第1章 虚拟现实技术概论 娄 岩 教授 1.1 虚拟现实技术的基本概念 1.2 虚拟现实系统的组成 1.3 虚拟现实技术的原理和硬件要求 1.4 虚拟现实技术的主要应用领域

本章要点 了解虚拟现实的定义、基本特性、系统组成和关键技术。 掌握虚拟现实系统的原理、实现方法和硬件要求。 了解虚拟现实技术的应用领域。 http://www.cmu.edu.cn/computer

本章教学设计 本章教学设计 教学设计 1、典型的虚拟现实技术（沉浸型、增强型、桌面型、分布式）； 一、学习知识点制作幻灯片（参考教材、课件、网络检索） 二、网络检索医学虚拟现实技术的国内外发展现状，制作演讲幻灯片（提升能力，学生自由选作） 1、典型的虚拟现实技术（沉浸型、增强型、桌面型、分布式）； 2、虚拟现实技术在临床和生物医学的应用案例； 3、虚拟现实技术的实现工具。

VIRTUAL REALITY 1.1 虚拟现实技术的基本概念 1.1 虚拟现实技术的基本概念 VIRTUAL REALITY 虚拟现实（ VR)，即本来没有的事物和环境，通过各种技术虚拟出来，让人感觉如真实的一样。 VR是建立在计算机图形学、人机接口技术、传感技术和人工智能等学科基础上的综合性极强的高新信息技术，在军事、医学、设计、艺术、娱乐等多个领域都得到了广泛的应用，被认为是21世纪大有发展前途的科学技术领域。

虚拟仿真案例1：人类胚胎发育全过程

1.虚拟现实的定义 虚拟现实 (Virtual Reality，简称 VR ) 或称虚拟环境 (Virtual Environment)，是一种逼真的视、听、触觉一体化的计算机生成环境，用户可以借助必要的装备以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用和相互影响，从而获得等同真实环境的感受和体验。

1.虚拟现实的定义 虚拟仿真案例2：药物治疗肝脏疾病 虚拟现实就是要创建一个酷似客观环境、超越客观时空、使人能沉浸其中、又能驾驭它的和谐人机环境，既由多维信息所构成的可操纵的空间。 虚拟仿真案例2：药物治疗肝脏疾病

2.虚拟现实的基本特征 3I 沉浸感 Immersion

2.虚拟现实的基本特征 虚拟现实最重要的特点就是“逼真”与“交互”性。 人仿佛置身于真实环境中与各种物体及现象相互作用。 参与者在虚拟世界中，有如身临其境一样。 环境中的物体和特性，按照自然规律发展和变化，让人有如身临其境般感受视觉、听觉、触觉、运动觉、味觉和嗅觉的变化。

1.2 虚拟现实系统的四个组成部分 效果产生器 用户 跟踪 计算机接口 应用系统 实景仿真器 其他输入 用户应用系统 仿真管理器 1.2 虚拟现实系统的四个组成部分 三维模型数据库 几何构造系统 计算机接口 用户应用系统 仿真管理器 效果产生器 跟踪 其他输入 用户 实景仿真器 应用系统

1.效果产生器 完成人与虚拟场景交互的接口装置。包括能产生沉浸感受的各类输出装置，以及能测定视线方向和手指动作的输入装置。 未来将会开发出模拟味觉和嗅觉的设备，那时虚拟现实将更加真实。 目前已经开发出来的产品有 “数据手套”、“数据服”、眼球运动检测等装置 头盔式立体显示仪等 立体音响、语音识别等 视觉方面 听觉方面 触觉、位置感方面

2.实景仿真器 是虚拟现实系统的核心部分，是VR的引擎。 虚拟世界中对象的几何模型，物理模型，行为模型的建立和管理； 数据库的建立和管理等。数据库用来存放整个虚拟世界中所有对象模型的相关信息。 三维立体声的生成、三维场景的实时绘制； 虚拟世界中对象的几何模型，物理模型，行为模型的建立和管理； 其工作原理是负责从输入设备中读取数据、访问与之任务相关的数据库，执行任务要求的实时计算，从而更新虚拟世界的状态，并把结果反馈给（输出）显示设备。

3.应用系统 4.几何构造系统 面向不同虚拟过程的软件部分。 仿真对象与用户之间的交互关系 仿真动态逻辑结构 仿真对象之间的交互关系 4.几何构造系统 提供了描述仿真对象的物理特性（外形、颜色、位置）的信息，然后，虚拟现实系统中的应用系统在生成虚拟境界时，要使用和处理这些信息。

1.3 虚拟现实技术的原理和硬件要求

虚拟现实的硬件要求 VR 若想构造一个虚拟环境，在硬件方面需要有以下几类设备的支持： 跟踪系统：用以确定参与者的头、手和身躯的位置； 触觉系统：提供参与者感知力与压力的反馈； 音频系统：提供立体声源和判定空间位置； 高性能计算机处理系统：具有高处理速度、大存储量、实时处理等特性。 图像生成和显示系统：产生视觉图像和立体显示。 VR

1.4 虚拟现实技术主要应用领域 1. 产品设计与人机功效(飞机，空间站等)

2.科学计算可视化

3.虚拟组装 例如：用于核弹B-61-x 的虚拟组装系统

4. 仿真训练

5.娱乐

6.医学 虚拟现实非常适合形态学的应用，如用于教学、复杂手术的规划、在手术过程中提供操作和信息上的辅助、预测手术结果等。 此外，远程医疗服务也是一个很有潜力的应用领域。 也可以用于医学心理学，以及康复治疗。

内容小结 虚拟现实目前已经成为计算机以及相关领域研究、开发和应用的热点。本课程主要介绍了虚拟现实技术的基本概念，虚拟现实系统的组成，虚拟现实技术的原理、目的和实现方法，虚拟现实技术的主要应用领域等基础知识。 内容小结 精品课资源网站 http://www.cmu.edu.cn/computer

预习 知识点 本节参考文献 课后预习 精品课资源网站 预习第2章-虚拟现实系统的三维交互设备内容，具体如下： 虚拟现实系统的输入、输出设备。 2. 数据手套、各种位置跟踪器。 3. 头盔显示器。 要求： 以 “虚拟现实系统的三维交互设备”为主题，围绕知识点制作10分钟课堂演示幻灯片，将问题整理成课堂讨论的题目。 参考文献来源： 教科书、互联网（国内外近三年相关文献各三篇） 课后预习 本节参考文献 [1]王娇,刘洋,杨晓玲等.Minics软件在医学图像重建中的应用[J].医疗卫生装备,2015,2(36):115-118. [2]袁丽一,张宝运.人机自然交互支持的3D虚拟教具设计[J].系统仿真学报,2014,24(9):1973-1975,1979. [3]王广新,李立.焦虑障碍的虚拟现实暴露疗法研究述评[J].心理科学进展,2013,20(8):1277-1286. 精品课资源网站 http://www.cmu.edu.cn/computer

娄 岩 中国医科大学 计算机教研室