虚拟现实技术基础 / 计算机科学战略新兴技术丛书
￥59.00定价
作者： 高天寒，董傲霜，王英博，喻春阳，段沛博
出版时间：2025-07-01
出版社：机械工业出版社
- 机械工业出版社
- 9787111774464
- 1-1
- 550373
- 平装
- 2025-07-01
- 384
内容简介
虚拟现实凭借其多感知、沉浸感、交互性和构想性，已成为一种先进的“所见即所得”人机交互方式，并广泛应用于教育、医疗、娱乐等多个领域，展现出强大的应用潜力和价值。本书紧跟国家需求，以虚拟现实技术为核心，同时融合增强现实、混合现实等相关技术，全面系统地介绍了虚拟现实技术概述、系统构成、硬件设备、关键技术等九方面内容。
本书充分汲取了编写团队多年的教学和实践经验及学生反馈，内容丰富，结构清晰，语言通俗易懂，旨在帮助读者在深入理解虚拟现实技术的基础上，掌握泛虚拟现实设计与研发技能，为学习和工作打下坚实基础。本书可作为高等院校和高职院校相关专业课程的教材，为培养具备泛虚拟现实技术研发能力的实用性、复合型、国际化人才提供有力支持。
本书充分汲取了编写团队多年的教学和实践经验及学生反馈，内容丰富，结构清晰，语言通俗易懂，旨在帮助读者在深入理解虚拟现实技术的基础上，掌握泛虚拟现实设计与研发技能，为学习和工作打下坚实基础。本书可作为高等院校和高职院校相关专业课程的教材，为培养具备泛虚拟现实技术研发能力的实用性、复合型、国际化人才提供有力支持。
目录
目 录
前言
第1章 虚拟现实技术概述 1
1.1 虚拟现实的发展 3
1.1.1 虚拟现实的起源与发展历史 3
1.1.2 虚拟现实的当下研究热点与产业
生态 7
1.1.3 虚拟现实的技术瓶颈与未来发展
趋势 8
1.2 虚拟现实的定义 11
1.2.1 虚拟现实的概念 12
1.2.2 虚拟现实的基本特征 12
1.2.3 虚拟现实系统的基本构成 12
1.3 虚拟现实的分类 13
1.3.1 桌面式虚拟现实系统 13
1.3.2 沉浸式虚拟现实系统 14
1.3.3 增强式虚拟现实系统 15
1.3.4 分布式虚拟现实系统 15
1.4 虚拟现实的应用领域 16
1.4.1 教育/培训领域 17
1.4.2 医疗领域 20
1.4.3 传媒/社交/娱乐领域 21
1.4.4 工业领域 25
1.4.5 农业领域 26
1.4.6 旅游领域 28
1.4.7 城市规划/房产领域 29
1.4.8 电商领域 31
1.4.9 军事领域 32
1.4.10 航空航天领域 33
1.5 本章小结 34
参考文献 35
思考题 38
第2章 虚拟现实系统构成 39
2.1 虚拟环境 39
2.1.1 虚拟环境搭建软件 39
2.1.2 虚拟环境处理硬件 40
2.2 视觉系统 40
2.2.1 固定式VR显示器 40
2.2.2 CAVE立体显示装置 41
2.2.3 头戴式VR显示器 42
2.2.4 手持式VR显示器 42
2.2.5 视网膜投影设备 43
2.2.6 分时显示设备 43
2.2.7 全息投影设备 44
2.3 听觉系统 44
2.3.1 固定式音频设备 44
2.3.2 耳机式音频设备 45
2.3.3 三维立体声设备 46
2.4 反馈系统 47
2.4.1 触觉传感器 47
2.4.2 嗅觉传感器 48
2.4.3 味觉传感器 50
2.4.4 力觉传感器 51
2.5 跟踪系统 53
2.5.1 机械跟踪器 53
2.5.2 惯性跟踪器 53
2.5.3 光学跟踪器 54
2.5.4 电磁跟踪器 54
2.5.5 超声波跟踪器 55
2.6 交互系统 56
2.6.1 语言交互设备 56
2.6.2 动作交互设备 57
2.6.3 肌肉及神经交互设备 58
2.6.4 意念控制设备 58
2.7 本章小结 59
参考文献 60
思考题 62
第3章 虚拟现实硬件设备 63
3.1 PC连接类设备 63
3.1.1 HTC Vive 63
3.1.2 Oculus Rift 65
3.1.3 Valve Index 66
3.1.4 Pimax 67
3.1.5 HUAWEI VR 眼镜 67
3.1.6 HP Reverb G2 Omnicept 67
3.1.7 arpara 5K VR 68
3.1.8 PlayStation VR 68
3.2 头戴式一体机 69
3.2.1 Oculus Quest 69
3.2.2 Vive Focus 69
3.2.3 HTC Vive Flow 70
3.2.4 Pico 70
3.2.5 NOLO Sonic 70
3.2.6 DP VR 71
3.2.7 MI VR 71
3.2.8 Skyworth VR 72
3.2.9 iQUT 72
3.2.10 arpara AIO VR 72
3.3 移动端眼镜 73
3.3.1 千幻魔镜 73
3.3.2 爱奇艺VR小阅悦 73
3.3.3 Google Cardboard 73
3.3.4 三星 Gear VR 74
3.3.5 UGP VR 74
3.3.6 小宅 VR 74
3.3.7 索尼 Xperia View 75
3.4 体感设备 75
3.4.1 体感器 75
3.4.2 三维鼠标 76
3.4.3 数据手套 76
3.4.4 数据衣 76
3.4.5 VR跑步机 77
3.4.6 VR手势识别设备 77
3.4.7 眼部追踪设备 78
3.5 本章小结 79
参考文献 80
思考题 81
第4章 虚拟现实关键技术 82
4.1 虚拟环境建模技术 82
4.1.1 几何建模技术 83
4.1.2 纹理映射建模技术 85
4.1.3 物理建模技术 86
4.1.4 行为建模技术 88
4.2 实时场景生成与优化技术 88
4.2.1 真实感光照计算 89
4.2.2 基于几何的实时绘制技术 89
4.3 立体显示技术 90
4.3.1 立体视觉的形成原理 90
4.3.2 立体视觉的生成与再造 91
4.4 虚拟音效技术 92
4.4.1 虚拟声音形成的原理 93
4.4.2 虚拟声音的特征 93
4.4.3 语音识别技术 94
4.4.4 虚拟声音的合成 94
4.5 捕捉识别技术 94
4.5.1 面部表情识别技术 95
4.5.2 眼动识别技术 96
4.5.3 唇语识别技术 97
4.5.4 手势识别技术 98
4.5.5 体感反馈技术 99
4.6 跟踪定位技术 99
4.6.1 超声波跟踪定位技术 99
4.6.2 电磁式跟踪定位技术 100
4.6.3 光学式跟踪定位技术 100
4.6.4 无线射频识别技术 101
4.6.5 其他定位技术 102
4.7 新一代人机交互技术 102
4.7.1 语义识别技术 102
4.7.2 脑机接口技术 103
4.7.3 用户建模技术 104
4.7.4 心理分析技术 105
4.8 数据传输技术 106
4.8.1 5G通信技术 106
4.8.2 蓝牙传输技术 108
4.8.3 Wi-Fi传输技术 109
参考文献 111
思考题 112
第5章 虚拟现实项目开发流程 113
5.1 虚拟现实项目开发概述 113
5.2 虚拟现实项目设计 113
5.2.1 虚拟现实项目及系统类型 113
5.2.2 流程设计及团队分工 117
5.2.3 设计目标和原则 120
5.3 虚拟现实项目开发 122
5.3.1 项目开发流程 122
5.3.2 开发团队角色 123
5.3.3 虚拟现实内容制作方式 126
5.3.4 交互功能开发 127
5.3.5 项目开发的重难点问题 127
5.4 虚拟现实项目测试 128
5.4.1 测试标准 128
5.4.2 基本要求 128
5.4.3 测试方法 130
5.5 开发建议 133
5.6 本章小结 134
参考文献 135
思考题 136
第6章 虚拟现实开发工具 137
6.1 策划工具 137
6.1.1 Axure RP与MockingBot 137
6.1.2 MindMaster与XMind 138
6.1.3 Machinations 139
6.2 程序开发工具 140
6.2.1 Visual Studio 140
6.2.2 Xcode 144
6.3 美术开发工具 144
6.3.1 Photoshop与Illustrator 144
6.3.2 Premiere与After Effects 145
6.3.3 3ds Max与MAYA 146
6.3.4 Substance Painter与Substance
Designer 152
6.3.5 UVLayout与Unfold3D 157
6.3.6 ZBrush 158
6.3.7 Blender 158
6.3.8 Houdini 159
6.4 音乐及音效处理工具 160
6.4.1 Audition 160
6.4.2 Virtual DJ 160
参考文献 162
思考题 163
第7章 虚拟现实开发平台 164
7.1 Unity 3D 164
7.1.1 Unity 3D的发展历史 164
7.1.2 Unity 3D的核心功能概述 165
7.1.3 Unity 3D的虚拟现实支持 168
7.2 虚幻引擎 169
7.2.1 虚幻引擎的发展历史 169
7.2.2 虚幻引擎的核心功能概述 170
7.2.3 虚幻引擎的虚拟现实支持 176
7.3 CRYENGINE 176
7.3.1 CRYENGINE的发展历史 177
7.3.2 CRYENGINE的核心功能概述 178
7.3.3 CRYENGINE的虚拟现实支持 178
思考题 179
第8章 虚拟现实技术扩展 180
8.1 增强现实技术 181
8.1.1 增强现实的定义 181
8.1.2 增强现实与虚拟现实 182
8.1.3 增强现实的应用领域 184
8.2 混合现实技术 189
8.2.1 混合现实的定义 189
8.2.2 混合现实与虚拟现实 190
8.2.3 混合现实的应用领域 191
8.3 全息投影技术 198
8.3.1 全息投影技术的定义 198
8.3.2 全息投影技术的应用领域 199
8.4 扩展现实技术 199
8.4.1 扩展现实技术的定义 200
8.4.2 扩展现实技术的应用领域 200
8.5 本章小结 204
参考文献 205
思考题 207
第9章 虚拟现实开发案例 208
9.1 项目准备 208
9.1.1 Unity 3D引擎 208
9.1.2 外部硬件配置 209
9.1.3 SteamVR插件的获取 213
9.2 SteamVR插件的具体操作 215
9.2.1 Skeleton 215
9.2.2 SteamVR输入 217
9.2.3 绑定UI 218
9.2.4 使用动作 219
9.3 交互系统 220
9.3.1 玩家与移动 220
9.3.2 简单物体交互 222
9.3.3 特殊物体交互 223
9.4 校史馆系统设计与实现案例 226
9.4.1 系统分析 226
9.4.2 系统设计 226
9.4.3 系统实现 231
9.5 本章小结 239
参考文献 240
思考题 241
前言
第1章 虚拟现实技术概述 1
1.1 虚拟现实的发展 3
1.1.1 虚拟现实的起源与发展历史 3
1.1.2 虚拟现实的当下研究热点与产业
生态 7
1.1.3 虚拟现实的技术瓶颈与未来发展
趋势 8
1.2 虚拟现实的定义 11
1.2.1 虚拟现实的概念 12
1.2.2 虚拟现实的基本特征 12
1.2.3 虚拟现实系统的基本构成 12
1.3 虚拟现实的分类 13
1.3.1 桌面式虚拟现实系统 13
1.3.2 沉浸式虚拟现实系统 14
1.3.3 增强式虚拟现实系统 15
1.3.4 分布式虚拟现实系统 15
1.4 虚拟现实的应用领域 16
1.4.1 教育/培训领域 17
1.4.2 医疗领域 20
1.4.3 传媒/社交/娱乐领域 21
1.4.4 工业领域 25
1.4.5 农业领域 26
1.4.6 旅游领域 28
1.4.7 城市规划/房产领域 29
1.4.8 电商领域 31
1.4.9 军事领域 32
1.4.10 航空航天领域 33
1.5 本章小结 34
参考文献 35
思考题 38
第2章 虚拟现实系统构成 39
2.1 虚拟环境 39
2.1.1 虚拟环境搭建软件 39
2.1.2 虚拟环境处理硬件 40
2.2 视觉系统 40
2.2.1 固定式VR显示器 40
2.2.2 CAVE立体显示装置 41
2.2.3 头戴式VR显示器 42
2.2.4 手持式VR显示器 42
2.2.5 视网膜投影设备 43
2.2.6 分时显示设备 43
2.2.7 全息投影设备 44
2.3 听觉系统 44
2.3.1 固定式音频设备 44
2.3.2 耳机式音频设备 45
2.3.3 三维立体声设备 46
2.4 反馈系统 47
2.4.1 触觉传感器 47
2.4.2 嗅觉传感器 48
2.4.3 味觉传感器 50
2.4.4 力觉传感器 51
2.5 跟踪系统 53
2.5.1 机械跟踪器 53
2.5.2 惯性跟踪器 53
2.5.3 光学跟踪器 54
2.5.4 电磁跟踪器 54
2.5.5 超声波跟踪器 55
2.6 交互系统 56
2.6.1 语言交互设备 56
2.6.2 动作交互设备 57
2.6.3 肌肉及神经交互设备 58
2.6.4 意念控制设备 58
2.7 本章小结 59
参考文献 60
思考题 62
第3章 虚拟现实硬件设备 63
3.1 PC连接类设备 63
3.1.1 HTC Vive 63
3.1.2 Oculus Rift 65
3.1.3 Valve Index 66
3.1.4 Pimax 67
3.1.5 HUAWEI VR 眼镜 67
3.1.6 HP Reverb G2 Omnicept 67
3.1.7 arpara 5K VR 68
3.1.8 PlayStation VR 68
3.2 头戴式一体机 69
3.2.1 Oculus Quest 69
3.2.2 Vive Focus 69
3.2.3 HTC Vive Flow 70
3.2.4 Pico 70
3.2.5 NOLO Sonic 70
3.2.6 DP VR 71
3.2.7 MI VR 71
3.2.8 Skyworth VR 72
3.2.9 iQUT 72
3.2.10 arpara AIO VR 72
3.3 移动端眼镜 73
3.3.1 千幻魔镜 73
3.3.2 爱奇艺VR小阅悦 73
3.3.3 Google Cardboard 73
3.3.4 三星 Gear VR 74
3.3.5 UGP VR 74
3.3.6 小宅 VR 74
3.3.7 索尼 Xperia View 75
3.4 体感设备 75
3.4.1 体感器 75
3.4.2 三维鼠标 76
3.4.3 数据手套 76
3.4.4 数据衣 76
3.4.5 VR跑步机 77
3.4.6 VR手势识别设备 77
3.4.7 眼部追踪设备 78
3.5 本章小结 79
参考文献 80
思考题 81
第4章 虚拟现实关键技术 82
4.1 虚拟环境建模技术 82
4.1.1 几何建模技术 83
4.1.2 纹理映射建模技术 85
4.1.3 物理建模技术 86
4.1.4 行为建模技术 88
4.2 实时场景生成与优化技术 88
4.2.1 真实感光照计算 89
4.2.2 基于几何的实时绘制技术 89
4.3 立体显示技术 90
4.3.1 立体视觉的形成原理 90
4.3.2 立体视觉的生成与再造 91
4.4 虚拟音效技术 92
4.4.1 虚拟声音形成的原理 93
4.4.2 虚拟声音的特征 93
4.4.3 语音识别技术 94
4.4.4 虚拟声音的合成 94
4.5 捕捉识别技术 94
4.5.1 面部表情识别技术 95
4.5.2 眼动识别技术 96
4.5.3 唇语识别技术 97
4.5.4 手势识别技术 98
4.5.5 体感反馈技术 99
4.6 跟踪定位技术 99
4.6.1 超声波跟踪定位技术 99
4.6.2 电磁式跟踪定位技术 100
4.6.3 光学式跟踪定位技术 100
4.6.4 无线射频识别技术 101
4.6.5 其他定位技术 102
4.7 新一代人机交互技术 102
4.7.1 语义识别技术 102
4.7.2 脑机接口技术 103
4.7.3 用户建模技术 104
4.7.4 心理分析技术 105
4.8 数据传输技术 106
4.8.1 5G通信技术 106
4.8.2 蓝牙传输技术 108
4.8.3 Wi-Fi传输技术 109
参考文献 111
思考题 112
第5章 虚拟现实项目开发流程 113
5.1 虚拟现实项目开发概述 113
5.2 虚拟现实项目设计 113
5.2.1 虚拟现实项目及系统类型 113
5.2.2 流程设计及团队分工 117
5.2.3 设计目标和原则 120
5.3 虚拟现实项目开发 122
5.3.1 项目开发流程 122
5.3.2 开发团队角色 123
5.3.3 虚拟现实内容制作方式 126
5.3.4 交互功能开发 127
5.3.5 项目开发的重难点问题 127
5.4 虚拟现实项目测试 128
5.4.1 测试标准 128
5.4.2 基本要求 128
5.4.3 测试方法 130
5.5 开发建议 133
5.6 本章小结 134
参考文献 135
思考题 136
第6章 虚拟现实开发工具 137
6.1 策划工具 137
6.1.1 Axure RP与MockingBot 137
6.1.2 MindMaster与XMind 138
6.1.3 Machinations 139
6.2 程序开发工具 140
6.2.1 Visual Studio 140
6.2.2 Xcode 144
6.3 美术开发工具 144
6.3.1 Photoshop与Illustrator 144
6.3.2 Premiere与After Effects 145
6.3.3 3ds Max与MAYA 146
6.3.4 Substance Painter与Substance
Designer 152
6.3.5 UVLayout与Unfold3D 157
6.3.6 ZBrush 158
6.3.7 Blender 158
6.3.8 Houdini 159
6.4 音乐及音效处理工具 160
6.4.1 Audition 160
6.4.2 Virtual DJ 160
参考文献 162
思考题 163
第7章 虚拟现实开发平台 164
7.1 Unity 3D 164
7.1.1 Unity 3D的发展历史 164
7.1.2 Unity 3D的核心功能概述 165
7.1.3 Unity 3D的虚拟现实支持 168
7.2 虚幻引擎 169
7.2.1 虚幻引擎的发展历史 169
7.2.2 虚幻引擎的核心功能概述 170
7.2.3 虚幻引擎的虚拟现实支持 176
7.3 CRYENGINE 176
7.3.1 CRYENGINE的发展历史 177
7.3.2 CRYENGINE的核心功能概述 178
7.3.3 CRYENGINE的虚拟现实支持 178
思考题 179
第8章 虚拟现实技术扩展 180
8.1 增强现实技术 181
8.1.1 增强现实的定义 181
8.1.2 增强现实与虚拟现实 182
8.1.3 增强现实的应用领域 184
8.2 混合现实技术 189
8.2.1 混合现实的定义 189
8.2.2 混合现实与虚拟现实 190
8.2.3 混合现实的应用领域 191
8.3 全息投影技术 198
8.3.1 全息投影技术的定义 198
8.3.2 全息投影技术的应用领域 199
8.4 扩展现实技术 199
8.4.1 扩展现实技术的定义 200
8.4.2 扩展现实技术的应用领域 200
8.5 本章小结 204
参考文献 205
思考题 207
第9章 虚拟现实开发案例 208
9.1 项目准备 208
9.1.1 Unity 3D引擎 208
9.1.2 外部硬件配置 209
9.1.3 SteamVR插件的获取 213
9.2 SteamVR插件的具体操作 215
9.2.1 Skeleton 215
9.2.2 SteamVR输入 217
9.2.3 绑定UI 218
9.2.4 使用动作 219
9.3 交互系统 220
9.3.1 玩家与移动 220
9.3.2 简单物体交互 222
9.3.3 特殊物体交互 223
9.4 校史馆系统设计与实现案例 226
9.4.1 系统分析 226
9.4.2 系统设计 226
9.4.3 系统实现 231
9.5 本章小结 239
参考文献 240
思考题 241
