【新编】网络虚拟现实技术

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1、虚拟现实技术 1 1虚拟现实技术 Virtual Reality 简称VR 又称灵 境技术 是集人工智能 计算机图形学 人机接口 技术 多媒体技术 网络技术 并行计算技术等多 种技术为一体的综合集成技术 虚拟现实技术 VR 主要包括模拟环境 感知 自然技能和传感器设备等方面 模拟环境是由计算 机生成的 实时动态的三维立体逼真图像 感知是 指理想的VR应该具有一切人所具有的感知 自然 技能是指人的头部转动眼睛 手势 或其他人体行 为动作 由计算机来处理与参与者的动作相适应的 数据 并对用户的输入做出实时响应 并分别反馈 到用户的五官 传感设备是指三维交互设备 虚拟现实技术的发展历程 虚拟现实技术

2、的发展基本上可以分为三个 阶段 第一阶段是20世纪50年代到70年代 是属于准备阶段 第二阶段是80年代初到80 年代中期 是虚拟现实技术走出实验室 进入实际应用阶段 第三阶段是从80年代 末至今 是虚拟现实技术全面发展时期 虚拟现实的特点 虚拟现实技术来源于三维交互式图形学 目前已发展成为 一门相对独立的学科 1 1沉浸性 虚拟现实技术是根据人类视觉 听觉的生理心理特点 由 计算机产生逼真的三维立体图像 使用者戴上头盔显示器 和数据手套交互设备 便可将自己置身于虚拟环境中 成 为虚拟环境中的一员 有种身临其境的感觉 1 2交互性 虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互 可通 过键盘 鼠

3、标 头盔 数据手套等设备进行交互 使用者 通过自身的语言 身体运动或动作等自然技能 对虚拟环 境中的对象进行触摸或操作 1 3多感知性 虚拟现实系统中装有视 听 触 动觉的传感及反应装置 因此 使用者在虚拟环境中可获得多种感知 亲身体验 交互操作的反应与感受 虚拟现实系统分类 1 桌面虚拟现实系统 2 沉浸式虚拟现实系统 1 沉浸桌 IMMERSEDESK 2 全景墙 POWERWALL 3 沉浸屋 CAVE 3 分布式虚拟现实系统 产生虚拟现实环境的工具集 1 产生虚拟现实环境的硬件 构建一个虚拟现实系统需要利用并集成高性能的计算机软 硬件及各类先进的传感器 其硬件主要包括了能实现动态 显示

4、三维场景的计算机与图形加速设备 实时跟踪和交互 装置以及各类传感器件等 虚拟现实系统的硬件组成 1 计算机与图像生成器 2 交互设备 六自由度 6D 鼠标 跟踪球 游戏杆 数据手 套 魔棒 3 位置跟踪器 机械传感器 超声波传感器 磁跟踪器 光学位置跟踪系统 惯性跟踪器 4 立体视觉装置 投影设备 立体视觉设备 网络虚拟现实技术 虚拟现实系统因为对硬件设备的要求非常高 而且还 有很多技术问题期待解决 因此阻碍了它的普及和应用 有些专家又提出了网络虚拟现实 virtual reality for web 的概念 网络虚拟现实是虚拟现实的一种 网络虚拟现实 指基于最基本的多媒体PC硬件环境 通 过

5、软件方法来实现的基于网络连接的虚拟现实系统 它与 设备无关 不强求沉浸感 也不排斥沉浸感 网络虚拟现实系统的组成 由用来生成虚拟环境的计算机 一个或多个计算机操作人员 用来与虚拟环境交互的人 机界面 网络环境 可以是局域网也可以是互联网 由 于网络虚拟现实对设备要求不高 因此对各种虚拟现实的 应用层次它都能满足 具有很大的伸缩性 特别容易普及 同时网络虚拟现实是直接针对目前发展迅猛的互联网提 出的 因此它有着光明的应用前景 网络虚拟现实提供了一种可以共享的的虚拟空间 使地理 上分散的用户在同一时间里可以交流与合作 共同完成某 项工作 可以广泛的应用于各个领域 网络虚拟现实的示 意图如图所示 虚

6、拟现实技术国内外的研究现状 1 V R技术在美国的研究现状 美国是虚拟现实技术研究的发源地 虚拟现实技术可 以追溯到上世纪40年代 最初的研究应用主要集中在美国 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 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 波音公司的波音777运输机采用全无纸 化设计 利用所开发的虚拟现实系统将虚拟环境叠加于真 实环境之上 把虚拟的模板显示在正在加工的工件上 工 人根据此模板控制待加工尺寸 从而简化加工过程 2 VR技术在欧洲的研究现状 在欧洲 英国在VR开发的某些方面 特别是在分布并

7、 行处理辅助设备 包括触觉反馈 设计和应用研究方面 在 欧洲来说是领先的 英国Bristol公司发现 VR应用的交点 应集中在整体综合技术上 他们在软件和硬件的某些领域 处于领先地位 英国ARRL公司关于远地呈现的研究实验 主要包括VR重构问题 他们的产品还包括建筑和科学 可视化计算 德国在VR的应用方面取得了出乎意料的成果在改 造传统产业方面 一是用于产品设计 降低成本 避免新产品开发的风险 一是产品演示 吸引客 户争取定单 二是用于培训 在新生产设各投入使 用前用虚拟工厂来提高工人的操作水平 3 VR技术在日本的研究现状 日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研 究中同样具有举足轻重的地

8、位 它在建立大规模 VR知识库和虚拟现实的游戏方面作出了很大的成 就 2004年开发出一种嗅觉模拟器 只要把虚拟 空间里的水果放到鼻尖上一闻 装置就会在鼻尖 处放出水果的香味 这是虚拟现实技术在嗅觉研 究领域的一项突破 4 国内虚拟现实技术研究现状 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 随着计算机图形学 计算机系统工程等技术的高速发 展 虚拟现实技术己经得到了相当的重视 引起我国各界人士 的兴趣和关注 研究与应用VR 建立虚拟环境 虚拟场景模 型 分布式VR系统的开发正朝着深度和广度发展 国家科委 国防科工委部己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

9、和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用井取 得了一些不错的研究成果 清华大学国家光盘工程研究中心所作的 布达拉宫 采用了 QuickTime技术 实现大全景VR制 浙江大学CAD哈尔滨 工业大学计算机系己经成功地合成了人的高级行为中的特定人 脸图像 解决了表情的合成和唇动合成技术问题 井正在研究 人说话时手势和头势的动作 语音和语调的同步等 虚拟现实技术的运用 自从虚拟现实技术诞生以来 已经在航空航天 视景仿真 船舶建造与设计 军事模拟 机械工程 先进制造 城 市规划 地理信息系统 医学生物等领域显示示出巨人的 经济 军事和社会效益 虚拟现实技术与网络 多媒体技 术并称为21 世纪最具应用前景的

10、三大技术 1 虚拟现实 视景仿真技术在军事上的应用 虚拟现实的技术根源可以追溯到军事模拟 最初的模拟 是用来训练飞行员能熟悉和掌握平时的和紧急情况下的飞 行环境 其实际的训练是通过将飞行员放在一个虚拟的环 境中来完成的 这种模拟不仅用来培训喷气式样飞机的飞 行员 还可以用来培训操纵坦克 武器和其他设备的军事 人员 美国的军事应用一直是推动虚拟现实技术发展的动力 1988年 美国国防部的先进研究计划署 ARRPA 就 备Simnet 这是一个连机网络 它将分布在世界各地 的200多个模拟舱连接在一个实时的虚拟环境中 它可 以连接各种各样的飞行器和车辆模拟器 如飞机和坦克 而且即使两地分割数千里

11、它们的驾驶员也可以进行 实时地交互 一名坦克乘员可以在位于加州沙漠的一 个座舱中 而另一个坦克乘员则可能在欧洲 每个座舱 都是独立的 而且利用各自的虚拟现实接口和计算机进 行模拟 模拟时 座舱通过计算机网络发送信号 而该 网络可以通过专用电话线或卫星链路连接世界各地的座 舱 在进行虚拟现实军事训练里 不必支付操作实际坦 克所需要支付的费用 这类虚拟训练大大地节省了燃油 而且还防止了环境污染 而在过去的实战演习中是不 可避免的 在陆军虚拟现实技术进度表中 下一阶段I Port 这是一 种使一个战士进入一个虚拟的仿真环境的单独入口 不久 的将来 进入该虚拟境界的人就可以在视觉和听觉上都投 入到与其

12、他战士 坦克 飞机等联网仿真环境中 这一切 都发生在合成战斗环境中的真实地形上 该战士将完全投 入该虚拟还击功能 这是通过使用一种可提供触觉和力反 馈的接口完成 2 虚拟现实技术在机械行业的运用 网络虚拟现实技术可以将概念化的产品或研发转换为计算 机可视化的立体虚拟产品样本 在机械制造过程过 利用 虚拟现实技术可将生产过程模拟化 利用电脑和网络实现 实时监控 调整 维护 可视觉化 同时将机械生产的产 品虚拟化 利用网络或系统平台实现对产品的研究 开发 检测 测试等多项功能 大规模的降低生产过程演示 生产过程监督 生产过程检测 生产过程学习的成本 提 高效率 降低误差 带来效益 研发过程和产品的

13、虚拟化将研发过程变成可控制的一个进 程 研发的过程的每个细节转化为虚拟演示 避免研发过 程的失误 危险 浪费 同时产品的虚拟化更是将研发成 型的各类动作避开 降低了制作样品成本 修改成本 通 过虚拟互动技术 可以直接对研发的动作进行模拟 修改 以虚拟的技术演示真实的过程 哈雷摩托 例如 工业仿真平台 集工业逻辑仿真 三维可视化虚拟表现 虚拟外设 交互等功能于一体 虚拟系统包括虚拟装配 虚拟 设计 虚拟仿真 员工培训四个子系统 虚拟装配 实现用户可定制设备零件库 并可在三 维可视化环境中实现设备零件的装配 虚拟设计 实现根据CAD图纸及设备零件参数 进 行设备及工厂的设计与改造 虚拟仿真 实现设

14、备参数 设备运转 生产运行流 程 设备交互操作仿真功能 员工培训 实现生产流程三维可视化演示 设备操 作虚拟交互培训 按岗位考试 事故预演 三维仿 真应急演练功能 模型化 角色化 事件化的虚拟模拟 使演练更接 近真实情况 降低演练和培训成本 降低演练风险 3 虚拟现实 视景仿真技术在建筑 城市规划中的 应用 建筑是受虚拟现实技术影响的另一个领域 建筑师可 以取得一幢房子或建筑物CAD数据 然后将它转化成一次 仿真 包括自来水龙头 电灯开关 门把手等等 在仿真 过程中它还可以修改照明 供暖 音响效果等等 通过使 用头盔显示器和数据好手套 建筑师可以引导用户进入仿 真的建筑物 头盔显示器可以让用户以不同的角度观察其 内部空间 同时 可以在建筑物中漫游 数据手套是实施 时改变窗户位置和门的宽度的关键设备 在漫游过程中所 做的任何修改都会自动的记录在数据库中 因而不必重新 输入建筑师就画出反映各种修改意见的最终图形 这类完善的建筑仿真还使得建筑师可以确定其设计是 否符合无障碍进入 例如 以为做在轮椅上的人 戴着头 盔显示器 将空间跟踪定位器固定在轮椅上 就可以进 入一幢虚拟建筑物 这种方法可以很容易的识别柜台高度 通道或其他以外的问题所带来的设计错误 4 虚拟现实 视景仿真技术在医学生物工程中的应用