虚拟现实技术

虚拟现实技术1背景与意义科学技术的发展促使人们为了适应未来信息社会的需要，必须提高人与信息社会的接口能力，提高人对信息的理解能力。而对信息处理的方法要求建立一个多维化的信息空间，建立一个定性和定量相结合，感性认识和理性认识相结合的综合环境，虚拟现实技术将是支撑这个多维信息空间的关键技术。虚拟现实技术归根结底就是要把计算机从善于处理数字化的单维信息改变为善于处理人所能感受到的、在思维过程中所接触到的、除了数字化信息之外的其他各种表现形式的多维信息。增强现实成果，并给用户一个将现实世界和计算机中的虚拟模型结合起来的工作环境。2虚拟现实的概念虚拟现实技术近年来在技术研究领域十分活跃，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为研究等多项关键技术。虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术高层次的继承和渗透；它给用户以逼真的体验，它为人们探索宏观世界和微观世界中由于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律，提供了极大的便利。虚拟现实(VirtualReality，简称VR)，又译为临境，灵境等，这个词最早始创于2O世纪80年代．是1989年由美国的JarnLanier正式提出的。然而，关于虚拟现实的研究可以追溯到20世纪60年代．最初的研究主要集中在美国军方对飞行驾驶员与宇航员的模拟训练。然而，随着冷战后美国军费的削减。这些技术逐步转为民用。由于虚拟现实技术能够借助计算机构建出一个与现实环境十分逼真的虚拟环境。且支持用户使用自然技能来亲身感受，因而引起了人们及大的兴趣。曾经被称为”梦幻般的技术”和”人机接口的最后一道障碍”。3虚拟现实系统虚拟现实系统．通常指用头盔显示器和传感手套等一系列新型交互设备构造出的一种计算机软硬件环境，人们通过这些设施以自然的技能。比如头的摇动、手的摆动，向计算机送入命令，同时得到计算机对用户的视觉、听觉等多种感官的反馈。随着人们动作的变化。这些感官反馈也随之改变。但是现在与虚拟现实有关的内容已经扩大到与之相关的许多方面，如：人工现实(ArtificialReality)、遥在(Telepresence)、虚拟环境(VirtualEnvironment)、赛伯空间(Cyberspace)等等。4虚拟现实的技术特征交互性：指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度沉浸感：又称为临场感，指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度；构想性：又称想像性，指用户沉浸在多为信息空间中、依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性、寻求解答，形成新概念。

5虚拟现实的技术特征6虚拟现实发展历史 美国是虚拟现实技术研究的发源地。第一个虚拟设备是在1962年由MortonHeiling设计的”全传感仿真器”．该仿真器仿真骑车穿越纽约市的过程。”骑车人”能感受到风，感受到路面的颠簸，当经过饭店时。”骑车人”甚至能闻到食品的香味。1984年，美国宇航局Ames研究中心开始了虚拟视觉环境显示项目的研究。后来还开发虚拟界面环境工作站Ames。研究中心的虚拟行星探测实验室的McGreevy和JHumDhfies博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器．将发回的数据输入到计算机中为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。1986年美国宇航局的科学家们成功研制出了第一套基于HMD及数据手套的虚拟交互环境工作站VIEW。成为世界上第一个较为完善的多用途多感知的虚拟现实系统到了20世纪90年代。迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能。1992年．大型虚拟现实系统CAVE的建立标志着虚拟现实技术与网络的结合变的越来越紧密。与此同时，新的网络编程语言的出现促使了新的虚拟现实建模语言的诞生。如X3DJava3D等。7虚拟现实发展历史 在我国虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比还有很大的一段距离．但是近十年来虚拟现实技术已经得到了相当的重视。国家科委国防科工委都已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目．国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用并取得了一些不错的研究成果．如北京航空航天大学计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟环境．清华大学国家光盘工程研究中心所做的布达拉宫实现了大全景虚拟现实等。现在，虚拟现实系统已突破了过去航空航天、军事、娱乐等几个特定应用领域，打破了只有政府才能用得起的技术，渗入到了生活的各个方面，比如航空、航天、铁道、建筑、土木、科学计算可视化等各个领域。8虚拟现实技术发展趋势桌面级虚拟现实发展，特别是在商业领域

高性能沉浸式虚拟现实发展9虚拟现实技术发展瓶颈虚拟现实设备的“贵族化”要构建一个高质量的虚拟现实系统，首先需要昂贵的外部设备。无论是高分辩率的头盔显示器HMD，还是立体投影显示器；无论是空间定位器，还是高精度的数据手套，都是价格不菲的。其次，在一些专用领域，为完成复杂场景的实时渲染，还需要高性能的图形工作站以及相应的软件。但普通的信息系统用户可能会望而却步。10虚拟现实技术术发展瓶颈繁琐的三维建建模基于图形的虚虚拟环境首先先要解决的问问题便是三维维造型。当图图形渲染技术术在向实现真真实感大踏步步前进的时候候，生成精确确三维模型的的过程还像二二十几年前一一样困难。在在三维激光扫扫描技术上的的进步提供了了简化模型构构造过程的一一些承诺。然然而，这些自自动化模型获获取方法也验验证了真实世世界的几何是是极端复杂的的。大部分的的模型仍需要要人工绘制，，而且需要聘聘请高水平的的专业人士，，其费用是相相当惊人的。。比如在电影影《泰坦尼克号》中，为实现场场景三维建模模及各种特技技处理，所花花的人工费用用高达2500万美元，这笔笔钱足以制造造一艘同样规规模的真船。。繁琐的三维维建模也是制制约虚拟现实实技术发展的的严重障碍。。11虚拟现实技术术发展瓶颈数据量大虚拟现实技术术要想得到很很大的发展，，需要与Intenet结合，这已是是不争的事实实。目前虚拟拟现实技术应应用的数据量量仍然很大，，在现有网络络整体速度较较慢的情况下下，Intenet用户必须等待待较长时间，，这往往令人人难以忍受。。因此应该在在虚拟现实系系统中考虑数数据压缩问题题，这个问题题可能现在还还未引起人们们的重视，但但是随着应用用的深入，这这是一个不可可回避的问题题。12虚拟现实系统统构成虚拟现实系统统模型13虚拟现实系统统构成虚拟现实系统统构成14虚拟现实系统统构成检测模块:检测用户的操操作命令，并并通过传感器器模块作用于于虚拟环境。。反馈模块:接受来自传感感器模块的信信息，为用户户提供实时反反馈。传感器模块:一方面接受来来自用户的操操作命令，并并将其作用于于虚拟环境；；另一方面将将操作后产生生的结果以各各种反馈的形形式提供给用用户。控制模块:对传感器进行行控制，使其其对用户、虚虚拟环境和现现实世界产生生作用。建模模块:获取现实世界界组成部分的的三维表示，，并由此构成成对应的虚拟拟环境。建模模块运用用知识库、模模式识别、人人工智能等技技术建立模型型，通过三维维动画实现虚虚拟环境的视视觉模拟，通通过音响制作作声音模拟，，人的动作由由传感器进行行检测，然后后通过控制模模块对虚拟环环境进行操纵纵。同时，通通过反馈作用用给人以动感感、触觉、力力觉等感受。。15虚拟现实系统统分类桌面式虚拟现现实系统桌面式虚拟显显示系统又称称为非沉浸式式虚拟显示系系统，这种系系统通过计算算机屏幕、投投影屏幕作为为用户观察虚虚拟环境的一一个窗口，参参与者仅使用用一些简单外外部设备来控控制虚拟环境境和操纵虚拟拟场景中的物物体。在桌面面虚拟现实系系统中，用户户可以通过事事先设置的交交互操作或者者浏览器已附附带的功能来来实现虚拟环环境的物体平平移和旋转，，以便从各个个角度观看三三维模型；也也可以利用浏浏览器中的““walk”功能在虚拟环环境中浏览。。如汽车模拟拟器、飞机模模拟器、电子子会议等都属属于桌面式虚虚拟现实系统统。桌面式虚虚拟现实系统统适宜推广应应用，投资比比较低，而且且通过附加一一些低成本的的辅助设备，，如立体观察察器、液晶显显示光闸眼镜镜等就能达到到比较理想的的模拟显示的的效果。16虚拟现实系统统分类沉浸式虚拟现现实系统沉浸式虚拟现现实系统又称称为配带型虚虚拟显示系统统，是利用头头盔显示器和和数据手套等等各种交互设设备把用户的的视觉、听觉觉和其他感觉觉封闭起来，，使用户完全全置于计算机机生成的虚拟拟环境之中，，并利用这些些交互设备游游弋于虚拟环环境，产生一一种身临其境境、全心投入入和沉浸其中中的感觉。有有的沉浸式虚虚拟显示系统统能提供处决决功能，使参参与者产生人人在其中的效效果。沉浸式式虚拟显示系系统具有以下下主要特点：：高效的实时时性能、高度度的沉浸感、、能支持多种种I/O设备并行工作作。相比桌面面式虚拟现实实系统，建立立沉浸式虚拟拟现实系统投投资成本太高高，因而制约约了沉浸式虚虚拟现实系统统的推广应用用。17虚拟现现实系系统分分类叠加式式虚拟拟现实实系统统叠加式式虚拟拟现实实系统统又称称为补补充现现实系系统，，是用用户一一边对对现实实世界界进行行观察察，一一边通通过穿穿透型型头戴戴式显显示器器计算算生成成虚拟拟图像像叠加加的现现实世世界上上，为为操作作员提提供与与他所所看到到的现现实环环境有有关的的、存存储在在计算算机中中的信信息，，从而而增强强操作作员对对真实实世界界的感感受。。因此此，叠叠加式式虚拟拟现实实系统统不仅仅能模模拟现现实世世界，，而且且能增增强现现实中中无法法感知知或者者不方方便的的感受受。这这种系系统在在我们们的现现实生生活中中有广广泛的的应用用前景景，如如外科科医生生应用用该系系统进进行外外科手手术，，可以以让医医生用用另外外来源源得到到的3D虚拟图图像与与病人人患病病部位位的实实际图图像进进行对对比，，判断断，增增强手手术的的成功功率。。由于于叠加加式虚虚拟现现实系系统中中的应应用到到的传传感器器技术术的精精确性性方面面的限限制，，这种种技术术在目目前实实际应应用中中还有有一定定的局局限性性。18虚拟现现实系系统分分类分布式式虚拟拟现实实系统统分布式式虚拟拟现实实系统统是基基于网网络的的虚拟拟环境境，是是在沉沉浸式式虚拟拟现实实系统统的基基础上上，将将位于于不同同物理理位置置的多多个用用户或或多个个虚拟拟环境境通过过网络络相连连接，，并共共享信信息，，从而而使用用户的的协同同工作作达到到一个个更高高的境境界。。分布布式虚虚拟现现实系系统充充分利利用计计算机机系统统的强强大计计算能能力和和网络络功能能，使使在共共同领领域的的特长长专家家学者者，进进行信信息共共享，，达到到处于于不同同地域域的设设计人人员进进行协协同设设计的的目的的。分分布式式虚拟拟现实实系统统的操操作系系统必必须能能在不不同计计算机机上处处理不不相似似的虚虚拟世世界，，因此此必须须用专专门的的操作作系统统——分布式式操作作系统统。目目前，，分布布式虚虚拟现现实系系统主主要应应用于于远程程虚拟拟会议议、虚虚拟医医学会会诊，，虚拟拟战争争模拟拟等领领域。。19虚拟现现实关关键技技术实物虚虚化技技术虚物实实话技技术高性能能计算算处理理技术术分布式式虚拟拟实现现技术术20实物虚虚化技技术基本模模型构构建技技术空间跟跟踪技技术声音跟跟踪技技术视觉跟跟踪与与视点点感应应技术术21虚物实实化技技术视觉感感知听觉感感知力觉和和触觉觉感知知22高性能能计算算技术术虚拟现现实是是以计计算机机技术术为核核心的的现代代高科科技，，高性性能的的计算算处理理技术术是直直接影影响系系统性性能的的关键键所在在。具具有高高计算算速度度，强强处理理能力力，大大存储储容量量和强强联网网特性性等特特征的的高性性能计计算处处理技技术主主要包包括以以下研研究内内容：：1．服务务于实实物虚虚化和和虚物物实化化的数数据转转换和和数据据预处处2．实时时、逼逼真图图形图图像生生成与与显示示技术术。3．多种种声音音的合合成与与声音音空间间化技技术。。4．多维维信息息、数数据的的融合合、数数据转转换、、数据据压缩缩、数数据标标准化化以及及数据据库的的生成成。5．模式式识别别。如如命令令识别别、语语音识识别、、以及及手势势和人人的面面部表表情信信息的的检测测、合合成和和识别别。6．高级级计算算模型型的研研究。。如专专家系系统、、自组组织神神经网网、遗遗传算算法等等。7．分布布式与与并行行计算算，以以及高高速、、大规规模的的远程程网络络技术术。23分布式式虚拟拟实现现分布式式虚拟拟现实实的研研究目目标是是建立立一个个可供供多用用户同同时异异地参参与的的分布布式虚虚拟环环境，，处于于不同同地理理位置置的用用户如如同进进入到到一个个真实实世界界，不不受物物理时时空的的限制制，通通过姿姿势、、声音音或文文字等等“在在一起起”进进行交交流、、学习习、研研讨、、训练练、娱娱乐，，甚至至协同同完成成同一一件比比较复复杂的的产品品设计计或进进行同同一艰艰难任任务的的演练练。分布式式虚拟拟现实实的研研究有有两大大阵营营。一一个是是国际际互联联网上上的分分布式式虚拟拟现实实，如如基于于VRML标准的的远程程虚拟拟购物物。另另一个个是在在由军军方投投资的的高速速专用用网，，如采采用ATM技术的的美国国军方方国防防仿真真互联联网DSI。24典型应应用医学。。虚拟现现实技技术应应用大大致上上有两两类。。一是是虚拟拟人体体，也也就是是数字字化人人体，，这样样的人人体模模型医医生更更容易易了解解人体体的构构造和和功能能。另另一是是虚拟拟手术术系统统，可可用于于指导导手术术的进进行。。Pieper及Satara等研究究者在在上世世纪90年代初初，基基于两两个SGI工作站站建立立了一一个虚虚拟外外科手手术训训练器器，用用于腿腿部及及腹部部外科科手术术模拟拟。这这个虚虚拟的的环境境包括括虚拟拟的手手术台台与手手术灯灯，虚虚拟的的外科科工具具（如如手术术刀、、注射射器、、手术术钳等等），，虚拟拟的人人体模模型与与器官官等。。借助助于HMD及感觉觉手套套，使使用者者可以以对虚虚拟的的人体体模型型进行行手术术。但但该系系统有有待进进一步步改进进，如如需提提高环环境的的真实实感，，增加加网络络功能能，使使其能能同时时培训训多个个使用用者，，或可可在外外地专专家的的指导导下工工作等等。25典型应应用娱乐、、艺术术与教教育。。丰富的的感觉觉能力力与3D显示环环境使使得虚虚拟现现实技技术成成为理理想的的视频频游戏戏工具具。由由于在在娱乐乐方面面对虚虚拟现现实的的真实实感要要求不不是太太高，，故近近些年年来虚虚拟现现实技技术在在该方方面发发展最最为迅迅猛。。如Chicago(芝加哥哥)开放了了世界界上第第一台台大型型可供供多人人使用用的虚虚拟现现实娱娱乐系系统，，其主主题是是关于于3025年的一一场未未来战战争；；英国国开发发的称称为““Virtuality””的虚拟拟现实实游戏戏系统统，配配有HMD，大大大增强强了真真实感感；1992年的一一台称称为““LegealQust”的系统统由于于增加加了人人工智智能功功能，，使计计算机机具备备了自自学习习功能能，大大大增增强了了趣味味性及及难度度，使使该系系统获获该年年度虚虚拟现现实产产品奖奖。26典型应应用军事与与航天天工业业。模拟训训练一一直是是军事事与航航天工工业中中的—个重要要课题题。这这为虚虚拟现现实技技术提提供了了广阔阔的应应用前前景。。美国国国防防部高高级研研究计计划局局DARPA自80年代起起一直直致力力于研研究称称为SIMNET的虚拟拟战场场系统统，以以提供供坦克克协同同训练练，该该系统统可联联结200多台模模拟器器。利利用虚虚拟现现实技技术模模拟战战争过过程已已成为为最先先进的的多快快好省省的研研究战战争、、培训训指挥挥员的的方法法。战战争实实验室室在检检验预预定方方案用用于实实战方方面也也能起起巨大大作用用。1991年海湾湾战争争开始始前。。美军军便把把海湾湾地区区各种种自然然环境境和伊伊拉克克军队队的各各种数数据输输入计计算机机内，，进行行各种种作战战方案案模拟拟后才才定下下初步步作战战方案案。后后来实实际作作战的的发展展和模模拟实实验结结果相相当一一致。。27典型应应用商业。。虚拟现现实技技术常常被用用于推推销。。例如如建筑筑工程程投标标时，，把设设计的的方案案用虚虚拟现现实技技术表表现出出来，，便可可把业业主带带入未未来的