12虚拟现实技术29

1、虚拟现实技术1背景与意意义科学技术术的发展展促使人人们为了了适应未未来信息息社会的的需要，必须提提高人与与信息社社会的接接口能力力，提高高人对信信息的理理解能力力。而对对信息处处理的方方法要求求建立一一个多维维化的信信息空间间，建立立一个定定性和定定量相结结合，感感性认识识和理性性认识相相结合的的综合环环境，虚虚拟现实实技术将将是支撑撑这个多多维信息息空间的的关键技技术。虚虚拟现实实技术归归根结底底就是要要把计算算机从善善于处理理数字化化的单维维信息改改变为善善于处理理人所能能感受到到的、在在思维过过程中所所接触到到的、除除了数字字化信息息之外的的其他各各种表现现形式的的多维信信息。增增强现实

2、实成果，并给用用户一个个将现实实世界和和计算机机中的虚虚拟模型型结合起起来的工工作环境境。2虚拟现实实的概念念虚拟现实实技术近近年来在在技术研研究领域域十分活活跃，它它汇集了了计算机机图形学学、多媒媒体技术术、人工工智能、人机接接口技术术、传感感器技术术、高度度并行的的实时计计算技术术和人的的行为研研究等多多项关键键技术。虚拟现现实是多多媒体技技术发展展的更高高境界，是这些些技术高高层次的的继承和和渗透；它给用用户以逼逼真的体体验，它它为人们们探索宏宏观世界界和微观观世界中中由于种种种原因因不便于于直接观观察事物物的运动动变化规规律，提提供了极极大的便便利。虚拟现实实(VirtualReali

3、ty，简称VR)，又译为为临境，灵境等等，这个个词最早早始创于于2O世纪80年代是是1989年由美国国的Jarn Lanier正式提出出的。然然而，关关于虚拟拟现实的的研究可可以追溯溯到20世纪60年代最最初的研研究主要要集中在在美国军军方对飞飞行驾驶驶员与宇宇航员的的模拟训训练。然然而，随随着冷战战后美国国军费的的削减。这些技技术逐步步转为民民用。由由于虚拟拟现实技技术能够够借助计计算机构构建出一一个与现现实环境境十分逼逼真的虚虚拟环境境。且支支持用户户使用自自然技能能来亲身身感受，因而引引起了人人们及大大的兴趣趣。曾经经被称为为”梦幻幻般的技技术”和和”人机机接口的的最后一一道障碍碍”。3

4、虚拟现实实系统虚拟现实实系统通常指指用头盔盔显示器器和传感感手套等等一系列列新型交交互设备备构造出出的一种种计算机机软硬件件环境，人们通通过这些些设施以以自然的的技能。比如头头的摇动动、手的的摆动，向计算算机送入入命令，同时得得到计算算机对用用户的视视觉、听听觉等多多种感官官的反馈馈。随着着人们动动作的变变化。这这些感官官反馈也也随之改改变。但但是现在在与虚拟拟现实有有关的内内容已经经扩大到到与之相相关的许许多方面面，如：人工现现实(ArtificialReality)、遥在(Telepresence)、虚拟环环境(VirtualEnvironment)、赛伯空空间(Cyberspace)等等

5、。4虚拟现实实的技术术特征交互性：指参参与者对对虚拟环环境内物物体的可可操作程程度和从从环境中中得到反反馈的自自然程度度沉浸感：又称为为临场感感，指用用户感到到作为主主角存在在于虚拟拟环境中中的真实实程度；构想性：又称想想像性，指用户户沉浸在在多为信信息空间间中、依依靠自己己的感知知和认知知能力全全方位地地获取知知识，发发挥主观观能动性性、寻求求解答，形成新新概念。5虚拟现实实的技术术特征6虚拟现实实发展历历史美国是虚虚拟现实实技术研研究的发发源地。第一个个虚拟设设备是在在1962年由MortonHeiling设计的”全传感感仿真器器”该该仿真器器仿真骑骑车穿越越纽约市市的过程程。”骑骑车人”

6、能感受受到风，感受到到路面的的颠簸，当经过过饭店时时。”骑骑车人”甚至能能闻到食食品的香香味。1984年，美国国宇航局局Ames研究中心心开始了了虚拟视视觉环境境显示项项目的研研究。后后来还开开发虚拟拟界面环环境工作作站Ames。研究中中心的虚虚拟行星星探测实实验室的的McGreevy和J HumDhfies博士组织织开发了了用于火火星探测测的虚拟拟环境视视觉显示示器将将发回的的数据输输入到计计算机中中为地面面研究人人员构造造了火星星表面的的三维虚虚拟环境境。1986年美国宇宇航局的的科学家家们成功功研制出出了第一一套基于于HMD及数据手手套的虚虚拟交互互环境工工作站VIEW。成为世世界上第第

7、一个较较为完善善的多用用途多感感知的虚虚拟现实实系统到到了20世纪90年代。迅迅速发展展的计算算机硬件件技术与与不断改改进的计计算机软软件系统统相匹配配，使基基于大型型数据集集合的声声音和图图像的实实时动画画制作成成为可能能。1992年大型型虚拟现现实系统统CAVE的建立标标志着虚虚拟现实实技术与与网络的的结合变变的越来来越紧密密。与此此同时，新的网网络编程程语言的的出现促促使了新新的虚拟拟现实建建模语言言的诞生生。如X3DJava3D等。7虚拟现实实发展历历史在我国虚虚拟现实实技术的的研究和和一些发发达国家家相比还还有很大大的一段段距离但是近近十年来来虚拟现现实技术术已经得得到了相相当的重重

8、视。国国家科委委国防科科工委都都已将虚虚拟现实实技术的的研究列列为重点点攻关项项目国国内许多多研究机机构和高高校也都都在进行行虚拟现现实的研研究和应应用并取取得了一一些不错错的研究究成果如北京京航空航航天大学学计算机机系虚拟拟现实与与可视化化新技术术研究室室集成的的分布式式虚拟环环境清清华大学学国家光光盘工程程研究中中心所做做的布达达拉宫实实现了大大全景虚虚拟现实实等。现现在，虚虚拟现实实系统已已突破了了过去航航空航天天、军事事、娱乐乐等几个个特定应应用领域域，打破破了只有有政府才才能用得得起的技技术，渗渗入到了了生活的的各个方方面，比比如航空空、航天天、铁道道、建筑筑、土木木、科学学计算可可

9、视化等等各个领领域。8虚拟现实实技术发发展趋势势桌面级虚虚拟现实实发展，特别是是在商业业领域高性能沉沉浸式虚虚拟现实实发展9虚拟现实实技术发发展瓶颈颈虚拟现实实设备的的“贵族族化”要构建一一个高质质量的虚虚拟现实实系统，首先需需要昂贵贵的外部部设备。无论是是高分辩辩率的头头盔显示示器HMD，还是立立体投影影显示器器；无论论是空间间定位器器，还是是高精度度的数据据手套，都是价价格不菲菲的。其其次，在在一些专专用领域域，为完完成复杂杂场景的的实时渲渲染，还还需要高高性能的的图形工工作站以以及相应应的软件件。但普普通的信信息系统统用户可可能会望望而却步步。10虚拟现实实技术发发展瓶颈颈繁琐的三三维建

10、模模基于图形形的虚拟拟环境首首先要解解决的问问题便是是三维造造型。当当图形渲渲染技术术在向实实现真实实感大踏踏步前进进的时候候，生成成精确三三维模型型的过程程还像二二十几年年前一样样困难。在三维维激光扫扫描技术术上的进进步提供供了简化化模型构构造过程程的一些些承诺。然而，这些自自动化模模型获取取方法也也验证了了真实世世界的几几何是极极端复杂杂的。大大部分的的模型仍仍需要人人工绘制制，而且且需要聘聘请高水水平的专专业人士士，其费费用是相相当惊人人的。比比如在电电影泰坦尼克克号中，为实实现场景景三维建建模及各各种特技技处理，所花的的人工费费用高达达2500万美元，这笔钱钱足以制制造一艘艘同样规规模

11、的真真船。繁繁琐的三三维建模模也是制制约虚拟拟现实技技术发展展的严重重障碍。11虚拟现实实技术发发展瓶颈颈数据量大大虚拟现实实技术要要想得到到很大的的发展，需要与与Intenet结合，这这已是不不争的事事实。目目前虚拟拟现实技技术应用用的数据据量仍然然很大，在现有有网络整整体速度度较慢的的情况下下，Intenet用户必须须等待较较长时间间，这往往往令人人难以忍忍受。因因此应该该在虚拟拟现实系系统中考考虑数据据压缩问问题，这这个问题题可能现现在还未未引起人人们的重重视，但但是随着着应用的的深入，这是一一个不可可回避的的问题。12虚拟现实实系统构构成虚拟现实实系统模模型13虚拟现实实系统构构成虚拟

12、现实实系统构构成14虚拟现实实系统构构成检测模块块:检测用户户的操作作命令，并通过过传感器器模块作作用于虚虚拟环境境。反馈模块块:接受来自自传感器器模块的的信息，为用户户提供实实时反馈馈。传感器模模块:一方面接接受来自自用户的的操作命命令，并并将其作作用于虚虚拟环境境；另一一方面将将操作后后产生的的结果以以各种反反馈的形形式提供供给用户户。控制模块块:对传感器器进行控控制，使使其对用用户、虚虚拟环境境和现实实世界产产生作用用。建模模块块:获取现实实世界组组成部分分的三维维表示，并由此此构成对对应的虚虚拟环境境。建模模块块运用知知识库、模式识识别、人人工智能能等技术术建立模模型，通通过三维维动画

13、实实现虚拟拟环境的的视觉模模拟，通通过音响响制作声声音模拟拟，人的的动作由由传感器器进行检检测，然然后通过过控制模模块对虚虚拟环境境进行操操纵。同同时，通通过反馈馈作用给给人以动动感、触触觉、力力觉等感感受。15虚拟现实实系统分分类桌面式虚虚拟现实实系统桌面式虚虚拟显示示系统又又称为非非沉浸式式虚拟显显示系统统，这种种系统通通过计算算机屏幕幕、投影影屏幕作作为用户户观察虚虚拟环境境的一个个窗口，参与者者仅使用用一些简简单外部部设备来来控制虚虚拟环境境和操纵纵虚拟场场景中的的物体。在桌面面虚拟现现实系统统中，用用户可以以通过事事先设置置的交互互操作或或者浏览览器已附附带的功功能来实实现虚拟拟环境

14、的的物体平平移和旋旋转，以以便从各各个角度度观看三三维模型型；也可可以利用用浏览器器中的“walk”功能在虚虚拟环境境中浏览览。如汽汽车模拟拟器、飞飞机模拟拟器、电电子会议议等都属属于桌面面式虚拟拟现实系系统。桌桌面式虚虚拟现实实系统适适宜推广广应用，投资比比较低，而且通通过附加加一些低低成本的的辅助设设备，如如立体观观察器、液晶显显示光闸闸眼镜等等就能达达到比较较理想的的模拟显显示的效效果。16虚拟现实实系统分分类沉浸式虚虚拟现实实系统沉浸式虚虚拟现实实系统又又称为配配带型虚虚拟显示示系统，是利用用头盔显显示器和和数据手手套等各各种交互互设备把把用户的的视觉、听觉和和其他感感觉封闭闭起来，使

15、用户户完全置置于计算算机生成成的虚拟拟环境之之中，并并利用这这些交互互设备游游弋于虚虚拟环境境，产生生一种身身临其境境、全心心投入和和沉浸其其中的感感觉。有有的沉浸浸式虚拟拟显示系系统能提提供处决决功能，使参与与者产生生人在其其中的效效果。沉沉浸式虚虚拟显示示系统具具有以下下主要特特点：高高效的实实时性能能、高度度的沉浸浸感、能能支持多多种I/O设备并行行工作。相比桌桌面式虚虚拟现实实系统，建立沉沉浸式虚虚拟现实实系统投投资成本本太高，因而制制约了沉沉浸式虚虚拟现实实系统的的推广应应用。17虚拟现实实系统分分类叠加式虚虚拟现实实系统叠加式虚虚拟现实实系统又又称为补补充现实实系统，是用户户一边对

16、对现实世世界进行行观察，一边通通过穿透透型头戴戴式显示示器计算算生成虚虚拟图像像叠加的的现实世世界上，为操作作员提供供与他所所看到的的现实环环境有关关的、存存储在计计算机中中的信息息，从而而增强操操作员对对真实世世界的感感受。因因此，叠叠加式虚虚拟现实实系统不不仅能模模拟现实实世界，而且能能增强现现实中无无法感知知或者不不方便的的感受。这种系系统在我我们的现现实生活活中有广广泛的应应用前景景，如外外科医生生应用该该系统进进行外科科手术，可以让让医生用用另外来来源得到到的3D虚拟图像像与病人人患病部部位的实实际图像像进行对对比，判判断，增增强手术术的成功功率。由由于叠加加式虚拟拟现实系系统中的的

17、应用到到的传感感器技术术的精确确性方面面的限制制，这种种技术在在目前实实际应用用中还有有一定的的局限性性。18虚拟现实实系统分分类分布式虚虚拟现实实系统分布式虚虚拟现实实系统是是基于网网络的虚虚拟环境境，是在在沉浸式式虚拟现现实系统统的基础础上，将将位于不不同物理理位置的的多个用用户或多多个虚拟拟环境通通过网络络相连接接，并共共享信息息，从而而使用户户的协同同工作达达到一个个更高的的境界。分布式式虚拟现现实系统统充分利利用计算算机系统统的强大大计算能能力和网网络功能能，使在在共同领领域的特特长专家家学者，进行信信息共享享，达到到处于不不同地域域的设计计人员进进行协同同设计的的目的。分布式式虚拟

18、现现实系统统的操作作系统必必须能在在不同计计算机上上处理不不相似的的虚拟世世界，因因此必须须用专门门的操作作系统分布式操操作系统统。目前前，分布布式虚拟拟现实系系统主要要应用于于远程虚虚拟会议议、虚拟拟医学会会诊，虚虚拟战争争模拟等等领域。19虚拟现实实关键技技术实物虚化化技术虚物实话话技术高性能计计算处理理技术分布式虚虚拟实现现技术20实物虚化化技术基本模型型构建技技术空间跟踪踪技术声音跟踪踪技术视觉跟踪踪与视点点感应技技术21虚物实化化技术视觉感知知听觉感知知力觉和触触觉感知知22高性能计计算技术术虚拟现实实是以计计算机技技术为核核心的现现代高科科技，高高性能的的计算处处理技术术是直接接影

19、响系系统性能能的关键键所在。具有高高计算速速度，强强处理能能力，大大存储容容量和强强联网特特性等特特征的高高性能计计算处理理技术主主要包括括以下研研究内容容：1服务于于实物虚虚化和虚虚物实化化的数据据转换和和数据预预处2实时、逼真图图形图像像生成与与显示技技术。3多种声声音的合合成与声声音空间间化技术术。4多维信信息、数数据的融融合、数数据转换换、数据据压缩、数据标标准化以以及数据据库的生生成。5模式识识别。如如命令识识别、语语音识别别、以及及手势和和人的面面部表情情信息的的检测、合成和和识别。6高级计计算模型型的研究究。如专专家系统统、自组组织神经经网、遗遗传算法法等。7分布式式与并行行计算

20、，以及高高速、大大规模的的远程网网络技术术。23分布式虚虚拟实现现分布式虚虚拟现实实的研究究目标是是建立一一个可供供多用户户同时异异地参与与的分布布式虚拟拟环境，处于不不同地理理位置的的用户如如同进入入到一个个真实世世界，不不受物理理时空的的限制，通过姿姿势、声声音或文文字等“在一起起”进行行交流、学习、研讨、训练、娱乐，甚至协协同完成成同一件件比较复复杂的产产品设计计或进行行同一艰艰难任务务的演练练。分布式虚虚拟现实实的研究究有两大大阵营。一个是是国际互互联网上上的分布布式虚拟拟现实，如基于于VRML标准的远远程虚拟拟购物。另一个个是在由由军方投投资的高高速专用用网，如如采用ATM技术的美美

21、国军方方国防仿仿真互联联网DSI。24典型应用用医学。虚拟现实实技术应应用大致致上有两两类。一一是虚拟拟人体，也就是是数字化化人体，这样的的人体模模型医生生更容易易了解人人体的构构造和功功能。另另一是虚虚拟手术术系统，可用于于指导手手术的进进行。Pieper及Satara等研究者者在上世世纪90年代初，基于两两个SGI工作站建建立了一一个虚拟拟外科手手术训练练器，用用于腿部部及腹部部外科手手术模拟拟。这个个虚拟的的环境包包括虚拟拟的手术术台与手手术灯，虚拟的的外科工工具（如如手术刀刀、注射射器、手手术钳等等），虚虚拟的人人体模型型与器官官等。借借助于HMD及感觉手手套，使使用者可可以对虚虚拟的

22、人人体模型型进行手手术。但但该系统统有待进进一步改改进，如如需提高高环境的的真实感感，增加加网络功功能，使使其能同同时培训训多个使使用者，或可在在外地专专家的指指导下工工作等。25典型应用用娱乐、艺艺术与教教育。丰富的感感觉能力力与3D显示环境境使得虚虚拟现实实技术成成为理想想的视频频游戏工工具。由由于在娱娱乐方面面对虚拟拟现实的的真实感感要求不不是太高高，故近近些年来来虚拟现现实技术术在该方方面发展展最为迅迅猛。如如Chicago(芝加哥)开放了世世界上第第一台大大型可供供多人使使用的虚虚拟现实实娱乐系系统，其其主题是是关于3025年的一场场未来战战争；英英国开发发的称为为“Virtuali

23、ty”的虚拟现现实游戏戏系统，配有HMD，大大增增强了真真实感；1992年的一台台称为“LegealQust”的系统由由于增加加了人工工智能功功能，使使计算机机具备了了自学习习功能，大大增增强了趣趣味性及及难度，使该系系统获该该年度虚虚拟现实实产品奖奖。26典型应用用军事与航航天工业业。模拟训练练一直是是军事与与航天工工业中的的个重要课课题。这这为虚拟拟现实技技术提供供了广阔阔的应用用前景。美国国国防部高高级研究究计划局局DARPA自80年代起一一直致力力于研究究称为SIMNET的虚拟战战场系统统，以提提供坦克克协同训训练，该该系统可可联结200多台模拟拟器。利利用虚拟拟现实技技术模拟拟战争过过程已成成为最先先进的多多快好省省的研究究战争、培训指指挥