浅析虚拟现实技术

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1、浅析虚拟现实技术应用与未来发展摘要 虚拟现实技术(Virtual Reality，简称 VR)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，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。本文主要探讨了虚拟现实技术发展历史、当下应用及未来发展展望。关键字 虚拟现实技术 历史发展 未来趋势 应用 局限性虚拟现实技术(Virtual Reality，简称 VR)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听

2、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【1】 。近几年，虚拟现实技术发展迅速，在航空航天、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、医学生物等领域中发挥了巨大作用，与网络、多媒体技术并称为 2l 世纪最具应用前景的三大技术。一、 虚拟现实技术特点简析。虚拟现实技术涉及计算机图形学、数字图像处理技术、多媒体技术、网络技术、人工智能等等，主要是实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等的综合。而虚拟现实技术的三大主要特点则分别

3、是由上述技术组合实现的。1、 沉浸性。沉浸性是指虚拟现实技术所创造的虚拟环境能使体验者产生“身临其境”感觉，使其相信在虚拟环境中人也是确实存在的，而且在操作过程中体验者可以自始至终的发挥作用，就像真正的客观世界一样。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。2、 交互性。交互性指在虚拟环境中体验者不是被动地感受，而是可以自行改变感受的内容。?体验者是交互的主体，虚拟对象是交互的客体，主体和客体之间的交互是全方位的。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、鼠标、头盔、

4、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。3、 多感知性。多感知性是指除了一般计算机所具有的视觉感知外 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。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。二、 虚拟现实技术发展历史虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段1963 年以前为有声、形、动态的模拟阶段，1963 年到 1972 年为第二阶段虚拟现实萌芽阶段，1973 年至 1989 年，虚拟现实概念的产生和理论初步形成为第

5、三阶段，1990 年至今虚拟现实理论进一步的完善和应用为第四阶段 虚拟现实技术可追溯到中国古代(公元前 468 年到前 376 年)的战国时期。据篇记载“公输般竹木为鹊成而飞之三日不下” ，这是有关中国古代人试验飞行器模型的最早记载。 风筝的拟真、拟声、互动的行为是仿真技术在人们生活中的应用。后来该技术传到西方，西方人利用筝的原理发明了飞机。 1962 年 美国 Morton Heilig 的专利“全传感仿真器” 的发明，有振动、声的感觉。该专利也蕴涵了虚拟现实技术的思想。仿真技术的发展，也是虚拟现实技术的前身，蕴涵了虚拟现实的思想。仿真和计算机的发展促使了虚拟现实技术的萌芽。 【2】60 年

6、代到 70 年代初是虚拟现实思想萌芽阶段。 60 年代，Ivan Sutherland 教授提出了感觉真实、交互真实的人机协作新理论并于 1968 年开发了头盔式立体显示器。后来他开发了一个虚拟系统，该系统“可称得上是第一个虚拟现实系统 它是基于传统习惯、花费又大、模型又过分简化了的一个虚拟世界。 ”【3】 1973 年到 1989 年为虚拟现实技术的第三阶段。 1973 年 Myron Krurger 提出了“Artificial Reality”这是早期出现的虚拟现实的词。从字面上来看 它具有虚拟现实的含义。 1984 年，NASA Ames 研究中心虚拟行星探测实验室的 M.McGree

7、vy 和J.Humphries 博士开发了虚拟环境视觉显示器用于火星探测，将探测器发回地面的数据输入计算机，构造了火星表面的三维虚拟环境。 很快 由美国的 Stone 和 Hennequin 共同发明了数据手套。第一个数据手套被 NASA 用于虚拟现实，由 Warren Robinett 构思和实现手套与虚拟世界的交互技术。1986 年，Robinett 与合作者 Fisher, Scott S, James Humphries, Michael McGreevy 发表了早期的虚拟现实系统方面的论文The Virtual Environment Display System 【4】是 NASA

8、 工作站的成果之一。 1987 年 James. D. Foley 教授在具有影响力的科学的美国上发表了一篇题为先进的计算机界面Interfaces for Advanced Computing一文【5】 。在这篇文章中虚拟现实被用“Artificial Reality”来描述的，他提出了虚拟现实有三个关键元素“Imagination” 、 “Interaction”、 “Behavior”即 2IB，从理论上阐述了想象“I” 、交互“I”和行为“B”的含义。这篇文章对虚拟现实的含义、接口硬件、人机交互式界面、应用和未来前景作了全面的论述，引起了人们极大的兴趣。从此，虚拟现实的概念和理论开始初

9、步形成。 1989 年，Jaron Lanier 提出用“Virtual Reality”来表示虚拟现实一词 并且把虚拟现实作为商品，推动了 VR 技术的发展和应用。 1990 年到 2004 年为虚拟现实技术的第四阶段。 Burdea G 和 Coiffet 在 1994 年出版的虚拟现实技术 【6】一书中描述了 VR 的三个基本特征Imagination、Interaction、Immersion，这是对 VR技术和理论的进一步完善。 1992 年 Sense8 公司开发了“WTK”开发包，为 VR 技术提供更高层次上的应用。 1994 年 3 月在日内瓦召开的第一届 WWW 大会上，首次

10、正式提出了 VRML 这个名字。后来又出现了大量的 VR 建模语言，如“X3D” 、 “Java3D”等。增强现实(Augmented Reality)技术成为 VR 的一个分支。 三、 虚拟现实技术的现代研究及应用跨入 21 世纪，人类已经迈入数字化时代，网络技术、多媒体技术、可视化技术及虚拟现实系统的不断更新和发展，使虚拟现实系统发展成为数字化多维信息空间技术支撑平台，并成为构建数字虚拟环境的最重要的关键技术之一。虚拟现实语言作为计算机的核心技术已被广泛应用于社会生活的各个领域,例如产品设计与性能评价、教育与娱乐、高难度和危险环境下的训练、医学、房地产等诸多领域。普通意义上的虚拟现实需要大

11、型计算机、头盔式显示器、立体眼镜、数据手套、洞穴式投影、密封舱等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实。人们通过这些设施以自然的方式，如头的转动、手的运动等向计算机送入各种动作信息并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉及触觉等感觉世界。随着人们不同的动作，这些感觉也随之改变。事实上，随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术出现了多样化的发展趋势。虚拟现实技术不仅仅是指那些戴着头盔和手套等技术，而且还应该包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法。它的根本目标就是达到真实体验和基于自然技能的人机交互，能够达到或者部分达到这样目标的系统就称为虚拟现实系统。根据用户参与 VR

12、 的不同形式以及沉浸的不同程度可以把各种类型的虚拟现实技术大致划分 4 类。桌面虚拟现实。桌面虚拟现实利用 PC 机或工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互。完全沉浸的虚拟现实。高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其他传感设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来并提供一个新的、虚拟的感觉空间。并利用位置跟踪器、数据手套、其他手控输入设备、声音等使得用户产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统等。

13、增强现实性的虚拟现实。增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界仿真现实世界，而且要利用它来增强用户对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。分布式虚拟现实。分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟环境。在这个环境中位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接，或者多个用户同时参加一个虚拟现实环境，通过计算机与其他用户进行交互并共享信息。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作以达到协同工作的目的。 【7】虚拟现实不再局限于三维场景的展示制作，更多的向信息化、集成化方向发展，现在得虚拟现实三维场景与企业生产决策的业务操作系统结

14、合，真正实现生产生活的三维化。另外虚拟现实也在向其他领域延伸，比如三维 GIS，地理信息系统的三维虚拟现实场景。 与此同时，VR 艺术伴随着“虚拟现实时代”的来临而产生，VR 艺术是“以虚拟现实（VR） 、增强现实（AR）等人工智能技术作为媒介手段加以运用的艺术形式” ，其主要特点是超文本性和交互性。虚拟现实技术未来将会发展成一种改变我们生活方式的新突破。但是从现在来看，虚拟现实技术真正投入市场大规模使用还存在比较大的技术局限性。 首先，没有真正进入虚拟世界的方法。各种虚拟现实装备依然在阻挡着用户和虚拟世界之间的交流。在技术中中真正身临其境的体验包括了蹲、躲避甚至是攀爬等动作，而这些目前来看无

15、法给使用者带来逼真的沉浸式体验。其次，如何在虚拟世界中与目标进行互动也是一个巨大挑战。目前还没有明确的方法来知道如何具体的实现虚拟现实技术在手势上的追踪。再者，行业缺乏统一的标准。虚拟现实技术目前仍处于初级阶段，虽然许多开发者对虚拟现实充满了热情，但是似乎大家都没有一个统一的标准。所有游戏开发商或电影制作公司都应该了解如何在虚拟现实场景中不同的使用摄像机。移动着观看和静坐观看，二者带来的体验是截然不同的。镜头的加速移动，就会带来不同的焦点，而这些如果运用不当，就会给用户带来恶心的感觉。甚至如果镜头移动的过于迅速，直接会暂时影响用户的视力。虽然虚拟现实技术现在看起来还非常初级，但是终有一天它将成

16、为我们与计算机交互方式最大的一种转型，改变人们与科技之间的关系。虚拟现实技术未来最终将让我们与虚拟世界之间，更加自然的交互。 【9】客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，技绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机结合作用问题，还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服。我们期待着有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。四、虚拟现实技术的应用前景虚拟现实技术在船舶建造与设计、企业产品的研发与设计、人力资源网络培训、房产开发与展示、城市规划、室内设计、工业仿真、文物古迹仿真、军事模拟等方面有广阔的应用前景。通过虚拟现实技术构建的三维虚拟装置及没施操纵者可以身临其境地融入到整个装置的运动环境与运动过程可以对三维虚拟设