虚拟现实技术概述(DOC 82)

1、虚拟现实技技术概述1什么是是虚拟现实实技术虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，它与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。它以计算机技术为主，利用并综合三维图形动技术、多媒体技术、仿真技术、传感技术、显示技术、伺服技术等多种高科技的最新发展成果，利用计算机等设备来产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多种感官体验的虚拟世界，从而使处于虚拟世界中的人产生一种身临其境的感觉。在这个虚拟世界中，人们可直接观察周围世界及物体的内在变化，与其中的物体之间进行自然的交互，并能实时产生与真实世界相同的感觉，使人与计算机融为一体。与传统的

2、模拟技术相比，VR技术的主要特征是：用户能够进入到一个由计算机系统生成的交互式的三维虚拟环境中，可以与之进行交互。通过参与者与仿真环境的相互作用，并利用人类本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，全方位地获取事物的各种空间信息和逻辑信息。2虚拟现现实技术与与三维动画画技术的异异同VR技术和和三维动画画技术有本本质的区别别：三维动动画技术是是依靠计算算机预先处处理好的路路径上所能能看见的静静止照片连连续播放而而形成的，不不具有任何何交互性，即即不是用户户想看什么么地方就能能看到什么么地方，用用户只能按按照设计师师预先固定定好的一条条线路去看看某些场景景，它给用用户提供的的信息很少

3、少或不是所所需的，用用户是被动动的；而VVR技术则则截然不同同，它通过过计算机实实时计算场场景，根据据用户的需需要把整个个空间中所所有的信息息真实地提提供给用户户，用户可可依自己的的路线行走走，计算机机会产生相相应的场景景，真正做做到“想得到，就就看得到”。所以说说交互性是是两者最大大的不同。下面来看一一个应用的的实例。房房地产展示示是这两个个技术最常常用的领域域。在现在在的应用中中，很多房房地产公司司采用三维维动画技术术来展示楼楼盘，其设设计周期长长，模式固固定，制作作费用高；而同时在在国内也已已经有多家家公司采用用VR技术术来进行设设计，其展展示效果好好，设计周周期短，更更重要的是是，它是

4、基基于真实数数据的科学学仿真，不不仅可达到到一般展示示的功能，而而且还可以以把业主带带入到未来来的建筑物物里参观，还还可展示如如门的高度度、窗户朝朝向、某时时间的日照照、采光的的多少、样样板房的自自我设计、与周围环环境的相互互影响等。这些都是是三维动画画技术所无无法比拟的的。有关VVR技术与与三维动画画技术的比比较见表11-1。表1-1 比较项目VR技术三维动画技技术科学性及场场景的选择择性虚拟世界基基于真实数数据建立的的模型组合合而成，属属于科学仿仿真系统。操纵者亲亲身体验三三维空间，可可自由选择择观察路径径，有身临临其境的感感觉 场景画面根根据材料或或想像直接接绘制而与与真实的世世界和数据

5、据有较大的的差距，属属于演示类类艺术作品品。只能按按预先假定定的观察路路径观看。实时交互性操纵者可以以实时感受受到运动带带来的场景景变化，具具有双向互互动的功能能只能单向演演示，场景景变化的画画面需要事事先制作生生成 空间立体感支持立体显显示和三维维立体声，具具有三维空空间真实感感 不支持演示时间没有时间限限制，可真真实详尽的的展示，性性价比高 受动画制作作时间限制制，无法详详尽展示，性性价比低 方案应用的灵活性支持方案调调整、评估估、管理、信息查询询等功能，同同时又具有有更真实直直观的演示示功能 只具有简单单的演示功功能3虚拟现现实技术的的发展简史史VR技术的的发展大致致分为3个个阶段：20

6、世纪550年代到到70年代代末，是VVR 技术术的探索阶阶段；20世纪880年代初初期到800年代中期期，是VRR技术系统统化、从实实验室走向向实用的阶阶段；20世纪880年代末末期到达221世纪初初，是VRR技术高速速发展的阶阶段。第一套具有有VR思想想的装置是是莫顿。海海利希在11962年年研制的称称为Sennoramma的具有有多种感官官刺激的立立体电影系系统，它是是一套只能能供个人观观看立体的的设备，采采用模拟电电子技术与与娱乐技术术相结合的的全新技术术，能产生生立体声音音效果，并并能有不同同的气味，座座位也能根根据剧情的的变化摇摆摆或振动，观观看时还能能感觉到有有风在吹动动。在随后几

7、年年中，艾凡凡.萨瑟兰兰在麻省理理工学院开开始头盔式式显示器的的研制工作作，人们戴戴上这个头头盔式显示示器，就会会产生身临临其境的感感觉。研制者们于于19700年研制出出了第一个个功能较齐齐全的HMMD系统。美国的Jaaron Laniier在220世纪律律80年代代初正式提提出了Viirtuaal Reealitty 一词词。20世纪880年代,美国国家家航空航天天局(NAASA)及及美国国防防部组织了了一系列有有关VR技技术的研究究,并取得得了令人瞩瞩目的研究究成果。进入20世世纪90年年代后,迅迅速发展的的计算机硬硬件技术与与不断改进进的计算机机软件系统统相匹配，使使得基于大大型数据集集

8、合的声音音和图像的的实时动画画制作成为为可能，人人机交互系系统的设计计不断创新新，新颖、实用的输输入输出设设备不断地地涌入市场场。4虚拟现现实系统的的构成典型的VRR系统主要要由计算机机、应用软软件系统、输入输出出设备、用用户和数据据库等组成成，如图11-1所示示。图1-1 虚拟现实实系统的一一般构成1.计算机机在VR系统统中，计算算机负责虚虚拟世界的的生成和人人机交互的的实现。由由于虚拟世世界本身具具有高度复复杂性，尤尤其在某些些应用中，如如航空航天天世界的模模拟、大型型建筑物的的立体显示示、复杂场场景的建模模等，使得得生成虚拟拟世界所需需的计算量量极为巨大大，因此对对VR系统统中计算机机的

9、配置提提出了极高高的要求。2.输入输输出设备在VR系统统中，为了了实现人与与虚拟世界界的自然交交互，必须须采用特殊殊的输入输输出设备，以以识别用户户各种形式式的输入，并并实时生成成相应的反反馈信息。3.VR的的应用软件件系统及数数据库VR的应用用软件系统统可完成的的功能包括括：虚拟世世界中物体体的几何模模型、物理理模型、行行为模型的的建立，三三维虚拟立立体声的生生成，模型型管理技术术及实时显显示技术，虚虚拟世界数数据库的建建立与管理理等几部分分。虚拟世世界数据库库主要用于于存放整个个虚拟世界界中所有物物体的各个个方面的信信息。图1-2 典型虚拟拟现实系统统的结构框框图5虚拟现现实技术的的特征

10、VR技术有有3个主要要特征：沉沉浸性（IImmerrsionn）、交互互性（Innteraactivvity）和和想像性（IImagiinatiion），如如图1-33所示。图1-3（1）沉浸浸性沉浸性（IImmerrsionn）是指用用户感受到到被虚拟世世界所包围围，好像完完全置身于于虚拟世界界中一样。VR技术术最主要的的技术特征征是让用户户觉得自己己是计算机机系统所创创建的虚拟拟世界中的的一部分，使使用户由观观察者变成成参与者，沉沉浸其中并并参与虚拟拟世界的活活动。理想想的虚拟世世界应该达达到使用户户难以分辨辨真假的程程度，甚至至超越真实实，实现比比现实更逼逼真的照明明和音响效效果。（2）

11、交互互性交互性（IInterractiivityy）的产生生，主要借借助于VRR系统中的的特殊硬件件设备（如如数据手套套、力反馈馈装置等），使使用户能通通过自然的的方式，产产生同在真真实世界中中一样的感感觉。想像性想像性（IImagiinatiion）指指虚拟的环环境是人想想像出来的的，同时这这种想像体体现出设计计者相应的的思想，因因而可以用用来实现一一定的目标标。所以说说VR技术术不仅仅是是一个媒体体或一个高高级用户界界面，同时时它还是为为解决工程程、医学、军事等方方面的问题题而由开发发者设计出出来的应用用软件。6VR技技术的意义义正是由于VVR技术的的广泛应用用，并能够够实现人与与自然之间

12、间的和谐交交互，扩大大对信息空空间的感知知通道，提提高人类对对跨越时空空事物和复复杂动态事事件的感知知能力，把把计算机应应用提高到到一个崭新新的水平，其其作用和意意义是十分分重要的。首先是在观观念上的转转变，它使使人们对计计算机的应应用从“以计算机机为主体”变成“以人为主主体”。传统的信息息处理环境境一直强调调的是“人适应计计算机”，人与计计算机通常常通过键盘盘与鼠标进进行交互，这这种交互是是间接的，非非直觉的和和有限的。而VR技技术的目标标或理念是是要逐步使使“计算机适适应人”，人们要要通过视觉觉、听觉、触觉、嗅嗅觉以及形形体、手势势或语言，参参与到信息息处理的环环境中去，并并获得身临临其境

13、的体体验。人们们不必意识识到自己在在同计算机机打交道，而而可以像在在现实世界界中处理事事情一样同同计算机交交流，这就就把人从操操作计算机机的复杂工工作中解放放出来，使使用计算机机无需学习习，操作也也异常简单单而方便。第二个转变变发生在哲哲学中人们们对“虚”和“实”之间的辩辩证关系的的理解上。虚和实的关关系是一个个古老的哲哲学话题。我们是处处于真实的的客观世界界中，还是是只处于自自己的感知知世界中，一一直是唯物物论和唯心心论争论的的焦点。以以视觉为例例，我们所所看到的世世界，不过过是视网膜膜上的影像像。过去，视视网膜上的的影像都是是真实世界界的反映，因因此客观的的真实世界界同主观的的感知世界界是

14、一致的的。现在，VVR导致了了二重性，VVR的景物物对人的感感官来说是是实实在在在存在的，但但它又的的的确确是虚虚构的东西西，而且按按照虚构的的东西行事事，往往又又会得出正正确的结果果。因此这这就引发了了哲学上要要重新认识识“虚”和“实”之间的关关系的研究究。7虚拟现现实系统的的分类在实际应用用中，根据据VR技术术对沉浸程程度的高低低和交互程程度的不同同，将VRR系统划分分了解4种种类型：沉沉浸式VRR系统、桌桌面式VRR系统、增增强式VRR系统、分分布式VRR系统。其其中桌面式式VR系统统因其技术术非常简单单，需投入入的成本也也不高，在在实际应用用中较广泛泛。（1）桌面面式VR系系统桌面式V

15、RR系统也称称窗口VRR，见图11-4所示示，它是利利用个人计计算机或图图形工作站站等设备，采采用立体图图形、自然然交互等技技术，产生生三维立体体空间的交交互场景，利利用计算机机的屏幕作作为观察虚虚拟世界的的一个窗口口，通过各各种输入设设备实现与与虚拟世界界的交互。桌面式VRR系统一般般要求参与与者使用空空间位置跟跟踪定位设设备和其他他输入设备备，如数据据手套和66个自由度度的三维空空间鼠标，使使用户虽然然坐在监视视器前，却却可以通过过计算机屏屏幕观察360范范围内的虚虚拟世界。在桌面式VVR系统中中，计算机机的屏幕是是用户观察察虚拟世界界的一个窗窗口，在一一些VR工工具软件的的帮助下，参参与

16、者可以以在仿真过过程中进行行各种设计计。使用的的硬件设备备主要是立立体眼镜和和一些交互互设备（如如数据手套套、空间位位置跟踪定定位设备等等）。立体体眼镜观看看计算机屏屏幕中虚拟拟三维场景景的立体效效果，它所所带来的立立体视觉能能使用户产产生一定程程度的沉浸浸感。有时时为了增强强桌面式VVR系统的的效果，在在桌面式VVR系统中中还可以加加入专业的的投影设备备，以达到到增大屏幕幕观看范围围的目的。桌面式VRR系统具有有以下主要要特点：对硬件要求求极低，有有时只需要要计算机或或是增加数数据手套、空间位置置跟踪定位位设备等。缺少完全沉沉浸感，参参与者不完完全沉浸，因因为即使戴戴上立体眼眼镜，仍然然会受

17、到周周围现实世世界的干扰扰。应用比较普普遍，因为为它的成本本相对较低低，而且它它也具备了了沉浸式VVR系统的的一些技术术要求。作为开发者者和应用者者来说，从从成本角度度考虑，采采用桌面式式VR技术术往往被认认为是从事事VR研究究工作的必必经阶段。图1-4 桌面式VVR系统（2）沉浸浸式VR系系统沉浸式VRR系统利用用头盔显示示器和数据据手套等各各种交互设设备把用户户的视觉、听觉和其其他感觉封封闭起来，而而使用户真真正成为VVR系统内内部的一个个参与者，并并能利用这这些交互设设备操作和和驾驭虚拟拟环境，产产生一种身身临其境、全心投入入和沉浸其其中的感觉觉（见图11-5）。沉浸式VVR系统的的基本

18、组成成如图1-6所示。图1-5沉沉浸式VRR系统演示示实例沉浸式VRR系统的特特点高度的沉浸浸感。沉浸浸式VR系系统采用多多种输入与与输出设备备来营造一一个虚拟的的世界，并并使用户沉沉浸于其中中，同时还还可以使用用户与真实实世界完全全隔离，不不受外面真真实世界的的影响。高度实时性性。在虚拟拟世界中要要达到与真真实世界相相同的感觉觉，如当人人运动时，空空间位置跟跟踪定位设设备需及时时检测到，并并且经过计计算机运算算，输出相相应的场景景变化，并并且这个变变化必需是是及时的，延延迟时间要要很小。图1-6 沉浸式VVR系统的的基本组成成沉浸式VRR系统的分分类常见的沉浸浸式VR系系统有：基基于头盔式式

19、显示器的的VR系统统、投影式式VR系统统、遥在系系统。基于头盔式式显示器采采用头盔式式显示器或或投影式VVR系统是是或投影式式显示系统统来实现完完全投入。它把现实实世界与之之隔离，使使参与者从从听觉到视视觉都能投投入到虚拟拟环境中去去。遥在系统是是一种远程程控制形式式，常用于于VR系统统与机器人人技术相结结合的系统统。（3）增强强式VR系系统增强式VRR系统简称称增强现实实（AR），它它既允许用用户看到真真实世界，同同时也能看看到叠加在在真实世界界上的虚拟拟对象，它它是把真实实环境和虚虚拟环境结结合起来的的一种系统统，既可减减少构成复复杂场景的的开销（因因为部分虚虚拟环境由由真实环境境构成），

20、又又可对实际际物体进行行操作（因因为部分物物体是真实实环境）。增强式VRR系统有以以下3个特特点：真实世界和和虚拟世界界融为一体体。具有实时人人机交互功功能。真实世界和和虚拟世界界是在三维维空间中整整合的。（4）分布布式VR系系统分布式VRR系统是VVR技术的的网络技术术发展和结结合的产物物，是一个个在网络的的虚拟世界界中，位于于不同物理理位置的多多个用户或或多个虚拟拟世界，通通过网络连连接成共享享信息的系系统。DVVR系统的的目标是在在沉浸式VVR系统的的基础上，将将地理上分分布的多个个用户或多多个虚拟世世界通过网网络连接在在一起，使使每个用户户同时加入入到一个虚虚拟空间里里（真实感感三维立

21、体体图形、立立体声），通通过联网的的计算机与与其他用户户进行交互互，共同体体验虚拟经经历，以达达到协同工工作的目的的，它将虚虚拟提升到到了一个更更高的境界界。VR系统运运行在分布布式世界中中有2个方方面的原因因：一方面面是充分利利用分布式式计算机系系统提供的的强大计算算能力；另另一方面是是有些应用用本身具有有分布特性性，如多人人通过网络络进行游戏戏和虚拟战战争模拟等等。分布式VRR系统的特特点：各用户具有有共享的虚虚拟工作空空间。伪实体的行行为真实感感。支持实时交交互，共享享时钟。多个用户可可用各自不不同的方式式相互通信信。资源信息共共享以及允允许用户自自然操纵世世界中的对对象。目前，分布布式

22、VR技技术主要被被应用于远远程虚拟会会议、虚拟拟医学会诊诊、多人通通过网络进进行游戏或或虚拟战争争模拟（见见图1-77所示）等等领域。图1-7 虚拟战争争模拟虚拟现实技技术的研究究现状及研研究方向VR技术领领域几乎是是所有发达达国家都在在大力研究究的前沿领领域，它的的发展速度度非常迅速速。基于VVR技术的的研究主要要有VR技技术与VRR应用两大大类。在国国外VR技技术研究方方面研究得得较好的有有美国、德德国、英国国、日本、韩国等国国家。在国国内，浙江江大学、北北京航空航航天大学等等单位在VVR方面的的研究工作作开展得比比较早，成成果也较多多。(1) 国国外研究现现状 美国是是VR技术术的发源地

23、地，因而大大多数研究究机构都在在美国。美国宇航局局（NASSA）。AAmes实实验室一直直是许多VVR技术思思想的发源源地。早在在19811年，他们们就开始研研究空间信信息显示，11984年年又开始了了虚拟视觉觉环境显示示（VIVVED）项项目。后来来，其研究究人员Sccott Fishher还开开发了虚拟拟界面环境境(VIEEW)工作作站。Ammes完善善了HMDD，并将VVPL的数数据手套工工程化，使使其成为可可用性较高高的产品。目前，AAmes把把研究的重重点放在对对空间站操操纵的实时时仿真上。北卡罗来纳纳大学（UUNC）对对VR的研研究主要在在四个方面面：分子建建模、航空空驾驶问题题、

24、外科手手术仿真、建筑仿真真。他们解解决了分子子结构的可可视化，并并已用于药药物和化学学材料的研研究。Loma Lindda大学医医学中心是是一所经常常从事高难难度或有争争议医学项项目研究的的单位。他他们成功地地将计算机机图形及VVR的设备备用于探讨讨与神经疾疾病相关的的问题。他他们巧妙地地将VPLL的数据手手套作为测测量手颤动动的工具，将将手的运动动实时地在在计算机上上用图形表表示出来，从从而进行分分析诊断。施乐公司研研究中心在在VR领域域主要从事事利用VRR技术建立立“未来办公公室”的研究。SRI研究究中心主要要从事定位位光标、视视觉显示器器、光学部部件、触觉觉与力反馈馈、三维输输入装置及及

25、语言交互互等研究。英国在VRR技术的研研究与开发发的某些方方面，如分分布式并行行处理、辅辅助设备（触触觉反聩设设备等）设设计、应用用研究等方方面，在欧欧洲是领先先的。在德国，以以德国FhhG-IGGD图形研研究所和德德国计算机机技术中心心（GMDD）为代表表。它主要要从事虚拟拟世界的感感知、虚拟拟环境的控控制和显示示、机器人人远程控制制、VR在在空间领域域的应用、宇航员的的训练、分分子结构的的模拟研究究等。德国的计算算机图形研研究所（IIGD）测测试平台，主主要用于评评估VR技技术对未来来系统和界界面的影响响，向用户户和生产者者提供通向向先进的可可视化、模模拟技术和和VR技术术的途径。日本主要

26、致致力于建立立大规模VVR知识库库的研究，另另外在VRR游戏方面面的研究也也做了很多多的工作 。东京大大学的原岛岛研究室开开展了3项项研究：人人类面部表表情特征的的提取、三三维结构的的判定和三三维形状的的表示以及及动态图像像的提取。东京大学学的广濑研研究室重点点研究VRR的可视化化问题。为为了克服当当前显示和和交互技术术的局限性性，他们开开发了一种种虚拟全息息系统。他他们的成果果有一个类类似CAVVE的系统统，用HMMD在建筑筑群中漫游游，制造出出飞行仿真真器等。筑波大学工工程机械学学院研究了了一些力反反馈显示方方法。他们们开发了99自由度的的触觉输入入器并开发发了虚拟行行走原型系系统，步行行

27、者只要脚脚上穿上全全方向的滑滑动装置，他他就能交替替迈动左脚脚和右脚。(2) 国国内研究现现状2003年年，由浙江江大学CAAD&CGG国家重点点实验室牵牵头，由浙浙江大学、中科院软软件所、清清华大学、北京航空空航天大学学等联合申申报的20002年度度国家重重点基础研研究发展规规划（即即973项项目）中的的“虚拟现实实的基础理理论、算法法及其实现现”获批准立立项。对虚虚拟环境的的建立、自自然人机交交互、增强强式VR、分布式VVR、VRR在产品创创新中的应应用等技术术进行联合合攻关。北京航空航航天大学计计算机系是是国内最早早进行VRR研究的机机构之一，他他们首先进进行了一些些基础知识识方面的研研

28、究，并着着重研究了了虚拟世界界中物体物物理特性的的表示与处处理，在VVR中的视视觉接口方方面开发出出了部分硬硬件，并提提出了有关关算法及实实现方法。他们还实实现了分布布式虚拟世世界网络设设计，建立立了网上VVR研究论论坛，可以以提供实时时三维动态态数据库，提提供VR演演示世界，提提供用于飞飞行员训练练的VR系系统，提供供开发VRR系统的开开发平台，并并将要实现现与有关单单位的远程程连接。开开发了直升升机虚拟仿仿真器、坦坦克虚拟仿仿真器、虚虚拟战场环环境观察器器、计算机机兵力生成成器。清华大学计计算机科学学和技术系系对VR和和临场感的的方面进行行了研究，例例如球面屏屏幕显示和和图像随动动、克服立

29、立体图闪烁烁的措施和和深度感实实验等方面面都具有不不少独特的的方法。他他们还针对对室内环境境中水平特特征丰富的的特点，提提出借助图图像变换，使使立体视觉觉图像中对对应水平特特征呈现形形状一致性性，以利于于实现特征征匹配，并并获取物体体三维结构构的新颖算算法。对虚虚拟现实及及其临场感感等方面进进行了大量量研究，其其中有不少少方案和方方法都独具具特色，比比如球面屏屏幕显示和和图像随动动、克服立立体图闪烁烁的措施和和深度感实实验测试等等。北京科技大大学成功开开发出了纯纯交互式汽汽车模拟驾驾驶培训系系统。该系系统的三维维图形非常常逼真，虚虚拟环境与与真实的驾驾驶环境几几乎没有什什么差别，因因此投入使使

30、用后效果果良好。西安交通大大学信息工工程研究所所对VR中中的关键技技术立体显显示技术进行了了研究。他他们在分析析人类视觉觉特性的基基础上提出出了一种基基于JPEEG标准压压缩编码的的新方案，并并获得了较较高的压缩缩比、信噪噪比以及解解压速度，并并且已经通通过实验结结果证明了了这种方案案的优越性性。20044年南京大大学成立了了南京大学学虚拟现实实与教学媒媒体研究中中心，对VVR技术及及应用进行行研究，并并把重点放放在虚拟体体育仿真、数字文化化遗产保护护和自然人人机交互等等方面。国内在VVR方面有有较多研究究成果的其其他单位还还有国防科科技大学、天津大学学、北京理理工大学、中国科学学院自动化化研

31、究所、西北大学学、山东大大学、大连连海事大学学和香港中中文大学等等。(3) 目目前虚拟现现实技术的的局限性 硬件设设备的局限限性1.相关设设备普遍存存在使用不不方便、效效果不佳等等情况2.硬件设设备品种有有待进一步步扩展3.VR系系统应用的的相关设备备价格也比比较昂贵且且局限性很很大 软件的的局限性从软件上来来说，现在在大多数VVR软件普普遍存在语语言专业较较强，通用用性较差，易易用性差等等问题。同同时，由于于硬件设备备的诸多局局限性，使使得软件的的开发费用用也十分巨巨大，并且且软件所能能实现的效效果受到时时间和空间间的影响较较大，很多多算法及许许多相关理理论也不成成熟。 应用的的局限性从应用

32、上来来说，现阶阶段VR技技术的主要要应用在军军事领域较较多，在各各高校科研研方面较多多，在教育育领域、工工业领域应应用还远远远不够，有有待进一步步加强。未未来的发展展应努力向向民用方向向发展，并并在不同的的行业发挥挥作用。 效果的的局限性1.虚拟世世界的表示示侧重几何何表示，缺缺乏逼真的的物理、行行为模型。2.在虚拟拟世界的感感知方面，有有关视觉合合成研究多多，听觉、触觉（力力觉）关注注较少，真真实性与实实时性不足足。3.在与虚虚拟世界的的交互中，自自然交互性性不够，在在语音识别别等人工智智能方面的的效果还远远不能令人人满意。（4）VRR技术的研研究方向 感知研研究领域在听觉方面面应加强听听觉

33、模型的的建立，提提高虚拟立立体声的效效果，并积积极开展非非听觉研究究；在触觉觉方面，要要开发各种种用于人类类触觉系统统的基础研研究和VRR触觉设备备的计算机机控制的机机械装置。 人机交交互界面开展独立于于应用系统统的交互技技术和方法法的研究，建建立软件技技术交换机机构以支持持代码共享享、重用和和软件投资资，并鼓励励开发通用用型软件维维护工具。 高效的的VR软件件和算法 积极开发满满足VR技技术建模要要求的新一一代工具软软件及算法法、虚拟现现实建模语语言的研究究、复杂场场景的快速速绘制及分分布式VRR技术的研研制。 廉价的的VR硬件件系统VR技术的的主要研究究方向是在在外部空间间的实用跟跟踪技术

34、、力反馈技技术、嗅觉觉技术及面面向自然的的交互硬件件设备。 智能虚虚拟环境智能虚拟环环境是虚拟拟环境和人人工智能与与人工生命命两种技术术的结合。它涉及多多个不同学学科，包括括计算机图图形、虚拟拟环境、人人工智能与与人工生命命、仿真、机器人等等。虚拟现实系系统的交互互设备三维交互设设备用于把把各种信息息输入计算算机，并向向用户提供供相应的反反馈，它们们是使参与与者能以人人类自然技技术与虚拟拟环境交互互的必要工工具。根据据传感渠道道以及在功功能和目的的上的不同同，虚拟现现实系统的的三维交互互设备主要要被分为三三维跟踪传传感设备、立体显示示设备、人人机交互设设备以及系系统集成设设备等几大大类。1VR

35、的的三维跟踪踪传感设备备虚拟现实技技术是在三三维空间中中与人交互互的技术，为为了能及时时、准确地地获取人的的动作信息息，需要有有各类高精精度、高可可靠的跟踪踪、定位设设备。例如如，为了感感知参与者者的视线，需需要跟踪观观察者头部部的位置和和方向；为为了在虚拟拟环境中移移动物体或或参与者的的身体，就就要跟踪观观察者各肢肢体的位置置，包括从从手到全身身各部位的的位置等。因此，必必须要研制制与三维交交互相适应应的跟踪装装置（如图图2-1所所示），而而这种实时时跟踪以及及交互装置置主要依赖赖于传感器器技术，它它是VR系系统中实现现人机之间间沟通的极极其重要的的通信手段段，是实时时处理的关关键技术。图2

36、-1 Polhhemuss的Fasstrakk跟踪定位位器VR的各种种应用基本本上都是采采用跟踪用用户头部或或手的运动动，也有监监测使用者者的眼睛）即即视线）或或面部表情情的系统。常用的跟跟踪传感技技术主要有有电磁波、超声波、机械、光光学和图像像提取等几几种方法，它它们被广泛泛地应用在在头盔显示示器、数据据手套等三三维交互设设备的功能能设计中。（1）电磁磁波跟踪器器这是一种最最为常用的的跟踪器，它它使用一个个信号发生生器（3个个正交线圈圈组）产生生低频电磁磁场，然后后由放置于于接收器中中的另外三三组正交线线圈组负责责接收，通通过获得的的感生电流流和磁场场场强的9个个数据来计计算被跟踪踪物体的位

37、位置和方向向（如图22-2所示示）。电磁磁波跟踪器器体积小、价格便宜宜、用户运运动自由，而而且敏感性性不依赖于于跟踪方位位，但是其其系统延迟迟较长，跟跟踪范围小小，且准确确度容易受受环境中大大的金属物物体或其他他磁场的影影响。图2-2 交流电磁磁跟踪系统统的工作原原理（2）超声声波跟踪器器超声波跟踪踪器的工作作原理是发发射器发出出高频超声声波脉冲（频频率20kkHz以上上）后，由由接收器计计算收到信信号的时间间差、相位位差或声压压差等，就就可以跟踪踪物体的距距离和方位位了。超声声波跟踪器器的性能适适中，成本本低廉，而而且不会受受外部磁场场和大块金金属物质的的干扰。但但是，它的的敏感性却却容易受

38、接接收器的方方位和空气气密度的影影响。按照测量方方法的不同同，超声波波位置跟踪踪技术通常常可以分为为两大类，它它们是飞行行时间测量量法和相位位相干测量量法。其中中，声波飞飞行时间跟跟踪是通过过测量声波波的飞行时时间延迟来来确定距离离的。它同同时使用多多外发射器器和接收器器，以便获获得一系列列的距离量量，从而计计算出准确确的位置和和方向。这这种方法具具有较好的的精确度和和响应性，但但容易受到到外界噪音音脉冲的干干扰，同时时数据传输输率还会随随着监测范范围的扩大大而降低，因因而比较适适用于小范范围内的操操作环境。相位相干干跟踪则是是通过比较较基准信号号和传感器器监测到的的发射信号号之间的相相位差来

39、确确定距离的的。由于相相位可被连连续测量，因因而这种方方法具有较较高的数据据传输率。同时，多多次的滤波波还可以保保证系统监监测的精度度、响应性性以及耐久久性等，而而不受到外外界噪声的的干扰。（3）光学学跟踪器光学跟踪也也是一种较较为常见的的跟踪技术术。这种跟跟踪器可以以使用自然然光、激光光或红外线线等作为光光源，但为为避免干扰扰用户的观观察视线，目目前多采用用红外线方方式。与电电磁波和超超声波这两两种跟踪器器相比，光光学系统的的可工作范范围小，但但其数据处处理速度、响应性都都非常好，因因而较适用用于头部活活动范围相相当受限、但要求具具有较高刷刷新率和精精确率的实实时应用。（4）其他他空间跟踪踪

40、系统 机械跟跟踪器 惯性跟跟踪器 图像提提取跟踪器器2VR的的立体显示示设备对虚拟世界界的沉浸感感主要依赖赖于人类的的视觉感知知，因而三三维立体视视觉是虚拟拟现实技术术的第一传传感通道。虽然桌面面式VR系系统中可以以使用普通通的计算机机屏幕作为为显示设备备，但它却却不能提供供大视野、双眼的立立体视觉效效果。因此此，我们需需要一些专专门的立体体显示设备备来增强用用户在虚拟拟环境中视视觉沉浸感感的逼真程程度。现阶阶段常用的的显示设备备主要有立立体眼镜、头盔式显显示器、双双目全方位位显示器、大屏幕投投影等。（1）头盔盔式显示器器头盔式显示示器（HMMD）是VVR系统中中普通采用用的一种立立体显示设设

41、备，它通通常安装在在头部，并并用机械的的方法固定定，头与头头盔之间不不能有相对对运动，在在HMD上上配有空间间位置跟踪踪定位设备备，能实时时检测出头头部的位置置，VR系系统能HMMD的屏幕幕上显示出出反映当前前位置的场场景图像。它通常由由两个LCCD或CRRT显示器器分别向左左右眼提供供图像，这这两个图像像由计算机机分别驱动动的，两个个图像间存存在着微小小的差别，类类似于“双眼视差差”。通过大大脑将两个个图像融合合以获得深深度感知，得得到一个立立体的图像像。HMDD可以将参参与者与外外界完全隔隔离或部分分的隔离，因因而已成为为沉浸式VVR系统与与增强式VVR系统不不可缺少的的视觉输出出设备，图

42、图2-3为为两种头盔盔式显示器器。图2-3 Virttual Reseearchh V8 和Proovieww60两种种头盔式显显示器（2）双目目全方位显显示器（BBOOM）BOOM是是一种可移移动式显示示器。它由由两个互相相垂直的机机械臂支撑撑，这不仅仅让使用者者可以在半半径约2米米的球面空空间内自由由移动，还还能将显示示器的重量量加以巧妙妙的平衡而而使之始终终保持水平平，不受平平台的运动动影响。在在支撑臂上上的每个节节点处都有有位置跟踪踪器，因此此BOOMM和头盔显显示器一样样有实时的的观测和交交互能力。与头盔显示示器相比，BBOOM采采用高分辨辨率的CRRT显示器器，因而其其分辨率高高于

43、HMDD，且图像像柔和。BBOOM的的位置及方方向跟踪是是通过计算算机械臂节节点角度的的变化来实实现的，因因而其系统统延迟小，且且不受磁场场和超声波波背景噪音音的影响。虽然它的的沉浸感稍稍差些，但但使用这种种设备可以以自由的进进出虚拟环环境，使用用者只要把把头从观测测点转开，就就离开虚拟拟环境而进进入现实世世界，因此此具有方便便灵活的应应用特点。BOOMM的缺点是是使用者的的运动受限限，这是因因为在工作作空间中心心支撑架造造成了“死区”。图2-4是一种种用于设计计核潜艇的的BOOMM显示器。图2-4 用于设计计核潜艇的的BOOMM显示器（3）CRRT终端液晶光光闸眼镜CRT终端端液晶光光闸眼镜

44、立立体视觉系系统的工作作原理是：由计算机机分别产生生左、右眼眼的两幅图图像，经过过合成处理理后，采用用分时交替替的方法显显示于CRRT终端上上。用户则则佩戴一副副与计算机机相连的液液晶光闸眼眼镜，眼镜镜的左、右右镜片在驱驱动电信号号的作用下下，将以与与图像显示示同步的速速率交替“开”（透光）、“闭”（遮光），即即当计算机机显示左眼眼图像时，右右眼透镜将将被遮闭，而而当计算机机显示右眼眼图像时，左左眼透镜则则被遮闭。这样做可可以让用户户的左、右右眼分别只只看到相应应的左、右右图像。根根据双目视视差与深度度距离的正正比关系，人人的视觉生生理系统就就可以自动动将这两幅幅视差图像像融合成一一个立体视视

45、像了（如如图2-55所示）。图2-5 CRT终终端液晶光光闸眼镜显显示CRT终端端液晶光光闸眼镜相相对于头盔盔显示器和和BOOMM的特点： 设备价价格低、重重量轻使用用、舒适。 比头盔盔显示器的的形成的图图像清晰 图像亮亮度不如普普通屏幕好好 沉浸感感较差。（4）大屏屏幕投影液晶光光闸眼镜此设备要求求用于投影影的CRTT或数字投投影机要求求具有极高高的亮度和和分辨率，它它适合于在在较大的视视野内产生生投影图像像的应用需需求（如图图2-6所所示）。例例如美国芝芝加哥大学学研制的CCAVE系系统。它构构造了一个个由4面投投影屏幕形形成的立方方体虚拟环环境，又被被称为“洞穴”。各屏幕幕（背投式式）同

46、时显显示从某一一固定观察察点看到的的所有视像像，由此提提供一种全全景式的环环境。该系系统需要复复杂而又昂昂贵的计算算机投影控控制系统：它通常采采用球面大大屏幕，投投影机位于于球心，具具有与双摄摄像机立体体观察器相相同的俯仰仰和偏转两两个位置，并并始终保持持以观察者者为正前方方在球屏上上相应移动动，从而形形成一定的的视景环绕绕感。投影影式VR系系统对一些些公众场合合中很理想想的，例如如艺术馆或或娱乐中心心，因为参参与者几乎乎不需要任任何专用硬硬件，而且且还允许很很多人同时时享受一种种虚拟现实实的经历。图2-6 大屏幕投投影液晶光光闸眼镜显显示（5）三DD显示器三D显示器器不需要用用户戴上专专门的

47、眼镜镜也能观察察到立体的的图像。这这项技术不不同于普通通显示器中中的发射与与反射类型型，如图22-7所示示，它把光光源从显示示器的下面面向上发射射，通过显显示器内部部的发射与与折射，使使用户能看看到立体的的图像。这这项技术的的一个显著著优点在于于对显示器器周围的环环境没有任任何严格的的要求。这这种显示器器目前面临临的主要问问题是制作作成本太高高，因而尚尚未商品化化，它属于于新发明，在在未来有希希望成为三三维可视化化的一种理理想显示工工具。图2-7 三D显示示器3虚拟现现实的人机机交互设备备一般的跟踪踪、探测设设备都具有有简单、紧紧凑和易于于操作等优优点，但由由于它们自自身构造的的限制，使使操作

48、者手手的活动自自由度仅限限于在桌上上的一个小小区域中，减减弱了它与与虚拟世界界交互作用用的直观性性。VR技技术的一项项重大突破破就是用手手来代替键键盘、鼠标标，作为人人与计算机机交互的一一种重要手手段。借助助各种专用用的设备代代替键盘、鼠标，作作为人与计计算机交互互的一种重重要手段，操操作者不但但可以获得得大范围的的基于手势势的交互操操作，同时时可以通过过身体的各各个部位的的运动来感感知，增加加了人在虚虚拟空间中中的自由度度和灵活性性。（1）数据据手套数据手套（DData Glovve）是VPLL公司在11987年年推出的一一种传感手手套的专有有名称。到到现在，数数据手套是是一种被广广泛使用的

49、的传感设备备，它是一一种戴在用用户手上的的虚拟的手手，用于与与VR系统统进行交互互，可在虚虚拟世界中中进行物体体抓取、移移动、装配配、操纵、控制，并并把手指伸伸屈时的各各种姿势转转换成数字字信号送给给计算机，计计算机通过过应用程序序来识别出出用户的手手在虚拟世世界中操作作时的姿势势，执行相相应的操作作。在实际际应用中，数数据手套还还必须配有有空间位置置跟踪定位位设备，检检测手的实实际位置和和方向。现在已经有有多种传感感数据手套套问世，它它们之间的的区别主要要在于采用用的传感器器不同。目目前典型的的数据手套套有以下几几种：VPL数据据手套VPL数据据手套是由由轻质的富富有弹性的的Lycrra材料

50、制制成.它采采用光纤作作为传感器器,用于测测量手指关关节的弯曲曲程度.采采用光纤作作为传感器器是因为光光纤体积小小、重量轻轻，可方便便地安装在在手套上。数据手套套的标准配配置是每个个手指上有有两个传感感器控制装装在手指背背面的两条条光纤环，一一副数据手手套就装有有10个传传感器，用用来测量手手指主要关关节的弯曲曲程度。赛伯手套赛伯手套（CCyberr Gloove）是为把美美国手语翻翻译成英语语所设计的的。在手套套上织有多多个由两片片应变电阻阻片组成的的传感器，它它在工作时时检测成对对的应变片片电阻变化化。当手指指弯曲时一一片受到挤挤压，另一一片受到拉拉伸，使两两个电阻片片的电阻分分别发生变变

51、化，通过过电桥换算算出相应的的电压变化化，再把此此数据量送送入到计算算机中处理理，从而检检测到各手手指的弯曲曲状态。 DHMM手套这是一金属属结构的传传感手套，通通常安装在在用户的手手臂上，其其安装及拆拆卸过程相相对比较烦烦琐，在每每次使用前前需进行调调整。在每每个手指上上安装有44个位置传传感器，共共采用200个霍尔传传感器安装装在手的每每个关节处处。DHMM传感手套套响应速度度快、分辨辨率高、精精度高，但但价格较高高。常用于于精度要求求较高的场场合。（2）数据据衣 数据衣是采采用与数据据手套同样样的原理制制成的，数数据衣是为为了让VRR系统识别别全身运动动而设计的的输入装置置。它将大大量的

52、光纤纤安装在一一件紧身衣衣上，可以以检测人的的四肢、腰腰部等部位位的活动，以以及各关节节（如手腕腕、肘关节节）弯曲的的角度。它它能对人体体的大约550多个不不同的关节节进行测量量，通过光光电转换，将将身体的运运动信息送送入计算机机进行图像像重建，如如图2-88所示，目目前，这种种设备正处处于研发阶阶段，因为为每个人的的身体差异异较大，存存在着如何何协调大量量传感器之之间实时同同步性能等等各种问题题，但随着着科技的进进步，此种种设备必将将有较大的的发展。数据衣主要要应用在一一些复杂环环境中，对对物体进行行的跟踪和和对人体运运动的跟踪踪与捕捉。图2-8 数据衣（3）三维维控制器 三维空间间鼠标三维

53、空间鼠鼠标（3DD Mouuse）可以完成成虚拟空间间中6自由由度的操作作，其工作作原理是在在鼠标内部部安装超声声波或电磁磁发射器，利利用配套的的接收设备备可检测到到鼠标在空空间中的位位置与方向向。三维空空间鼠标与与其他设备备相比其成成本低，常常驻应用于于建筑设计计等领域。 力矩球球力矩球（SSpacee Balll）的中心是是固定的，并并装有6个个发光二极极管，球有有一个活动动的外层，也也装有6个个相应的光光接收器。当使用者者用手对球球的外层施施加力或力力矩时，根根据弹簧形形变的法则则，6个光光传感器测测出3个力力和3个力力矩的信息息，并将信信息传送计计算机，即即可计算出出虚拟空间间中某物体

54、体的位置和和方向等。力矩球通常常被安装在在固定平台台上，可以以用手作扭扭转、挤压压、压下、拉出、来来回摇摆等等操作，它它采用发光光二极管和和光接收器器来测量力力，通过安安装在球中中心的几个个张力器来来测量出手手施加的力力，并将数数据转化为为3个平移移运动和33个旋转运运动的值送送入计算机机中，如图图2-9所所示。力矩矩球的优点点是简单而而且耐用；缺点是可可以操纵物物体，但在在选取物体体时不够直直观，在使使用前一般般要进行培培训与学习习。图2-9 力矩球（4）三维维模型数字字化仪三维模型数数字化仪又又称三维扫扫描仪或三三维扫描数数字化仪，是是一种先进进的三维模模型建立设设备，利用用CCD成成像、

55、激光光扫描等手手段实现物物体模型的的取样，同同时通过配配套的矢量量化软件对对三维模型型数据进行行数字化，如如图2-110所示。它特别适适合于建立立一些不规规则三维物物体模型，如如人体器官官和骨胳模模型、出土土文物、三三维数字模模型的建立立等，在医医疗、动植植物研究、文物保护护等VR应应用领域有有广阔的应应用前景。图2-100 三维模模型数字化化仪扫描石石膏像三维模型数数字化仪的的工作原理理是：由三三维模型数数字化仪向向被扫描的的物体发射射激光，通通过摄像机机从每个角角度扫描并并记录下物物体各个面面的轮廓信信息，安装装在其上的的空间位置置跟踪定位位设备也同同步记录下下三维模型型数字化仪仪的位置及

56、及方向的变变换信息，将将这些数据据送入计算算机中，再再采用相应应的软件进进行处理，得得到与物体体对应的三三维模型。4VR硬硬件的系统统集成虚拟现实系系统中通常常包括大量量需要处理理来自各种种设备的感感知信息、模型和数数据，因此此，建立一一个以计算算机为核心心，将多种种I/O交交互设备协协调组合在在一起的硬硬件平台，是是VR系统统集成的关关键技术。计算机系系统作为虚虚拟现实系系统的核心心，必须具具有足够强强大的功能能才能完成成实时处理理、数据输输入/输出出、虚拟境境界的管理理和生成等等功能。它它一方面要要保障虚拟拟三维场景景的实时计计算和显示示，尽量减减少延迟，另另一方面还还要协调各各种I/OO

57、交互设备备之间的工工作，以确确保系统整整体运行的的性能，见见图2-111。图2-111 某一VVR硬件集集成系统的的组成第三章 虚虚拟现实系系统的相关关技术与软软件VR系统的的目标是由由计算机生生成虚拟世世界，用户户能与之进进行视觉、听觉、触触觉、嗅觉觉等全方位位交互。要要达到这种种目标，除除了需要有有一些专业业的硬件设设备，还必必须有较多多的相关技技术及软件件加以保证证。如要达达到观察一一个三维场场景，并且且随视角不不同能实时时显示变化化的场景图图像。我们们知道只有有设备是远远远不够的的，还必须须有相应的的压缩算法法等技术相相支持，由由此可见，实实现VR系系统除了需需要功能强强大的硬件件设备

58、支持持以外，对对其相关的的软件和技技术也提出出了较高要要求。1环境建建模技术虚拟环境的的建立是VVR技术的的核心内容容，虚拟环环境是建立立在建模基基础之上的的，只有设设计出反映映研究对象象的真实有有效的模型型，VR系系统才有可可信度。虚虚拟环境建建模的目的的是获取实实际环境的的三维数据据，并根据据应用的需需要，利用用获取的三三维数据建建立相应的的虚拟环境境模型。VR系统中中环境的建建模技术与与其图形建建模技术相相比，主要要特点表现现在以下33个方面： = 1 * GB3 虚拟环环境中可以以有很多物物体，往往往需要建造造大量完全全不同类型型的物体模模型。 = 2 * GB3 虚拟环环境中有些些物

59、体有自自己的行为为，而其他他图形建模模系统中一一般只有构构造静态的的物体，或或是物体简简单的运动动。 = 3 * GB3 虚拟环环境中的物物体必须有有良好的操操纵性能，当当用户与物物体进行交交互时，物物体必须以以某种适当当的方式来来作出反应应。VR系统包包括三维视视觉和三维维听觉建模模等。在当当前应用中中，环境建建模一般主主要是三维维视觉建模模。三维视视觉建模又又是可分为为几何建模模、物理建建模、行为为建模等。几何建模模是基于几几何信息来来描述物体体模型的建建模方法，它它处理对物物体的几何何形状的表表示，研究究图形数据据结构的基基本问题；物理建模模是涉及物物体的物理理属性；行行为建模是是反映研

60、究究对象的物物理本质及及其内在的的工作机理理。（1）几何何建模技术术几何建模技技术主要研研究对象是是对物体几几何信息的的表示与处处理，它是是涉及表示示几何信息息数据结构构，以及相相关的构造造与操纵数数据结构的的算法建模模方法。几何建模通通常采用以以下4种方方法： = 1 * GB3 利用VVR工具软软件来进行行建模。如如：OpeenGL、Javaa3D、VVRML等等。 = 2 * GB3 直接从从某些商品品图形库中中选购所需需的几何图图形，这样样可以避免免直接用多多边形或三三角形拼构构某个对象象外形时烦烦琐的过程程，也可节节省大量的的时间。 = 3 * GB3 利用常常用建模软软件来进行行建