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1、- 1 -1虚拟现实技术概述总结摘 要 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。关键词 虚拟现实技术, 设备，研究，发展一，虚拟现实的概念内涵及应用领域虚拟现实技术又称“灵境技术”、“虚拟环境”、“赛伯空间”等，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，可借助传感头盔、数据手套等专业设备，让用户进入虚拟空间，实时感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而通过视觉、触觉和听觉等获得身临其境的真实感受。虚
2、拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的融合，是一门富有挑战性的交叉技术。虚拟现实技术正在广泛地应用于军事、建筑、工业仿真、考古、医学、文化教育、农业和计算机技术等方面，改变了传统的人机交换 模式。二，虚拟现实的基本特征虚拟现实技术的基本特征可以简洁地表征为沉浸性、交互性和构想性。沉浸性沉浸性是指用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。理想的虚拟环境应该达到使用难以分辨真假的程度例如可视场景应随着视点的变化而变化甚至超越真实如生成比现实更逼真的照明和音响效果等。交互性交互性是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环
3、境得到反馈的自然程度包括实时性。例如用户可以用手直接取虚拟环境中的物体, 这时手应该有触摸感, 并可以感觉物体的重量, 场景中被取的物体也立刻能够随着手的移动而移动。- 2 -2构想性构想是指用户沉浸在多维信息空间中, 依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识, 发挥主观能动性, 寻求解答方式, 形成新的概念。三，虚拟现实的硬件设备与软件技术在虚拟现实系统中，硬件设备主要由 3 个部分组成：输入设备、输出设备、虚拟世界生成设备。此外系统还需要虚拟现实的相关技术。1，虚拟现实的输入设备有关虚拟现实系统的输入设备主要分为两大类：一类是基于自然的交互设备，用于对虚拟世界信息的输入；另一类是三维定位跟
4、踪设备，主要用于对输入设备在三维空间中的位置进行判定，并送入虚拟现实系统中。虚拟世界与人进行自然交互的实现形式很多，有基于语音的、基于手的等多种形式，如数据手套、数据衣、三维控制器、三维扫描仪等。手是我们与外界进行物理接触及意识表达的最主要媒介，在人机交互设备中也是如此。基于手的自然交互形式最为常见，相应的数字化设备很多，在这类产品中最为常用的就是数据手套。数据手套是美国 VPL 公司在 1987 年推出的一种传感手套的专有名称。现在，数据手套已成为一种被广泛使用的传感设备。数据手套戴在用户手上，作为一只虚拟的手用于与虚拟现实系统进行交互，可以在虚拟世界中进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制等
5、操作，并把手指和手掌伸屈时的各种姿势转换成数字信号传送给计算机，计算机通过应用程序识别出用户的手在虚拟世界中操作时的姿势，执行相应的操作。在实际应用中，数据手套还必须配有空间位置跟踪器，检测手在空间中的实际方位及其运动方向。2，虚拟现实的输出设备人置身于虚拟世界中，要体会到沉浸的感觉，必须让虚拟世界能模拟人在现实世界中的多种感受，如视觉、听觉、触觉、力觉、痛感、味觉、嗅觉等。基于目前的技术水平，成熟和相对成熟的感知信息的产生和检测技术仅有视觉、- 3 -3听觉和触觉（力觉）3 种。感知设备的作用是将虚拟世界中各种感知信号转变为人所能接受的多通道刺激信号，现在主要应用的有基于视觉、听觉和力觉感知
6、的设备，基于味觉、嗅觉等的设备有待开发研究。3，虚拟现实的生成设备在虚拟现实系统中，计算机是虚拟世界的主要生成设备，所以有人称之为“虚拟现实引擎” ，它首先创建出虚拟世界的场景，同时还必须实时响应用户各种方式的输入。通常虚拟世界生成设备主要分为基于高性能个人计算机、基于高性能图形工作站、高度并行的计算机系统和基于分布式计算机的虚拟现实系统四大类。1，基于高性能个人计算机虚拟现实系统主要采用普通计算机配置图形加速卡，通常用于桌面式非沉浸型虚拟现实系统；2，基于高性能图形工作站虚拟现实系统一般配备有 SUN 或 SGI 公司可视化工作站；3，高度并行的计算机系统采用高性能并行体系；4，基于分布式计
7、算机的虚拟现实系统则采用网络连接的分布式结构计算机系统。4，虚拟现实的相关技术虚拟现实系统的目标是由计算机生成虚拟世界，用户可以与之进行视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等全方位的交互，并且虚拟现实系统能进行实时响应。要实现这种目标，除了需要有一些专业的硬件设备外，还必须有较多的相关技术及软件加以保证，特别是在现阶段计算机的运行速度还达不到虚拟现实系统所需要求的情况下，相关技术就显得更加重要。虚拟现实的相关技术主要有立体视觉显示技术，环境建模技术，真实感实时绘制技术，三维虚拟声音的实现技术，自然交互与传感技术等等。立体视觉显示技术人类从客观世界获得的信息的 80以上来自视觉，视觉信息的获取是人类感知
8、外部世界、获取信息的最主要的传感通道，视觉通道成为多感知的虚拟现实系统中- 4 -4最重要的环节。在视觉显示技术中，实现立体显示技术是较为复杂与关键的，立体视觉显示技术是虚拟现实的重要支撑技术。环境建模技术在虚拟现实系统中，营造的虚拟环境是它的核心内容，要建立虚拟环境，首先要建模，然后在其基础上再进行实时绘制、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，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。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。在虚拟现实系统中，环境建模应该包括有基于视觉、听觉、触觉、力觉、味觉等多种感觉通道
9、的建模。但基于目前的技术水平，常见的是三维视觉建模和三维听觉建模。而在当前应用中，环境建模一般主要是三维视觉建模，这方面的理论也较为成熟。三维视觉建模又可细分为几何建模、物理建模、行为建模等。1,几何建模是基于几何信息来描述物体模型的建模方法，它处理物体的几何形状的表示，研究图形数据结构的基本问题；2,物理建模涉及物体的物理属性；3,行为建模反映研究对象的物理本质及其内在的工作机理。真实感实时绘制技术要实现虚拟现实系统中的虚拟世界，仅有立体显示技术是远远不够的，虚拟现实中还有真实感与实时性的要求，也就是说虚拟世界的产生不仅需要真实的立体感，而且虚拟世界还必须实时生成，这就必须要采用真实感实时绘
10、制技术。所谓真实感绘制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实物体的物理属性，即物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。三维虚拟声音的实现技术在虚拟现实系统中加入与视觉并行的三维虚拟声音，一方面可以在很大程度上- 5 -5增强用户在虚拟世界中的沉浸感和交互性，另一方面也可以减弱大脑对于视觉的依赖性，降低沉浸感对视觉信息的要求，使用户能从既有视觉感受又有听觉感受的环境中获得更多的信息。四，虚拟现实的发展历程虚拟现实技术在美国的研究开发20 世纪 40 年代初,作为虚拟现实前身的飞行仿真器在美国出现。1966 年,美国的 MIT
11、 林肯实验室在海军科研办公室的资助下,研制出了第一个头盔式显示器(HMD) ,随后又将模拟力和触觉的反馈装置加入到系统中。1970 年,研制出了第一个功能较齐全的HMD 系统。自 80 年代后期起,美国 VPL 公司陆续研制出较实用的头盔式三维显示器、能提供六个自由度的数据手套、立体声耳机及相应的计算机软硬件系统。80 年代初, 美国的 DARPA (Defense AdvancedResearch Projects Agency) 为坦克编队作战训练开发了一个实用的虚拟战场系统 SIMNET。SIMNET 系统中的每个独立的模拟器都能单独模拟 M1 坦克的全部特性,包括导航、武器、传感和显示
12、等性能,对坦克装置上的武器、传感器和发动机等的模拟是在特定的作战环境下进行的。DPRPA 计划进一步扩大仿真数据库,从目前的 1000 个对象扩大到 100000 个。北大西洋公约组织(NATO) 计划把各个不同国家的兵力逐步“汇集 SIMNET 而成为一个虚拟战场”,然后把空战仿真系统(AWSIMS -Air Warfare Simulation System) 和海战仿真系统( NWSIMS - Naval Warfare Simulation System) 与 SIMNET 相联。另外,美国 NASA 积极地将 VR 技术应用于对航天运载器外的空间活动研究、空间站自由操纵研究和对哈勃空
13、间维修的研究等项目中。1981 年,加州大学博士研究生 Michael McCreevey 得到了美国航空航天局(NASA) 的资助,改进了头盔显示器,用液晶替代了笨重的阴极射线显示器 ,并使定位装置更精确。今年而把改进的头盔显示器结合当时先进的计算机创建了一个飞机场虚拟环境系统,获得成功。最先用手去控制虚拟世界中的物体当属麻省理工学院的 J . Zimmermn 和 J aron. lanier ,他们合作发明了数据手套,与计算机相连 ,就使手的动作输进了计算机。1989 年 ,两人创建了 VPL 公司,J aron. lanier 首先正式使用了 Virtual Reality 词汇,使虚
14、拟现实产品开始商业化。- 6 -6Nicholas Negroponte 被公认为数字化的先锋,于 1979 年在麻省理工学院创立了媒体实验室(MITs media laboratory) 。Negroponte 对虚拟现实有独特的看法,他的理论对虚拟现实制造商,对虚拟现实技术的研究与推广有着重要的意义。1985 年 ,Scott Fisher 课题组研制成功称为 VIEW 的数据手套(Data Glove) ,这种数据手套轻便柔软,可以测量手指关节动作、手掌的弯曲以及手指间的分合 ,从而可以编程实现各种手语。同年,研制成功的第一套商用虚拟现实硬件 In2tel386 装配了美国空军,称为 S
15、upercockpit 飞行器。1986 年,研制成功了第一套能够充分利用HMD 及数据手套的虚拟现实系统,称为 VIEW。这是世界上首创的比较完整、多用途、感知能力较强的虚拟现实系统,它使用了头盔式显示器、数据手套、甚至语言识别和较先进的跟踪设备技术,可以运用于诸多领域,如空间探索、数据可视化、远程医疗、探险等领域,尽管不尽完美。1987 年, J aron. lanier 的 VPL 公司率先发明了数据服装 ,成兑了比尔盖茨的预言。比尔盖茨在未来之路中首先提出“虚拟紧身衣 ”的设想,衣服里布满细小的传感器,还有与皮肤表层连接的弹性反馈装置。典型的计算机监视器每英寸有12 到 120 个色点
16、,即像素,监视器上共有 30 万到 100 万个像素,全身紧身衣与小触觉传感器相连,每一点、或一族和人体特定部位接触,这些触觉因素比尔 盖茨称它为触元,如果紧身衣有足够的触元,并能够很好的控制,那么就可以复制任何一种触摸知觉。如果大量的触元都准确地在同一深度与各部位接触,结果是表层感觉起来很光滑,如果他们以各种随意分布的深度推进,感觉起来就像质地粗糙的纺织品。虚拟紧身衣需要 100 万到 1000 万个触元,具体数目由单个触元能送传的不同层次来定。人类的皮肤研究表明,一件全身紧身衣必须有 100 个触元 ,指尖、嘴唇等敏感部位则需要更多触元,计算机为了把感觉输入触元衣所必须进行计算的信息数量是当前个人计算机所须信息量的 1 到 10 倍,这并不需要很高的计算能力。1988 年,VPL 公司建立了一套完整的虚拟现实系统,把虚拟现实系统当时研制出的软硬件基本都用上了。1989 年,J aron. lanier 给 Virtual Reality 赋予了崭新的含义 :计算机产生的三维交互环境,用户参与到这个环境
