虚拟现实技术发展综述

1、虚拟现实技术发展综述李湘德1,彭斌2(11解放军理工大学理学院社科部,江苏南京211101;21东南大学哲科系,江苏南京210096摘要分析了虚拟现实的概念,透视了虚拟现实技术体系,回顾和评述了虚拟现实技术的发展和概况,指出虚拟现实技术发展的方向。关键词虚拟现实技术;概念;体系;发展中图分类号:C02文献标识码:A 文章编号:167227312(200406200102051概念内涵在诸多研究者的著作中,有这样一些称谓:“虚拟现实”、“灵境技术”、“实境技术”、“人工现实”、“模拟实境”、“虚拟实境”、“仿真技术”等其他:Virtual Environment -V E ,Artificial

2、 Real 2ity (M.W.Krueger ,1970s ,Cyberspace (W.G ibson ,1984本文用:virtual reality (J.Lanier ,1989,中文用“虚拟现实”关于虚拟现实的概念,1992年,Lavroff 在虚拟现实游戏室中这样描述:使你进入一个真实的人工环境里,并对你的一举一动所作的反应与在真实世界中的一模一样。Kalawskey 在1993年版的虚拟现实与虚拟环境科学一书中说,虚拟现实是“一种合成的传感体验,它把物理的或抽象的部件传递给人或参与者。”Pimentel 和Teixeira 在1993年版的虚拟现实:透过新式眼镜一书中,这样定义

3、虚拟现实:“一种浸入式体验,参与者戴着被跟踪的头盔,看着立体图象,听着三维声音,在三维世界里自由的探索并与之交互。”这些都带有发展中的痕迹,1994年,Ellis 和Lari 2jani 在同一年出版的计算机图形与应用虚拟现实初阶中开始深入探讨虚拟现实的定义,他们认为,虚拟现实是:“潜在地提供了一种新的人机接口方式,通过用户在计算机创造的世界中扮演积极的参与者角色,虚拟现实正在试图消除人机之间的差别。”综上所述,本人认为应该这样加以广义描述:20世纪末发展起来的一项涉及计算机、传感与测量、仿真、微电子技术于一体,利用计算机生成的一种虚拟环境,通过视、听、触、甚至味觉,使用户身临其境,并能够与之

4、发生交互作用。以下称为VR 技术。VR 技术以高性能计算机为内核和驱动,包括图形学、光学、图象处理、模式识别、网络、通信等领域,甚至与气象、地理、美学、心理学和社会学等学科相关。该技术反映和传递以往的经验,经过嵌入或组合来模仿创造新的现实,对主体的感官刺激由弱变强,由单独感官到感官集成,由部分到整体,主体对客体的认知也由间接转为直接,使认知对象新鲜活泼、具象反映,主客体交互发生作用。2技术体系虚拟现实技术涉及到计算机图形学,人机接口技术,图象处理与模式识别,多传感器技术,语音处理与音响技术,网络技术,并行处理技术,高性能计算机系统,人工智能等,需要的不仅有计算机专家,还要有人类工程学专家,心理

5、学专家等。具体讲,按照计算机为主的技术特点,虚拟现实技01【收稿日期】2003-06-21【作者简介】李湘德(1970-,男,江苏连云港人,副教授,研究方向:科技哲学。术体系可以分为硬件和软件,硬件有窗口显示器、头盔显示器、数据手套、立体环绕声音设备、多功能传感器等;虚拟现实软件系统是支撑硬件运作的程序和原理。按照以人为主体、以人的接受为分类方法,可把虚拟现实技术系统分为:视觉软硬件系统,听觉软硬件系统,触觉软硬件系统,甚至嗅觉、味觉软硬件系统。有了这些软硬件,综合而成系统,系统组合对人发生作用。人机互动通过以下一些装置和过程,如表1所示。表1虚拟现实技术作用于人体器官综合列表感知表现连机人体

6、器官行为刺激源信息判断方位起点、平衡机械和重力感受装置耳的前庭定位和平衡引力或加速度引力或加速方向或方位变化听力听声波接受器耳蜗定向和兴奋声波发声实物性质触觉接触热、动传感器皮肤、肌肉、关节刺激反应物理和化学作用物体表面性态物体特性味觉嗅觉品尝、嗅化学感受器口腔、鼻腔滋味、气味反应气体、食物气体、食物的性质视觉看光学仪器眼睛瞳孔变化、刺激反应光线大小、形状、距离、颜色位置、质地运动综合起来,虚拟现实有4个关键成分,即软件、计算机、输入设备、输出设备,虚拟现实软件提供三维模型和环境数据库,及其适时反应的能力,输入设备有三维鼠标、游戏杆和定位跟踪器,输出设备显示虚拟现实时空,包括显示器和头盔。这是

7、最简单的桌上虚拟现实系统,参与者参与时先激活输入设备,软件接纳后再根据参与者的要求和创新能力适时更新和创造,完成互动。虚拟现实的基本特征,G.Burdea在虚拟现实系统和它的应用一文中,用三个“I”、“Immersion”、“In2 terraction”、“Imagination”来说明虚拟现实的特征,即沉浸、交互、想象,三者缺一不可。学界基本都认同此观点。3发展现状1929年,美国的Edwin Link设计了一种乘坐飞行器,坐在里面有一种坐飞机的感觉。40年代初,Ed2 win Link创建了公司,与Admiral Deflorez公司一起研制飞行模拟器,成为为数很少较早设计和制作飞行模拟

8、器的公司。但是没有计算机的出现,是一种纯机械的装置,且笨重呆板。1960年,美国麻省理工学院的Licklidr教授提出了交互计算的观点,他预言“用不了很多年,人脑和计算机将会紧密的结合在一起,其结果将使两者之间的关系变成人类意想不到的样子,处理数据的方法与今天我们所知道的信息处理的方法完全不同。”他认为“不久的将来,电脑将以人脑的思维处理信息。”Lick2 lidr教授因此话而成为虚拟现实的预言家。1961年,美国Philoo公司首创了头盔式立体显示器(HMD,不过异常粗糙。1962年,美国的摄影师Morton Heilig以美国的Brookleyn街道为背景,建立了一个模拟系统,他把这个系统

9、取名为sensorama,可翻译为“体验剧场”,这个系统能够看到Brookleyn街道的风光,甚至能够闻到街道旁小吃的味道。Morton Heilig致力于这种机器的制造,他建议艺术家应该运用科技手段,让人们真正体验到艺术家所表达的真实世界,应该把观众真正带到幻想的世界。Morton Heilig的视频系统具有了图象、声音、震动、风、气味,但是被动而非交互系统。由于经费不足,Morton Heilig的研究中途搁浅,但Morton Heilig也被认为是实践虚拟现实概念的先驱者。第一个提出把计算机显示屏幕作为观看虚拟世界窗口的人是美国的博士研究生Ivan SuthLand,他在其论文Ultim

10、ate Display中论述了他的观点。1966年, Ivan SuthLand在麻省理工学院的林肯实验室开始研制人类第一个头盔显示器(head mounted display-HMD,这个头盔显示器有六个系统组成;一台TX-2计算机,一个限幅除法器,一个矩阵乘法器,一个矢量生成器,一个头部位置跟踪器及头盔,采用阴极射线管(CR T作为显示。Ivan SuthLand在论中文这样写到:11 终极显示当然要提供这一个空间,计算机要能够控制空间中的一切,房间中的凳子要能坐,手铐要能铐住人,子弹几乎能致命,总之,能创造一个爱丽丝漫游的幻境。1970年,Ivan SuthLand 在犹他大学演示了这个

11、头盔显示器,由Ivan SuthLand 的学生Daniel vickers 编写了程序。被实验者看到了一个根本不存在的物体,因此,获得初步的成功。今天的HMD 仍然与SuthLand 的一样原理,只不过把阴极射线管换成液晶显示器(LCD ,并进一步改装了头盔,使头盔更加轻巧实用。Ivan SuthLand 并没有满足,他又利用小型PDP 计算机设计出了有三个自由度的机械装置,尽管十分简陋,但人们毕竟可以去控制虚拟空间中的物体了。1972年,Nolan Bushnell 开发了第一个交互电子游戏,称为Pong ,参加游戏的人在电视屏幕前可以操纵一个弹跳的乒乓球,这个游戏由于它的交互性而被受关注

12、。同年,美国北卡罗那大学的Frederick Brooks 把力反馈和计算机图形联系在一起,系统中使用了一个力显示器和景象显示器,将一个控制机器人手臂的遥控器接到计算机上,以提供在虚拟环境中的操作能力。Frederick Brooks 在做出以上成绩的同时,又试图建立一个有六个自由度的虚拟环境,在这个环境中,可以用桌上的钳子去操纵控制虚拟的积木,当积木之间碰撞,将会发出声音,限于计算机的计算能力,仅仅能提供三个平移运动。Frederick Brooks 同时致力于生物化学分子结构的显示机理研究,当时的VAX 计算机尽管有了一些进步,比如计算速度提高了100多倍,但面对生物化学复杂的原子分子结构

13、,其能力也只能停留在每秒处理3幅画面,通过减少复杂性使计算机处理速度加快,但也不超过20帧每秒。威斯康星大学的博士研究生Myron Krueger 提出了人工现实(Artificial Reality 的概念,称之为Video 2place 。Myron Krueger 作为计算机科学家,受Cage 的人机实验影响,创新地提出非强制进入虚拟环境的思想,并从1969年就和一部分艺术家和工程师开始研究制作非强制进入沉浸系统,努力使虚拟环境对应与参与者的手势和姿态,他制作了一个精细的系统,包括有感应的地板、桌子还有摄像机,计算机吸收并反应人的动作,看起来,就像人在控制环境。Myron Krueger

14、 称他设计的房间为“responsive environments ”,参加者触动计算机生成的轮廓和剪影,计算机分析人的半身象,参加者从而控制房间。非强制进入的研究使人摆脱头盔及机械装置的羁绊,从某种意义上说具有革命的影响。1981年,加州大学博士研究生Michael McCreevey 得到了美国航空航天局(NASA 的资助,改进了头盔显示器,用液晶替代了笨重的阴极射线显示器,并使定位装置更精确。今年而把改进的头盔显示器结合当时先进的计算机创建了一个飞机场虚拟环境系统,获得成功。最先用手去控制虚拟世界中的物体当属麻省理工学院的J.Zimmermn 和Jaron.lanier ,他们合作发明了

15、数据手套,与计算机相连,就使手的动作输进了计算机。1989年,两人创建了VPL 公司,Jaron.lanier 首先正式使用了Virtual Reality 词汇,使虚拟现实产品开始商业化。Nicholas Negroponte 被公认为数字化的先锋,于1979年在麻省理工学院创立了媒体实验室(M IT s media laboratory 。Negroponte 对虚拟现实有独特的看法,他的理论对虚拟现实制造商,对虚拟现实技术的研究与推广有着重要的意义。Negroponte 认为“身临其境”的感觉来自于双眼透视,每只眼睛的深度知觉略微不同,造成了两只眼睛所看到的形象不尽相同。这种现象称为视差

16、。Negro 2ponte 所解释的立体眼镜其实还是属于偏振眼镜,事实上,虚拟现实发展到今天,立体化已经有了好几种方法,如画面用两台摄象机拍摄,用左右分离或实虚对照方法来达到立体效果。视觉经验的真实程度是由两个因素共同决定的。其一是图像的质量,即图像中显示的边和其间结构的数量的多少,数量越多,质量越好。其二是响应时间,即画面更新的速度,速度越快越好,响应时间越短越好。这两个变数都要求电脑具有十分强劲的威力。Negroponte 认为目前的虚拟现实还有不少缺点和技术上的失误,必须加以克服之后,才能使它具有更广泛的吸引力。例如,低成本的虚拟现实就深受阶梯状不规则图形的困扰。当影像移动的时候,这种锯

17、齿状的图形显得更不稳定,因为它们看起来好像在移动,但却不一定与画面移动的方向一致。想一想水平线的样子,一条非常平直的水平线。现在稍稍把它倾斜一点,水平线中央就会出现一段锯齿形状,然后再倾斜一点,又出现第二个、第三个和更多的锯齿地带。这些锯齿看起来仿佛在移动,直到这条线终于倾斜成45度角,则线上相邻像素所组成的锯齿排成了一个楼梯形,而且21总是慢半拍。比这还要糟的是,虚拟现实的速度还不够快。所有的商业系统,尤其是许多电子游戏生产商即将推出的新产品,都有慢半拍的问题。当你转动头部的时候,影像会很快地改变,但是还不够快。图像总要慢半拍才出现。大多数的制造商大概都会完全忽略这一点,而把早期拼命强调图像

18、的高分辨率的虚拟现实系统推向市场。这样做的结果是牺牲了响应速度。其实,假如他们减少图形显示,加强图像的防锯齿技术,并且加快响应速度,那么他们所提供的虚拟现实体验将会更加令人满意。另外一个办法是,完全放弃为左右眼分别提供不同透视影像的头戴式显示器,而改用所谓的自动立体效果技术,让真实的物体或全息影像在空中浮现,使双眼一起收视。Negroponte认为,显示的质量确实不单和视觉有关。它是一种典型地运用了其他感官体验的收视经验。各种感宫构成的整体的确大于部分之和。在高清晰度电视刚刚萌芽的时候,当时在媒体实验室工作的社会科学家拉斯纽曼进行了一个划时代的实验,测试观众对显示质量的反应。他安装了两套一模一

19、样的高清晰度电视和录像机系统,放映一模一样的高质量录像带。不过,他在A组用的是录像机的普通音质和电视机的小扬声器,而在B组中,则使用了很棒的扬声器,可以播放出比CD还要好的音质。结果令人吃惊。许多实验对象报告说B组的图像清晰得多。事实上,两组影像的品质完全一样。但B组的收视经验却好得多。人们倾向于把感官经验作为一个整体来加以判断,而不是根据各个部分的经验来加以判断。虚拟现实系统在设计上有时忽略了这个重要的观察结果。在设计军事坦克训练器的时候,人们花了很多心血,来达到最高的显示质量(几乎不计任何代价,希望获得的效果是,当你注视显示器的时候,几乎就和从坦克的小窗口看出去一样。这个想法挺好,但在不断

20、增加扫描线数目上进行了艰苦卓绝的努力之后,设计师才想到可以引入一种价格低廉、会稍稍震动的运动平台。设计师又在此基础上增加了一些额外的感官效果坦克的马达声和轧过地面的声音,结果整体感觉十分逼真,设计师因此可以减少扫描线的数目,而不会影响整体视觉效果。无论如何,这个系统看起来和感觉起来很真实,已经超过了原来的要求。另外,Negroponte认为,人们的空间感在很大程度上是一种水平空间感。由于并列的双眼的视差,而且由于我们的视线总是沿着近乎水平的方向移动,因此在我们对空间的感觉中,水平视差比垂直视差(上下的变化重要得多,水平视差所捕捉的空间信号占了绝大多数。假如我们的眼睛是一只叠在另一只的上面,或是

21、我们经常在树上爬上爬下,情形或许不同。但事实却非如此。事实上,水平视差对视觉的影响太大了,因此,媒体实验室所展示的全息影像几乎都没有垂直视差。当向来访的人介绍这些图像没有垂直视差时,客户才会弯下腰来、再踞起脚尖反复地细看。这些思想和实践,对虚拟现实的发展有着重要的指导意义。1985年,Scott Fisher课题组研制成功称为V IEW 的数据手套(Data G love,这种数据手套轻便柔软,可以测量手指关节动作、手掌的弯曲以及手指间的分合,从而可以编程实现各种手语。同年,研制成功的第一套商用虚拟现实硬件In2 tel386装配了美国空军,称为Supercockpit飞行器。1986年,研制

22、成功了第一套能够充分利用HMD 及数据手套的虚拟现实系统,称为V IEW。这是世界上首创的比较完整、多用途、感知能力较强的虚拟现实系统,它使用了头盔式显示器、数据手套、甚至语言识别和较先进的跟踪设备技术,可以运用于诸多领域,如空间探索、数据可视化、远程医疗、探险等领域,尽管不尽完美。1987年,Jaron.lanier的VPL公司率先发明了数据服装,成兑了比尔盖茨的预言。比尔盖茨在未来之路中首先提出“虚拟紧身衣”的设想,衣服里布满细小的传感器,还有与皮肤表层连接的弹性反馈装置。典型的计算机监视器每英寸有12到120个色点,即像素,监视器上共有30万到100万个像素,全身紧身衣与小触觉传感器相连

23、,每一点、或一族和人体特定部位接触,这些触觉因素比尔盖茨称它为触元,如果紧身衣有足够的触元,并能够很好的控制,那么就可以复制任何一种触摸知觉。如果大量的触元都准确地在同一深度与各部位接触,结果是表层感觉起来很光滑,如果他们以各种随意分布的深度推进,感觉起来就像质地粗糙的纺织品。虚拟紧身衣需要100万到1000万个触元,具体数目由单个触元能送传的不同层次来定。人类的皮肤研究表明,一件全身紧身衣必须有100个触元,指尖、嘴唇等敏感部位则需要更多触元,计算机为了把感觉输入触元衣所必须进行计算的信息数量是当前个人计算机所须信息量的1到10倍,这并不需要很高的计算能力。311988年,VPL公司建立了一

24、套完整的虚拟现实系统,把虚拟现实系统当时研制出的软硬件基本都用上了。1989年,Jaron.lanier给Virtual Reality赋予了崭新的含义:计算机产生的三维交互环境,用户参与到这个环境中,获得角色,从而得到体验。1990年,重点讨论虚拟现实的Siggraph会议在美国达拉斯召开,规定了虚拟现实技术的研究方向是:适时的三维图形生成技术,多传感器的交互技术,高分辨显示技术等。1992年,第一次世界性的虚拟现实专门会议在法国召开,会议的名称即代表了它的宗旨:真实世界与虚拟世界的接口。随着计算机软硬件技术的突破,虚拟现实技术将得到更长足的发展。参考文献1金枝.虚拟生存M.天津:天津人民出

25、版社,1997.2汪成为,祁颂平.灵境漫话-虚拟技术演义M.北京:清华大学出版社,1996.3英迈克尔里德帕斯著.龚怡祖译1虚拟现实M.南京:译林出版社,199714张茂军.虚拟现实系统M.北京:科学出版社,200215杨宝民,朱一宁.分布式虚拟现实技术及其应用M.北京:科学出版社,199916王坚,孙宇浩.身临其境M.杭州:浙江科学技术出版社,20001Analysis on Virtu al R ealityL I Xiang-de1,PEN G B i n2(1.PLA Science Academy,Nanjing211010,China;2.S outheast University,Nanjing210096,ChinaAbstract:Through the concept of Virtual reality(VR,the article perspectives VR system and comments VRs de2 velopment,so that