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1、虚拟现实理论与技术【摘要】 ：21世纪的人类社会是信息化社会，以信息技术为主要标志的高新技术产业在整个经济中的比重不断增加，多媒体技术及产品是计算机产业发展的活跃领域。虚拟现实理论与技术的应用，使设计思路和设计表达如虎添翼。它是随着科学和技术的进步、军事和经济的发展而兴起的一门由多学科支撑的新理论技术，可以很好地面对市场全球化的要求，并且有助于人们更好地去解决资源问题、环境问题与需求多样性问题。与传统开发设计的产品相比，大大减少了投放市场的风险性，也为企业决策人寻找商机、判断概念产品能否进一步开发生产，提供更好的依据，也为人类的生活和工作提供全新的信息服务。本文将从虚拟现实定义及原理、特征、应
2、用、未来发展方向及研究重点方面介绍虚拟现实理论与技术。【关键词】 ：虚拟现实 理论 技术 研究状况 发展方向【Abstract】 ：Modular fixture configuration design is a complicated task requiring strong professional background and practical experience. However, automated or semi-automated computer aided modular fixture systems based on CAD packages still are
3、not well accepted by the manufacturing industry due to the lack of intuitive interaction and immediate feedback compared with traditional models such as paper and physical models. In this paper, a novel Virtual Reality-based system for interactive modular fixture configuration design is presented. W
4、e use a multi-view based modular fixture assembly model to assist information representation and management. In addition, the suggested strategy is compatible with the principles of virtual environment and it is easy to reutilize the element model. Based on geometric constraints, we propose a precis
5、e 3Dmanipulation approach to improve intuitive interaction and accurate 3Dpositioning of fixture components in virtual space. Thus, the modular fixture configuration design task can precisely be performed in virtual space.【1】【Key words】 ：virtual reality, theory, technology, research status，developme
6、nt direction.目录第一章 ：虚拟现实理论与技术31.1、虚拟现实的定义及原理31.2、虚拟现实特征41.2.1、多感知性(Multi-Sensory)41.2.2、浸没感(Immersion)41.2.3、交互性(Interactivity)41.2.4、构想性(Imagination)41.3、虚拟现实的发展历程51.4、国内外虚拟现实的研究现状71.4.1、虚拟现实技术在美国的研究现状71.4.2、虚拟现实技术在欧洲的研究现状81.4.3、虚拟现实技术在日本的研究现状91.4.4、国内虚拟现实技术研究现状9第二章：虚拟现实理论与技术应用举例102.1、虚拟现实技术在美军模拟训练
7、中的应用现状及发展102.1.1、构建虚拟战场环境102.1.2、进行单兵模拟训练102.1.3、通过网络进行异地同环境作战训练112.1.4、进行军事指挥人员训练122.1.5、提高指挥决策能力132.1.6、缩短武器装备的研制周期132.1.7、信息网络虚拟战142.2、虚拟现实技术在化学教学中的应用现状分析142.2.1、ChemLab142.2.2、IrYdium Chemistry Lab152.2.3、浙江大学有机化学虚拟实验室162.2.4、金华科仿真化学实验室172.2.5、东师理想初中化学虚拟仿真实验室软件172.3、虚拟现实技术在机械设计与制造中应用182.3.1、虚拟产品
8、概念设计182.3.2、虚拟设计192.3.3、虚拟制造19第三章 ：虚拟现实理论与技术的发展方向及研究重点203.1、虚拟现实技术的几个瓶颈问题203.1.1、虚拟环境表示的准确性203.1.2、虚拟环境感知信息合成的真实性203.1.3、人与虚拟环境交互的自然性203.1.4、实时显示问题203.1.5、图形生成203.1.6、智能技术(Artificial Intelligence，简称AI)213.2、虚拟现实技术的未来发展趋势213.2.1、动态环境建模技术223.2.2、实时三维图形生成和显示技术223.2.3、新型交互设备的研制223.2.4、智能化语音虚拟现实建模223.2.5
9、、分布式虚拟现实技术的展望22第四章 ：个人感想及总结234.1、个人感想234.2、整体总结24附录一：分工说明25附录二：参考文献25第1章 ：虚拟现实理论与技术1.1、虚拟现实的定义及原理虚拟现实，(Virtual Reality，简称VR;又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚
10、拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。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【2】。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复
11、杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。1.2、虚拟现实特征1.2.1、多感知性(Multi-Sensory)所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等【3】。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。 1.2.2、浸没感(Immersion)又称临场感或存在感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环
12、境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。 1.2.3、交互性(Interactivity)指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。 1.2.4、构想性(Imagination)又称为自主性强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的
13、环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。 一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。1.3、虚拟现实的发展历程虚拟技术（以下简称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，50
14、70年代，为虚拟现实的探索阶段【4】。1965年，由美国的MortonHeileg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I1E1Sutherland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及头部位跟踪系统（如图1.3a），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。图1.3a：头部位跟踪系统第二阶段，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MichaelMcGreevy领导下完成的VIEW虚拟现
15、实系统（如图1.3b），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，为虚拟现实提供了开发工具。图1.3b：VIEW虚拟现实系统第三阶段，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，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，可以从软件与硬件来考虑，在硬件体系结构方面，DIVISON公司在SuperVision系统（如图1.3c）中提出了一种基本的并行模型，开发了并行处理器件和
