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1、虚拟与现实技术概述前言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。早期的计算机只能处理数和字，现在多媒体计算机能够综合处理声、文、图信息，使多种信息建立逻辑连接集成为一个系统，并具有交互性。虚拟现实技术是目前在计算机领域中一项发展最快的多学科综合技术，已经被广泛地应用于许多领域。本文综述了虚拟现实技术的概念，特征，原理和国内外研究应用进展，以及对于此项课程的总结与建议。1 虚拟现实的简介1.1 虚拟现实的概念虚拟现实(Virtual Reality，简称VR;又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，
2、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。关于虚拟现实的定义，可以从狭义和广义两个层面来理解。所谓狭义的，被认为是一种先进的人机界面，在这种情况下，虚拟现实技术被称为“基于自然的人工界面”，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，
3、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。广义的，即对虚拟想象（三维可视化的）或真实三维世界的模拟。它不仅仅是一种界面，更重要的部分是内部的模拟，人机交互界面采用虚拟现实的方式界面，对某个特定环境真实再现后，用户通过自然的方式接受和相应模拟环境的各种感官刺激，与虚拟世界中的人及物体进行思想和行为等方面的交流。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、
4、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。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复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 虚拟现实的特征虚拟现实系统提供了一中先进的人机界面，他通过为用户提供视觉、听觉、触觉等多种直观而自然的实时感知交互的方法和手段，最大程度地方便了用户的操作，从而减轻了用户的负担、提高了系统的工作效率。其效率主要由系统的沉浸程度与交叉程度来决定。1.2.1 沉浸性 (Immersion)沉浸性又称进入性，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
5、环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。其中，沉浸包括好多种。除了视觉沉浸之外，还有听觉沉浸、力觉沉浸、触觉沉浸、运动沉浸，甚至包括味觉沉浸、嗅觉沉浸等。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沉浸功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。1.2.2 交互性 (Interactivity)在虚拟现实系统中，交互性的现实与传统的多媒体技术有所不同。指用户对模拟环境内物
6、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。交互性具有以下特点：（1）虚拟环境中人的参与与反馈；（2）人机交互的有效性；（3）人机交互的实时性。 1.2.3 想象性 (Imagination)想象性是指虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。它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
7、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。例如，在建设一座大楼之前，传统的方法就是要画各种图纸，而现在可以采用虚拟现实系统来进行设计与仿真。1.3 虚拟现实的应用领域虚拟现实的应用领域非常广泛，重点研究心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学和多媒体技术等多学科融合技术，研究医学、娱乐、艺术与教育、军事及工业制造管理等多个相关领域的虚拟现实技术和系统。2 虚拟现实涉
8、及的关键技术2.1 自然交互与传感技术虚拟现实技术中强调自然交互性，即人处在虚拟世界中，与虚拟世界进行交互，甚至意识不到计算机的存在，即在计算机系统提供的虚拟现实空间在，人可以使用眼睛。耳朵、皮肤、手势和语音等各种感觉方式直接预支发生交互，这就是虚拟环境下的自然交互技术。目前，与虚拟现实技术中的其他技术相比。这种自然交互技术相对不太成熟。2.1.1 自然交互人们研究“虚拟现实”的目标是实现“计算机应该适应人，而不是人适应计算机”，认为人机接口的改进应该基于相对不变的人类特性。在虚拟现实技术中，人机交互可以不再借助键盘、鼠标、菜单，而是使用头盔、手套甚至向“无障碍”的方向发展，从而使最终的计算机
9、能对人体有感觉，能聆听人的声音，通过人的所有感官进行沟通。2.1.2 多通道 多通道界面是在充分利用一个以上的感觉和运动通道的湖北特性来捕捉用户的意向，从而增进人机交互中的可靠性与自然性。 现在，计算机操作时，人的眼和手十分累，效率也不高。虚拟现实技术可以将听、说、眼等协同工作，实现高效人机通信，还可以由人或机器选择最佳反应通道，从而不会是某一通道负担过重。2.1.3 高“带宽” 现在计算机输出的内容已经可以快速、连续地显示彩色图像，其信息量非常大。而人们的输入却还是使用键盘一个又一个地敲击，虚拟现实技术则可以利用语言、图像及姿势等的输入和理解进行快速大批量地信息输入。2.1.4 非精确交互技
10、术 这是指能用一种技术来完全说明用户交互的目的的交互方式，键盘和鼠标均需要用户的精确的输入。但是，人们的动作或思维往往并不是很准确，而计算机应该理解人的要求，甚至于纠正人的错误，因此虚拟现实系统智能化的界面将是一个重要的发展方向。通过交互作用表示事物的现实性传统的计算机应用方式中，人机交互的媒介是Ian果真是思维用符号表示，是对现实的抽象代替，而虚拟现实技术则可以是这种媒介成为这是事物的复现、模拟甚至想象和虚构。他能使用户感到比官方是在使用计算机，二是在直接与应用对象打交道。2.2 实施碰撞检测技术为了保证虚拟环境的真实性，用户不仅要能从视觉上如实看到虚拟环境中的虚拟物体以及它们的表现，而且能
11、身临其境地与它们进行各种交互，这就首先要求虚拟环境中的固体物体是不可穿透的，当用户接触到物体并进行拉、推、抓取时，能真实碰撞的发生并实时做出相应的反应。这就需要虚拟现实系统能够及时检测出这些碰撞，产生相应的碰撞反应，并及时更新场景输出，否则就会发生穿透现象。正是有了碰撞检测，才可以避免诸如人穿墙而过等不真实情况的发生，虚拟的世界才有真实感。碰撞检测问题是计算机图形学等领域中有很长的研究历史。精确的碰撞检测对提高虚拟环境的真实性、增加虚拟环境的沉浸性有十分重要的作用，而虚拟现实系统中高度的复杂性与实时性又对碰撞检测提出了更高的要求。在虚拟世界中通常包含有很多静止的环境对象与运动的活动物体，每一个
12、虚拟物体的几何模型往往都是由成千上万个基本几何元素组成，虚拟环境的几何复杂度是碰撞检测的计算复杂度大大提高，同时由于虚拟现实系统中有较高实时性的要求，要求碰撞检测必须在很短的时间（3050ms）完成，因而碰撞检测成了虚拟现实系统与其他实时仿真系统的瓶颈，碰撞检测是虚拟现实系统研究的一个重要技术。2.2.1 碰撞检测的要求在虚拟现实系统中，为了保证虚拟世界的真实性，碰撞检测须有较高的真实性和真确性。2.2.2 碰撞检测的实现方法最原始最简单的碰撞检测方法是一种蛮力的计算方法，即对两个几何模型中所有几何元素进行两两测试，尽管这种方法可以得到正确的结果，但当模型的复杂度增大时，它的计算量过大，这种相
13、交测试将会变得十分缓慢，显得无法忍受。这样虚拟现实系统等的要求相差甚远。对两物体间的精确碰撞检测的加速实现，现有的碰撞检测算法主要可划分为两大类：层次包围盒法和空间分解法。这两种方法的目的都死为了尽可能的减少需要相交测试对象对或者基本几何元素对的数目。2.3 环境建模技术在虚拟现实技术中，营造的虚拟环境是它的核心内容，要建立虚拟环境，首先建模，然后在其基础上再进行实时进行绘制、立体显示，形成一个虚拟的世界。虚拟环境建模的目的在于获取实际三维环境的三维数据，并根据其应用的需要，利用或取得三维数据建立相应的虚拟模型。只有设计出反映研究对象的真实有效的模型，虚拟现实系统才有可信度。2.3.1 虚拟现
14、实技术系统中的虚拟环境2.3.1.1 模仿真实世界中的环境。例如建筑物，武器系统或战场环境。这种真实环境可能是已经存在的，也可能是已经设计好但还没有建成的。这一类虚拟现实系统的功能实际是系统仿真。 2.3.1.2 人类主管创造的环境.例如用于影视制作或电子游戏的三维动画。环境是虚构的，几何模型和物理模型就可以完全虚构。这时，系统的动画技术常用插值方法。 2.3.1.3 模仿真是世界中人类不可见的环境例如分子的结构，空气中速度，温度，压力的分布等。这种真实环境是真实存在的，但是人类的视觉和听觉不能被感觉到。对于分子机构这类微观环境，可以将其进行放大等，这一类虚拟现实系统的功能，实际是科学可视化。
15、2.3.2 环境建模包括方面包含视觉，听觉，触觉，力觉，味觉等多种感觉通道的建模。包含技术有几何建模技术，物理建模技术，行为建模技术，听觉建模技术等。2.4 真实感实时绘制技术所谓真实感实时绘制技术是指在计算机中重现真实世界场景的过程。真实感绘制的主要任务是要模拟真是物体的物理属性，即物体的形状，光学性质，表面的文明里和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等。所谓实时绘制是指当用户试点发生变化时，他所看到的场景需要及时更新，这就要保证图形显示的速度必须跟上视点的改变速度，否则就会产生迟滞现象，一般来说要消除迟滞现象，计算机每秒钟必须生成20帧以上的图像。此外，系统往往还要对场景进行光照明处理、反混淆处理及纹理处理等等。这就对实时显示提出了很高的要求。2.4.1 采用以下方法提高显示逼真度，加强真实性。 (1) 纹理映射：将纹理图像贴在简单的物体的几何物体，以近似描述物体表面的纹理细节，加强真实性。 (2) 环境映射：在纹理映射的基础上出现了环境映射的方法，它是采用纹理图像来表示物体的镜面反射和规则投射效果。 (3) 反走样：一两倍分辨率绘制图形，再计算正常分辨率的图形；或者计算每个邻接元素对一个像素点的影响，在加权求和得到最终像素值。2.4.2 真实感实时绘制技术包
