1.1　虚拟现实及增强现实技术

虚拟现实技术主要针对虚拟现实技术概况、虚拟现实技术基本特性、虚拟现实技术分类、虚拟现实技术发展及应用进行阐述。

增强现实技术主要针对增强现实技术的含义、增强现实技术的原理、增强现实显示技术、增强现实硬件设备进行阐述。

1.1.1　虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是21世纪以来呈现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实技术是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，并通过多种虚拟现实交互设备使参与者沉浸于虚拟现实环境中。在该环境中直接与虚拟现实场景中的事物交互，浏览者在虚拟的三维立体空间中，根据需要“自主浏览”三维立体空间的事物，身临其境地真实感受视觉、听觉、味觉、触觉以及智能感知所带来的直观而又自然的效果。

虚拟现实是一项综合集成技术，它用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、味觉、触觉等感觉，使人作为参与者通过适当的虚拟现实装置，对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者在虚拟三维立体空间进行位置移动时，计算机可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理技术等最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

1. 虚拟现实技术概况

虚拟现实技术与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，在思想技术上有了质的飞跃。虚拟现实技术的出现大有一统网络三维立体设计的趋势，具有划时代的意义。

计算机将人类社会带入崭新的信息时代，尤其是计算机网络的飞速发展，使地球变成了一个“地球村”。早期的网络系统主要传送文字、数字等信息，随着多媒体技术在网络上的应用，人们开发出信息高速公路，即宽带网络系统，而在信息高速公路上驰骋的高速跑车就是虚拟现实第二代三维立体网络程序设计语言X3D。通过虚拟现实语言X3D生动、鲜活的软件项目开发实例，可以由浅入深、循序渐进地不断提高学习和编程的能力，体会到软件开发的实际意义和效果，获得无穷乐趣。

2. 虚拟现实技术基本特性

虚拟现实系统与其他计算机系统最本质的区别是“模拟真实的环境”。虚拟现实系统模拟的是“真实环境、场景和造型”，把“虚拟空间”和“现实空间”有机地结合形成一个虚拟的时空隧道，即虚拟现实系统。

虚拟现实技术的特点主要体现在多感知性、沉浸感、交互性、构想性，以及具备网络功能、多媒体技术、人工智能、计算机图形学、动态交互智能感知和利用程序驱动三维立体造型与场景的基本特征。

（1）多感知性，是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等一切人类所具有的感知功能。

（2）沉浸感，又称临场感。指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真实的，听上去是真实的，动起来是真实的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真实的，同在现实世界中的感觉一样。

（3）交互性，指用户对模拟环境内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）。用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

（4）构想性，强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可以拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，还可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。充分发挥人类的想象力和创造力，在多维信息空间中，依靠人类的认识和感知能力获取知识，发挥主观能动性，去拓宽知识领域，开发新的产品，把“虚拟”和“现实”有机地结合起来，使人类的生活更加富足、美满和幸福。

（5）网络功能，是指可以通过运行X3D程序直接接入Internet上网。可以创建立体网页与网站。

（6）多媒体技术，能够实现多媒体制作，将文字、语音、图像、影片等融入三维立体场景，并合成声音、图像以及影片达到舞台影视效果。

（7）创建三维立体造型和场景，实现更好的立体交互界面。

（8）人工智能特性主要体现在利用传感器节点，来感受用户以及造型之间的动态交互感觉。

（9）动态交互智能感知，是指用户可以借助虚拟现实硬件设备或软件产品，直接与虚拟现实场景中的物体、造型进行动态智能感知交互，让使用者有身临其境的真实感受。

（10）利用程序驱动三维立体模型与场景，便于与各种程序设计语言、网页程序进行交互，有着良好的程序交互性和接口，便于系统扩充、交互、上网等。

3. VR虚拟现实技术分类

虚拟现实技术分类主要包括：沉浸式虚拟现实技术、分布式虚拟现实技术、桌面式虚拟现实技术、纯软件虚拟现实技术、增强式虚拟现实技术和可穿戴虚拟现实技术等。

（1）沉浸式虚拟现实技术，也称最佳虚拟现实技术模式，选用了完备先进的虚拟现实硬件设备和虚拟现实的软件技术支持。在虚拟现实硬件和软件投资方面规模比较大，效果自然丰厚，适合于大中型企业使用。

（2）分布式虚拟现实技术，是指基于网络虚拟环境，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟现实环境通过网络连接，并共享信息资源，使用户在虚拟现实网络空间中更好地协调工作。这些人既可以在同一个地方工作，也可以在世界各个不同的地方工作，彼此之间可以通过分布式虚拟网络系统联系在一起，共享计算机资源。分布式虚拟现实环境，可以利用分布式计算机系统提供强大的计算能力，又可以利用分布式本身的特性，再加上虚拟现实技术，使人们真正感受虚拟现实网络所带来的巨大潜力。

（3）桌面式虚拟现实技术，也称基本虚拟现实技术模式，使用最基本的虚拟现实硬件和软件设备和技术，以达到一个虚拟现实技术最基本的配置。特点是投资较少、效率可观。属于经济型投资范围，适合中小企业投资使用。

（4）纯软件虚拟现实技术，也称大众化模式，是在无虚拟现实硬件设备和接口的前提下，利用传统的计算机、网络和虚拟现实软件环境实现的虚拟现实技术。特点是投资最少，效果显著，属于民用范围，适合个人、小集体开发使用，是既经济又实惠的一种虚拟现实开发模式。

（5）增强式虚拟现实技术，它通过计算机技术，将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间。增强现实提供了在一般情况下，不同于人类可以感知的信息。它不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与计算机图形多重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。

（6）可穿戴虚拟现实技术，以计算机硬件系统、操作系统以及“互联网+”系统为平台，以UNIX、Windows、Linux、Mac OS X以及Android等为操作系统，开发出的虚拟现实可穿戴产品。

虚拟现实技术分类如图1-1所示。

虚拟现实技术的发展、普及要从最廉价的纯软件虚拟现实技术开始，逐步过渡到桌面式虚拟现实技术，然后进一步发展为完善的沉浸式虚拟现实技术。三个发展历程最终实现了真正具有动态交互和感知的虚拟现实系统，模拟人类真实的视觉、听觉、触觉、嗅觉、漫游和移动物体等身临其境的感受。

4. 虚拟现实技术发展

计算机硬件技术、网络技术以及多媒体技术的融合与高速发展，使虚拟现实技术获得了长足的进步。目前网站使用的均为二维图像与动画网页，而采用虚拟现实语言X3D能在网站上设计出虚拟现实三维立体网页场景和立体景物。利用虚拟现实技术可以制造出一个逼真“虚拟人”，为医学实习、治疗、手术及科研做出贡献；也可应用于军事领域设计一个“模拟战场”进行大规模高科技军事演习，既可以节省大量费用，又使部队得到了锻炼；在航天领域，也可以制造一个“模拟航天器”，模拟整个航天器的生产、发射、运行和回收的全过程……虚拟现实技术还可以应用于工业、农业、商业、教学、娱乐和科研等方面，应用前景非常广阔。

虚拟现实硬件系统集成了高性能的计算机软件系统、硬件及先进的传感器设备，设计复杂、价格昂贵，不利于虚拟现实技术的发展、推广和普及，因此，虚拟现实技术软件平台的出现成为历史发展的必然。虚拟现实技术软件平台以传统计算机为依托，以虚拟现实软件为基础，构造出大众化的虚拟现实三维立体场景，实现虚拟现实硬件设备零投入，只需投入虚拟现实软件产品，就可以达到虚拟现实的动态交互效果。

本书着重介绍纯软件虚拟现实技术模式，是在无虚拟现实硬件设备和接口的前提下，利用传统的计算机、网络和虚拟现实软件环境实现的虚拟现实技术。该模式适合个人、工程技术人员以及开发团队等使用，属于经济实用型的虚拟现实开发模式。

我国虚拟现实产业发展前景广阔，2016年3月国家“十三五”规划纲要明确提出：大力支持虚拟现实（VR）等新兴前沿领域创新和产业化。这是“虚拟现实”首次出现在国家规划中，无疑为虚拟现实的健康发展再添一把火。无论是资本市场的表现，还是各种VR相关会议的爆满，抑或是各种媒体上相关话题的关注度，都表明市场对VR的期待值飙升，VR的时代就要来临。在此形势下，产业界应当如何在虚拟现实领域获取发展先机，政府应该采取何种战略规划好虚拟现实产业的顶层设计，以便更加有力地推动我国虚拟现实的健康发展，都是值得研究的问题。

1）虚拟现实产业概况及发展前景

虚拟现实是借助计算机系统及传感器技术生成一个交互三维环境，通过动作捕捉装备，给用户带来一种身临其境的沉浸式体验。而增强现实（Augmented Reality，AR）需要清晰的穿戴式设备看清真实世界和重叠在上面的各种信息和图像。VR和AR从产品形态和应用场景来看界限并不明显，未来两者融合的概率非常大。

虚拟现实并不是一个新事物，1989年VR被首次提出，然而并未获得市场认可。随着Facebook收购Oculus以及技术的不断完善，VR在2014年迎来发展元年，2014—2016年，VR处于市场培育期。2017—2019年，随着广泛的产品应用出现，VR进入快速发展期，明星产品的上市将带动VR消费级市场认知加深和启动，同时也将带动VR企业级市场的同步全面发展。预计在2020年，虚拟现实市场将进入相对成熟期，产业链将逐渐完善。

从虚拟现实产业链看，包括硬件、软件、应用和服务。硬件包含零部件和设备；软件包含信息处理和系统平台；应用包含开发和制作；服务包含分发和运营。

虚拟现实全产业链分析，如图1-2所示。

虚拟现实技术难点和突破点，是虚拟体验感等核心性能。VR产品目前最受消费者诟病的就是它的晕眩问题。这是因为VR体验对性能的要求是普通PC游戏的7倍，流畅、高分辨率的画面感对显卡性能提出了很高的要求。同时在VR全视角的屏幕中，当人转动视角或是移动的时候，画面呈现的速度跟不上，晕眩感由此产生。技术上的延迟和晕眩问题是VR拓展新兴应用的关键。

企业级应用内容拓展有望推动VR全面稳步发展。目前虚拟现实类产品尚未触发消费者购买痛点的一个重要原因就是内容的缺失。由于成本较高等原因，企业级应用除了军事应用有国家大量的经费支持以及房地产类等行业对VR投资较多以外，其他还有待加强。

消费级和企业级VR设备形态分化将日趋明显。移动类VR将成为消费级VR市场的主流形态，但未来VR一体机将逐步成为主流；PC级头盔将成为企业级市场的主流设备，这部分市场对计算能力要求高、使用便捷性要求较低，更适用于企业级市场。

游戏仍为消费级最火应用，工程等有望引领企业级应用爆发。VR应用场景多样，消费级应用最贴近市场，其中游戏是VR的杀手级应用。而企业级应用则需要靠企业、政府等多方面市场主体共同推动，目前来看，军事、房地产、工程和教育最有可能成为引领企业级市场的应用。

2）虚拟现实产业化建议

（1）制定产业发展路径图，推动重点应用示范。面向需求导向，明确发展目标，统筹发展引导与其他相关产业的融合发展，是目前国内虚拟现实产业急需的顶层设计和引导。

（2）加强芯片等技术培育及相关研究成果产业化。虚拟现实作为一种新业态，对技术的研发和培育很重要，尤其是芯片、传感器、数据处理等基础核心技术的发展直接决定虚拟现实的未来。虚拟现实是跨行业跨领域的技术，要从体制上打破行业壁垒，加快研究成果的产业化。

（3）推动硬件参数标准和内容制作规范形成。一是硬件设备参数标准，包括设备的延迟极限值、亮度、转动反应时间值等；二是内容的制作规范，尤其是消费级应用市场，游戏、视频和直播应用场景内容则都需要加强法律法规的规范，规范市场发展。在标准建立的基础上，后期也要加强对硬件和内容的评估和认证。

5. 虚拟现实技术应用

虚拟现实技术主要应用于航空航天、军事模拟演练、工业仿真设计、城市规划设计、医学领域、地理信息系统、文物古迹、旅游领域、房地产开发、电子商务、教育系统、游戏设计以及娱乐领域。

1）在航空航天领域中的应用

美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的科学家将VR技术作为了解火星景观的一种方式，已经有一段时间了，在2015年，它公布了Onsight项目，通过与微软合作，让研究人员使用微软的Hololens头盔，探索由好奇号收集的数据构建的虚拟3D火星环境。任务模拟一直都是太空探索的重要环节，因为它能帮助宇航员为探索未知的环境做好准备。现在VR头盔的用户们有福了，美国国家航空航天局打算推出Mars 2030项目，将为VR爱好者提供红色星球上的虚拟现实体验，如图1-3所示。

现在，美国国家航空航天局想邀请普通用户一起体验火星之旅。Mars 2030由NASA、MIT太空系统实验室和多平台媒体公司Fusion Media，基于现有的硬件及操作概念共同开发，可在Google Cardboard、三星Gear VR和Oculus Rift等平台免费使用，也将支持iOS和Android两大平台。

在美国国家航空航天局看来，除了用于实际训练，VR还是一个很好的宣传手段，它能帮助分享航空航天工作，让更多人知道自己为人类未来着想的崇高使命，也能激发更多的年轻人探索太空。

2）在军事模拟演练领域中的应用

在模拟战场环境中，可以采用虚拟现实技术使受训者在视觉和听觉上真实体验战场环境、熟悉作战区域的环境特征。用户通过必要的设备可与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。虚拟战场环境可通过相应的三维战场环境图形图像库，包括作战背景、战地场景、各种武器装备和作战人员等去实现。通过背景生成与图像合成创造一种险象环生、几近真实的立体战场环境，使演练者“真正”进入形象逼真的战场，增强受训者的临场感觉，大大提高部队的训练质量。

虚拟现实单兵模拟训练与评判在该应用系统中导调人员可设置不同的战场背景，给出不同的情况，而受训者则通过立体头盔、数据服和数据手套或三维鼠标操作传感装置做出或选择相应的战术动作，输入不同的处置方案，体验不同的作战效果，进而像参加实战一样，锻炼和提高技战术水平、快速反应能力和心理承受力。与常规的训练方式相比较，虚拟现实训练具有环境逼真、“身临其境”感强、场景多变、训练针对性强和安全经济可控制性强等特点。虚拟军事演练与飞行训练模拟器，如图1-4所示。

3）在工业仿真设计领域中的应用

工业仿真设计正对现代工业进行一场前所未有的革命。当今世界工业已经发生了巨大的变化，先进科学技术的应用显现出巨大的作用，虚拟现实已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用。虚拟现实技术的引入，将使工业设计的手段和思想发生质的飞跃，使其更加符合社会发展的需要，可以说在工业设计中应用虚拟现实技术是可行且必要的。

在工业仿真的应用中，可生产、检测、组装和测试各种模拟物体或零件，包括生产、加工、装配、制造以及工业概念设计等。

世界各发达国家均致力于虚拟制造的研究与应用，它们研究所取得的成果是有目共睹的，如波音777客机的整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去8年缩短到5年。

在工业仿真设计中，目前国外已提出两种基于虚拟现实的工业仿真设计方法。一种是增强可视化，它利用现有的CAD系统产生模型，然后将模型输入到虚拟现实环境中，用户充分利用各种增强效果设备如头盔显示器等产生身临其境的感受。另一种是VR-CAD系统，设计者直接在虚拟环境中参与设计。虚拟工业汽车设计，如图1-5所示。

4）在城市规划设计领域中的应用

虚拟现实技术可以广泛地应用在城市规划设计的方方面面，利用虚拟现实技术的体验沉浸感和互动性，不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，使其获得身临其境的体验，还可以通过数据接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理，有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审。虚拟现实所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，是严格遵循工程项目设计的标准和要求建立的逼真的三维场景，是对规划项目进行真实的场景“再现”。用户在三维场景中自主漫游、人机交互以及动态感知等，这样很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。运用虚拟现实系统，可以很轻松随意地进行修改，如果需要改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，只需修改系统中的参数即可，从而大大提高了方案设计和修正的效率和质量，也节省了大量的资金提供合作平台。虚拟现实在城市规划设计中的应用，如图1-6所示。

5）在医学领域中的应用

虚拟现实技术在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助跟踪球、头盔显示器、感觉手套，学生可以很容易地了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在20世纪90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。借助头盔显示器及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统还有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指导下工作等。另外，在远距离遥控外科手术、复杂手术的计划安排、手术过程的信息指导、手术后果预测、改善残疾人生活状况乃至新型药物的研制等方面，虚拟现实技术都发挥着十分重要的作用。虚拟现实在医学领域中的应用，如图1-7所示。

6）在地理信息系统中的应用

虚拟现实技术把三维地面模型、正射影像和城市街道、建筑物及市政设施的三维立体模型融合在一起，再现城市建筑及街区景观，用户在显示屏上可以很直观地看到生动逼真的城市街道景观，可以进行诸如查询、量测、漫游、飞行浏览等一系列操作，满足数字城市技术由二维GIS向三维虚拟现实的可视化发展需要，为城建规划、社区服务、物业管理、消防安全、旅游交通等提供可视化空间地理信息服务。

电子地图技术是集地理信息系统技术、数字制图技术、多媒体技术和虚拟现实技术等多项现代技术于一体的综合技术。电子地图是一种以可视化的数字地图为背景，用文本、照片、图表、声音、动画、视频等多媒体为表现手段展示城市、企业、旅游景点等区域综合面貌的现代信息产品，它可以存贮在计算机外存，以只读光盘、网络等形式传播，以桌面计算机或触摸屏计算机等形式提供给大众使用。由于电子地图产品结合了数字制图技术的可视化功能、数据查询与分析功能以及多媒体技术和虚拟现实技术的信息表现手段，加上现代电子传播技术的作用，它一出现就赢得了社会的广泛兴趣。虚拟地理信息系统，如图1-8所示。

7）在文物古迹领域中的应用

虚拟文物古迹随着虚拟现实技术的发展和普及逐渐兴起。利用虚拟现实技术对文物古迹进行仿真和重现，使浏览者体验远古时期人类的生活、环境。例如，利用虚拟现实技术可以重现白垩纪时代的场景，重现各种已经消失的动物、植物以及自然景观等。

利用虚拟现实技术结合网络技术可以将文物的展示、保护提高到一个崭新的阶段。首先，将文物实体通过影像数据采集手段，建立起实物三维或模型数据库，保存文物原有的各项形式数据和空间关系等重要资源，实现濒危文物资源科学、高精度和永久的保存。其次，利用这些技术提高文物修复的精度和预先判断、选取将要采用的保护手段，同时可以缩短修复工期。通过计算机网络来整合统一大范围内的文物资源，并且通过网络在大范围内利用虚拟技术更加全面、生动、逼真地展示文物古迹，从而使文物古迹脱离地域限制，实现资源共享，真正成为全人类可以“拥有”的文化遗产。使用虚拟现实技术可以推动文博行业更快地进入信息时代，实现文物古迹展示和保护的现代化。虚拟技术在文物古迹领域中的应用，如图1-9所示。

8）在旅游领域中的应用

虚拟现实技术在旅游行业一个重要应用是对旅游景区的建设规划，既能展现景区每个角落的精心布置，也能轻松预览整体的规划效果，而且具备景区管理功能，管理景区地面、设备设施以及相关数据等，将景区的规划建设最完美地展现出来。

虚拟现实技术引入旅游行业中，可以对已存在的真实旅游场景进行模拟，将美好的自然风光永久的保存，实现实际景观向虚拟空间移植和再现，同时加入漫游、鸟瞰、行走，自助漫游、选择旅游路线等，让游客不必长途跋涉也能感受大好河山秀丽壮观的自然景观、文物古迹的历史底蕴、高楼大厦的气势磅礴。

虚拟现实技术在旅游教学、导游培训等方面的应用具有重大意义，借助虚拟的景区，用户可与景区实现交互，轻松自由游览风景名胜古迹，学习旅游景区、景点、景观的历史文化知识等。虚拟澳门科技馆与虚拟故宫旅游场景设计，如图1-10所示。

9）在房地产开发领域中的应用

随着房地产业竞争的加剧，传统的展示手段如平面图、表现图、沙盘、样板房等已经远远无法满足消费者的需要。虚拟现实技术是集影视、广告、动画、多媒体、网络科技于一身的最新型的房地产营销方式，在我国的广州、上海、北京等大城市，及加拿大、美国等经济和科技发达的国家都非常热门，是当今房地产行业一个综合实力的象征和标志，其最主要的核心场景是房地产销售，同时在房地产开发中的其他重要环节包括申报、审批、设计、宣传等方面都有着非常迫切的需求。虚拟现实在楼盘及样板房开发设计中的应用，如图1-11所示。

10）在电子商务领域中的应用

虚拟现实三维立体的表现形式，能够全方位地展现一个商品，企业利用虚拟现实技术将它们的产品以三维的形式发布在网上，能够展现出逼真产品造型，通过交互体验身临其境的感受，演示产品的功能和使用操作，充分利用互联网高速迅捷的传播优势来推广公司的产品。虚拟显示网上电子商务，将销售产品在线展示在三维立体的形式中，顾客通过对三维立体产品的观察和操作互动能够对产品有更加全面的了解和认识，使客户购买商品的概率大幅增加，为企业和销售者带来更加丰厚的收益。3D虚拟购物场景设计，如图1-12所示。

11）在教育系统中的应用

虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式转变为学习者通过自身与信息环境的相互作用来获得知识、技能的新型学习方式。

国内许多高校都在积极研究虚拟现实技术及其应用，并相继建起了虚拟现实与系统仿真的研究室，将科研成果迅速转化成实用技术，如北京航空航天大学在分布式飞行模拟方面的应用；浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用；哈尔滨工业大学在人机交互方面的应用；清华大学对临场感的研究等都颇具特色。有的研究室甚至已经具备独立承接大型虚拟现实项目的实力。虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，如建造人体模型、计算机太空旅行、化合物分子结构显示等。在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动的灌输，有本质的差别。

虚拟实验利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，如地理实验室、物理实验室、化学实验室、生物实验室等，拥有传统实验室难以比拟的优势：①节省成本：通常我们由于设备、场地、经费等硬件的限制，许多实验都无法进行。而利用虚拟现实系统，学生足不出户便可以做各种实验，获得与做真实实验一样的体会。在保证教学效果的前提下，极大地节省了成本。②规避风险：真实实验或操作往往会带来各种危险，利用虚拟现实技术进行虚拟实验，学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的实验。例如，虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。③打破空间、时间的限制：利用虚拟现实技术，可以彻底打破时间与空间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。例如，生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟技术在一堂课内就可以实现。虚拟地理实验场景体验，如图1-13所示。

利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实训基地，其“设备”与“部件”多是虚拟的，可以根据需求随时生成新的设备。教学内容可以不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展。同时，虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练，包括军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技能、电器维修技能等。由于虚拟的训练系统无任何危险，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。如在虚拟的飞机驾驶训练系统中，学员可以反复操作控制设备，学习在各种天气情况下驾驶飞机起飞、降落，通过反复训练，达到熟练掌握驾驶技术的目的。

12）在游戏设计领域中的应用

在游戏设计中，三维游戏既是虚拟现实技术主要的应用方向之一，也为虚拟现实技术的快速发展起到了巨大的需求牵引作用。尽管存在众多的技术难题，虚拟现实技术在竞争激烈的游戏市场中还是得到了越来越多的重视和应用。计算机游戏自产生以来，一直都在朝着虚拟现实的方向发展，从最初的文字游戏，到二维游戏、三维游戏，再到网络三维游戏，游戏在保持其实时性和交互性的同时，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加强。我们相信，随着三维技术的快速发展和软硬件技术的不断进步，在不久的将来，真正意义上的虚拟现实游戏必将为人类娱乐、教育和经济发展做出更大的贡献。虚拟游戏角色设计，如图1-14所示。

13）在娱乐领域中的应用

虚拟现实中丰富的感觉能力与3D显示环境使得虚拟现实成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对虚拟现实的真实感要求不是太高，故近些年来虚拟现实在娱乐领域发展最为迅猛。如芝加哥开放了世界上第一台大型可供多人使用的虚拟现实娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为Virtuality的虚拟现实游戏系统配有头盔显示器，大大增强了真实感。利用VR技术感受未来战争设计效果，如图1-15所示。

1.1.2　增强现实技术

增强现实（Augmented Reality，AR）全称增强虚拟现实系统，是近年来国内外众多研究机构和知名大学研究的热点之一。增强现实技术不仅在与虚拟现实技术相类似的应用领域，诸如尖端武器和飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用，而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，在精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计、医疗研究与解剖以及远程机器人控制等领域，具有比虚拟现实技术更加明显的优势，是虚拟现实技术的一个重要的前沿分支。

增强现实也被称为混合现实。它利用计算机技术将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间使其同时存在。在一般情况下增强现实提供了不同于人类可以感知的信息，它不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与计算机图形多重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着虚拟世界。

1. 增强现实技术的含义

增强现实技术是采用对真实场景利用虚拟物体进行“增强”显示的技术，与虚拟现实技术相比，具有真实感更强、建模工作量小等优点。

在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与虚拟环境有机结合，构建一个虚拟和现实世界完美融合的3D场景，并进行身临其境的交互体验。利用增强现实系统感受“高速列车开进会场”，如图1-16所示。

2. 增强现实技术的原理

增强现实技术包含多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段。增强现实提供了在一般情况下，不同于人类可以感知的信息。

一个完整的增强现实系统是由一组紧密联结、实时工作的硬件部件与相关的软件系统协同实现，常用的有基于计算机显示器的实现方案和基于头盔显示器的实现方案。

（1）基于计算机显示器的实现方案是将摄像机摄取的真实世界图像输入到计算机中，与计算机图形系统产生的虚拟景象合成，并输出到屏幕显示器。用户从屏幕上看到最终的增强场景图片。它虽然简单，但不能带给用户多少沉浸感。基于计算机显示器的增强现实系统实现方案，如图1-17所示。

（2）基于头盔显示器的增强现实系统以微软HoloLens全息头盔／眼镜为代表。微软HoloLens头戴显示器不同于顶级虚拟现实设备Oculus Rift和HTC Vive，其本身就是一台独立运行的全息设备甚至是计算机，主要作为生产力工具面向企业级应用。随着技术的成熟，有望向平价的消费级市场进一步扩展。

基于头盔显示器的增强现实系统包含AR显示设备、虚拟结合、实时互动以及三维注册等，虚拟结合是把虚拟场景与真实场景有机结合，实时互动是将跟踪摄像机定位的实景与虚拟渲染模型进行匹配，三维注册是把虚拟物体融入真实场景中，最后通过头盔显示器显示给用户观看。基于头盔显示器的增强现实系统实现方案，如图1-18所示。

3. 增强现实显示技术

增强现实系统设计最基本的问题就是实现虚拟信息和现实世界的融合。显示技术是增强现实系统的关键技术之一。通常把增强现实的显示技术分为以下几类：头盔式显示、投影式显示、手持式显示和普通显示。

（1）头盔式显示。现有的虚拟现实技术的人机界面中大多采用头盔式显示。主要原因是头盔式显示较其他几种显示技术而言沉浸感最强。因为用于增强显示系统的头盔式显示器能够看到周围的真实环境，所以也叫作透视式（see-through）头盔显示器。透视式头盔显示器分为视频透视式和光学透视式。前者是利用摄像机对真实世界进行同步拍摄，将信号送入虚拟现实工作站，在虚拟工作站中将虚拟场景生成器生成的虚拟物体同真实世界中采集的信息融合，然后输出到头盔显示器。而后者则是利用光学组合仪器直接将虚拟物体同真实世界物体在人眼中融合。还有一种更为奇特的方法是虚拟视网膜显示技术，华盛顿大学的人机界面实验室研究出的虚拟视网膜显示是通过将低功率的激光直接投射到人眼的视网膜上，从而将虚拟物体添加到现实世界中来。

（2）投影式显示是将虚拟的信息直接投影到要增强的物体上，从而实现增强。其中有一种投影显示方式是采用放在头上的投影机（Head-Mounted Projective Display，HMPD）来进行投影。美国伊利诺伊州立大学和密歇根州立大学的一些研究人员研究出一种HMPD的原型系统。该系统由一个微型投影镜头、一个戴在头上的显示器和一个双面自反射屏幕组成。由计算机生成的虚拟物体显示在HMPD的微型显示器上，虚拟物体通过投影镜头折射后，再由与视线呈45°的分光器反射到自反射的屏幕上面，自反射的屏幕将入射光线沿入射角反射回去，进入人眼中，从而实现虚拟物体与真实环境的重叠。

（3）手持式显示（Hand Held Display，HHD）是通过摄像机等其他辅助部件实现显示，一些增强现实系统采用了手持式显示器。美国华盛顿大学人机界面技术实验室设计出了一个便携式的MagicBook增强现实系统。该系统采用一种基于视觉的跟踪方法，把虚拟的模型重叠在真实的书籍上，产生一个增强现实的场景。同时该界面也支持多用户的协同工作。日本的SONY计算机科学实验室也研究出一种手持式显示器，利用这种显示器，构建了Trans Vision协同式工作环境。

（4）增强现实系统也可以采用普通显示器显示。在这种系统中，通过摄像机获得的真实世界的图像与计算机生成的虚拟物体合成之后在显示器输出。在需要时也可以输出为立体图像，这时需要用户戴上立体眼镜。

4. 增强现实硬件设备

一个典型的增强现实智能交互设备系统由虚拟环境，以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器，以头盔显示器为核心的视觉系统，摄像头，传感器系统，虚实定位系统，以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统，立体鼠标，跟踪器，以数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉、力觉反馈系统等功能单元构成。

增强现实智能交互设备主要包括：AR/3D眼镜、AR/3D头盔显示器、数据手套、数据衣、跟踪设备、控制球、三维立体声耳机以及三维立体扫描仪等。增强现实智能交互硬件系统集成了高性能的计算机软件、硬件、跟踪器及先进的传感器和捕捉器等设备，因此，系统设备复杂而且昂贵。

谷歌AR眼镜是一款增强现实型穿戴式智能眼镜。这款眼镜将集智能手机、GPS、相机于一身，在用户眼前展现实时信息，只要眨眨眼就能拍照上传、收发短信、查询天气路况等操作。同时，戴上这款“增强现实”眼镜，用户可以用声音控制拍照、视频通话和辨明方向。兼容性上，谷歌AR眼镜可同任一款支持蓝牙的智能手机同步。谷歌AR眼镜如图1-19所示。

这款设备在多个方面性能异常突出，用它可以轻松拍摄照片或视频，省去了从裤兜里掏出智能手机的麻烦。当信息出现在眼睛前方时，虽然让人有些分不清方向，但丝毫没有不适感。

微软正式发布了一款全新增强现实眼镜HoloLens以及Windows Holographic全息技术。作为一款融合了CPU、GPU和全息处理器的特殊AR/MR眼镜，HoloLens通过图片、影像和声音，让用户在家中就能进入全息世界，以周边环境为载体进行全息体验。用户的眼前会出现悬浮界面，以实际环境作为载体，实时处理、获取虚拟信息。如在墙上查看消息、查找联系人，在地上玩游戏，在客厅墙上直接进行Skype视频通话、观看球赛等。

HoloLens本身就是一部微型计算机，主要功能包含智能眼镜系统、动作采集摄像头以及数据处理单元。智能眼镜系统类似谷歌眼镜，可以将信息投射到用户视网膜上，实现虚拟环境与实景的混合。动作采集摄像头用于捕捉体感动作实现与虚拟物体的互动及其他操作。数据处理单元主要负责处理来自各种传感器、网络单元的信息以及图像绘制。由于内置数据处理单元本身就是一台微型计算机，因此HoloLens头盔式显示器不需要连接智能手机或其他设备便可使用。微软HoloLens眼镜，如图1-20所示。

增强现实RideOn滑雪护目镜是由一支以色列创业团队专门为高山滑雪爱好者设计，号称是世界上首款真正的增强现实滑雪护目镜。当你通过蓝牙将其连接手机App后，RideOn可以帮你查看短信、天气、位置和滑行速度，并且只需通过你的眼神就可以进行控制。目前可以兼容iOS和Android系统，并且透视显示清晰度是谷歌眼镜的3倍。RideOn滑雪护目镜具备防水防雾功能，镜片也可以替换。续航方面，RideOn滑雪护目镜内置了2200mAh的锂电池，续航长达8小时，待机24小时。增强现实RideOn滑雪护目镜，如图1-21所示。

RideOn滑雪护目镜还能设置刺激的游戏，如穿过一个只有你才看得见的六边形滑雪道的虚拟障碍，并以此获得积分。这简直就是酷跑游戏《滑雪大冒险》的真人版。又或者在下坡时追逐一个最喜欢的滑雪明星。你可以自娱自乐，也可以跟滑雪的小伙伴来一场时间和技能的较量。RideOn集成了高分辨率相机，用户可以通过第一视角拍下所有的滑雪体验，并通过蓝牙连接手机后分享到朋友圈。不用再额外买一个GoPro戴在身上，一副滑雪镜就能帮助记录这一切。RideOn滑雪护目镜游戏界面，如图1-22所示。

RideOn滑雪护目镜拥有GPS导航功能，在山地滑雪时不会迷路。在陌生的度假区或者山区，迷路是常有的事，RideOn拥有非常强大的GPS功能，可以查看自己的位置以及定位同伴的地点，并且以电话或者短信的方式时刻保持联系。如果你们想在某个酒吧或者旅馆集合，RideOn可以共享你们的位置和目的地。如果在一些景区滑雪，通过RideOn用户还可以在景区地图上定位，寻找附近的旅馆或滑雪缆车，甚至可以从远处查看排队情况。

AR头盔显示器的鼻祖是美国Daqri公司，Daqri公司是一家位于美国洛杉矶的增强显示公司，成立于2010年。对于大部分人来说提到AR头盔显示器可能第一个想到的是微软的HoloLens，但其实早在2014年，Daqri就推出了一款由安卓系统驱动的AR智能头盔。不过与微软HoloLens希望在工业、家庭两方面应用不同，Daqri公司的AR头盔显示器只定位于工业应用，这是一个想要用AR头盔显示器技术把工人武装成超人的公司。Daqri公司的AR头盔显示器，如图1-23所示。

Daqri公司的AR头盔显示器全名为Daqri Smart Helmet，核心元件包括第六代英特尔m7-6Y75处理器与一系列360°的感应器。Daqri公司采用了英特尔的实感（RealSense）技术（实感技术就是一套英特尔开发的搭载多种传感器的摄像头组件，它采用了主动立体成像原理，能够模仿人眼的视差）。

Daqri头盔显示器技术系统主要由三个传感器组成：一个集成的RGB摄像头、一个立体声红外摄像头与一个红外线发射器，通过左右红外传感器的追踪，利用三角定位原理来读取3D图像中的深度信息。实感技术的应用，能够改变人与设备之间的交互方式，让设备“看懂”人的眼神，“听懂”人的声音。Daqri公司选择了透明的显示屏，外镀一层蓝膜，以适应户内、户外都需要有清晰视角的工业作业特性。此外，Daqri公司还特别在头显上集成了一颗热感应摄像头，专门用于检测工业设备运行过程中的发热量，然后再将数据以图像的形式，反映在AR头盔显示屏上。

Daqri公司的智能头盔是一款工业级AR产品，可反馈用户的实时信息，包括安全信息、定位、工人作业等。该智能头盔显示器无须外接计算机设备便可以独立运行，它有一个帽檐，相关数据和信息可以在帽檐上显示，直接进入工人视野。Daqri公司的这款智能头盔可以在工业领域完成大量的任务，还可以应用在航空航天、建筑、勘探和油气田等领域。Daqri公司增强现实智能头盔在工业生产中的应用，如图1-24所示。

其他增强现实智能交互设备如数据手套、数据衣、跟踪设备、控制球、三维立体声耳机以及三维立体扫描仪等。

增强现实技术还在不断地发展，科技的革命也将一直进行下去，从长远来看，增强现实才是未来的发展趋势，因为它能够带给人们更多互动体验，而非将虚拟世界与现实世界隔离。我们也有理由相信，目前这些走在AR风口浪尖的出色应用也将会带给人们更多惊喜的体验。