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1、昨天的创新,今天的标准谈虚拟现实技术及其应用 黄南华李治柱 li-摘 要 本文介绍了一项新的技术-虚拟现实，它的重要特征、软/硬件设备及建模软件-VRML，特别介绍了它在各个领域的应用。作为一个很有潜力的技术,它是一种可视化的工具,并可以运用在远程培训、通讯、新手培训、定位和导航等方面。关键词 虚拟现实 沉浸性 交互性 VRML Abstract In this paper， I introduce a new technology-Virtual Reality and its vital characteristic, hardware/software equipment and Vi
2、rtual Reality modeling language VRML. The work-related application that appear to be most promising are those that employ virtual reality for visualization and representation, distance training and communication, hands-on training and orientation and navigation Key words virtual reality，immersion，in
3、teraction，VRML1 引言虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）或称虚拟环境（Virtual Environment，简称VE）技术是二十世纪末发展起来的由应用驱动的涉及众多学科的高新实用技术，是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感器技术的基础上发展起来的一门交叉技术。它利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种传感设备使用户沉浸到该环境中去。虚拟现实系统的目标就是要去除系统和用户环境之间的界限，极大地突破了事物表达传统方法的局限，使人们可以将任何想象的环境虚拟实现，并且人们可以在其中以最自然的动作与这种虚拟现实进行交流。虚拟现实是一门比较新的技
4、术，但却引起了广泛地关注，人们已经认识到：虚拟现实是下一代的用户界面。虚拟现实中的“虚拟”指的是利用虚拟现实技术所产生的局部世界是虚构的，而“现实”说明对于进入这一虚构的局部世界的人来说，在感觉上是进入了现实世界。11虚拟现实的特征Grigore Burdea和Philippe Coiffet在著作“Virtual Reality Technology”一书中指出，虚拟现实具有三个最突出的特征，也是人们称为三“I”特性，即交互性(interactivity)、沉浸感(Illusion of Immersion)和想象性(imagination)。交互性主要是指参与者通过使用专门设备，用人类的自
5、然技能实现对模拟环境的考察与操作的程度，例如用户可以用手去直接抓取模拟环境中的物体，且用户有抓东西的感觉，还能感到物体的重量，视场中被抓起的物体也应随手的移动而移动。虚拟现实并不只是一种媒介或一个高层终端用户界面，它的应用能解决在工程、医学、军事等方面的一些问题。沉浸感是虚拟现实最主要的技术特征。虚拟现实的追求目标是力图使用户在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种“全身心投入”的感觉状态，有身临其境感。在该环境中的一切，看上去是真的、听起来是真的、动起来也是真的，一切感觉如真。用户觉得自己是虚拟环境中的一个部分，而不是旁观者。沉浸感认知存在感图像 交互 行为导致沉浸感的原因是用户对计算机环境的
6、虚拟物体产生了类似于对现实物体的存在意识或幻觉。为此必须具备3种基本要素：图像、交互和行为，他们是相互关联的（关系如右图）。它们对于用户的“存在”意识的影响、进而导致“沉浸感”的过程实际上基于人的认知机理。所以有人认为：“心理学是虚拟现实的物理学”。虚拟现实技术将从根本上改变人与计算机系统的交互操作方式。在一个理想的虚拟现实世界中，使用者根本无法确定他们是面对的计算机所仿真的环境还是面对的一个真实世界。实现一个虚拟现实环境一般需要高速、高质量的三维图形、三维音频以及诸如头盔显示器和数据衣等硬件，以便获得高度的逼真性和可信度。2 虚拟现实的软硬件状况分析一个基本的虚拟现实系统由虚拟环境发生器、虚
7、拟环境、传感器件、作用器件及人组成。虚拟现实的模型图如下：（感觉）人（动作）传感器件作用器件虚拟环境（产生）虚拟环境发生器感觉信息作用信息具有临境感和交互性的虚拟现实系统的基本构成应包括：虚拟现实发生器、声音合成器、3D声音定域器、语音识别器、跟踪器、触/动觉系统、头盔显示器、数据手套等硬件系统；以及虚拟现实境界构造程序和有关虚拟现实境界的数据库等软件系统。虚拟现实系统中的计算机主要要完成三项任务：虚拟环境的生成与管理、数据输入、数据输出。为了使系统拥有较好的交互性能，不同的任务要使用一些特殊的软硬件。与虚拟现实有关的软硬件更新很快，因此，有必要简单讨论这些现代化的设备。21 数据输入/输出的
8、软硬件设备虚拟现实发生器是虚拟现实系统的核心，由装有虚拟现实境界数据的数据库和构造程序组成，主要进行虚拟环境的生成以及数据的输入和输出。11输入数据的软硬件设备语音信号的输入语音输入为用户与虚拟环境交互提供了一种方便的方法。提供语音输入功能需要一个普通的麦克风和某种语音识别软件。语音识别技术发展至今，已经能在货架上见到待出售的语音识别软件。这种软件有：SoundBlaster 公司的Voice-Assist 软件，Command 公司的IN voice软件，以及Dragon 系统的DragonDictate 软件。肌肉信号的输入生物控制器是用于捕捉特性命令的输入设备。它能够捕捉活动，如肌肉的运
9、动，并且产生电子信号。例如：位于眼睛附近的皮肤上的电极能够捕捉到眼部肌肉的活动，从而允许我们能够通过眼部肌肉的运动而遨游于虚拟世界。这种设备仍然处于实验阶段。手部运动信号的输入用于捕捉设计者的手势和手部运动的输入设备可分为三种：跟踪设备、点输入设备、手套型设备。跟踪设备用于捕捉设计者的手或头的位置和方向，以或机械的，或超声波的，或磁学的，或光学的系统为基础的捕捉传感器都是可选用的。这种设备的一个例子是Ascension技术公司的Flock of Birds。跟踪器能感知参与者六自由度（6DOF）的视线及头、手乃至全身肢体的物理位置和取向，并转换成虚拟环境中的相应图像。点输入设备包括六自由度鼠标
10、和力矩球。手套型设备是用含电线的布料做的手套，戴在手上就象一般的手套一样。其中包有或纤维光学式的，或电子式的，或电阻式的传感器，这些传感器可以测量手指关节的位置。常用的有数据手套。数据手套可以捕捉手指和手腕的相对运动，从而为虚拟现实系统提供虚拟境界使用的各种信号，它可抓取或推动虚拟物体，也可由虚拟物体作用于手。212 输出数据的软硬件设备可听信号的输出可听输出有一个优势，即它是可以与可视信息同时存在的交流渠道。3D声音可以用不同的声音表现不同的位置，因此给我们一种更加接近真实的虚拟体验。声音合成器和3D声音定域器采集或合成声音，并能使其在360度的球体中空间化，使参与者不仅能听到三维立体声，而
11、且能感受到声音的确切位置。可视信号的输出3D可视反馈可以使用两种类型的技术。第一种是头盔显示器，它一般使用两支液晶显示（LCD）屏幕，给每一只眼睛都提供独立的图像。头盔显示器将图像直接提供给双眼，并将无关信息滤掉，配合头部位置跟踪器，当参与者转动头时，头盔显示器的屏幕显示不同的部位；当走动时，屏幕内容随之更新，使参与者产生纵深感。第二种是使用立体形象监视器和LCD保护眼睛。在这种系统中，虚拟景象的两个形象（一只眼睛看一个）在监视器中以非常高的速率交替显现，从而产生一个立体感的形象。可触信号的输出这种类型的反馈设备使用户能感觉到虚拟环境中的力，并能感觉到与物体接触时受物体的阻碍。模拟不同情况下触
12、觉反馈的一个方法是使用电信号或手上不同方向的振动。另一个途径是在手套中使用可充气的袋子提供触觉反馈。对于力的反馈，一些机械设备（臂）可以在用户试图操作虚拟环境下的物体时提供阻力的作用。22 建模软件虚拟现实发展至今，已有了许多的建模软件，它们使用的机制各有不同，对用户的要求也有高低，当然，其功能上的差异也是很大的。其典型代表为：Rend386是一个免费的程序库和世界播放器，功能较弱，适于DOS环境；World Tool Kit for Windows 是Sense8公司以Windows动态连接库的形式发布的虚拟现实程序库，在标准SVGA下运行，可以在窗口中显示带纹理映射的虚拟世界，也可全屏显示
13、。该程序支持DDE，因而可以通过电子表格、数据库或其它程序来控制虚拟世界；OpenGL（开放式图形语言）是Silicon Graphics 开发的一种建立图形库的语言，该语言功能强大，是实现虚拟现实的较好工具，但由于其编程量大，又较难掌握，因此目前只在专业人员中有较广的应用；虚拟现实建模语言VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一种网络上使用的描述三维环境的场景描述语言。目前已有VRML1.0、VRML2.0、VRML97等几种版本。VRML是使虚拟现实技术在Internet网页上得以实现的工具。VRML的基本特征包括：分布式、交互式、平台无关、多媒体
14、集成、逼真自然等，被称为第二代Web。VRML虚拟空间生成系统（VRML Authoring Software）可以使用户通过可视化拖放的方法，人机交互地生成VRML虚拟空间，并保存于VRML文件（扩展名为 .wrl）中，而用户完全不需要掌握VRML的语法和规范。VRML的代码可以描述三维立体的场景，以及在用户的操作下这些场景的变化。它的代码与HTML 一样是以文本或ASCII码形式编写的，一般由成百上千预定义的基元图形组成。从最严格的意义上讲 VRML 不算是一种编程语言，至少它不是编程人员所说的编译型语言。VRML的实现基础是一个利用 HTTP 协议传输数据的全球网，和SGI设计的Open
15、 Inventor 文件格式，它是完全跨平台的。VRML 文件的访问方式是基于客户/服务器模型的。虽然 VRML 文件的一个重要特征是能够通过包含关系把文件组织在一起，利用层次性的文件和包含关系创建任意大的场景。但是这也是 VRML 本身的弱点，造成了它对复杂对象或场景进行表现时的复杂性。因为场景一复杂，构成场景的多边形和面的数量也就多了，而且还要牵涉到各个面和多边形的相对坐标位置的复杂关系，所以单纯地用手工来编写 VRML 的代码还是不合适的。目前已经有了 VRML 的场景编辑器，如：Cosmo 公司的 HomeSpace Builder、Platinum Technology 公司的 虚拟现实Creator 等。利用VRML 的场景编辑器可以帮助你完成对虚拟场景的构造。3虚拟现实的应用虽然虚拟现实技术还不够成熟，但它在许多领域都有潜在的应用。它作为一门新兴的科学，无论是在航空、航天、船舶、医学等高技术领域，还是在教育、娱乐、商业等方面都显示出了诱人的应用前景。随着相关硬件、软件成本逐渐降低以及技术方面不断取得新的突破，虚拟技术的应用领域还将迅速扩大。它是一种可视化的工具，它提供了远程培训和通讯，并可用于定位和
