虚拟现实基础与实战

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本书由浅入深，全面介绍了VR的发展历程、用户终端、关键技术、内容生成、行业应用、与增强现实的关系以及企业案例。精彩案例融入了作者丰富的设计经验和教学心得，旨在帮助读者全方位了解行业规范、设计原则和表现手法，提高实战能力，以灵活应对不同的工作需求。整个学习流程联系紧密，环环相扣，一气呵成，让读者在轻松的学习过程中享受成功的乐趣。本书适合作为高等院校计算机及电子信息类专业、数字媒体技术和教育技术学专业学生的教材，也可作为从事虚拟现实技术的工程技术人员以及虚拟现实技术爱好者的参考教材。

第1章 虚拟现实的发展001

1.1　虚拟现实的历史   /
001

1.1.1　虚拟现实的起源（1929—1973　欲知大道，必先为史）   / 001

1.1.2　虚拟现实的火种（1984—1989　Virtual Reality产品命名）   / 002

1.1.3　虚拟现实的发展（1990—2015　Facebook的豪赌Oculus）   / 003

1.1.4　虚拟现实的元年　中国市场的介入，技术创新与市场推动   / 007

1.2　虚拟现实的现在   /
011

1.2.1　虚拟现实的产业生态  
/ 011

1.2.2　虚拟现实的专利布局  
/ 015

1.3　虚拟现实的未来   /
017

1.3.1　电子消费品发展的历史脉络  
/ 017

1.3.2　虚拟现实技术的瓶颈  
/ 020

1.3.3　虚拟现实技术的未来发展趋势  
/ 022

1.4　虚拟现实的展望   /
023

1.4.1　虚拟现实成为下一代IoT的入口   / 023

1.4.2　虚拟现实的发展方向  
/ 024

第2章   什么是虚拟现实025

2.1　虚拟现实的定义和范畴  
/ 025

2.1.1　虚拟现实的特性和体验  
/ 025

2.1.2　虚拟现实的分类和延伸  
/ 027

2.1.3　虚拟现实的系统构成  
/ 030

2.2　虚拟现实的输入   /
038

2.2.1　输入技术的介质：从键盘鼠标到各种传感器   / 038

2.2.2　虚拟现实的空间定位与追踪：从IoT到OiT   / 041

第3章 虚拟现实的用户终端045

3.1　用户终端的产品定义   /
045

3.1.1　移动端头显   /
045

3.1.2　移动VR一体机   / 047

3.1.3　PC/主机VR   / 048

3.2　虚拟现实终端的构成   /
050

3.2.1　三大硬件   /
050

3.2.2　软件平台   /
055

第4章 虚拟现实的关键技术069

4.1　视觉技术   / 069

4.1.1　显示技术   /
069

4.1.2　光学技术   /
072

4.2　传感技术   / 076

4.2.1　光传感   / 077

4.2.2　相关传感器   /
078

4.3　跟踪技术   / 080

4.3.1　相关概念   /
080

4.3.2　典型应用   /
081

4.4　手势捕捉   / 083

4.4.1　基于惯性测量单元的捕捉：手柄，数据手套   / 084

4.4.2　基于计算机视觉的手势捕捉  
/ 085

4.5　动作捕捉   / 087

4.6　声音技术   / 092

4.7　触觉技术   / 097

第5章 虚拟现实的内容101

5.1　虚拟现实内容的生成   /
101

5.1.1　计算机生成3D内容   / 101

5.1.2　全景拍摄视频内容  
/ 115

5.2　网络传输   / 126

5.2.1　传输效率的提升   /
126

5.2.2　网络带宽的要求   /
128

第6章 虚拟现实的行业应用135

6.1　从体验推广到消费普及  
/ 135

6.2　垂直领域的应用   /
139

6.2.1　游戏领域   /
139

6.2.2　教育领域   /
144

6.2.3　医疗领域   /
149

6.2.4　军民两用   /
150

第7章  虚拟现实与增强现实的关系154

7.1　虚拟现实和增强现实的差异  
/ 154

7.1.1　概念上的差别   /
154

7.1.2　VR与AR对比分析   / 156

7.2　增强现实的代表产品   /
159

7.2.1　HoloLens  
/ 159

7.2.2　Meta2   /
162

7.2.3　Project Tango  
/ 164

7.3　虚拟现实与增强现实的混合  
/ 169

7.3.1　MR特征   / 169

7.3.2　MR中的交互系统与应用   / 171

第8章 虚拟现实的企业案例176

8.1　某所项目案例   /
176

8.1.1　客户需求分析   /
176

8.1.2　案例设计   /
176

8.1.3　美术制作   /
177

8.1.4　程序开发   /
180

8.1.5　项目排期   /
183

8.1.6　安装测试   /
183

8.2　科技创新政策和创客人才的机遇  
/ 184

8.2.1　科技创新政策   /
184

8.2.2　创客人才的机遇   /
186

附录 全国主要虚拟现实行业组织介绍188

参考文献   / 192

在2016年9月杭州G20杭州峰会上，许多专家、科技预测机构和IT大公司认为VR将成为下一代计算平台和互联网的新入口及交互环境，从而给许多行业、互联网应用和大众生活带来颠覆性影响。因此，许多媒体将2016年称为VR产业元年。作为一项可能的颠覆性技术，VR 已成为发展趋势，产业前景无限。

VR应用集中体现了计算机技术、多媒体技术、系统仿真技术、传感技术、显示技术、人机接口技术、人工智能技术、人体工程学和人机交互理论等多种高新技术的成果。自2013年以来，许多IT大公司将目光转向VR，通过推出创新产品或收购VR公司等方式，布局VR业务，展开抢占产业制高点的激烈竞争。目前VR正在向国防军事、航空航天、装备制造、智慧城市、医疗健康、公共安全、教育文化、旅游商务、全景直播等许多行业领域渗透，逐渐成为各行业发展的新的信息支撑平台，将对各行业产生颠覆性影响，推动其实现升级换代式发展。

作为一项可能的颠覆性技术，VR突破主要体现在以下六个方面：（1）突破目前以2D为主的显示，实现3D以及未来的真三维显示；（2）突破目前屏幕物理尺寸的局限，实现全景显示和体验；（3）突破键盘、鼠标人机交互方式，实现手眼协调的人机自然交互；（4）突破时空界限，把用户带入未来或过去的时空环境；（5）取代现有互联网邮件系统为主的通讯交互方式，成为互联网的新入口和人际交互环境；（6）未来异地网友社交可以选择在所喜欢的虚拟环境进行面对面交流。

VR技术可能的颠覆性，会对未来产生六个方面的影响：（1）继个人电脑、智能手机之后，出现VR这一新的计算平台与环境；（2）VR将成为各行业发展的新的信息技术支撑平台，VR 成为发展趋势，相关行业将得到升级换代式发展；（3）VR成为互联网未来的新入口与人际交互环境；（4）VR成为未来的媒体形态；（5）人所感知的世界将成为人难以区分的真实和虚拟两个世界，或者虚实混合的新世界，出现大众消费的新领域；（6）VR将带来新的发展思维和技术途径。

为帮助大家理解和掌握VR与移动AR的基础知识，本书从理论到实例都进行了较详尽的叙述，内容由浅入深，全面覆盖了VR/AR的基础知识、使用方法及其在相关行业中的应用技术。精彩案例融入了作者丰富的设计经验和教学心得，旨在帮助读者全方位了解行业规范、设计原则和表现手法，提高实战能力，以灵活应对不同的工作需求。整个学习流程联系紧密，环环相扣，一气呵成，让读者在轻松的学习过程中享受成功的乐趣。

在教学安排上，建议本教材理论讲授36学时，实验课时36学时，学生课后实习30学时。建议第1章虚拟现实的发展讲授2小时；第2章什么是虚拟现实讲授2学时；第3章虚拟现实的用户终端讲授2学时，实验2学时；第4章虚拟现实的关键技术讲授10学时，实验12学时；第5章虚拟现实的内容讲授10学时，实验12学时；第6章虚拟现实的行业应用讲授2学时，实验2学时；第7章虚拟现实与增强现实的关系讲授4学时，实验2学时；第8章虚拟现实的企业案例讲授4学时，实验6学时。

本书是在大众创业、万众创新的大时代背景之下诞生的，由姚勇芳（曾任魔眼科技有限公司虚拟现实事业部CEO和华为公司总裁办英文主编）组织编写。全书共8章，分历史篇、技术篇和案例篇三大部分。姚勇芳搭建了全书的架构并编写了第1章；第2～7章由钟正编写；第5、6章的案例部分和第8章由中国航空华航文化总经理遇实、虚拟现实中心主任胡鹏和华创云科光和空间总经理李牧什编写；姚从洲、牛牧君参与全书的校对、审核、案例补充和数据提供。全书由钟正统稿。在编写过程中，得到了华中师范大学国家数字化学习工程技术研究中心老师的关心和帮助，也得到了兄弟院校同仁的热情帮助和支持，同时得到深圳市虚拟现实产业联合会执行会长谭贻国的鼎力支持，在此表示诚挚的谢意。

书中若存在不足，恳请读者批评指正。

编　者

2017年12月于桂子山