虚拟现实技术与应用胡小强有限公司计算机与互联网书籍

虚拟现实(VR，Virtual Reality)技术也称“灵境技术”,于20世纪80年代起源于美国。2016年为“VR元年”，在此之后，全球兴起了一股VR应用的浪潮，VR逐渐渗透、深化、应用于各个领域并更好地服务于人们的美好生活。VR与生俱来拥有与其他领域深入融合的巨大潜力，它可与军事、航空航天、教育、工业、农业、卫生、休闲娱乐、文化艺术等领域相融合并为其带来新的生机与活力。如今，VR技术已经处于快速发展阶段五年来，VR产业经过不断的探索发展，形成了从硬件、软件到技术的初步整合和行业链条。我国高度重视VR产业发展，积极加强布局。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年)》把VR列为前沿技术中信息技术部分的三大技术之一。《国家创新驱动发展战略纲要》《信息产业发展指南》《“十三五”国家信息化规划》等国家重大规划对VR产业发展都做了具体部署，以期我国能够抢占全球VR战略制高点。2018年12月，发布了《关于加快虚拟现实产业发展的指导意见》，全面规划了VR产业的发展目标、发展路径和任务，加速了VR产业发展。与此同时，VR专业人才也越发成为刚性需求，引起了国家有关部门和专家们的高度重视。2018年9月，在《普通高校高等职业教育（专科）专业目录》中增设“虚拟现实应用技术”专业，2020年2月，把“虚拟现实技术”本科专业纳入《普通高校本科专业目录(2020年版)》，至此，VR正式以学科专业的身份登上历史舞台。为了培育更多的前沿应用型人才，为新技术探索更多的可能性，推动VR新技术的发展，VR的教育书籍也应该紧跟时代的潮流，以普及更多有用的VR知识。我们虚拟现实教育研究（VRE)团队从2003年开始关注VR技术，并从事VR人才的培养工作，依托南昌市VR感知交互实验室，经过长期的探索，积累了一些VR技术的经验和资源，希望通过本书向对VR感兴趣的读者循序地普及VR基本原理和知识，并结合相关实例阐述VR的具体应用，让读者在动手操作中感受VR的神奇之处，在提升读者能动性的同时激发其学习VR的兴趣，吸引更多的人才投身VR产业大潮。基于当前VR的发展现状，本书主要介绍了VR的概念、发展状况，VR系统的硬件组成，VR系统的相关技术，VR的工具软件等。全书共分6章，第pan>章主要介绍了VR的发展历程、特性、应用现状；第2章主要介绍了VR系统的硬件设备括VR感知设备、交互设备、跟踪设备和虚拟世界生成设备；第3章主要介绍了VR系统的相关技术；第4章主要介绍了VR技术的相关软件括建模软件和开发引擎；第5章主要介绍了全景技术；第6章主要介绍了Unity3D开发基础括VR和AR的一些应用案例。希望本书的出版有助于推动VR技术的普及，让更多人关注VR技术的应用与开发。本书由胡小强教授担任主编，何玲、祝智颖担任副主编。第pan>～4章由胡小强编写，第5章由何玲编写，第6章由祝智颖编写，姚兴宇、范晓婷、王媛媛、梁巧房等为本书开发了大量的VR教学资源，另外，张、杨松、李嘉诚、马志梅、王瑞雪、史晓倩、方开亮等对本书的编写提供了大量的帮助。需要说明的是，本书在编写过程中参考、引用了国内外的一些论文和研究成果，编者在此向这些文献的作者表示诚挚的敬意，且本书中有部分图片来源于网络，由于未找到图片的作者，故未标明出处，编者在此向这些图片的作者表示感谢。同时，由于当前VR技术的飞速发展，所以书中若有疏漏和错误之处，欢迎各位专家和广大读者朋友对本书提出宝贵的意见和建议。如果您在自学、教学、应用中有相关问题可联系VRBOOK@126.com，我们VRE团队为您准备了教学用PPT、大量的VR/AR相关教学资料、精品教学课程录像等，期望与行交流，共同为我国VR人才培养做贡献。

编者

2020年9月

第pan>章虚拟现实技术概论

虚拟现实(VR，Virtual Reality)技术又称“虚拟环境”“灵境技术”“赛伯空间”等，是20世纪发展起来的一项的计算机实用技术。它源于美国军方开发研究出来的一种计算机仿真技术，其主要目的是用于军事上的仿真，在美国军方内部使用。一直到20世纪80年代末期，虚拟现实技术才开始作为一个较完整的体系受到人们极大的关注，并开始得到广泛应用。虚拟现实技术是20世纪以来科学技步的结晶，它集中体现了计算机图形学、计算机仿真技术、多媒体技术、物联网技术、人体工程学、人机交互理论、人工智能等多个领域的成果，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。它以计算机技术为主，利用计算机和一些特殊的输入与输出设备来营造出一个“看起来像真的、听起来像真的、摸起来像真的、嗅起来像真的、尝起来像真的”的多感官三维虚拟世界（虚拟环境）。在这个虚拟世界中，人与虚拟世界行自然的交互，并能实时产生与真实世界相同的感觉，使人与虚拟世界融为一体，即人们可以直接观察与感知周围世界及物体的内在变化，与虚拟世界中的物体之行自然的交互(Virtual Reality”一词翻译过来，“Virtual”可以理解为“这个世界或环境是虚拟的，不是真实的，是由计算机运算生成的，存在于计算机内部的世界”；“Reality”的含义是真实的世界或现实的环境，把两者合并起来就称为虚拟现实；也就是说采用以计算机为核心的一系列设备，并通过各种技术手段创建出一个新的虚拟环境，让人感觉到就如处在真实的客观世界一样。虚拟现实技术现在已成为信息领域中继多媒体技术、网络技术之后得到广泛关注及研究、开发与应用的热点，也是目前发展快的一项多学科综合技术。虚拟现实技术的发展与普及，对我们有十分重大的意义。它改变了过去人与计算机之间枯燥、生硬、被动的交流方式，使人机之间的交互变得更为人性化，为人机交互接口并创了新的研究领域，为智能工程的应用提供了新的界面工具，为各类工程的大规模数据可视化提供了新的描述方法，也同时改变了人们的工作方式和生活方式，改变了人们的思想观念。虚拟现实技术已的媒体、一门艺术、一种文化、一个产业。据有关人士断言，在2pan>世纪，人类入虚拟现实的科技新时代，虚拟现实技术将是信息技术的代表，虚拟现实技术、理论分析、科学实验也将为人类探索客观世界规律的三大手段年来，虚拟现实技术发展迅猛，是自2016年虚拟现实元年以来，江西南昌打啊了全球VR产业的“枪”，全球VR产业应用成为一大热点，各大公司推出虚拟现实相关硬件与技术，HTC、Oculus、SONY(索尼)三大头盔显示器产品相继发售，越来越多的软件硬件公司投身于VR产业大潮，推动着虚拟现实技术高速发展。2018年年底以来，我国VR产业投融资市场火热。数据显示，截止到2019年9月，我国VR产业融资数量为49件，融资金额达到99.2pan>亿元。随着我国VR产业的发展成熟，未来VR内容的探索将成为中国厂商的主流。某机构预测报告表明，202pan>年在我国VR市场上，VR头戴设备及消费级内容将占据三分之二。到202pan>年，我国VR市场规模将达到544.5亿元。展望未来，VR市场有着广阔的发展前景。预计随着VR技术的日趋成熟，VR概念的普及，VR市场需求将不断提升，VR+各领域的应用也将逐步展开，人们对VR产品消费支出也将保持增长态势。1.pan>虚拟现实技术概述1.1.pan>虚拟现实技术的定义关于虚拟现实技术的定义，目前尚无统一的标准，有多种不同的定义，主要分为狭义和广义两种。狭义的定义认为虚拟现实技术就是一种的人机交互方式。在这种情况下，虚拟现实技术被称为“基于自然的人机接口”，在虚拟现实环境中，用户看到的是彩色的、立体的，随视点不同变化的景象，听到的是虚拟环境中的声响，手、脚等身体部位可以感受到虚拟环境反馈给用户的作用力，由此使用户产生一种身临其境的感觉。换言之，就是人采用与感受真实世界一样的（自然的）方式来感受计算机生成的虚拟世界，具有与其在真实世界中一样的感觉。广义的定义即虚拟现实技术为对虚拟想象（三维可视化的）或真实的、多感官的三维虚拟世界的模拟。它不仅是一种人机交互接口，更主要的部分是对虚拟世界内部的模拟。人机交互接口采用虚拟现实的方式，对某个特定环境真实再现后，用户通过自然的方式接受和响应模拟环境的各种感官刺激，与虚拟世界中的人及物行思想和行为等方面的交流，使用户产生身临其境的感觉。综上所述，虚拟现实技术的定义可以归纳如下：虚拟现实技术是指采用以计算机技术为核心的现代高科技手段生成逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等多模态的虚拟环境，用户借