虚拟现实概述

1、虚拟现实技术概述自从计算机发明以来， 计算机一直是传统信息处理环境的主体，它只具有在数字化的单维信息空间中处理问题的能力。而事实上，人类是依靠自己的感知和认知能力全方位的获取知识，是在多维化的信息空间中认识问题。这样就产生了人类认识问题的认识空间与计算机处理问题的信息空间不一致的矛盾，人类被排斥在计算机为主体的信息处理环境之外，而且较难以直接理解信息处理工具的处理结果，更难以把人类的感知能力和认知经验与计算机信息处理环境直接联系起来。因此，人们迫切需要突破现有的数字计算机只能处理单纯数字信 息的限制，建立一个能包容图像、声音、化学气味等多种信息源的信息空间，人们不但可以从外部观察信息处理的结果

2、，而且能通过视觉、听觉、嗅觉、口令、手势等多种形式参与到 信息处理环境中去， 这种信息处理环境被称为虚拟环境。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真。虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统（其中虚拟世界是全体虚拟环境的总称）。通过虚拟现实系统所建立的信息空间，已不再是单纯的数字信息空间，而是一个 包容多种信息的多维化的信息空间（Cyberspace），人类的感性认识和理性认识能力都能在这个多维化的信息空间中得到充分的发挥。要创建一个能让参与者具有身临其境感，具有完善地交互作用能力的虚拟现实系统，在硬件方面，需要高性能的计算机软硬件

3、和各类先进的传感器；软件方面，主要是需要提供一个能产生虚拟环境的工具集。国内外虚拟现实技术的研究状况2.1国外虚拟现实技术的研究（1 ）、美国的研究状况美国是从事虚拟现实研究最早、研究范围和水平最高、相关研究对国家发展贡献最大的 国家，从事虚拟现实的大学包括MIT、Stanford大学、华盛顿大学、UniversityoflllinoisatChicago、CMU等几乎所有著名的大学，其研究内容侧重新概念发展 （如虚拟现实的概念模型）、单项关键技术（如触觉反馈）和系统实现，并参加了许多有关虚拟现实的国家项目。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集

4、中在感知、 用户界面、后台软件和硬件四个方面。（2）、日本的研究状况在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中， 日本是居于领先位置的国家之一， 主要致力 于建立大规模 VR 知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。但日 本大部分虚拟现实硬件是从美国进口的。（3）、英国的研究与开发在 VR 开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备（包括触觉反馈）设计和应 用研究方面，在欧洲英国是领先的。到 1991 年底，英国已有从事 VR 的六个主要中心，它 们是 Windustries （工业集团公司），BritishAerospace （英国航空公司），Dimensionlntern

5、ational , DivisionLtd , AdvancedRoboticsResearchCenter 和 VirtualPresenceLtd （主要从事 VR 职产品销 售）。（ 4 ）、欧洲其它国家VR的研究在欧洲其它一些较发达的国家如：荷兰、德国、瑞典等也积极进行了 VR的研究与应用。瑞典的 DIVE分布式虚拟交互环境，是一个基于Unix的，不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室 （TNO-PEL）开发的训练和模拟系统， 通过改进人机界面来改善现有模拟系统， 以使用户完全介入模拟环 境。德国的计算机图形研究所 （IGD）的测

6、试平台，用于评估 VR对未来系统和界面的影响，以 及向用户和生产者提供通向先进的可视化、模拟技术和 VR技术的途径。另外，德国在建筑 业、汽车工业及医学界等也较早应用了 VR 技术，如德国一些著名的汽车企业奔驰、宝马、 大众等都使用了 VR技术；制药企业将 VR用于新药的开发；医院开始用人体数字模型进行 手术实验。2.2 国内虚拟现实技术的研究国内研究状况和一些发达国家相比，我国VR技术起步较晚，还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情制定了开展VR技术的研究，九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。国内一些重点院校已积极投

7、入到了这一领域的研究工作。 北京航空航天大学计算机系： 着重研究了 虚拟环境中物体物理特性的表示与处理； 在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件， 并 提出有关算法及实现方法； 实现了分布式虚拟环境网络设计， 可以提供实时三维动态数据库、 虚拟现实演示环境、 用于飞行员训练的虚拟现实系统、 虚拟现实应用系统的开发平台等。 浙 江大学 CAD&CG 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制 出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、 表情的合成和唇动的合成等技术 问题。清华

8、大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术立体显示技术进行了研究，提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度。北方工业大学CAD 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一， 中国第一部完全用计算机动画技术制 作的科教片相似就出自该中心。当前， 我国专注于虚拟现实与仿真领域的软硬件研发与推广，已具备了国际上比较先进的虚拟现实技术解决方案和相关服务，产品有：虚拟现实编辑器（VRP-Builder）、数字城市仿真平台（VRP-Digicity）、物理模拟系统（VRP-Physics、三维网络平

9、台（VRPIE）、工业仿真平台（VRP-Indusim），三维仿真系统开发包（VRP-SDK）以及多通道环幕立体投影解决方案等，能够满足不同领域不同层次的客户对虚拟现实的需求。 02 年和 07 在国家级重点项目数字奥运仿真中发挥了重要的作用，为08奥运虚拟现实提供了技术支持。三、虚拟现实技术的特征及其构成3.1虚拟现实技术的特征G.Burdea在虚拟现实系统和它的应用一文中，用三个"I”、“Immersion ”、"Interaction“Imagination ”来说明虚拟现实的特征，即沉浸、交互、想象，三者缺一不可。(1) 、沉浸性(Immersion)是指用户作为主

10、角存在于虚拟环境中的真实程度。使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。(2) 、交互性(Interaction)是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。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据 使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身 的语言、

11、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。(3) 、多感知性(Imagination)。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中通过人机交互，可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种 感知，从而达到身临其境的感受。研究和开发VR是为了扩展人类的认知与感知能力，建立和谐的人机环境。VR技术是人与技术完善的结合，它是计算机图形学和人-机交互技术发展之产物，人在整个系统中占有十分重要的地位。利用VR技术的手段，使我们对所研究的对象和环境获得“身临其境”的感受，从而提高人类认知的广度与深度，拓宽人类认识客观世界的“认识空间”和“方法空间”，最终达

12、到更本质地反映客观世界的实质。3.2虚拟现实系统的种类分类的依据不同，虚拟现实的种类也就不同。根据目前的发展来看， 最常见的虚拟现实分类标准是按照其功能高低来进行划分。虚拟现实按其功能高低大体可分为四类：桌面级虚拟现实系统(DesktopVR),沉浸式虚拟现实系统(ImmersionVR),分布式虚拟现实系统(DistributedVR )，增强现实性虚拟现实系统。( 1)、桌面级虚拟现实系统桌面级虚拟现实系统是利用个人计算机和低级工作站实现仿真，计算机的屏幕作为参与者或用户观察虚拟环境的一个窗口， 各种外部设备一般用来驾驭该虚拟环境， 并且用于操纵 在虚拟场景中的各种物体。 由于桌面级虚拟现

13、实系统可以通过桌上型机实现， 所以成本较低， 功能也比较单一，主要用于计算机辅助设计CAD计算机辅助制造 CAM、建筑设计、桌面游戏等领域。( 2)、沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统采用头盔显示， 以数据手套和头部跟踪器为交互装置， 把参与者或 用户的视觉、 听觉和其他感觉封闭起来， 使参与者暂时与真实环境相隔离， 而真正成为虚拟 现实系统内部的一个参与者， 并可以利用各种交互设备操作和驾驭虚拟环境， 给参与者一种 充分投入的感觉。 沉浸式虚拟现实能让人有身临其境的真实感觉， 因此常常用于各种培训演 示及高级游戏等领域。 但是由于沉浸式虚拟现实需要用到头盔、 数据手套、 跟踪器等高技术 设

14、备， 因此它的价格比较昂贵， 所需要的软件、 硬件体系结构也比桌面级虚拟现实系统更加 灵活。( 3)、分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统， 是指在网络环境下， 充分利用分布于各地的资源， 协同开发各种 虚拟现实。 分布式虚拟现实是沉浸式虚拟现实的发展， 它把分布于不同地方的沉浸式虚拟现 实系统通过网络连接起来， 共同实现某种用途， 它使不同的参与者联结在一起， 同时参与一 个虚拟空间，共同体验虚拟经历，使用户协同工作达到一个更高的境界。在目前，分布式虚拟现实主要基于两种网络平台，一类是基于 Internet 的虚拟现实， 另一类是基于告诉专用网 的虚拟现实。( 4)、增强现实性虚拟现实系统增

15、强现实性虚拟现实系统又称为混合虚拟现实系统， 它是把真实环境和虚拟环境结合起 来的一种系统， 即可减少构成复杂真实环境的开销， 因为部分真实环境由虚拟环境代替， 又 可对实际物体进行操作，因为部分系统就是真实环境，从而真正达到了亦真亦幻的境界。另外， 还有一些其他的分类方法， 如根据虚拟现实生成的方式， 可将其分为基于几何模 型的图形构造虚拟现实和基于实景图像的虚拟现实系统； 根据虚拟现实生成器的性能和组成 可将其分为四类：基于 PC机的虚拟现实系统、基于工作站的虚拟现实系统、高度平行的虚 拟现实系统、分布式虚拟现实系统； 根据交互界面的不同可将其分为五类： 世界之窗、 视频 映射、沉浸式系统

16、、遥控系统、混合系统。3.3 虚拟现实系统的构成虚拟现实系统的模型表示如图。 用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它反馈信息 (如触觉、力觉反馈等 )。当系统与外部世界通过传感装置构成反 馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用(如遥操作等)。虚拟现实系统主要由以下六个模块构成，如图。（1）检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。（2）反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。（3）传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方 面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。（4

17、） 控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。（5） 建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。3.4虚拟现实系统的关键技术虚拟现实的关键技术包括以下几方面：（1 ）、动态环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，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。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技 术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。建模包括几何建模、物理建模、运动建模。（2）、实时三维图形生成技术。三维

18、图形的生成技术已经较为成熟， 其关键是如何实现实时生成。 为了达到实时的目的， 至少要保证图形的刷新率不低于 15帧/s，最好是高于30帧/s。在不降低图形的质量和复杂 程度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。（3）、立体显示和传感器技术。虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的设备还远不能满足系统的需要，例如，头盔过重，数据手套有延迟大、 分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点； 另外，力觉和触觉传感装置的研究也有待进一步深入，虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。（4）、应用系统开发技术。虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和

19、对象， 即如何发挥想象力和创造力。 选择适当 的应用对象可以大幅度地提高生产效率、 减轻劳动强度、 提高产品开发质量。 为了达到这一 目的， 必须研究虚拟现实的开发工具。例如， 虚拟现实系统开发平台、 分布式虚拟现实技术 等。（5）、系统集成技术。由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型， 因此系统的集成技术起着至关重要的作用。 集成技术包括信息的同步技术、 模型的标定技术、 数据转换技术、 数据管理模型、 识别和合 成技术等。四、虚拟现实技术的应用领域虚拟现实技术随着计算机技术、 传感与测量技术、 图形理论学、 仿真技术和微电子技术 等的飞速发展而发展。（1）、虚拟现实地图的应用 虚拟现实技术

20、在地图学中一个主要应用是制作虚拟现实地图。涉及到以下技术 :利用VR 强大的三维场景构建技术，构造三维地形模型，制作各种地物，真实地再现自然景观 ;利 用其它的环境编辑器对环境进行渲染。利用VR技术多感通道编辑器对以视觉为主的感觉进行仿真，使用户能以真实的感觉“进入”地图。利用数据手套、头盔显示器等交互工具 从分析应用工具箱中提供应用工具， 模拟人在现实环境中进行工作， 如距离量算、 面积计算 等。（2）、在军事现代化中的应用 怎样进行无人战争是当今的发展趋势。 要进行无人战争的前提是要熟悉敌方的各种情况 以及能灵活指挥。通过虚拟现实技术就能实现此目的。利用VR 技术的强大三维场景模型，就可使

21、指挥官亲临前线， 掌握敌人的尽可多情况。 在现在的导弹发射中， 就是利用虚拟现实 技术， 使人在屏幕上跟踪其运动轨迹，动态调整其运动方向， 使其顺利到达其目标。美国的 太空演习战中也就是利用 VR技术。VR技术在军事中的应用随着高科技的发展会越来越重要， 其发挥的威力也会更大。（3）、在GIS中的应用在GIS中利用VR技术的三维场景模型和多感通道编辑器来对三维地物进行视觉的仿真， 使人亲临地物之中，具有逼真的感觉。在利用VR技术中，地理空间数据库的支持特别重要。 地理数据库以地形数据为主，包括地形、水下、居民点、交通线、地物的三维数据等，是生 成空间定位地形图像的基础。 与之相配合的是地面影像

22、数据库， 这是根据已定位的航空照片 与卫星照片数字化而成，是构成地形三维图像的重要数据来源。（4）、在空间信息可视化的应用 空间信息可视化一直是中国地图科学家关注的问题， 其实现的主要途径是虚拟现实技术。（5）、在其它方面的应用VR技术在图像处理、电影业、文艺方面、医疗、娱乐、机器视觉等都有很大的作用。五、虚拟现实的几个瓶颈问题（1）、虚拟环境表示的准确性。 为使虚拟环境与客观世界相一致， 需要对其中种类繁多、构 形复杂的信息做出准确、 完备的描述。同时， 需要研究高效的建模方法，重建其演化规律以 及虚拟对象之间的各种相互关系与相互作用。(2) 、虚拟环境感知信息合成的真实性。 抽象的信息模型

23、并不能直接为人类所直接感知， 这 就需要研究虚拟环境的视觉、 听觉、 力觉和触觉等感知信息的合成方法， 重点解决合成信息 的高保真性和实时性问题，以提高沉浸感。(3) 、人与虚拟环境交互的自然性。 合成的感知信息实时地通过界面传递给用户， 用户根据 感知到的信息对虚拟环境中事件和态势做出分析和判断， 并以自然方式实现与虚拟环境的交 互。这就需要研究基于非精确信息的多通道人机交互模式和个性化的自然交互技术等， 以提 高人机交互效率。(4) 、实时显示问题。尽管理论上讲能够建立起高度逼真的，实时漫游的VR,但至少现在来讲还达不到这样的水平。 这种技术需要强有力的硬件条件的支撑， 例如速度极快的图形

24、工 作站和三维图形加速卡， 但目前即使是最快的图形工作站也不能产生十分逼真，同时又是实时交互的VR。其根本原因是因为引入了用户交互，需要动态生成新的图形时，就不能达到 实时要求，从而不得不降低图形的逼真度以减少处理时间，这就是所谓的景物复杂度问题。(5) 、图形生成。 图形生成是虚拟现实的重要瓶颈， 虚拟现实最重要的特性是人可以在随意变化的交互控制下感受到场景的动态特性，换句话说，虚拟现实系统要求随着人的活动(位置、方向的变化 )即时生成相应的图形画面。(6) 、智能技术(Artificialntelligenee，简称Al)。在VR中，计算机是从人的各种动作，语言等变化中获得信息，要正确理解这些信息，需要借助于 AI 技术来解决，如语音识别、图像 识别、自然语言理解等，这些智能接口领域的研究课题是VR技术的基础，同时也是 VR技术的难点。本质上，上述 6 个问题的解决使得用户能够身临其境地感知虚拟环境，从而达到探索、 认识客观事物的目的。 概括地说，围绕着虚拟现实展开的研究都是围绕着这 6 个基本问题的。六、虚拟现实技术未来的发展与展望虚拟现实技术是 20 世纪末才兴起来的一门崭新综合性的信息技术，尚处于初创时期，