浅谈对虚拟现实的理解.doc

浅谈对虚拟现实的理解摘要：虚拟现实（Virtual Reality）技术，又称灵镜技术，是一种逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉、运动等行为的高级计算机人机界面技术。它应用很广泛，包括：数字城市，虚拟在线旅游，大型网络游戏，交通事故再现，军事训练，课堂教育，甚至是医学上的一些模拟真实手术等。它是汇集一系列高新技术的交叉学科，包括计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、仿真技术以及高度并行的实时计算技术，还包括人的行为学研究等多项关键技术。关键字：虚拟现实，交通仿真，辅助分析，数字城市，虚拟旅游，网游，医学手术正文：虚拟现实技术技术是上世纪80年代末90年代初迅速发展起来的一种高新技术，也是近年来十分活跃的技术研究领域。它利用计算机的软硬件资源生成实时的三维虚拟现实世界，在这个世界中，人们视觉、听觉甚至触觉等的感受仿佛是在真实的环境中一样，有“身临其境”的感觉，人们可以沉浸在这个环境中与虚拟环境进行实时交互。该技术可以模仿：（1）、真实世界中的环境。这种真实环境可能是已经存在的，也可能是已经设计好但还没有建成的，或者是曾经存在但现在已经发生变化，消失或受到破坏的。通过逼真地建立几何模型和物理模型，从而逼真地模仿真实世界中的环境。（2）、人类主观构造的环境。环境可以是虚构的。（3）、模仿真实世界中的人类不可见的环境。这种真实环境是客观存在的，但是人类的视觉和听觉不能感觉得到。虚拟现实技术会让参与者有身临其境的真实感觉：计算机使用者能融进计算机所给出的虚拟的世界中。计算机使用者还可以通过虚拟交互接口实现人与虚拟环境的互动。对虚拟环境的操纵过程还可能激发更多的灵感。1、 在交通仿真中的应用：交通仿真是计算机技术在交通工程领域的一个重要应用，是在经验研究和数学方法的基础上，以计算机为主要工具，利用系统仿真模型模拟道路交通系统的运行状态，它可以对交通流、交通事故等各种交通现象进行动态逼真的仿真，对交通流的时空变化进行重现，对车辆、车道、驾驶员、行人及交通特征进行深入的分析，对道路设计和规划提供技术支持和依据，而且可以比较和评价各种交通参数。交通仿真研究的核心内容是交通仿真模型的建立和交通仿真系统的开发。由于我国的交通现状是由多车组成的复杂混合交通，因此构造的虚拟交通环境必须要体现出这种交通状况的特点，即构造的交通仿真模型不仅要模拟目标环境的道路状况，还要模拟目标环境的交通状况，这就需要在仿真模型中加入行人、自行车、随机车辆等智能物体并在视景系统中对它们进行混合交通行为的控制，智能物体在虚拟驾驶环境中要实现自动加速、减速、超越、等待、变换车道等功能，则必须通过计算机复杂的控制程序来实现。针对道路交通事故中的常见事故类型，如车辆碰撞事故的迎面正碰、追尾正碰、二维碰撞以及汽车和行人碰撞事故，利用MATLAB的虚拟现实技术对道路交通事故进行了模拟和再现，用以辅助交通事故的鉴定。虚拟现实技术在交通事故中的应用可以辅助事故处理人员快速、高质量地进行现场勘查、参数计算和事故分析，进而研究事故发生的原因，探求避免事故、减少损失的对策和策略。2、在虚拟旅游中应用一般概念的旅游是旅游者到达旅游地，直接与景区接触，虽然直观，但旅途等可能会麻烦，且易受时间，经济，天气状况和危险因子等的影响。因此将景点的旅游业和虚拟GIS技术结合起来，使旅客能感受到全方位的旅游，从而达到身临其境的感受，通过场景模型建立、场景驱动过程处理、系统的开发以实现整个景区虚拟旅游系统的功能。且即便是旅客想深入景区细细观赏，虚拟旅游系统仍能帮助顾客在出游前更好的了解旅游地以做出实地旅游决策和合理的旅行安排。在虚拟漫游系统的开发过程中可以通过造型实体运动仿真的技术的尝试以增强整个场景的生动性和逼真感。其中三维GIS是关键，三维虚拟旅游系统主要是研究旅游景区三维数据管理和可视化的各种技术，包括景区三维数据采集和处理技术、表面纹理采集与处理技术、三维对象建模技术、三维空间信息和表面纹理层次细节技术、大数据量动态调度技术等。还可以利用OpenGL进行三维虚拟园区漫游的设计和实现，运用OpenGL在VC+环境下实现可视化。针对虚拟现实地理信息系统技术，在包括三维空间数据的获取、三维数据模型、数字地面模型和数字高程模型以及三维动态模拟和三维数据可视化的表达等理论研究的基础上，借助专业的虚拟现实建模软件Multigen Creator建造景区的三维物体和ArcGIS软件建立研究区的地形，并结合高级开发语言Delphi语言调用Arc Engine图形接口建立虚拟地质公园场景，实现动态模拟、交互漫游和自动漫游和GIS分析功能。其具体工作包括以下几个部分：（1）数据的采集与整理。通过实地考察，利用高像素数码相机进行地物和地质遗迹的纹理采集和控制点的采集，并对采集的纹理进行筛选和处理。（2）对景区虚拟旅游系统进行总体设计，确定景区虚拟旅游系统设计的目标和原则，再按照设计的目标和原则进行系统的功能设计并设计出系统的总体框架。（3）场景的建立与优化。研究并实现景区的地面建筑和自然景区构建工作。在分析常用虚拟建模方法的基础之上，根据研究区的实际情况，用Multigen Creator对建筑物和自然景点进行建模，用ArcGIS建立地形，虚拟公园的构建主要包括地形模型的构建、建筑模型的构建、辅助模型的构建和模型集成。再运用成熟的场景优化技术对这些模型进行整合优化处理。（4）虚拟旅游系统的集成开发。利用Arc Engine图形接口实现对景区实时漫游系统进行驱动开发。对场景漫游的关键技术进行研究，如视点的切换、速度的控制技术等，开发实现漫游系统的交互式漫游和自动漫游功能。实现三维场景的GIS分析功能和一些场景管理操作的辅助功能，以方便旅游者借助这些功能做出较好的旅游决策和场景的管理。国内对虚拟旅游系统的研究还存在以下问题：（1）展示效果缺乏真实感。大多网站只是提供景点图片和文字介绍，少数提供景点360度全景图像。（2）没有对景点的内涵进行深入挖掘，缺乏文化背景等方面的信息，景点的潜在价值没有得到充分利用和开发。（3）界面交互性和可操作性不够完美。（4）旅游者与虚拟景观以及与其他旅游者之间缺乏交互，使得虚拟旅游系统缺乏趣味性。（5）未能将旅游者与商家需求很好结合。针对目前状况，怎样建立一个在外观、结构、功能和性能等方面都很完美的系统，实现高逼真度的虚拟旅游还有待进一步的研究。3、在游戏中的应用三维游戏既是虚拟现实技术重要的应用方向之一，也为虚拟现实技术的快速发展起了巨大的需求牵引作用。尽管存在众多的技术难题，虚拟现实技术在竞争激烈的游戏市场中还是得到了越来越多的重视和应用。可以说，电脑游戏自产生以来，一直都在朝着虚拟现实的方向发展，虚拟现实技术发展的最终目标已经成为三维游戏工作者的崇高追求。从最初的文字MUD游戏，到二维游戏、三维游戏，再到网络三维游戏，游戏在保持其实时性和交互性的同时，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加强。我们相信，随着三维技术的快速发展和软硬件技术的不断进步，在不远的将来，真正意义上的虚拟现实游戏必将为人类娱乐、教育和经济发展做出新的更大的贡献。例如：现在的腾讯公司的QQ飞车和QQ炫舞应该是虚拟现实技术在游戏中的较好应用的例子，很有真实感。4、在医学中应用VR在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，学生可以很容易了解人体内部各器官结构。虚拟外科手术训练器，包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。借助于HMD及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。另外，在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生恬状况，乃至新型药物的研制等方面，虚拟现实技术都有十分重要的意义。在医学院校，学生可在虚拟实验室中，进行“尸体”解剖和各种手术练习。用这项技术，由于不受标本、场地等的限制，可使培训费用大大降低。一些用于医学培训、实习和研究的虚拟现实系统，仿真程度非常高，其优越性和效果是不可估量和不可比拟的。例如：导管插入动脉的模拟器，可以使学生反复实践导管插入动脉时的操作；眼睛手术模拟器，根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像，并带有实时的触觉反馈，学生利用它可以观察模拟移去晶状体的全过程，并观察到眼睛前部结构的血管、巩膜组织及角膜的透明度等。还有麻醉虚拟现实系统、口腔手术模拟器等。外科医生在真正动手术之前，通过虚拟现实技术的帮助，能在显示器上重复地模拟手术，移动人体内的器官，寻找最佳手术方案并提高熟练度。另外，在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生活状况，乃至新药研制等方面，虚拟现实技术都能发挥十分重要的作用。5、在城市规划中的应用为充分利用当前的3维建模与可视化技术，实现对城市现状与规划3维场景的快速建立，提供城市规划设计与管理的直观、可行的可视化辅助手段，3维虚拟场景建设的基本设计思路为：整个方案能在微机平台上进行；能够充分利用现有的2维GIS、航空遥感影像等数据建立3维场景；能在较短时间内完成；对软硬件要求低，成果易于普及应用。城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一，虚拟现实技术可以广泛的应用在城市规划的各个方面，并带来切实且可观的利益：展现规划方案虚拟现实系统的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理，有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审。规避设计风险虚拟现实所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的“再现”。用户在三维场景中任意漫游，人机交互，这样很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。加快设计速度运用虚拟现实系统，我们可以很轻松随意的进行修改，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，只要修改系统中的参数即可。从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率，也节省了大量的资金，提供合作平台。最重要的是打破了专业人士和非专业人士之间的沟通障碍，使得各部门能通过统一的仿真环境进行交流，能更快地找到问题、达成共识和解决一些设计中存在的缺陷。虚拟现实技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图。有效的合作是保证城市规划最终成功的前提，虚拟现实技术为这种合作提供了理想的桥梁，这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。城市3维虚拟场景的面积都在上千平方千米以上，要求系统对大场景的支持，VRMap采用了金字塔数据结构来组织数据，在浏览的数据都只是其中的一个很小部分，从这个意义上来说，无论整体的数据量有多么庞大，都不会影响到在客户端的浏览速度。在细节意义上，采用了多种图形技术来加速复杂结构的渲染，其中包括多种LOD技术，全自动遮挡排除技术，快速模型生成技术等，系统漫游中自动将能看到的3维场景进行自动加载，以此来保证系统流畅、海量数据快速处理和观看漫游。还可以通过VRMap自定义节点开发制作很多特殊效果和功能，如喷泉、爆炸、火焰、水流、雾等，包括特殊的光加强以增强效果。6、在全站仪中的应用（特例）研究内容：A、三维可视地表的建立：主要利用全野外数字测图、地形图数字化、数字摄影测量以及航空航天遥感影像等方式获取地面目标区域离散点的高程数据，再利用GIS技术处理这些离散点的高程数据，按照一定的法则，生成DEM数据，建立三维地表。B、景观模型的建立：选用AutoCAD或者3DS MAX绘制模型，保存成3DS文件。通过编程，在计算机三维环境中将这些景观和全站仪模型的再现。C、三维模型的控制：这部分内容主要针对全站仪模型。虚拟的全站仪模型要模拟实际测图操作的过程，这就要求全站仪模型可以响应使用者的指令，按照使用者的意愿进行运动，来改变自身姿态，达到预期目的。D、全站仪的功能模拟：模拟全站仪最基本的测量坐标和距离的功能。E、数据记录：每台现代全站仪都内置有数据存储模块，能对实时测量的结果进行保存。这套模拟全站仪系统也需要有存储模块，可将测量后所得到的角度或者坐标信息进行保存。虚拟测量结束后，用户可以在CASS中导入这些坐标文件，进行下一步内业数字成图操作。以上功能均用Visual C+结合OpenGL函数库进行系统集成开发，最后得到一套单机版的全站仪虚拟仿真实验系统。7、在地震灾害中的应用虚拟现实技术在模拟地震灾害场景、地震应急救援虚拟仿真训练等有重要作用，在构建虚拟技术时：先是对房屋震害三维立体仿真破坏模型：总结了多层砖房、钢筋混凝土框架结构及砖(土)木结构农村自建房屋的典型震害特征:提出救援相关的建筑废墟的分类方法，依据废墟的用途与功能分别给出五类废墟的涵义;整理大量震害图片、提取震害特征并进行人工处理，从而建立典型震害特征图形库，提出应用外部建模软件3DSMax建立基于震害的三维仿真建模方法和技术流程，并分别建立了多层砖房、框架结构、砖(土)木结构5个破坏等级的三维震害仿真模型。根据模拟出的虚拟灾害现场环境，深入剖析地震救援的业务流程，应用仿真和多媒体等技术研发地震应急救援仿真培训系统，为各级地震应急管理人员、地震灾害紧急救援队员提供一个相对逼真的地震应急救援处置的虚拟训练平台，可进行虚拟灾景下的应急与救援指挥决策、模式探讨、救援技能等的重复验证和培训。8、其他：除了上述几点应用领域外，虚拟现实技术还在军事中有较强的应用，例如：模拟战场训练和模拟零重力训练等，1991年海湾战争开始前，美军便把海湾地区各种自然环境和伊拉克军队的各种数据输入计算机内，进行各种作战方案模拟后才定下初步作战方案，后来实际作战的发展和模拟实验结果相当一致；在室内设