3D的轉(zhuǎn)換提高軟件開發(fā)效率。15.分布交互系統(tǒng)指利用分布式計算機系統(tǒng)提供的強大的功能,又可以利用分布式本身特性，實現(xiàn)虛擬分布式系統(tǒng)帶來的無窮魅力。一般來說，一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計算機為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統(tǒng)、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)、立體鼠標、跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備，以及味覺、嗅覺、觸覺以及力覺反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。那么虛擬現(xiàn)實的技術(shù)分類呢？接下來一起來了解：[知識學習]1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)分類虛擬現(xiàn)實技術(shù)分類主要包括：沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)、分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)、桌面式虛擬現(xiàn)實技術(shù)、增強式虛擬現(xiàn)實技術(shù)、純軟件虛擬現(xiàn)實技術(shù)和可穿戴虛擬現(xiàn)實技術(shù)等。計算機硬件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)以及互聯(lián)網(wǎng)+系統(tǒng)為平臺，以Unix、Windows、Linux、MacOSX以及Android等操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺，開發(fā)虛擬/增強現(xiàn)實產(chǎn)品和可穿戴虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品。虛擬現(xiàn)實技術(shù)分類層次框圖，底層為計算機硬件系統(tǒng)，中間層包含互聯(lián)網(wǎng)+、計算機操作系統(tǒng)及VR/AR系統(tǒng)，上層包含沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、增強式現(xiàn)實系統(tǒng)、純軟件虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、可穿戴虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等。1.2.1桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（DesktopVRSystem）是一套基于普通PC平臺的小型桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。利用中低端圖形工作站及立體顯示器，產(chǎn)生虛擬場景，參與者使用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、力反饋器、三維鼠標、或其它手控輸入設(shè)備，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要技術(shù)特征：多感知性、沉浸感、交互性、真實性。在桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，計算機的屏幕是參觀者觀察虛擬境界的一個窗口，在一些專業(yè)軟件的幫助下，參與者可以在仿真過程中設(shè)計各種環(huán)境。立體顯示器用來觀看設(shè)計虛擬三維場景的立體效果，它所帶來的立體視覺能使參與者產(chǎn)生一定程度的投入感。桌面虛擬現(xiàn)實（VR）系統(tǒng)中主要的功能塊包括計算機系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、利用攝像頭的光學跟蹤系統(tǒng)、音響系統(tǒng)甚至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。在桌面虛擬現(xiàn)實（VR）系統(tǒng)中，人們將面對一種顯示屏幕，通過這個窗口可以看到一個虛擬世界。窗口中的景象看起來真實，聽起來生動，操作起來物體的行為感人，如：汽車模擬器、飛機模擬器、電子會議等都屬于桌面VR系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的優(yōu)點是用戶比較自由，不需要佩帶頭盔和耳機，也不需要帶數(shù)據(jù)手套和跟蹤器，并且可以允許多個用戶同時加入系統(tǒng)，對用戶數(shù)的限制較小。但桌面VR系統(tǒng)難以解決雙目視覺競爭問題，難以構(gòu)造用戶沉浸于其中的虛擬環(huán)境。而沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)從根本上解決了這一問題。[知識應(yīng)用]請以小組為單位，根據(jù)桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特點，自行搜尋一些桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的案例，在課堂上進行分享。[知識學習]1.2.2沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)要求用戶戴上立體眼鏡、立體顯示頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等，使用戶在與計算機產(chǎn)生的三維圖形交互中，形成一個虛擬的三維環(huán)境。用戶在這個三維虛擬環(huán)境中，可以行走、飛行運動，可以多感知地如：視覺、聽覺、力覺、觸覺等與三維虛擬物體交互，其真實性感覺或效果與人在現(xiàn)實環(huán)境中相類似。由于虛擬現(xiàn)實把人在三維虛擬世界中的感覺和行為現(xiàn)實化，因此把這樣的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)稱為沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（ImmersiveVRSystem）。沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)利用封閉的三維立體視景和音響系統(tǒng)，使得用戶“進入”計算機系統(tǒng)所產(chǎn)生的虛擬世界中，從而產(chǎn)生身臨其境的效果。這是一類較高級的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它把用戶的個人視點完全沉浸到虛擬世界中。按照沉浸式虛擬現(xiàn)實設(shè)備的不同，沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)又可分為基于頭盔顯示器的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，CAVE系統(tǒng)、環(huán)幕式系統(tǒng)、工作墻系統(tǒng)、全息工作臺系統(tǒng)、球形工作間系統(tǒng)等。1．基于頭盔顯示器沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。利用各種頭盔顯示器把人的視覺、聽覺和其他感覺封閉在一起，通過數(shù)據(jù)手套、頭部跟蹤器等交互裝置，使用戶完全置于計算機生成的環(huán)境中，從而產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯覺。2．CAVE（CaveAutomaticVirtualEnvironment）空穴形沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，在外形上是使用投影系統(tǒng)，圍繞著觀察者具有多個圖像畫面的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，多個投影面組成一個空間結(jié)構(gòu)。理論上CAVE是基于計算機圖形學把高分辨率的立體投影技術(shù)和三維計算機圖形技術(shù)、音響技術(shù)、傳感器技術(shù)等有機結(jié)合，產(chǎn)生一個供多人使用的完全沉浸的虛擬環(huán)境。在CAVE虛擬環(huán)境中，當具備結(jié)合模擬軟件的額外處理能力后，用戶就可交互的探索新景觀，體驗到實時的視覺回應(yīng)。CAVE的典型應(yīng)用包括交互式分子造型、科學計算可視化、聲音模擬、機械制造、建筑設(shè)計、天氣模擬及醫(yī)學造型等。[課堂討論]請同學們以小組為單位討論“桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)”與“沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)”的區(qū)別？[知識學習]1.2.3分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（DistributedVRSystem）是虛擬現(xiàn)實與因特網(wǎng)（Internet）、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)（Intranet）和外聯(lián)網(wǎng)（Extranet）、信息高速公路（InformationSuper-highway）等技術(shù)的結(jié)合。近年來，隨著因特網(wǎng)/萬維網(wǎng)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實研究領(lǐng)域，出現(xiàn)了另一個新的研究方向，即在線虛擬現(xiàn)實方向。在線虛擬現(xiàn)實是指分布在不同地理位置的人，通過因特網(wǎng)/萬維網(wǎng)連接到一個計算機產(chǎn)生的網(wǎng)上三維環(huán)境，用戶在該三維環(huán)境中，可以行走、飛行，也可以與虛擬物體或其他用戶相互交互。但是，用戶不必帶上立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等。分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎(chǔ)是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實時圖像壓縮技術(shù)等，它的關(guān)鍵是分布式交互仿真協(xié)議。分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是更為高級的系統(tǒng)，他在沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將多個用戶連在一起，共享同一虛擬空間，從而為用戶提供一個更為真實的人工合成環(huán)境。隨著高速網(wǎng)、寬帶網(wǎng)的發(fā)展以及計算機計算和三維圖形處理能力的提高，沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會逐漸地與因特網(wǎng)/萬維網(wǎng)融合在一起，分布式虛擬環(huán)境也同時成為沉浸式虛擬環(huán)境。在分布式虛擬環(huán)境中，通過寬帶網(wǎng)絡(luò)可以將分布在世界各地的各種服務(wù)器由高速計算機網(wǎng)絡(luò)連接起來。通過預(yù)警機將分布在不同地理位置的獨立的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)共享信息，多個用戶在一個共享的三維虛擬環(huán)境中進行交互，協(xié)作完成一項任務(wù)。1.2.4增強現(xiàn)實系統(tǒng)增強現(xiàn)實（AugmentedReality，簡稱AR）系統(tǒng)是近年來國外眾多知名大學和科研機構(gòu)的研究熱點之一。增強現(xiàn)實也被稱之為混合現(xiàn)實，它通過電腦技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界，真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。增強現(xiàn)實提供了在一般情況下，不同于人類可以感知的信息。它不僅展現(xiàn)了真實世界的信息,而且將虛擬的信息同時顯示出來，兩種信息相互補充、疊加。在視覺化的增強現(xiàn)實中，用戶利用頭盔顯示器，把真實世界與電腦圖形多重合成在一起，便可以看到真實的世界圍繞著它。增強現(xiàn)實借助計算機圖形技術(shù)和可視化技術(shù)產(chǎn)生現(xiàn)實環(huán)境中不存在的虛擬對象，并通過傳感技術(shù)將虛擬對象準確“放置”在真實環(huán)境中，借助顯示設(shè)備將虛擬對象與真實環(huán)境融為一體，并呈現(xiàn)給使用者一個感官效果真實的新環(huán)境。因此增強現(xiàn)實系統(tǒng)具有虛實結(jié)合、實時交互、三維注冊的新特點。由上海交通大學、德國帕得博恩大學等共同主辦的第二屆中德“虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用”研討會上展示了愛迪斯通帶來完整的3D工業(yè)仿真產(chǎn)品，本次會議以推動虛擬現(xiàn)實及增強現(xiàn)實技術(shù)在中國工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，增強中國工業(yè)創(chuàng)新能力為主題，旨在為科研人員、企業(yè)和供應(yīng)商搭建技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用經(jīng)驗的交流平臺，展示VR/AR在工業(yè)過程應(yīng)用中最新的發(fā)展和成效。共享使VR/AR工業(yè)應(yīng)用成為可能的研究成果，從而促成廣泛而深入的工業(yè)應(yīng)用。圖1-63D工業(yè)仿真系統(tǒng)[知識應(yīng)用]請以小組為單位，根據(jù)增強現(xiàn)實系統(tǒng)的特點，自行搜尋一些桌面增強現(xiàn)實案例，在課堂上進行分享。[知識學習]1.2.5純軟件虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實硬件系統(tǒng)集成高性能的計算機軟件系統(tǒng)、硬件及先進的傳感器設(shè)備等，因此虛擬現(xiàn)實硬件系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜、價格昂貴。不利于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展、推廣和普及，因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)軟件平臺的出現(xiàn)成為歷史發(fā)展的必然。虛擬現(xiàn)實技術(shù)軟件平臺以其傳統(tǒng)計算機為依托，以虛擬現(xiàn)實軟件為基礎(chǔ)，構(gòu)造出大眾化的虛擬現(xiàn)實三維立體場景。實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備投入，只需投入虛擬現(xiàn)實軟件產(chǎn)品，同樣可以達到虛擬現(xiàn)實的動態(tài)交互效果。純軟件虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，也稱大眾化模式，是在無虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備和接口的前提下，利用傳統(tǒng)的計算機、網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實軟件環(huán)境實現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)。特點是投資最少，效果最顯著，屬于民用范圍。適合于個人、小集體開發(fā)使用。是既經(jīng)濟又實惠的一種虛擬現(xiàn)實的開發(fā)模式。虛擬現(xiàn)實軟件的典型代表，X3D、VRML、JAVA3D、OpenGL以及Vega等軟件產(chǎn)品。圖1-7純軟件虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)虛擬現(xiàn)實項目1.2.6虛擬現(xiàn)實可穿戴系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實可穿戴系統(tǒng)，即可穿戴式交互設(shè)備。虛擬現(xiàn)實重新定義并打造了可穿戴式交互設(shè)備。我們這個世界正在進入科幻時代，從前只能在科幻片里才能看到的東西，正在一件件出現(xiàn)在現(xiàn)實生活中，“未來科技”虛擬現(xiàn)實技術(shù)正在向我們走來?？纱┐魇街悄茉O(shè)備應(yīng)用于可穿戴式技術(shù)對日常穿戴進行智能化設(shè)計、開發(fā)出可以穿戴的設(shè)備的總稱，如眼鏡、手套、手表、服飾及鞋等?？纱┐魇街悄茉O(shè)備包括功能齊全、尺寸大小適中，可不依賴智能手機實現(xiàn)完整或者部分的功能，如：智能手表或智能眼鏡等，以及只專注于某一類應(yīng)用功能，需要和其它設(shè)備如智能手機配合使用，如各類進行體征監(jiān)測的智能手環(huán)、智能首飾等。隨著技術(shù)的進步以及用戶需求的變遷，可穿戴式智能設(shè)備的形態(tài)與應(yīng)用熱點也在不斷的變化。圖1-8可穿戴智能交互設(shè)備[課堂提問]虛擬現(xiàn)實動態(tài)交互感知設(shè)備有哪些呢？[知識學習]1.3虛擬現(xiàn)實動態(tài)交互感知設(shè)備虛擬現(xiàn)實動態(tài)交互感知設(shè)備主要包括：三維立體眼鏡、3D頭盔顯示器（HMD）、數(shù)據(jù)手套（DataGlove）、數(shù)據(jù)衣（DataSuit）、跟蹤設(shè)備（TrackingEquipment）、控制球（SphereController）、三維立體聲耳機（ThreeDimensionalEarphone）、三維立體掃描儀和三維立體投影設(shè)備等。虛擬現(xiàn)實硬件系統(tǒng)集成高性能的計算機軟、硬件、跟蹤器及先進的傳感器等設(shè)備，因此，虛擬現(xiàn)實硬件系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜而且昂貴。1.3.1.三維立體眼鏡三維立體眼鏡是用于3D模擬場景VR效果的觀察裝置，它利用液晶光閥高速切換左右眼圖像原理，來增加沉浸感，支持逐行和隔行立體顯示觀察，它可分為有線和無線兩大類，是目前最為流行和經(jīng)濟適用的VR觀察設(shè)備。有線立體眼鏡的鏡框上裝有電池及液晶調(diào)制器控制的鏡片，立體監(jiān)視器裝有紅外線發(fā)射器，根據(jù)監(jiān)視器顯示左右眼視圖的頻率發(fā)射紅外控制信號。有線立體眼鏡的液晶調(diào)制器接收到紅外控制信號后，調(diào)制左右鏡片上的液晶的光閥的通斷狀態(tài)，即控制左右鏡片的透明和不透明狀態(tài)。輪流高速切換鏡片的通斷，使左右眼睛分別只能看到監(jiān)視器上顯示的左右圖像。有線立體眼鏡的圖像質(zhì)量好，價格高，活動范圍有限。無線立體眼鏡是在立體眼鏡的左右鏡片上，利用兩片正交的偏振濾光片，分別只容許一個方向的偏振光通過。監(jiān)視器顯示器前還安裝有一塊與顯示屏同樣尺寸的液晶立體調(diào)制器，監(jiān)視器顯示的左右眼圖像經(jīng)液晶立體調(diào)制后形成左偏振光和右偏振光，然后，分別透過無線立體眼鏡的左右鏡片，實現(xiàn)左右眼分別只能看到監(jiān)視器上顯示的左右圖像的目的。無線立體眼鏡價格低廉，適合于大眾消費。圖1-9三維立體眼鏡1.3.2數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套是虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的基本交互設(shè)備，它作為一只虛擬的手或控件用于三維虛擬現(xiàn)實場景的模擬交互，可進行物體抓取、移動、裝配、操縱、控制。數(shù)據(jù)手套具有有線和無線、左手和右手之分，可用于WTK、Vega等3DVR或視景仿真軟件環(huán)境中。在數(shù)據(jù)手套上有一個附加在手背上的傳感器，以及附加在拇指和其他手指上的彎曲的柔件傳感器，各個柔件傳感器可用于測定拇指及其他手指的關(guān)節(jié)角。該系統(tǒng)向手套控制器詢問它的當前數(shù)據(jù)，可以使系統(tǒng)在任何時刻計算出手的位置和方向。圖1-10幾種常用數(shù)據(jù)手套1.3.3.數(shù)據(jù)頭盔頭盔顯示器（HeadMountedDisplay，HMD）是沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中最主要硬件設(shè)備，用于觀測和顯示虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)三維立體場景和造型。HMD是將小型顯示器的影像透過自由曲面棱鏡變成具有身臨其境三維立體的視覺效果，HMD具有頭戴式顯示器功能，使用方便、快捷，可以直接與計算機相連。在HMD上輔以空間跟蹤定位器可對沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)三維立體輸出效果進行觀察和自由移動。沉浸式頭盔顯示器優(yōu)于桌面式立體眼鏡顯示效果。頭盔顯示器通常固定于用戶的頭部，用兩個LCD或LED顯示，分別向左右眼睛顯示由虛擬現(xiàn)實場景中生成的圖像，左右兩個顯示屏中的圖像是由計算機圖形控制部分分別驅(qū)動的，屏幕上的兩幅圖像存在著視差，類似人類的雙眼視差，大腦最終將融合這兩幅圖像獲得三維立體效果。頭盔顯示器上裝有頭部位置跟蹤設(shè)備，虛擬現(xiàn)實用戶頭部的動作和視覺能夠得到實時跟蹤，計算機隨時可以知道用戶頭部的位置及運動方向。計算機就可以隨著用戶頭部的運動，相應(yīng)地改變呈現(xiàn)在用戶視野中的圖像，提高了用戶的臨場沉浸感，獲得了更好的三維立體視覺效果。圖1-11幾種常見的頭盔顯示器1.3.4虛擬現(xiàn)實三維空間跟蹤球三維空間跟蹤球是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的另一基本的交互設(shè)備，該設(shè)備用于六個自由度虛擬現(xiàn)實場景的模擬交互，可從不同的角度和方位對虛擬空間三維物體進行觀察、瀏覽、操縱。作為三維空間跟蹤定位器，既可作為3D鼠標來使用，也可以與數(shù)據(jù)手套以及立體眼鏡聯(lián)合使用。三維空間跟蹤球和3D鼠標，在三維空間有6個自由度，三個平移運動方向，即物體沿著X軸、Y軸、Z軸三個自由度運動；圍繞三個旋轉(zhuǎn)軸運動，即物體圍繞X軸、Y軸、Z軸旋轉(zhuǎn)形成6個自由度在三維立體空間任意馳騁。三維空間跟蹤球利用6個自由度進行操作，空間跟蹤球裝在一個凹形支架上可以扭轉(zhuǎn)、擠壓、按下、拉出和搖晃等。其中，變形測定器可以測量用戶施加在該球上的力度，該裝置還配有傳感器測量物體6個自由度操作情況，實現(xiàn)完善三維交互過程。圖1-12三維空間跟蹤球與3D鼠標設(shè)備1.3.5虛擬現(xiàn)實三維空間跟蹤定位器三維空間跟蹤定位器是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中用于空間跟蹤定位的裝置，一般與其他虛擬現(xiàn)實設(shè)備結(jié)合使用，如：數(shù)據(jù)頭盔、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等，使參與者在空間上能夠自由移動、旋轉(zhuǎn)，不局限于固定的空間位置，操作更加靈活、自如、隨意。三維空間跟蹤定位器有六個自由度和三個自由之分，根據(jù)用戶使用情況選擇相應(yīng)產(chǎn)品。圖1-13三維空間跟蹤定位器1.3.6虛擬現(xiàn)實力反饋器力反饋器是虛擬現(xiàn)實研究中的一種重要的設(shè)備，該設(shè)備能使參與者實現(xiàn)虛擬環(huán)境中除視覺、聽覺之外的第三感覺——觸覺和力反饋感，進一步增強虛擬環(huán)境的交互性，從而真正體會到虛擬世界中的交互真實感，該設(shè)備廣泛應(yīng)用于虛擬醫(yī)療、虛擬裝配等諸多領(lǐng)域。1．觸覺反饋裝置：視覺的觸覺反饋、電刺激式和神經(jīng)肌肉刺激式觸覺反饋、充氣式觸覺反饋、振動式觸覺反饋。2．力反饋裝置：機械臂式、操縱桿式。 圖1-14力反饋器1.3.7虛擬現(xiàn)實三維模型數(shù)字化儀虛擬現(xiàn)實三維模型數(shù)字化儀（三維掃描儀）是一種先進的三維建模設(shè)備，該設(shè)備與計算機系統(tǒng)相連。三維模型數(shù)字化儀利用CCD成像、激光掃描等技術(shù)實現(xiàn)三維模型的采樣，利用配套的矢量化軟件對三維模型數(shù)據(jù)進行數(shù)字化。該設(shè)備特別適合于建立一些不規(guī)則三維物體造型，如人體器官、骨骼、雕像的三維建模等。圖1-15三維掃描儀硬件設(shè)備1.3.8虛擬現(xiàn)實立體顯示器三維立體顯示器是目前剛剛問世的一項高新技術(shù)產(chǎn)品，過去的立體顯示和立體觀察都是在CRT監(jiān)視器上戴上液晶光閥的立體眼鏡進行觀看，并且需要通過高技術(shù)編程開發(fā)才能實現(xiàn)立體顯示和立體觀察。而該立體顯示器則擺脫了以往的技術(shù)需求，不需要任何編程開發(fā)，就可以實現(xiàn)三維模型的立體顯示，只要用肉眼即可觀察到突出的立體顯示效果，不需要帶任何立體眼鏡設(shè)備；同時，它也可以實現(xiàn)視頻圖像的立體顯示和立體觀察，如立體電影，同樣也無須戴任何立體眼鏡。[課堂討論]同學們都接觸過以上哪些虛擬現(xiàn)實動態(tài)交互感知設(shè)備呢？與傳統(tǒng)的計算機設(shè)備相比有哪些區(qū)別？[知識學習]1.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展虛擬現(xiàn)實技術(shù)是二十世紀末才興起的一門嶄新的計算機前沿科技，它融合數(shù)字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、仿真與人工智能等多學科于一體，為人們建立起一種逼真的、虛擬的、交互式的三維空間環(huán)境，能對人的活動或操作做出實時準確的響應(yīng)，使人仿佛置身于現(xiàn)實世界之中。這種虛擬境界是由計算機生成，但它又是現(xiàn)實世界的真實反映，故稱為虛擬現(xiàn)實技術(shù)。虛擬現(xiàn)實并不是一個新事物，1989年VR被首次提出，然而并未獲得市場認可。隨著Facebook收購Oculus以及技術(shù)的不斷完善，VR在2014年迎來發(fā)展元年，2014-2016年，VR處于市場培育期。2017-2019年，隨著廣泛的產(chǎn)品應(yīng)用出現(xiàn)，VR將進入快速發(fā)展期，知名品牌產(chǎn)品的上市將帶動VR消費級市場認知加深和啟動，同時也將帶動VR企業(yè)級市場的同步全面發(fā)展。預(yù)計到2020年，虛擬現(xiàn)實市場將進入相對成熟期，產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善。企業(yè)級應(yīng)用在內(nèi)容拓展有望推動VR全面穩(wěn)步發(fā)展。目前虛擬現(xiàn)實類產(chǎn)品尚未觸發(fā)消費者購買痛點的一個重要原因就是內(nèi)容的缺失。由于成本較高等原因，企業(yè)級應(yīng)用除了軍事應(yīng)用有國家大量的經(jīng)費支持，且關(guān)系到國防安全已有一定基礎(chǔ)，房地產(chǎn)類等行業(yè)對VR投資較高，其它還有待加強。虛擬現(xiàn)實技術(shù)趨勢分析，新一代GPU、顯示、傳感等技術(shù)進步支撐VR發(fā)展?；谛乱淮鶪PU、CPU、顯示技術(shù)等技術(shù)進步，VR設(shè)備的延遲技術(shù)、追蹤算法以及交互技術(shù)得以改進，產(chǎn)品的延遲和暈眩感問題將得到改善;計算機圖形技術(shù)、顯卡性能等改善，屏幕分辨率和刷新率將進一步提升。消費級和企業(yè)級VR設(shè)備形態(tài)分化將日趨明顯。移動類VR將成為消費級VR市場的主流形態(tài)，但未來VR一體機將逐步成為主流；PC級頭盔將成為企業(yè)級市場的主流設(shè)備，這部分市場對計算能力要求高、使用便捷性要求較低，更適用于企業(yè)級市場。VR應(yīng)用場景多樣，消費級應(yīng)用最貼近市場，其中游戲是VR的終極應(yīng)用者。而企業(yè)級2B應(yīng)用則需要靠企業(yè)、政府等多方面市場主體共同推動，目前來看，軍事、房地產(chǎn)、工程和教育最有可能成為引領(lǐng)企業(yè)級市場的應(yīng)用。VR應(yīng)用涉及領(lǐng)域日趨多樣化。VR應(yīng)用已經(jīng)深入教育、科研、生產(chǎn)、生活、影視娛樂、安防、軍事以及餐飲等各個領(lǐng)域，VR產(chǎn)業(yè)與5G產(chǎn)業(yè)相融合并相互促進?；仡橵R虛擬現(xiàn)實技術(shù)的近年來得快速發(fā)展，2014年至2016年是VR產(chǎn)業(yè)的市場培育期，圖像處理能力提升；2017年是產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展期；而2018年至2019年迎來產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展期，出現(xiàn)了廣泛的產(chǎn)品應(yīng)用。經(jīng)過幾年的發(fā)展，VR對于很多人來說并不陌生，但由于VR技術(shù)與設(shè)