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虚拟现实技术 张晨晖 虚拟现实技术的定义 虚拟现实 VirtualReality 简称VR 又译作灵境 幻真 是近年来出现的高新技术 也称灵境技术或人工环境 虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界 提供使用者关于视觉 听觉 触觉等感官的模拟 让使用者如同身历其境一般 可以及时 没有限制地观察三度空间内的事物 概括地说 虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式 与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比 虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃 虚拟现实技术的发展 早在60年代初 随着CAD技术的发展 人们就开始研究立体声与三维立体显示相结合的计算机系统 80年代 JaronLanier提出了 虚拟现实 VR VirtualReality 的观点 目的在于建立一种新的用户界面 使用户可以置身于计算机所表示的三维空间资料库环境中 并可以通过眼 手 耳或特殊的空间三维装置在这个环境中 环游 创造出一种 亲临其境 的感觉 虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化 操作以及实时交互的环境 与传统的计算机人 机界面 如键盘 鼠标器 图形用户界面以及流行的Windows等 相比 虚拟现实无论在技术上还是思想上都有质的飞跃 传统的人 机界面将用户和计算机视为两个独立的实体 而将界面视为信息交换的媒介 由用户把要求或指令输入计算机 计算机对信息或受控对象作出动作反馈 虚拟现实则将用户和计算机视为一个整体 通过各种直观的工具将信息进行可视化 形成一个逼真的环境 用户直接置身于这种三维信息空间中自由地使用各种信息 并由此控制计算机 一 虚拟现实用以下3种基本技术进行了概括 1 三维计算机图形学技术 2 采用多种功能传感器的交互式接口技术 3 高清晰度显示技术 二 虚拟现实系统的技术1 虚拟现实首先是一种可视化界面技术 可以有效地建立虚拟环境 这主要集中在两个方面 一是虚拟环境能够精确表示物体的状态模型 二是环境的可视化及渲染 2 虚拟现实仅是计算机系统设置的一个近似客观存在的环境 为用户提供逼真的三维视感 听感 触感和嗅感的感受 它是硬件 软件和外围设备的有机组合 3 用户可通过自身的技能以6个自由度在这个仿真环境里进行交互操作 4 虚拟现实的关键是传感技术 5 虚拟现实离不开视觉和听觉的新型可感知动态数据库技术 可感知动态数据库技术与文字识别 图像理解 语音识别和匹配技术关系密切 并需结合高速的动态数据库检索技术 6 虚拟现实不仅是计算机图形学或计算机成像生成的一幅画面 更重要的是人们可以通过计算机和各种人机界面与机交互 并在精神感觉上进入环境 它需要结合人工智能 模糊逻辑和神经元技术 虚拟现实技术的特点 1 多感知性2 浸没感3 交互性4 构象性 虚拟现实图片 1 多感知性 所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外 还有听觉感知 力觉感知 触觉感知 运动感知 甚至包括味觉感知 嗅觉感知等 理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能 由于相关技术 特别是传感技术的限制 目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉 听觉 力觉 触觉 运动等几种 2 浸没感 又称临场感 指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度 理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假 使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中 该环境中的一切看上去是真的 听上去是真的 动起来是真的 甚至闻起来 尝起来等一切感觉都是真的 如同在现实世界中的感觉一样 3 交互性 指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度 包括实时性 例如 用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体 这时手有握着东西的感觉 并可以感觉物体的重量 视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动 4 构想性 强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间 可拓宽人类认知范围 不仅可再现真实存在的环境 也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境 由于浸没感 交互性和构想性三个特性的英文单词的第一个字母均为I 所以这三个特性又通常被统称为3I特性 一般来说 一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境 以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器 以头盔显示器为核心的视觉系统 以语音识别 声音合成与声音定位为核心的听觉系统 以方位跟踪器 数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备 以及味觉 嗅觉 触觉与力觉反馈系统等功能单元构成 虚拟现实技术面临的问题 生成虚拟现实需要解决以下三个主要问题 以假乱真的存在技术 即怎样合成对观察者的感官器官来说与实际存在相一致的输入信息 也就是如何可以产生与现实环境一样的视觉 触觉 嗅觉等 相互作用 观察者怎样积极和能动地操作虚拟现实 以实现不同的视点景象和更高层次的感觉信息 实际上也就是怎么可以看得更像 听得更真等等 自律性现实 感觉者如何在不意识到自己动作 行为的条件下得到栩栩如生的现实感 在这里 观察者 传感器 计算机仿真系统与显示系统构成了一个相互作用的闭环流程 虚拟现实技术中运用的关键技术 1 环境建模技术即虚拟环境的建模 目的是获取实际三维环境的三维数据 并根据应用的需要 利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型 2 立体声合成和立体显示技术在虚拟现实系统中消除声音的方向与用户头部运动的相关性 同时在复杂的场景中实时生成立体图形 3 触觉反馈技术在虚拟现实系统中让用户能够直接操作虚拟物体并感觉到虚拟物体的反作用力 从而产生身临其境的感觉 4 交互技术虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式 利用数字头盔 数字手套等复杂的传感器设备 三维交互技术与语音识别 语音输入技术成为重要的人机交互手段 5 系统集成技术由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型 因此系统的集成技术为重中之重 包括信息同步技术 模型标定技术 数据转换技术 识别和合成技术等等 虚拟现实技术的应用 1 科技开发上2 商业上3 医疗上4 娱乐上5 教育上6 工业上7 军事上 虚拟现实技术的前景 虚拟现实发展前景十分诱人 而与网络通信特性的结合 更是人们所梦寐以求的 在某种意义上说它将改变人们的思维方式 甚至会改变人们对世界 自己 空间和时间的看法 它是一项发展中的 具有深远的潜在应用方向的新技术 利用它 我们可以建立真正的远程教室 在这间教室中我们可以和来自五湖四海的朋友们一同学习 讨论 游戏 就像在现实生活中一样 使用网络计算机及其相关的三维设备 我们的工作 生活 娱乐将更加有情趣 虚拟现实向人们描绘了未来的生活片段 很美妙 由此用户也可以发挥自己丰富的想象力 在我们的电脑前就可以实现与大西洋底的鲨鱼嬉戏 参观非洲大陆的天然动物园 感受古战场的硝烟与刀光剑影 发幽古思今之情 还可以体验开国大典的庄严和东方巨人站立起来的壮志豪情 1 在科技开发上虚拟现实可缩短开发周期 减少费用 例如克莱斯勒公司1998年初便利用虚拟现实技术 在设计某两种新型车上取得突破 首次使设计的新车直接从计算机屏幕投入生产线 也就是说完全省略了中间的试生产 由于利用了卓越的虚拟现实技术 使克莱斯勒避免了1500项设计差错 节约了8个月的开发时间和8000万美元费用 利用虚拟现实技术还可以进行汽车冲撞试验 不必使用真的汽车便可显示出不同条件下的冲撞后果 在虚拟现实技术已经和理论分析 科学实验一起 成为人类探索客观世界规律的三大手段 用它来设计新材料 可以预先了解改变成分对材料性能的影响 在材料还没有制造出来之前便知道用这种材料制造出来的零件在不同受力情况下是如何损坏的 2 商业上虚拟现实常被用于推销 例如建筑工程投标时 把设计的方案用虚拟现实技术表现出来 便可把业主带入未来的建筑物里参观 如门的高度 窗户朝向 采光多少 屋内装饰等 都可以感同身受 它同样可用于旅游景点以及功能众多 用途多样的商品推销 因为用虚拟现实技术展现这类商品的魅力 比单用文字或图片宣传更加有吸引力 虚拟房产 3 医疗上虚拟现实应用大致上有两类 一是虚拟人体 也就是数字化人体 这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能 另一是虚拟手术系统 可用于指导手术的进行 CathSim血管内导管插入技术仿真器 用以提高护士的静脉注射水平 4 娱乐上应用是虚拟现实最广阔的用途 英国出售的一种滑雪模拟器 使用者身穿滑雪服 脚踩滑雪板 手拄滑雪棍 头上载着头盔显示器 手脚上都装着传感器 虽然在斗室里 只要做着各种各样的滑雪动作 便可通过头盔式显示器 看到堆满皑皑白雪的高山 峡谷 悬崖陡壁 一一从身边掠过 其情景就和在滑雪场里进行真的滑雪所感觉的一样 如今 VR娱乐应用已经覆盖了从PC游戏到多人网络游戏 再到基于场所的VR体验等多个领域 5 教育上 1 虚拟校园虚拟校园是虚拟现实技术在教育领域最早的具体应用 虽然大多数虚拟校园仅仅实现校园场景的浏览功能 但虚拟现实技术提供的活的浏览方式 全新的媒体表现形式都具有非常鲜明的特点 2 虚拟教学在虚拟教学方面 可以应用教学模拟进行演示 探索 游戏教学 利用简易型虚拟现实技术表现某些系统 自然的 物理的 社会的 的结构和动态 为学生提供一种可供他们体验和观测的环境 3 虚拟培训虚拟现实技术的特点在虚拟培训方面表现得比较突出 虚拟现实技术的沉浸性和交互性 使学生能够在虚拟学习环境中扮演一个角色 全身心地投入学习 这非常有利于学生的技能训练 利用沉浸型虚拟现实系统 可以做各种各样的技能训练 对高职技能性教学有着无比强大的推动作用 西南交通大学开发的TDS JD机车驾驶模拟装置可摸拟列车起动 运行 调速及停车全过程 可向司机反馈列车运行过程中的重要信息 6 工业上工业仿真 安全生产应急演练 三维工厂设备管理 虚拟培训等都是虚拟现实技术在工业方面的应用 下面针对几个比较典型的实例来表述虚拟现实技术的工业方面的应用情况 1 石油行业石油行业三维数字化系统是近几年来随着信息技术的飞速发展 石油需求的急剧增加和经济信息全球化的逐步加深而出现的一项新技术 它在能源行业的信息交流和管理决策中发挥着越来越重要的作用 2 航天行业可以实现机场环境模拟 机场运维以及卸油站 油库 航加站一体化信息管理及安全应急演练 3 电力行业三维电力输电网络信息系统采用3DGIS融合VR的思路 利用数字地形模型 高分辨率遥感影像构建基础三维场景能够真实再现地形 地貌 采用创建三维模型再现输电网络 变电站 输电线路周边环境 地物的空间模型 电力设备可通过传感器将现场状态进行虚拟现实再现 同时实现三维查询功能 二维网页和三维场景进行无缝连接 实现二 三维一体化管理 为领导及工作人员提供全方位 多维 立体化的辅助决策支持 从而减少处理事故所需时间 减少经济损失 7 军事上 在军事上 利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的多快好省的研究战争 培训指挥员的方法 也是由于虚拟现实技术达到很高水平 所以尽管不进行核试验 也能不断改进核武器 战争实验室在检验预定方案用于实战方面也能起巨大作用 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 1991年美军与南加利福尼亚大