本书全面系统地讲解了虚拟现实基础理论、核心技术、开发流程以及实际应用。全书分为 8 章，主

要内容包括：虚拟现实发展过程，虚物实化技术，实物虚化技术，增强现实、混合现实相关技术，移动

VR、VR 一体机及基于主机的 VR，虚拟现实平台，虚拟现实内容设计，虚拟现实内容制作方式，交互功

能开发，虚拟现实开发引擎，虚拟现实内容开发案例，以及虚拟现实在游戏、影视、社交、教育、电子商务、

旅游和医疗等领域和行业的应用案例。

本书适合作为普通高等院校与职业院校虚拟现实、动漫设计、游戏设计与多媒体技术等专业的教材，

也可作为相关行业设计与研发人员的参考用书。

吕云，博士，副教授，北京航空航天大学软件学院虚拟现实技术与应用研究生培养方向副主任，北京航空航天大学铭品大数据创新实验室执行主任，威爱教育公司总裁，美国佛罗里达国际大学高性能数据库研究中心（HPDRC）资深研究专家。

王海泉 博士、副教授，北京航空航天大学硕士生导师，曾主持多项家级课题，在国内外重要刊物和会议上发表SCI/EI相关论文30余篇，申请专利20余项。

孙 伟 博士、教授，北京航空航天大学软件学院创始院长，美国佛罗里达国际大学计算机学院终身教授，HTC VIVE全球校园事业部总经理，威爱教育创始人兼首席执行官。

第1 章 虚拟现实概述 1

1.1 虚拟现实到底是什么 .2

1.2 虚拟现实——一个全新的世界 4

1.3 虚拟现实的发展过程 .5

1.3.1 VR 概念的提出与演变 .5

1.3.2 当下VR 发展现状 7

1.3.3 VR 发展道路上相互促进的关联技术 9

1.4 本章小结 11

第2 章 虚拟现实系统的核心技术 .13

2.1 虚拟现实的技术结构 .14

2.2 实物虚化技术 .14

2.2.1 几何造型建模 .14

2.2.2 物理行为建模 .16

2.3 虚物实化技术 .18

2.3.1 视觉绘制 .18

2.3.2 并行绘制 .24

2.3.3 声音渲染 .25

2.3.4 力触觉渲染 28

2.4 增强现实、混合现实的相关技术 30

2.4.1 三维注册技术 .30

2.4.2 标定技术 .33

2.4.3 人机交互技术 .33

2.5 本章小结 36

第3 章 虚拟现实系统的解决方案 .37

3.1 常用硬件设备 .38

3.1.1 建模设备 .38

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VIII 虚拟现实——理论、技术、开发与应用

3.1.2 三维视觉显示设备 39

3.1.3 声音设备 .42

3.1.4 交互设备 .43

3.2 移动VR .52

3.2.1 谷歌Cardboard .52

3.2.2 谷歌Daydream View .53

3.2.3 三星Gear VR .54

3.2.4 暴风影音——暴风魔镜 55

3.3 VR 一体机 55

3.3.1 HTC Vive Focus .55

3.3.2 微软HoloLens 56

3.3.3 Magic Leap——Magic Leap One .57

3.3.4 三星Exyons VR Ⅲ .58

3.3.5 Pico Neo 58

3.4 基于主机的VR .59

3.4.1 HTC Vive .59

3.4.2 Facebook——Oculus Rift .60

3.4.3 索尼Project Morpheus.63

3.5 虚拟现实平台 .64

3.5.1 HTC Viveport .64

3.5.2 SteamVR .65

3.5.3 谷歌Daydream .66

3.5.4 微软Holographic 平台 67

3.6 本章小结 67

第4 章 虚拟现实内容的设计与开发 69

4.1 内容设计 70

4.1.1 设计目标和原则 .70

4.1.2 设计与开发流程 .71

4.2 虚拟现实内容制作方式 75

4.2.1 手工建模 .76

4.2.2 静态建模 .82

4.2.3 全景拍摄 .83

4.3 交互功能开发 .84

4.3.1 开发步骤 .84

4.3.2 主要交互方式 .85

4.4 虚拟现实开发引擎 91

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目录IX

4.4.1 Unity 3D 91

4.4.2 Unreal .93

4.4.3 百花齐放的VR 引擎 .94

4.5 虚拟现实内容开发案例 96

4.5.1 制作展柜三维模型 96

4.5.2 展柜模型的交互开发 . 102

4.6 本章小结 108

第5 章 VR 娱乐 109

5.1 游戏的分类和电子游戏 110

5.2 虚拟现实：更高阶段的游戏体验 110

5.3 虚拟现实电子游戏的影响 111

5.3.1 游戏用户更多，游戏时间更长、频率更高 . 112

5.3.2 虚拟现实电子游戏：虚拟生存的起源 . 112

5.4 VR 游戏 . 113

5.4.1 涂鸦类游戏 113

5.4.2 桌面类游戏 116

5.4.3 射击类游戏 119

5.4.4 竞技类游戏 123

5.4.5 休闲类游戏 126

5.5 VR 影视 . 128

5.6 VR 社交 . 130

5.7 本章小结 136

第6 章 VR 教育革命 . 137

6.1 教育的VR 化发展 . 138

6.1.1 VR 课件制作 138

6.1.2 VR 教室 . 140

6.2 高等教育案例 . 142

6.2.1 场景化沉浸式英语 142

6.2.2 VR 实验室 . 145

6.2.3 VR 无人机仿真培训系统 . 151

6.3 义务教育 152

6.3.1 科学教育 . 152

6.3.2 德育教育 . 154

6.3.3 安全教育 . 154

6.3.4 义务教育的VR 应用实例 156

6.4 本章小结 161

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X 虚拟现实——理论、技术、开发与应用

第7 章 VR 行业应用 . 163

7.1 VR 电商 . 164

7.1.1 VR 房地产 . 164

7.1.2 VR 购物 . 165

7.1.3 VR 汽车销售 168

7.2 VR 旅行 . 170

7.2.1 VR 古建筑文物复原 170

7.2.2 VR 景区 . 173

7.3 VR 医疗 . 176

7.3.1 VR 心理疗法 177

7.3.2 VR 手术直播 178

7.3.3 VR 健康管理 181

7.4 VR 心理健康 183

7.4.1 VR 心理健康教育的现状 . 184

7.4.2 VR 心理健康中心的功能 . 184

7.5 VR 其他应用 191

7.5.1 VR 军事应用 191

7.5.2 VR 航天应用 192

7.5.3 VR 设计应用 193

7.6 本章小结 198

第8 章 未来虚拟现实 199

8.1 虚拟现实与教育 200

8.2 虚拟现实与双创 201

8.3 虚拟现实与未来生活 . 202

8.4 本章小结 203

附录A 加州大学伯克利分校Decal Class VR 项目实践 . 204

A.1 环境搭建 . 204

A.1.1 项目综述 . 205

A.1.2 项目设置 . 205

A.1.3 创建场景 . 206

A.1.4 加入VR 支持 208

A.2 枪械构建 . 212

A.2.1 读取控制器输入 . 212

A.2.2 枪械的拾取 . 214

A.2.3 工程整合 . 224

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目录XI

A.3 怪兽（敌人）构建 225

A.3.1 怪兽预制体 . 225

A.3.2 创建导航网格 225

A.3.3 怪兽移动 . 227

A.3.4 攻击玩家 . 229

A.3.5 射杀怪物 . 230

A.4 功能组合 . 235

A.4.1 产生怪物 . 236

A.4.2 玩家生命管理 238

A.5 文件输出 . 240

A.6 写在最后 . 241

后记 . 242

随着信息处理技术和光电子技术的高速发展，虚拟现实技术已经从小规模、小范围的技术

探索和应用进入了更加宽广的领域。在未来几年，随着技术的进一步发展以及各国政府的政策

支持和资本投入的聚焦，虚拟现实行业将以前所未有的速度快速发展。虚拟现实产业生态业务

形态丰富多样，蕴含着巨大的发展潜力，能够带来显著的社会效益，虚拟经济与实体经济的结

合将会给人们的生产和生活方式带来革命性的变革。从以娱乐、影视、社交为代表的大众应用，

到以教育、军事、智能制造为代表的行业应用，虚拟现实技术正在加速向各个领域渗透和融合，

并且给这些领域带来前所未有的变革和促进。

虚拟现实技术的发展在我国受到了国家层面的高度重视，各级政府积极推动虚拟现实产业

发展。虚拟现实技术已经被列入“十三五”国家信息化规划、中国制造2025、互联网+ 等多项

国家重大战略中，工信部、发展改革委、科技部、文化部、商务部等多个部委出台相关政策促

进虚拟现实产业发展，各级地方政府也积极建设虚拟现实产业园，以推动当地虚拟现实产业发

展。截至2018 年年底，我国二十余个省市地区开始布局虚拟现实产业，从生产制造、技术研发、

人才培养等多方面推动虚拟现实产业的发展。

虚拟现实行业是个创新的行业。2014 年李克强总理提出了“大众创业，万众创新”的号召，

开启了“双创”新时代。全民创新热情高涨，涌现出了一大批杰出的创新企业。虚拟现实作为

热门新技术，有着巨大的发展潜力，在全民创新、创业的大潮中吸引了众人的目光，并吸纳了

众多的创业者。这一时期，虚拟现实行业的从业者扮演着多重角色，他们既是行业发展的见证者，

也是行业进步的推动者，同时还是行业创新的领导者。在虚拟现实行业飞速发展的阶段，行业

内众多企业紧跟行业发展步伐，不断创新，不断突破，不断探索新技术、研发新产品。虚拟现

实的创新特性让整个行业充满活力，也让企业与学术界建立起紧密的联系。在虚拟现实领域，

各大企业积极推动校企合作，推动产、学、研一体化。学术界科研新成果不断地转化为新产品，

为市场注入新血液，而企业的新实践也成为研究的动力，反哺学术，形成良性互动。

虚拟现实行业是面向未来的行业。2014 年Facebook 收购Oculus 时，扎克伯格表示看好虚

拟现实的发展，认为这是一个继智能手机之后的新增长点。时至今日，各大互联网巨头均已涉

足虚拟现实领域，许多非相关行业的企业，如迪士尼也开始探索旗下产品与虚拟现实结合的可

能性，有些企业甚至已经有一些产品问世。各大计算机、互联网行业巨头引领了行业上上下下

对虚拟现实（VR）技术的探索，并借助其强大的成果转换能力催生了一系列各具特色的VR 产

品，为其他行业巨头带来了丰富的应用场景，让虚拟现实走出了游戏娱乐的小圈子，去解决更

加丰富的实际问题。从VR 技术到VR 系统再到VR 应用，每个环节都充满着活力，整个行业

目前呈现出一种良性循环的态势。

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VI 虚拟现实——理论、技术、开发与应用

现在正是进入虚拟现实领域的好时机，一方面该领域已经有较多实际产品的应用经验可以

借鉴，没有那么多虚拟现实处于“概念”时期的不确定性和盲目性，而另一方面又正赶上虚拟

现实行业发展初期，仍有大量的未知空间可供探索。因此，对想要进入虚拟现实领域的研究者、

创业者来说，应该把握当前良好机遇，充分了解行业现状，紧跟虚拟现实技术发展，积极探索

虚拟现实技术的新应用场景。希望所有的读者都能从本书中了解到虚拟现实技术的全貌，发现

潜在的突破口，找到自身的兴趣点，都能在虚拟现实的发展大潮中有所收获。

编者

2019年2 月