本书是一部系统论述虚拟现实技术的立体化教材。以虚拟现实技术的普及与应用为出发点，在全面系统的阐述了虚拟现实基础知识的基础上，以案例开发为主，着重介绍具有代表性的虚拟现实相关软件的使用方法和技巧，全面阐述了虚拟现实技术的开发流程和经验，使读者能够快速掌握开发工具，并在较短时间内开发效果逼真的虚拟现实场景。全书分为9章，主要内容包括：虚拟现实技术概论、人机交互设备、交互场景的构建、全景图基础与案例开发、unity基础、场景漫游案例开发、机械虚拟拆装训练平台的开发以及增强现实技术的概述与案例制作。
为便于读者高效学习，快速掌握虚拟现实技术的开发，本书作者精心制作了完整的教学课件、完整的案例素材和源代码、以及丰富的配套视频教程。
本书适合作为普通高等院校与职业院校虚拟现实技术、数字媒体技术、动画、游戏设计与教育技术学等专业的教材，也可作为从事虚拟现实技术的行业、企业工程技术人员以及虚拟现实技术爱好者的参考用书。

教学课件
教学大纲
实验代码
实验素材
第1章 虚拟现实技术概述
1.1 虚拟现实技术的概念
1.1.1 虚拟现实技术的定义
1.1.2 虚拟现实技术的特征
1.1.3 虚拟现实系统的构成
1.1.4 虚拟现实、增强现实与混合现实的区别
1.1.5 虚拟现实与人工智能
1.2 虚拟现实技术的分类
1.2.1 桌面虚拟现实技术
1.2.2 沉浸式虚拟现实技术
1.2.3 增强虚拟现实技术
1.2.4 分布式虚拟现实技术
1.3 虚拟现实技术的发展及趋势
1.3.1 虚拟现实技术的发展历程
1.3.2 国外虚拟现实技术的研究现状
1.3.3 国内虚拟现实技术的研究现状
1.3.4 虚拟现实技术的未来
1.4 虚拟现实技术的主要应用
1.4.1 教育培训
1.4.2 军事领域
1.4.3 医疗领域
1.4.4 文化艺术领域
1.4.5 制造业
1.4.6 商业
第2章 人机交互设备
2.1 显示设备
2.1.1 视觉因素
2.1.2 头盔显示器
2.1.3 立体眼镜
2.1.4 CAVE立体显示系统
2.1.5 墙式立体显示系统
2.1.6 裸眼立体显示系统
2.2 声音设备
2.2.1 听觉因素
2.2.2 关键技术
2.2.3 相关设备
2.3 位姿跟踪技术与设备
2.3.1 相关概念
2.3.2 机械式位姿跟踪设备
2.3.3 电磁式位姿跟踪设备
2.3.4 超声波位姿跟踪设备
2.3.5 光学式位姿跟踪设备
2.3.6 惯性位姿跟踪设备
2.3.7 混合位姿跟踪设备
2.4 手姿捕捉
2.4.1 DataGlove(数据手套)
2.4.2 CyberGlove（赛伯手套）
2.4.3 PowerGlove（动力手套）
2.4.4 Dextrous Hand Master（灵巧手套）
2.5 运动捕捉
2.5.1 历史发展
2.5.2 运动捕捉系统的分类
2.5.3 关键技术
2.6 触觉/力反馈交互设备
2.6.1 相关概念
2.6.2 触觉设备
2.6.3 力反馈设备
第3章 交互场景的构建
3.1 对象建模
3.1.1 几何建模
3.1.2 图像建模
3.1.3 图像与几何相结合的建模
3.1.4 视觉外观
3.1.5 常用的对象建模工具
3.2 物理建模
3.2.1 分形技术
3.2.2 粒子系统
3.2.3 碰撞响应
3.3 运动建模
3.3.1 虚拟摄像机
3.3.2 对象位置
3.3.3 对象层次
3.4 声音建模
3.4.1 声音的录制
3.4.2 声音的合成
3.4.3 声音的重放
3.5 虚拟现实开发引擎
第4章 全景图制作
4.1 全景图的概述
4.1.1 全景图的概念
4.1.2 全景图的特点
4.1.3 全景图的分类
4.2 全景图的设备介绍
4.2.1 数码相机
4.2.2 鱼眼镜头
4.2.3 全景云台
4.2.4 航拍飞行器
4.3 全景图常用软件
4.3.1 全景图缝合软件
4.3.2 全景图交互软件
4.4 全景图的案例制作
4.4.1 制作流程
4.4.2 照片拍摄及技巧
4.4.3 照片的缝合
4.4.4 后期修补
4.4.5 动态全景图
第5章 Unity基础
5.1 初识Unity
5.1.1 Unity简介
5.1.2 Unity项目框架
5.2 窗口界面
5.2.1 场景窗口
5.2.2 层级面板
5.2.3 项目面板
5.2.4 检视面板
5.3 物理引擎
5.3.1 刚体
5.3.2 碰撞器
5.4 地形
5.4.1 导入资源包
5.4.2 创建地形
5.4.3 编辑地形
5.5 材质和贴图
5.5.1 材质
5.5.2 贴图
5.6 光照系统
5.6.1 光照类型
5.6.2 实时光照
5.6.3 灯光烘焙
5.7 动画
5.7.1 动画剪辑
5.7.2 动画状态机
5.8 音频系统
5.8.1 音频概述
5.8.2 音频组件
第6章 场景漫游案例开发与制作
6.1 场景漫游概述
6.1.1 场景漫游介绍
6.1.2 制作流程
6.2 场景漫游案例制作
6.2.1 场景制作
6.2.2 交互功能制作
第7章 机械虚拟拆装训练案例开发与制作
7.1 机械零件拆装概述
7.1.1 案例介绍
7.1.2 制作流程
7.2 机械零件的导入与设置
7.2.1 机械零件的导入
7.2.2 模型的设置
7.3 机械零件模型展览的制作
7.3.1 坐标系
7.3.2 展览操作的实现
7.4 前盖的开关实现
7.4.1 前期准备
7.4.2 开关动画制作
7.5 顺序拆装动画制作
7.5.1 拆装动画制作
7.5.2 动画控制器的设置
7.5.3 交互功能制作
7.6 GUI
7.6.1 添加按钮
7.6.2 其他附加功能的实现
7.7 打包与发布
第8章 沉浸式虚拟现实案例开发与制作
8.1 沉浸式虚拟现实技术概述
8.2 基于HTC的虚拟现实案例开发
8.2.1 HTC VIVE设备介绍
8.2.2 HTC VIVE设备连接
8.2.3 案例制作
第9章 增强现实技术概述与案例制作
9.1 增强现实技术概述
9.1.1 增强现实概念
9.1

前言《中共中央关于制定国民经济和社会
发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标建
议》将“建设数字中国”单列篇章，框定了数字
经济重点产业的具体范围。虚拟现实和增强现实
（VR/AR）产业已被列为数字经济重点产业并进
入国家规划布局。可以预见，在未来五年，
VR/AR技术在教育、影视、游戏、军工、医疗、
制造业等领域将有很大的发展。虚拟现实技术综
合利用计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、
人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术
和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等
感觉器官，使人们能够沉浸在计算机生成的虚拟
境界。人们通过虚拟现实系统不仅能够逼真地感
受到在客观世界中所经历的，而且能够突破各种
限制，感受到真实世界无法亲身经历的体验。本
书是在“大众创业、万众创新”和“数字经济生
态化发展”的大背景下，为培养具有较强的技术
思维能力，又擅长技术应用解决生产实际的具体
问题的应用型人才而策划的。本书面向实践、重
在应用，尽可能以通俗易懂的语言图文并茂地叙
述内容，尽可能删减晦涩难懂、繁杂抽象的公式
、定理，并以丰富的案例贯穿知识讲解，将基本
理论与实际应用相结合，力求反映虚拟现实技术
的最新发展。读者只需具备三维建模和面向对象
编程能力，即可通过本书了解虚拟现实技术，并
掌握其具体的实现方法，快速打造属于自己的虚
拟现实应用。本书理想受众是智慧教育、智慧医
学、智慧文旅、智慧制造等领域需要用到数字创
意、虚拟场景、动态交互的应用型人才。本书共
9章，内容涵盖了理论和应用，前3章为虚拟现实
技术概述、人机交互设备、交互场景的构建，重
点介绍虚拟现实技术的定义、分类、发展趋势、
应用领域、显示设备、声音设备、跟踪和动作捕
捉设备、触觉/力反馈设备、对象建模、物理建
模、运动建模、声音建模等； 第4章在介绍全景
图概念的基础上，以案例开发简述了全景图的开
发过程； 第5~8章为虚拟现实相关软件的介绍
与综合案例开发，主要包括场景漫游、机械虚拟
拆装训练、沉浸式虚拟现实开发3个案例； 第9
章为增强现实技术的概述与案例制作。本书总学
时建议为60学时，其中理论授课32学时，上机
实验28学时。具体教学内容可根据专业培养目标
的定位适当取舍，建议学时分配如下：
教学内容实验内容学时理论实验
第1章虚拟现实技术概述〖3〗2第2章人机
交互设备〖3〗4第3章 交互场景的构建〖3〗4
第4章 全景图制作实验一 全景图的制作42
续表
教学内容实验内容学时理论实验
第5章 Unity基础实验二 Unity初体验42第
6章 场景漫游案例开发与制作实验三 场景漫游
实例制作24
第7章 机械虚拟拆装训练案例开发与制作
实验四 虚拟产品实例制作实验五 零件虚拟拆装
实例制作648
第8章 沉浸式虚拟现实案例开发与制作实
验六 虚拟现实综合案例开发28第9章 增强现实
技术概述与案例制作〖3〗4
本书由张丽霞策划，第1，2，3，6，7，9
由张丽霞编写，第4章由菅光宾、张丽霞编写，
第5章由陈建珍编写，第8章由刘成涛工程师编写
，张丽霞负责统稿。在本书的编写过程中，作者
参阅和引用了大量专家、学者的书籍、文献和网
络资源，在此向所有资源的作者表示衷心的感谢
。同时要感谢刘光然老师对撰写本书给予的独到
见解和支持，如果没有他的帮忙，本书将很难顺
利出版。除此之外，卫津津老师参与了部分章节
的文字编排和校对，张晨、鲁腾龙、韦莉莉、李
卓玲同学提供了第4章和第6章的部分素材和代码
，李卓玲、刘璎仪同学调整了本书的初稿格式，
同时北京犀牛数字互动科技有限公司也给予热情
帮助和鼎力支持，在此表示最诚挚的感谢； 最
后，感谢清华大学出版社的大力支持，他们认真
细致的工作保证了本书的出版质量。 由于编者
水平有限，书中难免有疏漏和不足之处，恳请读
者批评指正。
作者2021年11月

作者根据多年的虚拟现实技术教学和开发经验，循序渐进，理论实践并重，共性个性兼顾，将虚拟现实技术的理论知识和应用领域的实际开发相结合，以培养工程实践能力为目的，以案例教学为主,配以全方位、立体化的教学资源，助力广大初学者系统了解虚拟现实技术的行业发展状况，快速入门虚拟现实系统的开发。

虚拟现实技术已被列入多项国家重大战略中，是我国
数字经济重点产业之一，虚拟技术亟待普及。《本书的作
者有多年教学和开发经验，注重语言的通俗化、技术的可
视化、资源的多样化和能力培养的常态化。全书内容覆盖
全面、图文并茂，编排由浅入深、循序渐进，配套资源丰
富，是一本优秀的虚拟现实技术的普及教材。
——曾广平 北京科技大学教授、博士生导师
★ 本书是为虚拟现实技术、数字媒体技术、动画等相
关专业的虚拟现实技术课程而设计编著的，侧重于生产实
际问题的解决，其目的是培养学生的动手操作能力和解决
问题的能力。内容丰富、逻辑清楚、讲解详略得当，初学
者可以利用本书，系统了解虚拟现实的概况和产品开发流
程。有经验的读者可以借助本书了解虚拟现实技术的行业
发展状况。
——石连栓 天津职业技术师范大学信息学院院长
★ 本书旨在工程实践能力的培养。章节内容在介绍虚
拟现实技术概念的基础上，介绍虚拟现实系统的交互硬件
、场景构建、UI设计等核心技术，其编排是以读者认知过
程为导向，先理论后实践，丰富案例贯穿其中。讲解由浅
入深、循序渐进，语言通俗易懂、内容图文并茂，易于培
养读者的学习兴趣，激发学习动力。
——邵恒 天津职业技术师范大学艺术学院副院长
★ 本书面向实践、重在应用，丰富的案例贯穿知识讲
解，配套提供教学课件、录播视频、教学大纲、项目代码
和实验素材等全方位、立体化的教学资源，轻松助力虚拟
现实系统教学与项目开发，是初学者或者相关行业的有经
验的读者，系统了解和掌握VR/AR应用开发的优秀参考书。
——刘向群 北京犀牛数字互动科技有限公司董事长

第3章
交互场景的构建
在虚拟环境中，虚拟对象是主要的元素。它的虚拟再现是通过建模来实现的。建模是对现实对象或环境的逼真仿真。一般情况，对象具有静态特征，包括位置、方向、材料、属性等特征，还具有运动特征，它反映对象的运动、行为、约束条件(如碰撞检测与响应)以及力的作用等。虚拟对象的建模意味着对象的静态特征和运动特征各个方面的建模，也就是对形状、外观、运动学约束、智能行为和物理特性等方面的建模，如图31所示。建模时，首先获取实际三维环境的三维数据，并根据其应用的需要，建立相应的虚拟环境模型。设计出的虚拟模型能否真实反映研究的对象，直接决定了能否满足虚拟现实的三大特征： 沉浸性、想象性和交互性，以及整个系统的可信度。
图31虚拟场景的建模技术
3.1对象建模
对象建模是虚拟现实研究的重点，是使用户沉浸的首要条件。通常，对象建模主要研究对象的形状和外观的仿真，其过程主要包括建模和视觉外观的设计。
1. 建模
用一定的方式对对象进行直接的描述。它们的描述直接影响图形的复杂性和图形绘制的计算消耗。其建模方法一般包括几何建模、图像建模、几何与图像相结合的建模三种方法。
2. 视觉外观的设计
为场景添加光照和纹理映射。即根据基于光照模型和纹理映射，计算物体可见面投影到观察者眼中的光亮度大小和颜色分量，并将它转换为适合图形设备的颜色值，从而确定投影面上每一像素的颜色，最终生成真实感图形。
3.1.1几何建模
几何建模是指对虚拟环境中物体的几何网络特性等信息的表示，主要包括几何模型的拓扑信息和几何信息。采用几何建模方法对物体对象虚拟主要是对物体几何信息的表示和处理，描述虚拟对象的几何模型，例如多边形、三角形、顶点和样条等，即用一定的数学方法对三维对象的几何模型的描述。
目前，几何建模软件越来越多，建模方法也越来越多。但总体而言，可归纳为三大类： 多边形(Polygon)、非统一有理B样条(NURBS)和构造立体几何(CSG)。但无论采用何种建模软件，同类的建模方法其数学原理大致相同。
1. 多边形
多边形建模是在三维制作软件中最先发展的建模方式。多边形建模是将点、边、面组成一系列线段和平面，通过把线段和平面嵌入到物体中生成一个多边形网格，然后网格逼近来生成模型。对模型的修改是通过对点、边、面三个元素的修改来完成。任何形状的物体，都可以用足够多的多边形勾画出来。
三维物体对象的显示处理过程包括各种坐标系的变换、可见面识别与显示方式等。这些处理需要有关物体单个表面部分的空间方向信息。这一信息源于顶点坐标值和多边形所在的平面方程。
多边形建模方法比较容易理解，并且在建模的过程中，使用者可以根据自己的想象对模型进行修改。但是，随着多边形数目的增加系统的性能会下降。目前，多边形建模在许多三维软件中应用广泛。例如在3ds Max中，用户利用多边形构造原始简单的模型，然后通过增减点、面数或调整点、面的位置生成所需要的模型。选择不同的命令，实现对多边形不同操作效果。例如，选择“挤出”命令实现多边形的拉伸和挤入； 选择“轮廓”命令实现拉出面的缩放； 选择“倒角”命令实现物体面的拉伸、挤入，然后再缩放的操作。图32所示为采用3ds Max软件多边形方法制作的大象模型。图33所示为采用Maya软件的多边形方法制作的轮胎实体模型。
图32多边形方法制作的大象模型
图33多边形方法制作的轮胎实体模型
2. 非统一有理B样条
NURBS是一种非常优秀的建模方式，在高级三维软件中，例如SoftImage、3ds Max和Maya软件，都支持这种建模方式。NURBS是NonUniform Rational BSplines的缩写，即非统一有理B样条。具体解释为：
 NonUniform(非统一)： 是指一个控制顶点的范围能够改变，用来创建不规则曲面。
 Rational(有理)： 是指每个NURBS模型都可以用数学表达式来定义，也就意味着用以表示曲线或曲面的有理方程式给一些重要的曲线和曲面提供了更好的模型，特别是圆锥截面、球体等。
 BSpline(B样条)： 是一种在三个或者更多点之间进行插补的构建曲线的方法。
简单地说，NURBS是在3D建模的内部空间用曲线和曲面来表现物体轮廓和外形，即用曲线和曲面来构造曲面物体。
度数(Degree)是NURBS的一个重要的参数，用于表现所使用的方程式中的最高指数。一个直线的度数是1，一个二次等式度数为2。NURBS曲线通常由立方体方程式表示，其度数为3。度数可以设置更高些，曲线更圆滑，但计算时间也越长，所以，通常不必这样做。观世界中许多实物具备的特性。分形就是事物整体与局部之间相似的结构，具有自相似性和迭代性。分形技术是利用实物整体与局部之间的相似结构，采用迭代方法实现复杂不规则外形物体的建模，如图319所示。分形技术绘制的弯弯曲曲的海岸线、起伏不平的山脉、粗糙不堪的断面、