虛擬現實技術概論（簡體書）

本書系統全面地介紹了計算機前沿科技——虛擬現實（VR）和增強現實（AR）技術，詳細地介紹了Blender 3D建模設計、VRX3D虛擬現實開發技術、Unity虛擬集成開發環境以及元宇宙等相關知識。本書共10章，主要包括虛擬現實技術、增強現實技術、智能可穿戴交互技術、大眾化虛擬現實硬件設備、虛擬現實技術應用、Blender虛擬仿真開發平臺、VRX3D虛擬/增強現實開發平臺、Unity虛擬/增強現實開發平臺、Python虛擬現實人工智能技術以及元宇宙。
本書是虛擬現實領域前沿的概論性教科書，是集計算機虛擬現實技術、增強現實技術、智能可穿戴技術、VRX3D虛擬/增強現實開發平臺、Blender虛擬仿真開發平臺、Unity虛擬仿真開發與設計及元宇宙相關理論知識等內容於一身的實用性教科書。本書內容豐富，深入淺出，思路清晰，結構合理，實用性強。本書配有豐富的虛擬現實技術設計實例並提供了大量的實驗文件和源代碼，幫助讀者更加輕鬆地掌握本書的技術內容。
本書可作為高等院校多媒體技術、數字媒體技術、計算機應用等專業“虛擬現實技術”課程的教材或教學參考書，也可供從事虛擬現實技術研究、開發和應用的從業人員及虛擬現實愛好者學習參考。

本書詳細介紹了前沿科技虛擬現實技術，同時介紹了增強現實技術、智能可穿戴技術、X3D虛擬/增強現實開發平臺、Blender虛擬仿真開發平臺、Unity虛擬仿真開發以及元宇宙等相關知識。

黨的二十大報告提出，實施科教興國戰略，強化現代化建設人才支撐。深入實施人才強國戰略。培養造就大批德才兼備的高素質人才，是國家和民族長遠發展大計。隨著信息技術和計算機技術的飛速發展，新型的計算機應用技術已經逐漸在社會生活的各個領域得到充分的發展和應用。2018年，發布的《普通高等學校高等職業教育（專科）專業目錄》增補了3個專業，分別是水凈化與安全技術專業、儲能材料技術專業和虛擬現實應用技術專業。其中，虛擬現實應用技術專業大類為電子信息大類，專業類為計算機類。2020年2月21日，《關於公布2019年度普通高等學校本科專業備案和審批結果的通知》（教高函〔2020〕2號），公布“2019年度普通高等學校本科專業備案和審批結果”的“新增審批本科專業名單”有新專業“虛擬現實技術專業”。
虛擬現實技術作為新型計算機應用技術，其出現的時間雖然不長，但是在工業、農業、商業、教育、醫療、娛樂、軍事等諸多領域有著十分廣泛的應用。隨著計算機軟硬件和“互聯網 ”的迅猛發展，以及人機交互設備的不斷更新換代，虛擬現實應用技術已漸漸地走入人們的生活。
本書主要介紹虛擬現實技術的主要技術特點和交互體驗方式以及基本的開發設計平臺，內容包括虛擬現實技術、增強現實技術、智能可穿戴交互技術、大眾化虛擬現實硬件設備、虛擬現實技術應用、Blender虛擬仿真開發平臺、VRX3D虛擬/增強現實開發平臺、Unity虛擬/增強現實開發平臺、Python虛擬現實人工智能技術以及元宇宙。本書生動形象地把一門新興卻複雜的課程，用簡單清晰的方式呈現在讀者面前，幫助讀者更容易地掌握虛擬現實技術的相關內容。
本書還介紹虛擬現實技術如何利用計算機系統、多種虛擬現實專用設備和軟件構造一種虛擬環境，用於實現用戶與虛擬環境直接進行自然交互和溝通。闡述作為計算機領域前沿科技的增強現實技術，如何利用寬帶網絡、多媒體、遊戲設計、虛擬人設計、信息地理等與人工智能技術相融合；以及可穿戴式智能設備技術如何應用於日常穿戴的智能化設計及其開發，例如智能眼鏡、手套、手表、手環以及服飾等。重點介紹VRX3D的互聯網三維立體圖形國際通用軟件標準，整合並實現基於網絡傳播的動態交互三維立體效果。其中的VRX3D Blender虛擬仿真開發平臺，可以使Blender虛擬仿真開發平臺與VRX3D虛擬/增強現實交互技術無縫對接，把Blender 3D模型、材質、紋理等功能導入VRX3D虛擬/增強交互場景中，極大提高VRX3D虛擬/增強交互技術項目開發的效率，從而實現VRX3D虛擬/增強現實開發平臺的構建。而Unity Blender虛擬/增強現實開發設計平臺，可以使Unity虛擬/增強現實交互技術與Blender虛擬仿真開發平臺無縫對接，把Blender 3D模型、材質、紋理等功能直接導入Unity虛擬/增強現實交互場景中直接使用，減少調整時間，避免二次開發，極大提高Unity虛擬/增強現實交互技術項目開發的效率。
本書最後介紹了虛擬現實技術應用的熱門領域——元宇宙，重點介紹了元宇宙的誕生、元宇宙的發展歷程、元宇宙的理論架構、元宇宙的實現、元宇宙的國內外發展現狀、元宇宙的產生生態、工業元宇宙、元宇宙發展的風險方面的內容。
本書的內容和思路可以幫助激發讀者在編程以及技術應用過程中的邏輯思維和開發能力，不僅為以後開發大型應用程序打下良好的基礎，也教會讀者使用計算機前沿科技的虛擬現實技術和虛擬現實開發工具，利用軟件工程的思想進行開發、設計、編程、調試和運行。通過虛擬現實語言生動、鮮活的軟件項目開發實例，由淺入深、循序漸進地提高讀者學習和編程的能力，從而能夠真正體會軟件開發的真實效果和實際意義，獲得無窮樂趣。
本書還提供了豐富的教學資源供教師教學和學生練習使用，以本書內容為基礎的教學課件發布在清華大學出版社官網；部分案例的實驗文件和源代碼，讀者也可以通過官網下載。
由於作者水平有限，書中難免出現疏漏，懇請廣大讀者對本書的不足之處予以指正。

作者2024年2月

第1章虛擬現實技術1
1.1虛擬現實技術概況1
1.2虛擬現實技術分類2
1.2.1桌面式虛擬現實系統4
1.2.2沉浸式虛擬現實系統4
1.2.3分布式虛擬現實系統6
1.2.4增強現實虛擬現實系統7
1.2.5純軟件虛擬現實系統7
1.2.6可穿戴虛擬現實系統8
1.3虛擬現實動態交互感知設備8
1.3.1三維立體眼鏡9
1.3.2數據手套9
1.3.3頭盔顯示器10
1.3.4三維空間跟蹤球10
1.3.5三維空間跟蹤定位器11
1.3.6力反饋器11
1.3.7三維模型數字化儀12
1.3.8三維立體顯示器12
1.4虛擬現實技術發展現狀13
第2章增強現實技術17
2.1增強現實技術簡介17
2.2增強現實技術原理18
2.2.1增強現實技術基本特徵18
2.2.2增強現實技術構成19
2.2.3增強現實技術實現原理19
2.2.4基於穿透式頭盔顯示器增強現實系統192.3增強現實硬件設備20
2.3.1谷歌眼鏡20
2.3.2微軟全息影像頭盔21
2.3.3增強現實滑雪護目眼鏡22
2.4VR/AR全景攝像機設備23
2.4.1GoPro23
2.4.2三星360°3D全景虛擬現實相機24
2.4.3諾基亞虛擬現實球形攝影相機24
第3章智能可穿戴交互技術25
3.1智能可穿戴技術簡介25
3.2智能可穿戴設備的發展歷程26
3.2.1智能可穿戴設備的早期發展26
3.2.2智能可穿戴設備的發展現狀27
3.2.3智能可穿戴設備的未來發展28
3.3智能可穿戴交互設備分類29
3.3.1智能可穿戴內置設備30
3.3.2智能可穿戴外置設備30
3.3.3智能可穿戴外置機械設備31
3.4智能可穿戴設備技術31
3.4.1骨傳導交互技術31
3.4.2眼動跟蹤交互技術32
3.4.3AR/MR交互技術32
3.4.4語音交互技術32
第4章大眾化虛擬現實硬件設備33
4.13D眼鏡33
4.1.13D眼鏡原理33
4.1.23D眼鏡實現34
4.23D頭盔36
4.2.13D頭盔原理36
4.2.23D頭盔實現36
4.39D虛擬現實體驗館38
4.3.19D虛擬現實體驗館架構39
4.3.29D虛擬現實體驗館實現39
第5章虛擬現實技術應用40
5.1航空航天與軍事領域40
5.1.1在航空航天領域的應用40
5.1.2在軍事領域的應用41
5.2工業仿真設計領域41
5.3地理信息與城市規劃領域42
5.3.1在地理信息領域的應用42
5.3.2在城市規劃領域的應用43
5.4醫學領域44
5.5旅遊與考古領域45
5.5.1在旅遊領域的應用45
5.5.2在考古領域的應用46
5.6教育與電子商務領域46
5.6.1在教育領域的應用46
5.6.2在電子商務領域的應用48
5.7遊戲設計領域48
第6章Blender虛擬仿真開發平臺50
6.1常見的三維建模軟件50
6.1.13ds Max50
6.1.2Maya54
6.1.33ds Max與Maya比較57
6.2Blender簡介57
6.2.1Blender功能特點58
6.2.2Blender界面簡介58
6.3Blender 3D幾何建模技術59
6.3.1基本物體造型59
6.3.23D物體基本操作60
6.3.3基本幾何模型設計61
6.4Blender 3D網格建模設計62
6.4.1網格物體建模63
6.4.2選擇網格物體65
6.4.3頂點工具菜單68
6.4.4邊線工具菜單71
6.4.5面工具菜單77
6.5Blender 3D虛擬仿真案例82
第7章VRX3D虛擬/增強現實開發平臺85
7.1VRX3D語法概述86
7.1.1VRX3D語法格式87
7.1.2VRX3D場景結構93
7.1.3VRX3D文件注釋93
7.2VRX3D基礎建模語法剖析94
7.2.1VRX3D基礎節點95
7.2.2VRX3D文本節點96
7.3VRX3D基礎建模開發97
7.3.1VRX3D幾何建模設計97
7.3.2VRX3D材質紋理建模100
7.4VRX3D基礎開發與設計綜合案例102
第8章Unity虛擬/增強現實開發平臺115
8.1Unity虛擬仿真引擎簡介116
8.1.1標題欄116
8.1.2菜單欄116
8.1.3工具欄121
8.1.4場景設計面板122
8.1.5遊戲視圖123
8.1.6項目瀏覽器視圖124
8.1.7層級面板視圖125
8.1.8檢視面板126
8.2Unity虛擬仿真引擎開發與設計126
8.2.1地形引擎126
8.2.2創建地形127
8.2.3編輯地形128
8.2.4地形紋理繪製129
8.3Unity虛擬仿真引擎設計案例130
第9章Python 虛擬現實人工智能技術134
9.1Python 人工智能技術134
9.1.1Python 人工智能技術簡介134
9.1.2Python開發環境安裝與設置136
9.1.3PyCharm 集成開發環境安裝142
9.2VRBlenderPython開發環境149
9.2.1VRBlenderPython 軟件包安裝與漢化149
9.2.2VRBlenderPython 環境構建149
9.2.3Python控制臺編輯設計152
9.2.4Blender腳本156
9.3Python語法156
9.3.1Python基礎語法156
9.3.2Python 基本數據類型158
9.3.3Python 運算符173
9.3.4Python 日期和時間函數178
9.4Python 控制流程179
9.4.1Python條件語句179
9.4.2Python循環語句181
9.5VRBlenderPython腳本3D模型設計案例189
第10章元宇宙193
10.1元宇宙的誕生193
10.2元宇宙發展歷程196
10.2.1元宇宙萌芽期196
10.2.2元宇宙準備期196
10.2.3元宇宙蓄勢待發期197
10.2.4元宇宙爆發式增長期198
10.3元宇宙理論架構200
10.4元宇宙實現203
10.5元宇宙國內外發展現狀206
10.6元宇宙產業生態214
10.7工業元宇宙216
10.8元宇宙發展的風險221
參考文獻223附錄AASCII碼字符集全表224