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第二章 虚拟现实技术概述 第一节 虚拟现实简介 1 虚拟现实的产生与发展历史 虚拟现实的产生是人类对亲历效果的不懈追求与计算机技术发展的结果。对虚拟现实的产生有重要影响的技术背景，可以追溯到19世纪中叶。 1.1 虚拟现实的技术背景 1824年，Peter Roget发现了人类视觉系统中的视觉残留现象，并测算出了残留的时间。这一重要的发现，成为电影和电视的呈像依据，也为创造虚拟现实的立体视觉效果提供了生理学的依据。最典型的例子莫过于电影了，世界上第一场电影在巴黎的一家大咖啡馆的地下室上映时，十几分钟“生活景象”的回放给第一批的观众们带来了一丝惊喜，也引起了一点恐慌。人们惊异于电影所放映的内容重现了自己的生活空间，产生了“一种好奇心得到满足的快意”，而当人们看到火车头迎着自己开来时又产生了惊慌，有人叫了起来，有的甚至离座站起身来，生怕疾驰而来的火车撞上了自己，这就是电影最初诞生时的情景。其实，那时的技术水平还远远无法做到真实的再现，但那“冒着浓烟的火车头”还是吓着了当时的观众们。从某种意义上，电影就是100多年前的虚拟现实，它可以提供给人类以酷似真实的强烈感官刺激。 1833年，为了使业已盛行的摄影术更加吸引人，摄影商发明了立体观察镜(Stereoscopic Display)。使用这种眼镜，观察者的左、右眼可以分别看到分两次或用双镜头双底片相机拍摄的左、右视像。这种观察方式可以在生理水平上建立起立体感，具有强烈的景深效果，现代虚拟现实技术中的临境效果也是采取了这一思想。 1889年，爱迪生发明了活动电影放映机，使人们发现动态变化的景象可以更加生动、准确地描述环境。 1929年，在飞行模拟领域发明了林克训练器(the Linker Trainer)，它试图模拟飞机座舱这种现实。这种制作栩栩如生的环境的努力可以说是虚拟现实技术的最早开发。 1941年，电视信号正式广播。电视造就了广泛分布的视听系统，将观众带入现实生活或置身于实况中。更重要的是，它导致了遥现场(Telepresence)概念与技术的出现，即观众可以远远地通过摄像机镜头来造成临境感。 1958年，Philo公司开发了受头部运动控制的头戴式视觉系统。这种通过身体运动传感器来控制环境通常是虚拟现实程序的一个基本要素。 1.2 虚拟现实技术的起源 20世纪50年代末期，Morton Heiling开始尝试设计多感觉的虚拟经历，他开发了一台名为Sensorma的机器，综合了电影的播放、音效、振动、风和味觉效果，让电影观众有如身临其境。头盔式屏幕的创意也是由他提出的。 1965年，具有“计算机图形学之父”美誉的美国麻省理工学院的科学家兼美国高等研究计划局信息处理技术办公室主任伊凡·萨瑟兰(Ivan Sutherland)发表了一篇题为“The Ultimate Display”（《最终显示》）的论文，提出使计算机显示屏成为观察客观世界窗口的设想，这被看作是研究虚拟现实技术的开端。1966年，他完成了第一台能使用户观看“虚拟世界”的头盔显示器，通过这种立体观察装置，可以使用户看不到计算机的存在，而是完全进入到计算机生成的环境中。随后他又研制出具有定位功能的HMD，用来描述计算机图形的显示系统，可以追踪人的头部以更新显示，让用户有如置身于虚拟现实中。经历了20年的计算机图形学和显示、三维跟踪等技术的发展，在工业、军事、航天科技的推动下，这种设想终于成为可能，并在80年代初期引起广泛关注。所以萨瑟兰被认为是现代虚拟现实的先驱。 1968年Douglas Engelbart发明了可以与计算机进行交互的装置，即最早的鼠标，人机交互这一面向用户的计算机技术从此诞生。 1969年米隆·克鲁格创作了一些允许全身参与计算机事件的相互作用环境。其中最著名的一个环境是VIDEO PLACE，在这个图形世界里，人们可以互相交流，也可以与图形人物交流。 1970年麻省理工学院的Negroponte提出一种集成“媒体技术”的设想，把数字计算、声音、电视和通信网络有机地结合起来。但受计算机处理能力限制，未达到实用的程度。 1971年Frederick Brooks开发出了反馈力系统(Force-Feedback System)。 到70年代末期，麻省研究所的媒体实验室开发了Aspen Movie，这是一种驱车通过科罗拉多州的滑雪胜地Aspen的视频模拟，参与者由此能随意沿街行驶，并可按线路进入建筑物进行探索。 1982年Thonmas Zimmerman等人设计出了数据手套，可以作为虚拟现实的输入装置。 1.3 虚拟现实技术的迅速发展时期 1984年，米切尔·麦格里威和他的同事在美国航空航天局开发了数据护目镜，它允许使用者环视在计算机屏幕上描绘的图形世界。随后美国Ames航天研究中心利用流行的液晶显示电视和