近几年来，虚拟现实技术作为一种新技术、新媒体，其发展速度极快，在各行各业发挥着重要的作用，越来越受到人们的关注和重视。



        本书是在综合考虑高等院校、高等职业学校相关专业课程设置、课时安排、学生接受能力等相关因素的基础上编写的。主要介绍了虚拟现实技术的概念、组成、发展状况，虚拟现实系统的硬件设备、相关技术，虚拟现实建模语言、图形学、OpenGL 图形程序设计接口，以Google Earth为例讲述了KML语言和三维建模方法，还介绍虚拟现实系统在各行业中的应用现状，虚拟现实系统应用于教育、培训等领域的教育理论基础、教学方法、学习方法等。



        本书可作为高等院校、高等职业学校教育技术学、数字媒体艺术、动漫、多媒体技术、计算机应用等相关专业本科、专科、高职学生教材，也可作为虚拟现实爱好者、虚拟现实技术应用人员的参考资料。

        虚拟现实技术是一门新兴的信息技术，近年来已逐渐发展成为一门跨学科、多层次、多功能的高新技术。它能实时地表现三维空间、实现自然的人机交互，给人们带来身临其境的感受，从根本上改变人与计算机之间枯燥、生硬、被动的交互现状，为人机交互技术开辟了新的科学研究领域。



        随着虚拟现实技术的不断发展，其应用领域也在不断扩张。虚拟现实技术目前在军事、航空、娱乐、医学、机器人方面的应用占主流，其次在教育、艺术、商业、制造业等领域也占有相当大的比重，而且其应用潜力也必将给人类未来和生活与发展带来深远和广泛的影响。



        本书是面向大中专学生的一本介绍虚拟现实技术的教材，所以在编写过程中，主要侧重于虚拟现实技术的概念、硬件设备及其相关技术、VRML虚拟现实建模语言、虚拟现实图形学、虚拟现实图形程序设计接口等虚拟现实技术的基础概念、设备、技术，另外以GOOGLE EARTH为例介绍了虚拟现实系统及其三维模型的建立。



        全书共分10章，现将内容简述如下：

        第1章主要介绍了虚拟现实系统的概念、基本特征、组成、分类及国内外研究现状。

        第2章主要介绍了虚拟现实系统的输入设备、输出设备、生成设备及其相关技术。

        第3章主要介绍了虚拟现实系统的三维建模技术、视觉实时动态绘制技术、三维虚拟声音技术等三个关键技术。

        第4章主要介绍了VRML虚拟现实建模语言的发展历史、功能特征、语法及其浏览和编辑工具。

        第5章主要介绍了计算机图形学的概念、发展、各项主要技术及其算法原理。

        第6章主要介绍了OpenGL虚拟现实图形程序设计接口的程序编写原理与方法、变换、光照及纹理处理以及Open Inventor三维图形编程工具。

        第7章主要介绍了Google Earth图形制作的核心内容KML语言特点功能、数据表现形式、语法规则。

        第8章主要介绍了Google Earth三维建模的方法和工具，以及SketchUp三维建模软件及其建模方法。

        第9章主要介绍了虚拟现实应用于教育领域的理论基础、虚拟现实教与学的方法。

        第10章主要介绍了虚拟现实技术在工程、艺术与娱乐、科学、虚拟训练等四大领域内的应用与发展。



        本书由马永峰、薛亚婷、南宏师三人共同编写。马永峰负责编写第2、3、5、10章，薛亚婷负责编写第4、6、7、8、9章，南宏师负责编写第1、9章。



        本书编写过程中，得到沙景荣教授、吴倩副教授的指导和大力支持，在此表示衷心地感谢。同时衷心地感谢沈洁同志在此书编写、出版过程中给予的建议和意见。



        由于虚拟现实技术发展极为迅速，涉及的领域和技术非常广泛，编者初次涉足虚拟现实技术，所获资料相对较少，加之相关知识和水平有限，在此书成书过程中难免有错漏之处，恳请读者批评指正。

第1章  虚拟现实系统概述 1

1.1  虚拟现实系统的概念 1

1.1.1  虚拟现实的概念 1

1.1.2  虚拟现实的本质 3

1.1.3  虚拟现实系统的基本特征 3

1.2  虚拟现实系统的组成 4

1.2.1  虚拟现实系统的发展 4

1.2.2  虚拟现实系统的组成 6

1.2.3  虚拟现实系统的研究内容 6

1.2.4  虚拟现实系统的应用领域 8

1.3  虚拟现实系统的分类 8

1.3.1  分布式虚拟现实系统 8

1.3.2  沉浸式虚拟现实系统 11

1.3.3  桌面虚拟现实系统（非沉浸式虚拟现实系统） 11

1.3.4  增强虚拟现实系统 12

1.4  虚拟现实系统的研究现状 12

1.4.1  国外研究现状 12

1.4.2  国内研究现状 13

1.4.3  虚拟现实系统研究展望 14

小结 14

习题 14

第2章  虚拟现实系统的硬件设备 15

2.1  虚拟现实系统的输入设备 16

2.1.1  基于自然的交互设备 16

2.1.2  三维定位跟踪设备 18

2.2  虚拟现实系统的输出设备 22

2.2.1  视觉感知设备 22

2.2.2  听觉感知设备 26

2.2.3  触觉（力觉）反馈设备 27

2.3  虚拟现实生成设备 28

2.3.1  基于个人计算机的虚拟现实系统 29

2.3.2  基于图形工作站的虚拟现实系统 29

2.3.3  超级计算机 30

小结 31

习题 31

第3章  虚拟现实系统的相关技术 32

3.1  三维建模技术 33

3.1.1  几何建模技术 33

3.1.2  物理建模技术 34

3.1.3  行为建模技术 34

3.2  绘制技术 35

3.2.1  真实感绘制技术 35

3.2.2  基于几何图形的实时绘制技术 36

3.2.3  基于图像的实时绘制技术 37

3.3  三维全景技术 38

3.3.1  三维全景技术的概念 38

3.3.2  三维全景图的制作技术 38

3.4  人机自然交互技术 39

3.4.1  手势识别技术 40

3.4.2  面部表情识别技术 40

3.4.3  眼动跟踪技术 41

3.4.4  触（力）觉反馈传感技术 41

3.5  物理仿真技术 42

3.5.1  设计数学模型 42

3.5.2  创建物理属性 42

3.5.3  碰撞检测技术 42

3.6  三维虚拟声音技术 43

3.6.1  三维虚拟声音的概念与作用 43

3.6.2  三维虚拟声音的特征 44

3.6.3  语音识别与合成技术 44

小结 45

习题 45

第4章  虚拟现实建模语言（VRML） 46

4.1  VRML虚拟现实建模语言简介 46

4.1.1  VRML的发展历史 46

4.1.2  VRML虚拟现实建模语言的功能特征 47

4.1.3  VRML网络与应用 48

4.2  VRML概述 49

4.2.1  VRML 97的关键字 49

4.2.2  结点 50

4.2.3  场景图 54

4.2.4  事件路由 54

4.2.5  VRML特殊结点 55

4.3  VRML场景生成器Cosmo Worlds 59

小结 60

习题 60

第5章  虚拟现实的图形学基础 61

5.1  计算机图形学概述 62

5.1.1  计算机图形学的发展 62

5.1.2  智能CAD 63

5.1.3  计算机美术与设计 64

5.1.4  计算机动画技术 64

5.1.5  科学计算可视化 65

5.1.6  计算机图形学的研究内容 65

5.2  虚拟现实的图形学 66

5.2.1  虚拟环境中视点的定位 66

5.2.2  视觉 66

5.2.3  透视投影 67

5.2.4  三维裁剪 67

5.2.5  色彩理论 68

5.2.6  三维建模 70

5.2.7  光照 71

5.2.8  反射 71

5.2.9  阴影 72

5.2.10  三维消隐 73

5.2.11  真实感 74

小结 75

习题 75

第6章  OpenGL虚拟现实图形程序设计接口 77

6.1  OpenGL简介 78

6.1.1  OpenGL概述 78

6.1.2  OpenGL的工作方式 79

6.2  OpenGL的程序结构 80

6.3  OpenGL程序编写原理与方法 81

6.3.1  OpenGL中描述图元的方法 81

6.3.2  OpenGL中描述颜色的方法 83

6.4  OpenGL变换 85

6.4.1  模型变换和视图变换 86

6.4.2  投影变换 86

6.4.3  视口变换 88

6.5  OpenGL光照及纹理处理 89

6.5.1  光照模型 89

6.5.2  法线向量 89

6.5.3  控制光源 90

6.5.4  控制材质 91

6.5.5  选择光照模型 92

6.6  Open Inventor 95

6.6.1  Open Inventor简介 95

6.6.2  Open Inventor应用领域 95

小结 98

习题 98

第7章  3ds Max三维建模工具 99

7.1  3ds Max的基础知识 99

7.1.1  3ds Max 概述 99

7.1.2  3ds Max的用户界面 100

7.2  几何体建模 102

7.3  二维图形建模 103

7.4  高级造型技巧NURBS 104

7.4.1  NURBS概念 104

7.4.2  建立NURBS模型 106

7.5  材质与灯光 110

7.5.1  材质编辑器的使用 110

7.5.2  设定基本材质 113

7.5.3  灯光的运用 115

7.6  3ds Max与VRML 117

7.6.1  在3ds Max中插入VRML结点 117

7.6.2  将3ds Max的场景导出到VRML 118

小结 119

习题 119

第8章  SketchUp三维模型的建立与实例 120

8.1  建模方法及工具 120

8.2  SketchUp特点 121

8.3  Sketch Up与传统工具的比较 122

8.4  SketchUp功能 123

8.4.1  SketchUp软件窗口 124

8.4.2  SketchUp中的主要工具 125

8.4.3  SketchUp中绘图工具的使用 126

8.5  虚拟现实软件中三维模型建立的方法 132

8.5.1  直接导入法基本步骤 132

8.5.2  后期导入法基本步骤 132

8.6  贴图的方法和类型 132

8.6.1  贴图的方法 132

8.6.2  贴图的类型 133

8.7  虚拟校园模型 133

小结 134

习题 134

第9章  虚拟现实系统在各行业中的应用 135

9.1  工程领域的应用 135

9.1.1  航空发动机设计中的应用 136

9.1.2  潜水艇设计中的应用 137

9.1.3  建筑设计中的应用 137

9.1.4  人体建模方面的应用 139

9.1.5  工业概念设计中的应用 139

9.1.6  虚拟空间辅助决策系统中的应用 140

9.2  艺术与娱乐领域的应用 140

9.2.1  计算机动画设计中的应用 141

9.2.2  游戏系统中的应用 142

9.2.3  电视方面的应用 142

9.3  科学领域的应用 143

9.3.1  计算机神经科学中应用 144

9.3.2  分子建模中的应用 145

9.3.3  恐惧表情的表现 145

9.3.4  遥现操作中的应用 146

9.3.5  超声波反馈深度探测仪 146

9.4  虚拟训练 147

9.4.1  虚拟消防学院 147

9.4.2  飞行仿真 147

9.4.3  虚拟手术训练 149

9.4.4  虚拟军事训练 150

9.5  虚拟现实系统应用举例 151

9.5.1  皇家御用金砖的制作 151

9.5.2  模拟驾驶防真 152

9.5.3  数字园区规划 155

9.5.4  聊城古城的数字复原 155

9.5.5  油田仿真项目 156

9.5.6  产品虚拟展示 157

小结 158

习题 158

第10章  虚拟现实系统与教育培训 159

10.1  虚拟现实应用于教育教学、培训领域的教育理论基础 159

10.1.1  虚拟现实技术与认知主义学习理论 160

10.1.2  虚拟现实与行为主义学习理论 160

10.1.3  虚拟现实技术与建构主义学习理论 161

10.1.4  虚拟现实技术与人本主义学习理论 164

10.2  虚拟现实教与学的方法 166

10.2.1  教学方法 166

10.2.2  虚拟现实教学方法 166

10.2.3  虚拟现实学习方式 173

小结 178

习题 179

参考文献 180

无