虚拟现实技术

1、 课程：虚拟现实技术 学院：计算机学院 班级2011211317班 学号：2011211619号 姓名：陈海媛题目：国内外虚拟现实技术的最新进展国内外虚拟现实技术的最新进展 在此之前，我对于虚拟现实技并没有什么了解，也没有听说过虚拟现实这个名词，直到本学期选修了这门课才知道这种技术，并且对这门课 产生了浓厚的兴趣。至少让我知道了3D电影是通过什么原理来产生的。 虚拟现实技术是很神奇的一门技术，在很大程度上几乎可以产生视觉或听觉的以假乱真。用比较专业的术语来说：虚拟现实技术是一门新兴边缘的技术,研究内容涉及多个领域,应用十分广泛,被公认为是21世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。它

2、利用计算机的图形环境和电子技术外设产生逼真的视，听，触，力等 伪物质天维感觉环境，其本质是将不可视的想象力变成有形体和声音，强调的是逼真性和科学的可视性，其个重要特征是：沉浸特征，交互特征，行为特征，它是一种全新的信息处理方式，可广泛应用于设计，教学，培训和仿真等。 那么在虚拟现实技术方面，国内外有什么最近进展呢？ 首先我们来看看中国在这方面的发展吧：我国VR技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。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列入研究项目。 国内一些重点院校，

3、已积极投入到了这一领域的研究工作。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；实现了分布式虚拟环境网络设计，虚拟现实应用系统的开发平台等。浙江大学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。虚拟现实技术在我国近些年发展极为迅速，被广泛的应用在城市规划、教育培训、文物保护、医疗、房地产、互联网、勘探测绘、生产制造、军事航天等数十个重要的行业，全世界的目光都

4、聚焦于虚拟现实技术在中国的蓬勃发展。流行一时的网络游戏，实质上也是虚拟现实技术的一种简单应用。最近，中国首款虚拟现实游戏射日精英也已经横空出世。纵观多年来的发展历程，VR技术的未来研究仍将遵循“低成本、高性能”这一原则，从软件、硬件上展开，并将在以下主要方向发展：1：动态环境建模技术动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。:2：实时三维图形生成和显示技术。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今后重要的研究内容。此外，有的虚拟设备还不能满足系统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术。 3：新型交互设备的研制。虚拟现实需要头盔显

5、示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此，新型、便宜、做工精良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。4：智能化语音虚拟现实建模。虚拟现实建模如果将VR技术与智能技术、语音识别技术结合起来将会给虚拟现实的发展带来巨大的意义。 大型网络分布式虚拟现实(Distributed Virtual Reality，DVR)的应用。目前，分布式虚拟交互仿真已成为国际上的研究热点，相继推出了DIS、MA等相关标准。网络分布式VR在航天中极具应用价值，例如，国际空间站的参与国分布在世界不同区域，分布式VR训练环境不需要在各国重建仿真系统，这样不仅减少了研制费设备费用，而且也减少了人

6、员出差的费用和异地生活的不适。然后我们再来看看美国在虚拟现实技术的长期发展以及最新发展：国家科学基金会国家科学基金会（NSF）成立于1950年，是美国科技体系中的一个重要机构。NSF下辖7个学部。其中计算机、信息科学与工程学部（CISE） 资助的VR 技术项目最多。该学部下设三个处，每个处下设 若干核心计划，支持某一领域的科研项目，其中与VR技术最相关的是人机互动计划（HCI）和以人为 中心的计算计划（HCC）。人机互动计划支持对人机互动系统的设计和评估研究。以人为中心的计算计 划的研究对象覆盖各种计算平台，设备规模从单用户设备到大型异构系统。这些研究具有高度的跨学科特性，因而经常得到 NSF

7、 其他计划的联合资助。国家科学基金会的研发经费总体呈上升趋势，CISE 每年的平均研发经费约为 5 亿美元 。由于虚拟现实具有较高的学科综合性和广泛的 应用领域，NSF 的其他学部也都资助与 VR 技术相 关的项目。资助项目较多的有工程学部 （ENG）下设的产业创新与合作处（IIP）和民用、机械与制造创新处（CMMI）以及教育与人力资源学部（HER）下设的大学本科教育处（DUE）。美国航空航天局美国国家航空航天局（ NASA）成立于1958 年，是世界上最大的空间开发机构。NASA 已经建立了航空、卫星维护 VR 训练系统，空间站 VR 训练系统，以及可供全国使用的 VR 教育系统。NASA下

8、辖10个研究中心，其中支持 VR 技术研发最多的是艾姆斯研究中心（ARC）。艾姆斯研究中心是美国信息技术的领先研究机研究重构之一，年度预算 6 亿美元（2008 年）点是高性能计算、网络技术和智能系统。其中与 VR 关系最为密切的是中心下设的探索技术理事会下的 人机综合处（HSID），该处主要研究领域为虚拟航 空建模仿真、 平视显示器、 虚拟环境界面等。HISD 的研发工作主要由航空研究任务理事会（ARMD） 和探索系统任务理事会 （ ESMD）资助。每个理事会下设若干研究计划，资助HISD研发的计划有空域系统计划、航空安全计划、基础航空计划、星座计划、人类研究计划等。艾姆斯研究中心开展了一系

9、列的虚拟现实研究项目，如“虚 拟 行 星 探 索（VPE）”的实验计划；设立未来飞行中心 （ Future Flight Central），利用 VR 技术评估跑道安全等。国防部美国国防部（DOD） 主导美国国防科研。二战后，国防科技在美国的科技创新体系中长期占据主导地位，其所获得的联邦政府科研投入一直占联邦科研经费总额的50%左右。美国国防部非常重视 VR 技术的研发和应用。VR 技术在武器系统性能评价、武器操纵训练及指挥大规模军事演习等方面发挥着重要作用。国防高级研究计划署（DARPA）在美国军方的科研活动中占据重要地位。1983 年，DARPA和美国陆军制定并实施SIMNET计划。从19

10、94年起，DARPA和美军大西洋司令部（USACOM）联合开展了“战争综合演练场（STOW）”的研发。从2003年起，DARPA启动DARWARS 项目，加速新一代训练系统的研发和部署。 除 DARPA 以外，美国军方的 VR 技术研究机构还有： 美国空军技术学院、 美国海军研究生院及美国陆军研究所等。 美国空军技术学院主要研究人类因素的检测、计算机图形学以及与大规模分布综合环境应用有关的人机交互问题 。美国海军研究生院下属的图形和图像实验室进行了大规模虚拟环境的开发与应用研究。其研究目标是为基于网络化虚拟环境的交互仿真开发低价格模拟器。 陆军研究所从事与虚拟环境相关的行为科学和计算机科学两方

11、 面的研究，在用于战斗训练的仿真电子战场的应用 中发挥着重要作用。其他部门美国能源部（DOE）为改善运作模式、节省研发经费和时间积极发展 VR 技术。 能源部1995年启动了“高级仿真和计算计划 ”旨在帮助能源部用计算机仿真代替传统的实验方法 。美国卫生与福利部 （ HHS） 下属的国立卫生研究院（NIH）进行了一系列 VR 技术的研究。 早在 1986 年就着手开展 “可视人计划 ” 应用于诸多领域。另外，国立卫生研究院还资助其它科研人员进行 VR 技术研究。2008 年国立精神卫生研究所应用 VR 技术研究治疗创伤后应激综合征（PTSD） ， 取得良好效果。同年伊利诺伊卫斯理大学的研究人员

12、获得资助，应用 VR 技术研究人们的性行为选择，以降低艾滋病病毒（HIV）的传播。 此外，联邦航空局 （FAA） 、教育部 （ED） 甚至一些州政府也都有开展 VR 技术研发的机构或计划。联邦航空局下属的民用航天医学研究所（CAMI）开发了首个VR 空间定向障碍示范器（VRSDD）。教育部资助了一些虚拟现实的研究项目，比如培训系统的开发。美国加州政府则将 VR 技术作为重要应用写入宽带网络发展计划中 。美国大学虚拟现实技术研发现状 ：高校是推动虚拟现实技术基础研究的重要力量 。北卡罗来纳大学（UNC）计算机系是进行虚拟现实 研究最早最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建

13、筑仿真等 。麻省理工学院（MIT）是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋， 这些技术都是 VR 技术的基础。1985 年 MIT成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。 媒体实验室建立了一个名叫 BOLIO 的测试环境，利用这一环境，MIT建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统 。密歇根大学 （ University of Michigan） 在80年代成功开发了基于符号表示和规则推理的 Agent 建模 环境 Soar 项目，后来被广泛应用于人工智能、行为建模和人机接口等方面的研究。Soar 项目通过提供改进了的空军仿真兵力来扩充 LORAL MODSAF 。这一计划将使美国

14、国防部在虚拟仿真战役中具有智能化的时态推理能力、 多目标管理和传感能力， 使管理和操纵敌方兵力的人员减至最少。华盛顿大学（UW）的人机界面技术实验室（HIT Lab）在新概念的研究中起着领先作用，同时也在进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。HIT 将 VR 研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。 伊利诺斯州立大学（UI）研制出支持远程协作的车辆设计分布式 VR 系统， 不同国家和地区的工程师们可以通过计算机网络进行实时协作设计。乔治梅森大学（GMU） 研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的远程沉 浸实验室采用实时建模和远程传输共享的方

15、法开发 了远程沉浸式交互系统。 美国企业虚拟现实技术研发及应用现状 企业是推动 VR 技术应用和产业化的重要力量。IBM 公司把互联网和 VR 技术作为正在兴起的商机， 投入上亿资金资助研发。其推出的 Bluegrass 是一个 虚拟现实应用程序，能够让用户建立虚拟的会议室。IBM2008年启动的“Sametime 3D”项目，将虚拟世界整合到Lotus Sametime 即时通讯与协作应用软件。IBM还与 故宫博物院合作推出“超越时空的紫禁城”这是中国第一个在互联网上展现重要历史文化景点的虚拟世界。 微软公司开发了诸多 VR 技术： Photosynth 软件 能够让用户使用一组有相似性的照

16、片生成一个 3D 场景；Silverlight插件支持3D效果，并能使用显示卡的GPU 硬件加速功能来提高显示质量； 3D体感摄影机 Project Natal 导入了即时动态捕捉、影像辨识、 麦克风输入、语音辨识、社群互动等功能；WorldWide Telescope 基于Web2.0可视化环境， 是 Internet 上的一个虚拟望远镜，用户可以对图像进行无缝缩放和平移；Virtual Earth 3D 的使用者可以浏览美 国主要城市的全方位 3D 图片。施乐公司 （ Xerox）研究中心在 VR 领域主要从 事利用虚拟现实通信建立未来办公室的研究，并设计一项基于 VR 使得数据存取更容易

17、的窗口系统 。此外，波音公司的波音 777 运输机采用全无纸化设计，利用所开发的 VR 系统将虚拟环境叠加于真实环境之上，把虚拟的模板显示在正在加工的工件上，工人根据此模板控制待加工尺寸， 简化加工过程。需要强调的是，美国企业的 VR 技术不单着眼于研发，许多 VR 商品以面向市场、面向用户为基础，其商业化应用取得了良好的效果 。 美国虚拟现实技术领域相关政策法案和计划 ：由于 VR 技术具有较高的学科综合性，因此与之相关的政策法案和计划分散于信息技术相关法案的诸多方面。 几届政府的科技政策虽有所不同，但在信息技术领域都给与了大力支持 。 克林顿政府于1993年宣布实施的“国家信息基础设施（N

18、II）”计划为分布式虚拟现实的研发和应用奠定了基础。为确保美国在21世纪信息技术上的领导地位，并尽快抢占未来的高科技市场， 克林顿总统在2000 年财政预算中拨出 3. 66 亿美元直接用于信息 技 术 领 域 的 研究。这一行 动计划命名为“面向 21 世纪的信息技术（简称为 I）”将重点支。其中，I 行动计划在科 持三大信息技术领域的研究 学工程领域的高性能计算技术研究中就包括了各种 图形图像处理、计算机模拟等虚拟现实技术。 布什政府的科技政策与前任政府保持了一定的连续性，同时进行一系列的调整，更加强调要大力推进高新科技尤其是数字信息科技。 布什政府大力支持“网络与信息技术研发计划 （ N

19、ITRD） ”平均每年资助额达24 亿美元 。 在 NITRD 计划众多成果中，计算机模拟和可视化成果对科研和企业创新产生的影响最为深远。 它们使研究人员能够对非常复杂的现象进行检查和试验，并将复杂的动态过程可视化，如龙卷风的生成过程。奥巴马在竞选时就把科学技术议题放在重要的位置，集中体现在 投资美国的未来科学与创 新计划政策 中。 就任后，奥巴马提出了多项与信 息技术有关的经济刺激提案。2009年4月，奥巴马 正式宣布任命 查普拉 （ Aneesh Chopra） 担任首位国家首席技术官，其主要职责之一是推动美国政府更 好地使用信息技术，从各个层面深化信息技术对经济增长和提升国家竞争力的影响

20、 。 由于美国没有统一的科技管理部门， 故其 VR 技术的发展计划同样分散于各个部门中。 国防部、 能源部、国家科学基金会等机构均有涉及 VR 技术 的发展计划。 1995 年美国国防部制定了 “建模与仿真总体规划” 虚拟现实作为其中的关键技术得到重点支持。此后，美国国防部在制定战略规划指南时又对该规划进行了更新。2006 年美国国防部发布了“建模与 ， 仿真总体规划采购计划”旨在充分利用建模与仿真 技术为国防服务。2000 年能源部核能研究咨询委员会（NERAC）。制定了“长期核技术研发规划 ” 明确提出应重点开发、应用和验证虚拟现实计算模型和仿真工具。 能源部及其下属实验室在高性能计算和仿

21、真技术上 引领全球，该领域将研发针对核能工厂的虚拟现实 平台等一系列技术。 国家科学基金会在 2006 2011 财 年 战 略 规 划 中指出要“吸引更多公众了解当前的科学研究 和新技术。通过互动式和沉浸式的体验激起公众的兴趣，提升公众的科技素养” 这表明国家科学基金会将积极把 2008 年 2 月，美国国家工程院 （ NAE） 公布了一份题为“21世纪工程学面临的 14 项重大挑战 ”11 的报告。VR 技术是其中之一，与新能源、洁净水、新药物等技术相并列。并提出这些技术挑战的任何一项一经克服，将可极大地改善们的生活质量。 最后我们再来看看：英国和日本虚拟现实技术的研究与开发在 VR 开发

22、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) 设计和应研 究方面，英国是领先的尤其是在欧洲。英国主要有四个从事VR 技术研究的中心： Windustries( 工业集团公司)，是国际VR 界的著名开发机构，在工业设计和可视化等重要领域占有一席之地；British Aerospace( 英国航空公司 BAe) 的 Brough 分部，正在利用 VR 技术设计高级战斗机座舱；Dimension International, 是桌面 VR 的先驱。该公司生产了一系列的商业 VR 软件包，都命名为 Superscape ;；DivisonLTD 公司在开发 VISION、 Vision

23、 Pro Supervision 系统/模块化高速图形引擎中，率先使用了Transputer 和i860技术。日本主要 致力于建立大规模 VR 知识库的研究，在虚拟现实的游戏方面的研究也处于领先地位。京都的先进电子通信研究所(ATR) 正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入，富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与 VR 环境的相互 作用,他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。日本奈良尖端技术研究生院大学教授 千原国宏 领导的研究小组于2004 年开发出一种嗅觉模拟器，只要把虚拟空

24、间里的水果拉到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处放出水果的香味，这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破。 虚拟现实技术的发展趋势虚拟现实技术是 2O 世纪 8O 年代才兴起的一门崭新的综合性信息技术， 尚处于新生阶段，远未达到成熟阶段，同时，虚拟现实技术还需渗透到信息系统的各个领域。改变信息系统的 人机交互方式， 甚至改变现代信息系统的设计原则，使之更能适应以用户为中心的应用需求。 只有这样，虚拟现实技术才能够得到快速健康的发展。从目前信息技术的发展来看。网络已 经进入了人们的生活、工作和学习中。虚拟现实与网络的结合也日趋紧密和完善。目前，国内外已经将虚拟现实与网络结合。建成了多个商业宣传网站，甚

25、至用于游戏同时。计算机图 像压缩技术和显示技术的不断进步以及相应硬件设备的日趋完善 我们不难预测未来虚拟现实技术的发展动向。这种动向大致包括两个方向：一方是朝着 桌面级 虚拟现实发展，特别是 在商业领域。目前，已有数百家公司正在致力于 桌面级虚拟现实的开发。其主要用途有商业 展示教育培训及仿真游戏等： 另一方面是朝着高性能沉浸式虚拟现实发展。 很多高科技领域， 如航空航天军事训练、模拟 训练等。由于各种特殊要求，只能进行仿真试验，简单的桌面 级虚拟现实根本无法满足， 因此只能建立高性能的沉浸式虚拟现实。 目前国内外已建成多个 高科技领域虚拟现实仿真系统。发达国家虚拟现实技术发展对我国的启示：1

26、：制定虚拟现实技术发展规划，完善政策体系 通过对美国VR技术发 展 现状和政策的了解，不仅美国信息技术领域的诸多重大战略规划均涉及 VR 技术，而且政府下属的各大部门均制定具体的VR技术的发展计划，从上到下形成粗细得当、层次、863计划等合理的政策体系。我国规划纲要 大发展规划中都将 VR 技术列为重点发展和资助领 域，但对 VR 技术的某些重点领域和技术热点领域 缺少具体的发展计划， 因此，在发展和应用 VR 技 术方面，应结合本国国情不仅从战略高度重视技术的长远规划，而且需从策略层面对具体的技术领域 进行布局和计划。 2： 注重虚拟现实技术的应用，促进产学研结合美国非常注重 VR 技术的应用，由于虚拟现实 在训练、实验等方面具有重大的应用价值， 所以 VR 技术往往最先应用于国防、航天等部门。 在这些部 门取得良好的应用效果后，促使 VR 技术向其他部 门扩散。医疗、教育、 娱乐等领域为 VR 技术的应 用提供 了 广 阔 的 空 间。 美 国