本书以10堂课的形式全面系统地对虚拟现实进行介绍。其中，第一堂课介绍虚拟现实发展概况，主要包括概念解析、系统组成、发展历程、理性认知等；第二堂至第六堂课是虚拟现实的技术部分，主要介绍虚拟现实技术体系、硬件设备、软件工具、内容制作、行业应用等；第七堂课介绍虚拟现实艺术表现；第八堂课阐述虚拟现实的标准规范；第九堂课总结虚拟现实的产业发展；第十堂课描绘了虚拟现实的未来趋势。全书内容以科普虚拟现实基础知识、基本原理为主，但又不失一门新兴学科和技术体系的严谨性，同时，还单独阐述了虚拟现实艺术表现、标准规范和产业发展等热点话题。通过介绍具有代表性的观点、设备、软件、工具、产品等内容，使读者能够在短时间内了解、认识和掌握虚拟现实技术，并达到“让学生了解产业发展、让企业找到解决方案、让技术人员适应商业模式、让普通大众紧跟技术进步”的目的。本书适合作为高等院校信息技术类学生、虚拟现实技术人员和普通爱好者的参考书。

前 言 进入21世纪以来，以物联网、云计算、大数据、移动互联、智能终端为代表的新一代信息技术突飞猛进，引发了人类社会的新一轮技术变革，正在深刻地改变着人们的生活。虚拟现实（Virtual Reality，VR）是新一代信息技术的集大成者，下一代的通用计算平台，被认为是21世纪计算机领域最重要的研究方向之一。 虚拟现实技术起源于20世纪60年代，它的目标是通过各种技术手段创造一个能够“沉浸、交互、想象”的虚拟世界，使人们不仅能够逼真地感受到客观世界，而且能够得到真实世界无法亲身经历的体验。虚拟现实融合了媒体技术、传感器技术、互联网技术等众多技术，已广泛应用于工业、农业、医疗、教育、国防、艺术等各行各业，本身也成为技术发展和商业模式不断推陈出新的新兴产业。 为适应虚拟现实时代的到来和发展，我们编写了《虚拟现实的10堂课》，主要是从虚拟现实技术体系、产业发展、商业模式、未来趋势等角度，全面系统地对虚拟现实进行介绍。全书内容以科普虚拟现实基础知识、基本原理为主，但又不失一门新兴学科和技术体系的严谨性，同时，本书还单独阐述了虚拟现实艺术表现、标准规范和产业发展等热点话题，主要是想尝试通过编写一本综合性的教材专著达到“让学生了解产业发展、让企业找到解决方案、让技术人员适应商业模式、让普通大众紧跟技术进步”的目的。 本书作者团队由中国仿真学会虚拟现实专业委员会专家为主组成，汇集了虚拟现实技术及产业界众多企业和工作者的成果，第一堂至第六堂课主要介绍虚拟现实发展概况、技术体系、软硬件组成和行业应用等，由庞国锋编写；第七堂课介绍虚拟现实艺术表现，由马明琮编写；第八堂课阐述虚拟现实标准规范，由沈旭昆编写；第九堂课总结虚拟现实产业发展，由孙靖编写；第十堂课虚拟现实未来趋势以及全书的统稿工作由庞国锋负责。 感谢中国工程院院士、虚拟现实技术与系统国家重点实验室主任赵沁平先生在百忙之中专门为本书作序。赵院士数十年来致力于虚拟现实领域的研究及应用推广，正是他卓有成效的工作使得虚拟现实在中国蓬勃发展，为本书及其他专著的出现创造了条件。华讯方舟科技有限公司、华讯方舟股份有限公司董事长吴光胜先生不仅欣然为本书作序，而且亲自提供了华讯方舟近年来在虚拟现实等领域产品研发与未来规划的资料，这些资料融入了虚拟现实技术体系、软硬件组成、行业应用等章节的内容中。北航的胡勇、张磊，华讯方舟的朱震宇、刘伟伟等同志以及电子工业出版社工业技术分社徐静、陈韦凯编辑，都为本书的出版付出了巨大努力，在此一并表示感谢。 由于作者水平有限，书中难免有不足和疏漏之处，恳请广大读者批评指正。 作 者 2017年5月18日 序 一 进入21世纪以来，以物联网、云计算、大数据、移动互联、虚拟现实为代表的新一轮信息技术突飞猛进，催生了全球信息化治理体系和人类生活方式产生深刻变革。世界各国都在加快抢占信息化发展制高点，力图赢得优势、赢得未来。 “十三五”时期是我国全面建成小康社会和进入创新型国家行列的决胜阶段，是深入实施创新驱动发展战略、全面深化科技体制改革的关键时期。2016年9月4日，习近平主席在杭州出席20国集团工商峰会开幕式时指出：“创新是从根本上打开增长之锁的钥匙，以互联网为核心的新一轮科技和产业革命蓄势待发，人工智能、虚拟现实等新技术日新月异，虚拟经济与实体经济的结合将给人们的生产方式和生活方式带来革命性变化。”随着国家一系列信息技术产业发展战略的实施，上述技术热点相继引爆，其中，作为新一代信息技术的集大成者——虚拟现实最为引人注目。 虚拟现实技术起源于20世纪60年代，它融合了媒体技术、传感器技术、互联网技术等众多技术，创造了一个能够“沉浸、交互、想象”的虚拟世界，成为下一代计算平台和互联网的新入口及交互环境，广泛应用于工业、农业、医疗、教育、国防、艺术等各行各业，为行业互联网应用和大众生活带来颠覆性影响，本身也成为技术发展和商业模式不断推陈出新的新兴产业。许多媒体将2016年称为虚拟现实产业元年，一个新的时代已经在向我们走来。 然而，我国虚拟现实产业整体上还处于起步阶段，核心关键技术积累仍然不足，产业链上下游关键器件缺失，新型材料、人体工学设计、开发工具等相关配套设施尚不成熟，行业管理还缺乏有效的手段。下一步，要在突破虚实融合渲染、真三维呈现、实时定位注册、适人性虚拟现实等一批关键技术，形成高性能真三维显示器、智能眼镜、动作捕捉和分析系统、个性化虚拟现实整套装置等核心设备和系统的同时，加大人才培养和科学普及的力度，在工业、医疗、文化、娱乐等行业实现专业化和大众化的示范应用，面向全社会培育发展虚拟现实产业。 在此环境下，庞国锋等同志的新书《虚拟现实的10堂课》出版了。这本书通过介绍具有代表性的设备、软件、工具、产品，使读者能够在短时间内了解、认识和掌握虚拟现实技术。它以科普性、趣味性为主，但又不失一门新兴学科和技术体系的严谨性，同时，还覆盖了虚拟现实艺术表现、标准规范和产业发展等热点话题，在“让学生了解产业发展、让企业找到解决方案、让技术人员适应商业模式、让普通大众紧跟技术进步”的道路上迈出了可喜的一步。 一门新兴产业的发展总是随着相关技术的发展与成熟度、起伏发展的，关键在于坚持。同样，虚拟现实的发展离不开技术界、产业界和普通大众的支持，我希望有更多的人关注虚拟现实，也期待有更多的关于虚拟现实的有益读物面世。 赵沁平 2017年5月 序 二 虚拟现实是新一代信息技术的集大成者，是具有巨大潜力的新兴产业。随着虚拟现实技术的日臻成熟，虚拟现实设备质量迅速提升、价格大幅降低，虚拟现实开始进入大众生活。以2014年Facebook 20亿美元收购Oculus为标志，虚拟现实产业化在全球迅速展开。越来越多的科技公司陆续推出自己的VR创新产品，引发了向虚拟现实产业投资的浪潮。 2016年3月国家“十三五”规划纲要明确提出：大力支持虚拟现实等新兴前沿领域创新和产业化，这是“虚拟现实”首次出现在国家规划之中。国家层面的支持开启了虚拟现实市场的全面爆发，必将助推我国虚拟现实产业成长升级，快速形成虚拟现实产业的核心竞争力，抢占未来竞争制高点。因此，2016年被视为我国虚拟现实产业元年，新的时代已姗姗而来。 华讯方舟科技有限公司成立于2007年，是全球领先的移动宽带网络综合服务商，是第三代卫星通信的引领者，是中国太赫兹技术研究与应用的拓荒者与领跑者，旗下控股的上市公司华讯方舟股份（000687.SZ）致力于推进国防与军队信息化建设。一直以来，我们都希望在弯道超车中，让中国的科技创新走在世界的最前沿，用实业强大自己的祖国。目前，在太赫兹领域，华讯方舟的技术水平已和美国站在了同一水平线上，甚至在某些领域实现了对美国的超越。 近年来，华讯方舟在虚拟现实与仿真事业上持续发力，其标志就是南京华讯成立了仿真事业部，陆续开发了光波导芯片、AR眼镜、VR头盔、VrEarth、GenEarth等虚拟现实仿真软硬件产品，承接了国防、工业、出版等多个领域重大项目，并成功申请成为虚拟现实国家工程实验室理事单位。 未来，华讯方舟以“担当、引领、突破”的核心价值观，按照“为国家着想，为人民服务，按市场规律办事”的经营宗旨，在虚拟现实领域持续开拓进取，勇攀科技高峰，探索先进商业模式，形成解决方案—硬件设备—软件集成三位一体的、安全可控的产品体系，不断完善产业链。我们坚信科技创新是一个国家进步的根本，只要坚守初衷，脚踏实地，时刻不忘报国、强国的使命，我们的科技创新一定会做到世界最好。 是为序！ 吴光胜 2017年5月

目 录 第一堂课 虚拟现实发展概况 / 1 一、概念解析 / 2 二、系统组成 / 4 三、基本特征 / 6 四、发展历程 / 8 五、理性认知 / 13 第二堂课 虚拟现实技术体系 / 16 一、感知技术 / 17 （一）视觉感知 / 18 （二）听觉感知 / 19 （三）嗅觉和味觉 / 19 （四）触觉和力觉 / 20 （五）身体感觉 / 21 二、建模技术 / 22 （一）三维建模技术 / 22 （二）物理建模技术 / 25 （三）行为建模技术 / 27 三、呈现技术 / 29 （一）视觉呈现技术 / 29 （二）听觉呈现技术 / 37 四、交互技术 / 41 （一）语音交互 / 41 （二）手势交互 / 42 （三）表情交互与人脸识别 / 43 （四）眼动跟踪技术 / 44 （五）其他感觉器官的反馈技术 / 46 第三堂课 虚拟现实硬件设备 / 47 一、输入设备 / 48 （一）数据手套 / 48 （二）人体运动捕捉设备 / 50 （三）数据衣 / 53 （四）三维扫描仪 / 54 （五）眼动仪 / 55 （六）其他手控输入设备 / 56 二、输出设备 / 57 （一）头盔显示器 / 57 （二）洞穴式立体显示装置 / 60 （三）墙式立体显示系统 / 62 （四）全息投影系统 / 62 三、配套设备 / 64 （一）听觉感知设备 / 64 （二）触觉感知设备 / 65 （三）三维打印机 / 67 第四堂课 虚拟现实软件工具 / 68 一、信息处理软件 / 69 （一）视频采集 / 69 （二）三维重建 / 74 （三）人体跟踪与动作捕捉 / 75 （四）投影拼接边缘融合 / 76 （五）物理反馈 / 78 二、系统平台软件 / 79 （一）三维建模 / 79 （二）VR引擎 / 84 （三）开发工具 / 90 第五堂课 虚拟现实内容制作 / 98 一、VR视频 / 99 （一）基本概念 / 99 （二）制作过程 / 100 （三）发展状况 / 101 二、VR游戏 / 103 （一）基本概念 / 103 （二）制作过程 / 104 （三）发展状况 / 108 三、VR直播 / 109 第六堂课 虚拟现实行业应用 / 112 一、VR+工业 / 113 （一）虚拟设计 / 113 （二）虚拟装配 / 115 （三）虚拟维修 / 117 二、VR+农业 / 121 （一）虚拟植物 / 121 （二）虚拟养殖 / 123 （三）虚拟农场 / 124 三、VR+军事 / 125 （一）虚拟训练 / 126 （二）虚拟演习 / 128 （三）虚拟武器样机 / 129 四、VR+教育 / 130 （一）虚拟实验室 / 131 （二）虚拟实训基地 / 133 五、VR+医疗 / 134 （一）虚拟手术 / 134 （二）虚拟人体 / 136 （三）虚拟心理治疗 / 138 六、VR+测绘 / 139 七、VR+地产 / 141 八、VR+旅游 / 144 九、VR+购物 / 145 十、VR+博物馆 / 146 第七堂课 虚拟现实艺术表现 / 148 一、基本认知 / 149 （一）概念特点 / 149 （二）发展状况 / 150 （三）作用意义 / 152 二、创作工具 / 154 三、创作规律 / 156 （一）以人为本规律 / 156 （二）欲望释放规律 / 158 （三）虚实结合规律 / 160 （四）与时俱进规律 / 160 第八堂课 虚拟现实标准规范 / 161 一、建设思路 / 163 （一）虚拟现实系统架构 / 163 （二）虚拟现实标准体系结构 / 165 （三）虚拟现实标准体系框架 / 166 二、建设内容 / 168 （一）基础共性标准 / 168 （二）关键技术标准 / 170 （三）内容制作与系统研发标准 / 170 （四）用户体验标准 / 171 （五）行业应用标准 / 171 三、当前进展 / 172 第九堂课 虚拟现实产业发展 / 174 一、产业链分析 / 175 二、主要厂商和产品 / 178 三、商业模式 / 181 第十堂课 虚拟现实未来趋势 / 185 一、关键技术不断取得突破 / 186 二、VR产业进入爆发时期 / 187 三、VR将对人类未来产生重大影响 / 191

庞国锋，北京航空航天大学博士，高级工程师，中国仿真学会理事，一直在空军后勤信息中心从事研究工作，对虚拟现实技术有深入了解和研究，写作通俗易懂。