虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术的应用王岚虚拟现实实技术的的应用虚拟现实实技术的的发展史史虚拟现实实技术的的概念虚拟现实实技术的的特征虚拟现实实系统的的组成和和分类虚拟现实实技术的的应用领领域虚拟现实实技术的的研究现现状虚拟现实实技术的的开发方方法虚拟现实实技术的的相关网网址1 虚拟拟现实技技术的发发展史虚拟现实实技术（（VirtualReality）简称VR技术术，是20世纪纪末逐渐渐兴起的的一门综综合性信信息技术术，融合合了数字字图像处处理、计计算机图图形学、、人工智智能、多多媒体、、传感器器、网络络以及并并行处理理等多个个信息技技术分支支的最新新发展成成果。1 虚拟拟现实技技术的发发展史1929年，EdwardLink设计计出用于于训练飞飞行员的的模拟器器1956年，MortonHeilig开发出多多通道仿仿真体验验系统Sensorama1 虚拟拟现实技技术的发发展史1965年，IvanSutherland发发表论文文“UltimateDisplay””（终极极的显示示）1968年，IvanSutherland研研制成功功了带跟跟踪器的的头盔式式立体显显示器（（HeadMountedDisplay，，HMD）1 虚拟拟现实技技术的发发展史1972年，NolanBushnell开发发出第一一个交互互式电子子游戏Pong1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第第一个数数据手套套——SayreGlove20世纪纪80年年代，美美国国家家航空航航天局（（NASA）组组织了一一系列有有关VR技术的的研究：：1984年年，NASAAmes研究究中心的的M.McGreevy和和J..Humphries开发发出用于于火星探探测的虚虚拟环境境视觉显显示器；；1987年，，JimHumphries设计计了双目目全方位位监视器器（BOOM））的最早早原型。。1 虚拟拟现实技技术的发发展史1990年，在在美国达达拉斯召召开的Siggraph会议议上，明明确提出出VR技技术研究究的主要要内容包包括实时时三维图图形生成成技术、、多传感感器交互互技术和和高分辨辨率显示示技术，，为VR技术的的发展确确定了研研究方向向。从20世世纪90年代开开始，VR技术术的研究究热潮也也开始向向民间的的高科技技企业转转移。著著名的VPL公公司开发发出第一一套传感感手套命命名为““DataGloves”，，第一套套HMD命名为为“EyePhones”。。进入21世纪后后，VR技术更更是进入入软件高高速发展展的时期期，一些有代代表性的的VR软软件开发发系统不不断在发发展完善善，如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。2虚拟现实实技术的的概念虚拟现实实技术是是指利用用计算机机生成一一种模拟拟环境，，并通过过多种专专用设备备使用户户“投入入”到该该环境中中，实现现用户与与该环境境直接进进行自然然交互的的技术。。2虚拟现实实技术的的概念典型的VR系统统主要由由计算机机软、硬硬件系统统（包括括VR软软件和VR环境境数据库库）和VR输入入、输出出设备等等组成。。3虚拟现实实技术的的特征VR技术术的三角角形交互性（（Interactivity）沉浸感（Immersion）想象力（（Imagination））3虚拟现实实技术的的特征VR技术术的交互互性：指用户对对虚拟环环境中对对象的可可操作程程度和从从虚拟环环境中得得到反馈馈的自然然程度（（包括实实时性））。主要借助助于各种种专用设设备（如如头盔显显示器、、数据手手套等））产生，，从而使使用户以以自然方方式如手手势、体体势、语语言等技技能，如如同在真真实世界界中一样样操作虚虚拟环境境中的对对象。3虚拟现实实技术的的特征VR技术术的沉浸浸感：又称临场场感，是是指用户户感到作作为主角角存在于于虚拟环环境中的的真实程程度。VR技术术最主要要的特征征。影响沉浸浸感的主主要因素素包括多多感知性性、自主主性、三三维图像像中的深深度信息息、画面面的视野野、实现现跟踪的的时间或或空间响响应及交交互设备备的约束束程度等等。3虚拟现实实技术的的特征VR技术术的想象象力：指用户在在虚拟世世界中根根据所获获取的多多种信息息和自身身在系统统中的行行为，通通过逻辑辑判断、、推理和和联想等等思维过过程，随随着系统统的运行行状态变变化而对对其未来来进展进进行想象象的能力力。对适当的的应用对对象加上上虚拟现现实的创创意和想想象力，，可以大大幅度提提高生产产效率、、减轻劳劳动强度度、提高高产品开开发质量量。虚拟现实实系统的的基本组组成虚拟世界界、虚拟拟现实软软件、计计算机、、输入设设备和输输出设备备五大部部分输入设备输入设备虚拟现实实软件虚拟世界界计算机4虚拟现实实系统的的组成和和分类4虚拟现实实系统的的组成和和分类（1）桌桌面式VR系统统（DesktopVR））（2）沉沉浸式VR系统统（ImmersiveVR）（3）增增强式VR系统统（AugmentedVR）（4）分分布式VR系统统（DistributedVR）虚拟现实实系统的的分类4虚拟现实实系统的的组成和和分类（1）桌面式VR系统统使用个人人计算机机和低级级工作站站来产生生三维空空间的交交互场景景。用户会受受到周围围现实环环境的干干扰而不不能获得得完全的的沉浸感感，但由由于其成成本相对对较低桌桌面式VR系统统仍然比比较普及及。虚拟现实实系统的的基本组组成利用头盔盔显示器器、洞穴穴式显示示设备和和数据手手套等交交互设备备把用户户的视觉觉、听觉觉和其他他感觉封封闭起来来，而使使用户真真正成为为VR系系统内部部的一个个参与者者，产生生一种身身临其境境、全心心投入并并沉浸其其中的体体验。与桌面式式VR系系统相比比，沉浸浸式VR系统的的主要特特点在于于高度的的实时性性和沉浸浸感。4虚拟现实实系统的的组成和和分类虚拟现实实系统的的分类（2）沉浸式VR系统统（3）增强式VR系统统允许用户户对现实实世界进进行观察察的同时时，将虚虚拟图像像叠加在在真实物物理对象象之上。。为用户提提供与所所看到的的真实环环境有关关的、存存储在计计算机中中的信息息，从而而增强用用户对真真实环境境的感受受，又被被称为叠叠加式或或补充现现实式VR系统统。可以使用用光学技技术或视视频技术术实现。。4虚拟现实实系统的的组成和和分类虚拟现实实系统的的分类指基于网网络构建建的虚拟拟环境，，将位于于不同物物理位置置的多个个用户或或多个虚虚拟环境境通过网网络相连连接并共共享信息息，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。。主要被应应用于远远程虚拟拟会议、、虚拟医医学会诊诊、多人人网络游游戏、虚虚拟战争争演习等等领域。。4虚拟现实实系统的的组成和和分类虚拟现实实系统的的分类（4）分分布式VR系统统5虚拟现实实技术的的应用领领域（1）军军事（2）医医学（3）教教育与训训练（4）设设计与规规划（5）科科学计算算可视化化（6）商商业领域域（7）艺艺术与娱娱乐（8）虚虚拟旅游游（1）虚虚拟现实实之应用用-军事军事是虚虚拟现实实应用最最早的领领域如模拟飞飞行训练练等应用图例例-军事模拟飞行行训练基本飞行行课程((STD))起落航线线课程((PPL))仪器飞行课课程(INS)长途飞行行课程(CPL))（2）虚虚拟现实实之应用用-医学学教育训练练虚拟现实实的超因因波显像像系统、、放射线线治疗以以及手术术模型等等等的技技术。临床研究虚拟现实实系統((如恐高高症的治治疗等))应用图例例-医学学虚拟手术术模型训训练內视镜手手术模拟器官官具有弹弹性、变变形等物物理属性性具有自由由度定位位功能的的手术刀刀（3）虚虚拟现实实之应用--教育与培培训教学虚拟现实实技术能能使学习习者能直直接、自自然地与与虚拟对对象进行行交互，，以各种种形式参参与事件件的发展展变化过过程，并并获得最最大的控控制和操操作整个个环境的的自由度度。虚拟拟实境技术辅助助的CAI教教学法，提供供给学习习者一个个更逼真真、更具具弹性、、学习效效果更好好的学习习环境。。训练航空驾驶驶员的训训练、战战车的训训练以及及太空人人训练、、仿真教学学与实验验、特殊殊教育、、多种专专业训练练、应急急演练和和军事演演习等等。应用图例--教育天文教室室的太阳阳系（4）虚虚拟现实实之应用--设计与规规划虚拟现实实已被看看作是设设计领域域中唯一一的开发发工具。。它可以以避免传传统方式式在原型型制造、、设计和和生产过过程中的的重复工工作，有有效的降降低成本本，应用用领域包包括汽车制造造、工厂厂规划、、景观设设计、建建筑工业业、室內內设计、、都市计计划、航航太设计计、以以及仪器器制造等等等。电脑辅助助设计(CAD))结合虚拟现现实技术术

应用图例--装修设设计专业3D设计逼真的表表现动画功能能虚拟实境境全景环环视科学可视视化的功功能就是是将大量量字母、、数字数数据转换换成比原原始数据据更容易易理解的的各种图图像，并并允许参参与者借借助各种种虚拟现现实输入入设备检检查这些些“可见见的”数数据。它通常被被用于建建立分子子结构、、地震以以及地球球环境等等模型。。（5）虚虚拟现实实之应用--科学计计算可视视化VR技术术被逐步步应用于于网上销销售、客客户服务务、电传传会议及及虚拟购购物中心心等商业业领域。。它可以以使客户户在购买买前先看看到产品品的外貌貌与内在在，甚至至在虚拟拟世界中中使用它它，因此此对产品品的推广广和销售售都很有有帮助。。（6）虚虚拟现实实之应用用-商业业领域（7）虚虚拟现现实之应用--艺术与与娱乐被动式虚虚拟实境境如目前热热门的PCGame主动式虚虚拟实境境虚拟实境境游戏机机，游戏戏介面设设计在3D环境中，使用用者在其其中随心心所欲。。虚拟人物和世世界如虚拟主主播、虚虚拟人等等等VR技术术所具有有的身临临其境感感及实时时交互性性还能将将静态的的艺术（（如油画画、雕刻刻等）转转化为动动态的形形式，使使观赏者者更好地地欣赏作作者的思思想艺术术，包括括虚拟画画廊、虚虚拟音乐乐厅、文文物保护护等方面面。娱乐是VR系统统的另一一个重要要应用领领域，市市场上已已经推出出了多款款VR环环境下的的电脑游游戏，带带给游戏戏者强烈烈的感官官刺激。。VR技术术所具有有的身临临其境感感及实时时交互性性还能用用于在线线的虚拟拟旅游，，使观赏赏者更好好地欣赏赏大自然然的美景景。旅游是VR系统统的另一一个重要要应用领领域，许许多著名名景点均均有虚拟拟现实网网站，在在VR环环境下的的旅游，，带给旅旅游者另另一番感感受。（8）虚虚拟现现实之应应用-虚虚拟旅游游虚拟现实实的应用用宇航员数码相机互动展示北京故宫Sprite灌篮高手培训产品展示旅游游戏开发基督教堂模拟室内样板房演示海军潜水艇虚拟小区文物保护房地产系统仿真城市规划6虚拟现实实技术的的研究现现状美国是VR技术术的发源源地，有有美国宇宇航局（（NASA）、、麻省理理工学院院（MIT）媒媒体实验验室、华华盛顿大大学人机机界面技技术实验验室（HITLab）等许许多知名名的研究究机构。。美国在虚虚拟现实实领域的的基础研研究主要要集中在在感知、、用户界界面、后后台软件件和硬件件四个方方面。6虚拟现实实技术的的研究现现状英国主要要有四个个从事VR技术术研究的的中心，，包括Windustries公司司、BritishAerospace公司、、DimensionInternational公公司、DivisonLTD公司司等。日本主要要致力于于建立大大规模VR知识识库和人人机接口口方面的的研究项项目上，，在VR游戏方方面的研研究也处处于领先先地位。。此外，国国外还研研制出多多个用于于开发应应用程序序的VR软件开开发平台台，例如如美国Sense8公公司的WorldToolKit（（WTK），爱爱荷华州州立大学学虚拟现现实应用用中心的的VRJuggler，DenebRobotics公司司的ENVISION，英国国Superscape公司司的VRT，Division公公司的dVISE等。。6虚拟现实实技术的的研究现现状我国从20世纪纪80年年代起开开始研究究VR技技术。虽虽然起步步较晚，，但近年年来政府府有关部部门非常常重视，，制定了了开展VR技术术的研究究计划，，并将其其列入国国家重点点研究项项目。国国内的一一些科学学家和重重点院校校也已积积极投入入了对这这一领域域的研究究。北京航空空航天大大学是国国内最早早进行VR技术术研究、、最有权权威的单单位之一一。它于于2000年8月成立立了虚拟拟现实新新技术教教育部重重点实验验室。6虚拟现实实技术的的研究现现状清华大学学对虚拟拟现实及及其临场场感等方方面进行行了大量量研究，，比如球球面屏幕幕显示和和图像随随动、克克服立体体图闪烁烁的措施施及深度度感实验验测试等等。浙江大学学的CAD&CG国家家重点实实验室开开发出了了一套桌桌面型虚虚拟建筑筑环境实实时漫游游系统，，还研制制出了在在虚拟环环境中一一种新的的快速漫漫游算法法和一种种递进网网格的快快速生成成算法。。西安交通通大学信信息工程程研究所所对虚拟拟现实中中的关键键技术———立体体显示技技术进行行了研究究，提出出一种基基于JPEG标标准压缩缩编码新新方案，，获得了了较高的的压缩比比、信噪噪比以及及解压缩缩速度。。7虚拟现实实技术的的开发方方法（1）语语言（VRML）开发发法（2）工工具开发发法（3）合合成开发发法（1）VRML简介--浏览器器7虚拟现实实技术的的开发方方法1.文件头它是提供供给浏览览器文件件的版本本信息，，是VRML文档中开开头的一一行，用用来通知知浏览器器该文档档所遵循循的VRML版本。例例如“#VRML1.0utf8””这里的VRML1..0是指以下下文件是是由VRML语言的1.0版本编写写，utf8指本文件件采用ISO的UTF--8编码标准准。（1）VRML简介--语言简简介7虚拟现实实技术的的开发方方法2.节节点：节点是VRML文件的的基本组组成元素素，可以以把它分分为以下下几类：：shape（形形状）节节点描描述物体体在空间间中的几几何形状状；property（性性质）节节点定定义形状状节点的的渲染方方式（颜颜色，表表面纹理理等）；；group（成成组）节节点将将多个其其他节点点组合成成一个节节点，便便于统一一处理；；environment（环环境效果果）节点点例如如各种性性质的光光源等。。此外，VRML语言还还定义了了一些提提供特殊殊功能的的节点，，例如超