1、5.6 虛擬和增強的現實虛擬現實虛擬現實 虛擬現實（簡稱虛擬現實（簡稱VR）：）：是以計算機技術為主，綜合利用計算機圖形、圖像、可視化、人機交互、人工智能、計算機網絡、高性能計算等許多領域的技術。是一個復雜而龐大的系統。生成一個逼真的三維視覺、觸覺以及嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發，利用自身的功能和一些設備對所產生的虛擬世界這一客體進行瀏覽和交互式考察。 虛擬現實的三大特點：虛擬現實的三大特點：浸沉感、交互性和構想性浸沉感：指的是人浸沉在虛擬環境中，具有和在真實環境中一樣的感覺交互性：指在虛擬環境中體驗者不是被動地感受，而是可以通過自己的 動作改變感受的內容構想性：指虛擬的環境是人

2、構想出來的，因而可用于實現一定目標的用途5.6 虛擬和增強的現實虛擬現實系統大體可分為四類：虛擬現實系統大體可分為四類： 1、桌面虛擬現實系統、桌面虛擬現實系統也稱窗口中的VR。它可以通過個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬世界的一個窗口。所以成本較低，功能也最簡單，主要用于建筑設計、桌面游戲等領域。5.6 虛擬和增強的現實2、沉浸式虛擬現實系統、沉浸式虛擬現實系統使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數據手套、其它手控輸入設備、聲音等使得參與者產生

3、一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。常見的沉浸式系統有：基于頭盔式顯示器的系統、投影式虛擬現實系統、遠程存在系統。5.6 虛擬和增強的現實3、分布式虛擬現實系統、分布式虛擬現實系統它在因特網環境下，充分利用分布于各地的資源，協同開發各種虛擬現實應用。它通常是沉浸式虛擬現實系統的發展，也就是把分布于不同地方的沉浸式虛擬現實系統，通過互聯網連接起來，共同實現某種用途。目前最典型的分布式虛擬現實系統是SIMNET(模擬網絡)，SIMNET由坦克仿真器通過網絡連接而成，用于部隊的聯合訓練。5.6 虛擬和增強的現實4、增強現實又稱混合現實系統增強現實又稱混合現實系統它把真實環境和虛擬環境結合起來，利

4、用虛擬現實技術來增強參與者對真實環境的感受，也就是增強現實中無法感知或不方便的感受。典型的實例是戰機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數和武器瞄準數據投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數據，從而可集中精力盯著敵人的飛機或導航偏差。虛擬和增強的現實應用飛行模擬器飛行模擬器 他們的設計員努力為戰斗機和民航的飛行員創建最真實地體驗。駕駛艙的顯示器和控制器都是真實的。而窗戶用高分辨率的計算機顯示器代替，精心編制聲音，給人真實的發動機啟動和反推力的效果。在爬升和轉彎期間的振動和傾斜，有液壓千斤頂和復雜的懸架系統創建。這樣使訓練更安全、更有用。建筑建筑 建筑師一直使

5、用計算機來繪制具有用戶生成內容的、建筑物的三維表示。他們的設計工具把建筑物顯示在標準的顯示器上，但使用投影儀來創建墻面，這樣就給預期客戶更逼真的效果。現在又通過在踏車上行走增加動畫效果，允許客戶穿過門或上樓梯。最后用頭盔顯示器代替投影儀，用頭部追蹤監視頭部移動。虛擬和增強的現實應用醫生醫生 外科醫生能夠通過“察看”視頻圖像而受益，這些圖像來自病人心臟內部，通過光纖照相機拍得，使用了將浸入式手術減少到最少的遠程直接操縱設備，但是醫生似乎不想要那種戴著頭盔顯示器在病人體內的沉浸式體驗。手術計劃和遠程操作也能用于現實在桌面顯示器上并被手持式支架導引的三維“察看”可視化來完成。虛擬現實的遙現方面打破了

6、空間的物理限制，允許用戶表現的似乎他們在別的地方。虛擬環境已在醫學領域獲得成功。如：虛擬世界可用于治療恐高癥病人，其方式是給病人一種能控制視角和移動的沉浸式體驗。安全的沉浸式環境使患者可以自我調節以適應令人驚懼的刺激。虛擬和增強的現實成功的虛擬環境依成功的虛擬環境依賴多種技術平滑集成：賴多種技術平滑集成：視覺顯示器頭部位置傳感器手部位置傳感器手持操縱力反饋與觸覺聲音的輸入與輸出其他傳感器協同與競爭的虛擬環境5.6 虛擬和增強的現實視覺視覺顯示器：顯示器：處于正常的觀看距離、正常尺寸的計算機顯示器對向一個大約5的角度；大屏幕顯示器能覆蓋2030的范圍，頭盔顯示器覆蓋的水平范圍為100、垂直范圍是

7、60。頭盔顯示器阻擋其他圖像，所以其效果更具有戲劇性，并且頭部移動能產生新的圖像，所以用戶能得到360覆蓋范圍的效果。飛行模擬器也能阻擋外來的圖像，但它們不強迫用戶戴上有笨重的頭盔顯示器能做到這點。另一種方法是裝在吊桿上的顯示器，它感知用戶的位置而不要求他們戴上沉重的護目鏡。5.6 虛擬和增強的現實頭部位置傳感：頭部位置傳感：頭盔顯示器能夠提供依賴于頭部位置的不同視圖。向右看，能看到森林；向左看，森林被城市替代。有些頭部跟蹤器戴起來可能很笨重，但嵌入帽子或眼睛中的較小變體便于移動。頭部位置的視頻識別時可能的。傳感器精度應該是高且快的。識別注意點的眼動跟蹤可能是有用的，但當用戶正在移動和正在戴頭

8、盔顯示器時，卻難以完成。手部位置傳感：手部位置傳感：數據手套是一項被持續改進的創新發明，其改進是針對舒適性、準確性和采樣率。手指位置的準確測量僅關系到1個或2個手指甚至1個或2個關節。裝在手套或手腕上的6自由度跟蹤器提供手的方位。人體其他部位，如膝蓋、臂或腿的傳感器正用于體育訓練和移動捕捉。5.6 虛擬和增強的現實手持操作：手持操作：富于想象力的方法包括了電動手術工具和小玩偶。用戶能夠操作這些物體產生輸入、運行設備、創作繪畫或制作雕塑。一種變體，經常稱為“微型世界”，它有房子或科學儀器的小模型，用戶能夠操縱它們來創建在更大的現實世界物體上的操作，通常在遠距離位置。力反饋與觸覺：力反饋與觸覺：用

9、于完成化學實驗室的實驗或處理核原料的手動遠程控制設備提供力反饋，給予用戶抓住或碰到物體時的良好感覺。對汽車司機和飛行員的力反饋，精心配置以提供真實有用的觸覺信息。軟件模型的反饋在加速執行具有復雜分子的對接任務方面是成功的。對外科醫生來說，在他們進行困難的手術時感受到力反饋，可能是有幫助的。5.6 虛擬和增強的現實聲音的輸入與輸出：聲音的輸入與輸出：聲音的輸出增加了彈跳的球、跳動的心臟或掉下的花瓶的真實性，視頻游戲設計人員早就發現了這一點。在正確的時刻發出具有全三維效果的、使人信服的聲音是可能的，但也是一項困難的工作。數字聲音硬件是足夠的，但軟件工具仍不足夠。虛擬樂器的音樂輸出是有希望的；這個領

10、域中的大多數早期工作是模擬現有的樂器，但新奇的的樂器也已經出現了。用于啟動動作和做出菜單選擇的語音識別可能是有用的，因為鍵盤和鼠標的使用是受限制的。5.6 虛擬和增強的現實其他傳感器：其他傳感器：飛行模擬器的傾斜和振動可能為一些設計人員提供靈感。傾斜且振動的虛擬過山車已經存在，如果用戶以每小時60,600或6000英里的速度飛馳，并沖過高山或進入軌道，那么甚至能變得更流行。為什么不包含帶有雨滴的、真實的陣風，讓它變熱或變冷來表達虛擬天氣呢？最好，嗅覺計算已被嘗試過，但還沒有發現和開發恰當的實際的應用。5.6 虛擬和增強的現實協同與競爭的虛擬環境：協同與競爭的虛擬環境：協同是一個活躍的研究領域，

11、協同虛擬環境也一樣，一個開發者把它們稱作“孿生虛境”。這種環境允許處于遠程場所的兩個人一起工作，可能是設計一個物體，同時看到彼此的動作和感興趣的對象。虛擬壁球之類的競爭游戲已經開發來供兩個玩家玩。當設計從與計算機對抗變成向其他坦克的成員設計和擔心他們攻擊時，用于訓練陸軍坦克乘員的軟件就變得更有吸引力。逼真的聲音創造的如此的投入感，以至于乘員體驗到心率提高、呼吸更急促和排汗量增多。與之相反，有些虛擬環境設計帶來愉悅 和與他人的愉快相遇，以增強社會媒體參與方面。從業人員的總結：從業人員的總結：在提供相同的功能性和可靠性的交互系統中，有些系統已經顯現出在競爭中居于主導地位。通常，具有吸引力的系統都有

12、令人愉快的用戶界面，具有制定的用戶生成內容，提供任務對象和動作的自然表示。這些界面易于學習、使用和長時間保持。新用戶能夠獲得動作的簡單子集，然后提高到更精細的動作。動作是快速的、增量的和可逆的，能用物理移動而不是以復雜的語法形式來執行。動作的結果是立即可見的，需要出差消息比以前少。在界面中使用直接操作原則并不能確保其成功。設計差、實現慢或功能不適當能夠損害驗收。對某些應用來說，菜單選擇、表格填充或命令語言可能仍是適當的。然而，直接操縱編程、3D界面和遠程操作的潛力是巨大的。有吸引力的虛擬與增強的現實的演示正在應用于具有增強的社會交往、日益增長的應用系統集合。迭代測試在測試高級直接操縱系統方面特

13、別重要，因為這些方法的新奇性可能給設計人員和用戶造成出乎意料的問題。直接操縱的定義、好處和缺點：直接操縱的定義、好處和缺點：定義： “動作世界”的視覺表示對象和動作被顯示模擬推理被選定快速的、增量的和可逆的動作用指點和選擇替代鍵入動作結果的立即可見性優于命令的好處： 控制/顯示的兼容性較少的語法降低了出錯率錯誤是可預防的較快的學會和較高的記憶力鼓勵探索關注： 可能增加系統資源有些動作可能是麻煩的宏技術經常很弱 歷史和其他跟蹤可能是困難的視覺障礙的用戶可能有較多困難研究人員的議程：研究人員的議程：需要通過研究來提高我們對每個直接操縱特性貢獻的理解：模擬表示、增量動作、可逆性、物理動作而不是語法、結果的立即可見性、圖形顯示和圖標。可逆性容易通過普通的取消動作來實現，但是為每個動作設計自然的反向動作可能更具吸引力。用直接操縱更好的表示復雜的動作，但為了新用戶優雅進化成專家用戶而使用的多層設計策略可能是一個主要貢獻。對專家用戶來講，直接操縱編程仍是個機會，但需要好的方法來保存歷史記錄和編輯動作序列，還要更加關注用戶生成的內容。3D交互的誘惑十分巨大，但研究