计算机图形学虚拟现实文献综述

1、虚拟现实虚拟现实 技术的发展与应用技术的发展与应用 沈翔宇沈翔宇 （自动化（自动化08009101080091010800910108009101） 2 目目录录 引言引言3 3 一、虚拟现实的起源一、虚拟现实的起源3 3 二、虚拟现实的实现二、虚拟现实的实现4 4 三、虚拟现实技术的应用三、虚拟现实技术的应用5 5 四、虚拟现实技术现状四、虚拟现实技术现状6 6 五、虚拟现实技术的未来发展展望五、虚拟现实技术的未来发展展望8 8 参考文献参考文献9 9 3 引言引言 虚拟现实技术（简称 VR） ，又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征 的计算机高级人机界面。它综合利用了计算机图形

2、学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技 术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器 官功能， 使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与 之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间，具有广阔的应用前景。 一、虚拟现实的起源一、虚拟现实的起源 （一）虚拟现实的定义 VR 是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等 领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置， 自 然地对虚拟世界进行体验和交互作用。 使用者进行位置移动时， 电脑可以立即进行复杂的运 算，将精确的3D

3、 世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿 真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由 计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。 （二）虚拟现实的特点 VR 技术的每一步发展,都是围绕它的三个特征而前进的。这三个特征为沉浸特征、交 互特征和构想特征。这三个重要特征用以区别相邻近的技术,如多媒体技术、计算机可视化 技术 。沉浸特征,即在 VR 提供的虚拟世界中,使用户能感觉到是真实的进入了一个客观世 界;交互特征,要求用户能用人类熟悉的方式对虚拟环境中的实体进行观察和操纵;构想特征, 即“从定性和定量综合集成环境中得到感性和理性的认识

4、,从而深 化概念和萌发新意”(汪成为,1996) 。 （三）虚拟现实技术发展的三个阶段 VR 技术的发展大致可分为三个阶段:20 世纪 50 年代至 70 年代,是 VR 技术的准备阶段;80 年代初至80 年代中期,是VR 技 术系统化、开始走出实验室进入实际应用的阶段;80 年代末至 90 年代初,是 VR 技术迅猛发展的阶段。 第一阶段,5070 年代,为虚拟现实的探索阶段。1965 年由美国的 Morton Heileg 开发 了一个称做 Sensorama 的摩托车仿真器,不仅具有三维视频及立 体声效果,还能产生风吹的感觉和街道气味。 1968 年,美国计算机科学家I1E1Suthe

5、rland 在哈 佛大学组织开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器 HMD 及头部位置跟踪系统,成为 VR 技术发展史上的一个重要里程碑,为虚拟现实的发展奠定了基础。 第二阶段,80 年代初至 80 年代中期,开始形成 VR 技术的基本概念,开始由实验进入实 用阶段,其重要标志是:1985 年在Michael Mc Greevy 领导下完成的 VIEW 虚拟现实系统,装 备了数据手套和头部跟踪器,提供了手势、 语言等交互手段,使 VIEW 成为名副其实的虚拟现 实系统,成为后来开发虚拟现实的体系结构。其他如VPL公司开发了用于生成虚拟现实的 RB2 软件和 DataGlove 数据手套,为虚拟

6、现实提供了开发工具。 第三阶段,80 年代末至90 年代初,为虚拟现实全面发展阶段。 虚拟现实技术已经从实验 室的试验阶段走向了市场的实用阶段,对虚拟现实技术的研究也从基本理论和系统构成的研 究转向应用过程中所遇到的具体问题的探讨。 在虚拟现实系统中只有各种交互设备还不够,还必须提供基本的软件支撑环境,用户能方 4 便地构造虚拟环境并与虚拟环境进行高级交互。为了使 VR 技术得到广泛应用,很有必要分 析虚拟现实系统软件支撑环境体系结构,例如 Dialogue 系统,提出了一种通过基于事件驱动 的中驱用户接口管理系统(UMIS) ,能进行多进程通讯的软件体系结构,解决了虚拟现实的动 态灵活性问题

7、,推进了软件支撑环境的发展。为了满足虚拟现实对计算复杂性的几乎是无限 的要求,虚拟现实系统必须提供足够强的灵活性及可扩充性。要做到这一点,可以从软件与硬 件两方面来考虑,在硬件体系结构方面,DIVISON 公司在 Super Vision 系统中提出了一种基 本的并行模型,开发了相关的并行处理器件和 DVS 操作系统,使虚拟现实得以全面发展。 二、虚拟现实的实现二、虚拟现实的实现 （一）虚拟现实用以下3 种基本技术进行了概括： 1、三维计算机图形学技术； 2、采用多种功能传感器的交互式接口技术； 3、高清晰度显示技术。 （二）虚拟现实系统的技术 1、 虚拟现实首先是一种可视化界面技术，可以有效

8、地建立虚拟环境，这主要集中在两 个方面，一是虚拟环境能够精确表示物体的状态模型，二是环境的可视化及渲染。 2、 虚拟现实仅是计算机系统设置的一个近似客观存在的环境， 为用户提供逼真的三维 视感、听感、触感和嗅感的感受。它是硬件、软件和外围设备的有机组合。 3、用户可通过自身的技能以6 个自由度在这个仿真环境里进行交互操作。 4、 虚拟现实的关键是传感技术。 5、 虚拟现实离不开视觉和听觉的新型可感知动态数据库技术。 可感知动态数据库技术 与文字识别、 图像理解、语音识别和匹配技术关系密切，并需结合高速的动态数据库检索技 术。 6、 虚拟现实不仅是计算机图形学或计算机成像生成的一幅画面， 更重要

9、的是人们可以 通过计算机和各种人机界面与机交互，并在精神感觉上进入环境。它需要结合人工智能， 模 糊逻辑和神经元技术。 （三）几种实现技术举例 1、一种新的基于顶点聚类的网格简化算法 5 2、基于图像绘制虚拟现实技术 基于图像绘制虚拟现实技术利用摄像机拍摄的真实图像， 经过图像处理把一系列图像合 成全景图，再重新构成新的视图。这种方法不需要建模，场景逼真度高，场景的处理与场景 的复杂度无关，只与图像分辨率有关。 3、利用分形理论实现虚拟现实 分形理论认为， 分形曲线、 曲面具有精细结构， 表现为处处连续， 但往往是处处不可导， 其局部与整体存在存在惊人的自相似性。正是在上述认识的基础上，产生了

10、迭代函数系统。 三、虚拟现实技术的应用三、虚拟现实技术的应用 早在20 世纪 70 年代便开始将虚拟现实用于培训宇航员。由于这是一种省钱、安全、 有 效 的培训方法，现在已被推广到各行各业的培训中。目前，虚拟现实已被推广到不同领域 中，得到广泛应用。 （一）演化岩石圈地域断层结构 以 OpenGL&VC+.NET 作 为软件开发平台，研制了虚拟现 实表达系统软件，通过计算得到 关键帧之间的中间帧。根据不同 地质年代中断面构造演化的具 体过程，以时间序为准即时演算 6 得到反映整个构造演化史的三维过程， 最终实现亚东格尔木 地学断面构造演化历史的动态虚拟现实可视化表达来再现青 藏高原岩石圈演化和

11、动力学过程。 （二）构造虚拟矿山系统 基于OPENGL 开发建模 （三）3P-6SS并联仿真系统 通过运用 OpenGL 技术，对该并联机构工作过程中的动作、运行路径进行计算机图形 化仿真，使研究人员可以基于这个虚拟现实，考查、验证其理论工作原理、工作空间、运行 功能和运动学方程求解的有效性、准确性和实时性，并能够根据情况作相应的调整，简化了 研究过程，同时节省了科研费用。 （四）人人界面的实现 人-人界面研究的特点是集基础研究、应用研究，软件开发、 计算机 图形学、虚拟现实技术等为一身所开展的综合研究 四、虚拟现实技术现状四、虚拟现实技术现状 （一）国外 7 国外虚拟现实技术的研究现状 VR

12、 技术最早在20 世纪中期由美国 VPL 探索公司和它 的创始人 Jamn IJaIlier 提出这一概念，后来美国宇航局(NASA)的艾姆斯空间中心利用流行 的液晶显示电视和其它设备，开始研制低成本的虚拟现实系统，推动了该技术硬件的进步。 目前，虚拟现实技术已获得了长足的发展。在国内，20 世纪80 年代末开始进行研究，目前 还处于初级阶段。 1、 美国虚拟现实技术的研究动态 美国作为VR 技术的发源地，其研究水平基本上就代表国际 VR 发展的水平。目前美国 在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。 美国宇航局(NASA)的 Ames 实验室研究主要集中在以下方面

13、：将数据手套工程化，使 其成为可用性较高的产品； 在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真； 大量运用了面向 座舱的飞行模拟技术； 对哈勃太空望远镜的仿真。 现在正致力于一个叫 “虚拟行星探索” (vPE) 的试验计划现在 NASA 己经建立了航空、卫星维护 VR 训练系统，空间站 VR 训练系统， 并 且已经建立了可供全国使用的 VR 教育系统。 北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早的大学， 他们主要研究分子建模、 航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。 LomalAnda 大学医学中心的 David Warner 博士和他的研究小组成功地将计算机图形及 VR 的设备用于探讨与

14、神经疾病相关的问题，首创了 VR 儿科治疗法。 麻省理工学院(MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术 都是VR 技术的基础，1985年 M1T 成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。 华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(1ilT lab)，将VR 研究引入了教育、 设计、娱乐和制造领域。 从 90 年代初起，美国率先将虚拟现实技术用于军事领域，主要用于以下四个方面：虚 拟战场环境；进行单兵模拟训练；实施诸军兵种联合演习；进行指挥员训练。 2、英国和日本虚拟现实技术的研究与开发 在 VR 开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备(包括触觉反馈)设计

15、和应用研究 方面，英国是领先的，尤其是在欧洲。 英国主要有四个从事 VR 技术研究的中心：Windustries(工业集团公司)，是国际 VR 界 的著名开发机构，在工业设计和可视化等重要领域占有一席之地；BritishAerospace(英国航 空公司BAe)的Brough分部， 正在利用VR技术设计高级战斗机座舱； Dimension International， 是桌面 VR 的先驱。该公司生产了一系列的商业VR 软件包，都命名为 Superscape；Divison LTD公司在开发 VISION、Pro Vision 和 supervision 系统模块化高 速图形引擎中，率先使用了

16、Tmnsputer 和i860 技术。 日本主要致力于建立大规模VR 知识库的研究， 在虚拟现实的游戏方面的研究也处于领 先地位。京都的先进电子通信研究所(ATR)正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势 和面部表情， 并把它们作为系统输入；富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与VR 环境 的相互作用， 他们还在研究虚拟现实中的手势识别， 已经开发了一套神经网络姿势识别系统， 该系统可以识别姿势， 也可以识别表示词的信号语言。 日本奈良尖端技术研究生院大学教授 千原国宏领导的研究小组于 2004 年开发出一种嗅觉模拟器，只要把虚拟空间里的水果拉到 鼻尖上一闻， 装置就会在鼻尖处放出水果的香味

17、， 这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项 突破。 （二）国内 我国虚拟现实技术的研究现状： 国内虚拟现实研究蓬勃发展，研究机构包括北京航空航天大学、浙江大学、中科院计算 所、清华大学、武汉大学和华南农业大学等。 8 我国VR 技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距， 但现在已引起国家有关 部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展 VR 技术的研究计划。九五规 划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把 VR 列入了研究项目。国内一些 重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行 VR 研究、 最有权威的单位之一， 并在以下

18、 方面取得进展：着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视 觉接口方面开发出部分硬件， 并提出有关算法及实现方法； 实现了分布式虚拟环境网络设计， 可以提供实时三维动态数据库、 虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟 现实应用系统的开发平台等。 浙江大学CAD&CG 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统， 还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法；哈尔 滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、 表情的合成和唇动的 合成等技术问题；清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了 研

19、究；西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术立体显示技术进行了研 究，提出了一种基于 JPEG标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压 速度；北方工业大学CAD 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一 部完全用计算机动画技术制作的科教片相似就出自该中心。 五、虚拟现实技术的未来发展展望五、虚拟现实技术的未来发展展望 虚拟现实技术依赖于计算机的高速运算和传输。 高速运算和传输能解决虚拟现实环境的 复杂逼真的环境构造和海量数据处理的问题， 从而解决因计算和传输滞后引起参与者的心理 疾病。虚拟体的基本属性是与几何、物理和生物行为融合的。再好的真实感也离不开虚拟

20、体 的仿真行为。虚拟现实技术的真实感主要体现在视觉和听觉上， “多感知交互”正在成为热 点。对力反馈系统的进一步研究、嗅觉、味觉和体表感受都是未来虚拟现实的内容。基于互 联网的虚拟现实伴随互联网的发展而成为热点。 我国的虚拟软件还处于起步的阶段，希望国内有更多的自主知识产权的开发平台。 国内的食品安全问题严峻，利用虚拟现实技术重现农作物生产过程中的病虫害和治理过程， 并计算污染程度等，在源头杜绝污染是食品安全监测的有效手 段之一。 广阔的应用领域又向虚拟现实技术提出了新的创意和难题， 应进一步推动虚拟现实的发 展，目前VR 技术的发展仅限于人们的想象力。 虚拟现实发展前景十分诱人，而与网络通信特性的结合，更是人们所梦寐以求的。在某 种意义上说它将改变人们的思维方式，甚至会改变人们对世界、自己、空间和时间的看法。 它是一项发展中的、具有深远的潜在应用方向的新技术。利用它，我们可以建立真正的远程 教室，在这间教室中我们可以和来自五湖四海的朋友们一同学习、讨论、游戏，就像在现实 生活中一样。 使用网络计算机及其相关的三维设备， 我们的工作、 生活、