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1、西南科技大学关于建设虚拟现实技术校级公共平台的研究报告研究生部2012-02-18关于申请建设虚拟现实技术校级公共平台的研究报告序虚拟现实技术是应用性极强多学科交叉的科学技术领域，近年来取得了丰硕的科研与应用成果，呈现出蓬勃快速发展的良好势头。通过对校内计算机、信息、制造、环资、土木等五个学院的调研，综合相关情况了解到以上学院在虚拟现实技术上都有着强烈的科研与教学双重应用需求，虽然个别学院在该技术领域目前已具有了一定的积累和成果，但整体研究水平较低，未形成合力，不易出好的成果。尽快建设虚拟现实技术校级公共平台，对提升学科建设，促进学校综合发展具有重大意义。虚拟现实技术校级平台初期建设资金概算
2、422万元。一、虚拟现实技术概况虚拟现实（Virtual Reality，VR）是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。与传统的现实模拟技术相比，虚拟现实技术让操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟现实环境中，与之产生互动，进行交流。通过参与者与虚拟仿真环境的相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，以全方位地获取虚拟环境所蕴涵的各种空间信息和逻辑信息。虚拟现实是人类在探索自然、认识自然过
3、程中创造产生，逐步形成的一种用于认识自然、模拟自然，进而更好地适应和利用自然的科学方法和科学技术。VR 技术研究的主要内容是实时三维图形生成技术、多传感器交互技术，以及高分辨率显示技术等，具有以下 7 个特征：模拟性、交互作用、人工现实、沉浸性、遥在、全身沉浸和网络通信。从科学技术问题来分析 VR 技术，该技术的三大科学技术问题类分别是虚拟现实的建模方法、表现技术和交互方式及其设备。其中 VR 中的建模，可以是一个算法、公理系统，也可以是一个有结构的人工计算机输入过程；VR 对象的表现，可以是一个算法、数据变换，也可以是有结构的数据输出流；通过交互实现人或外部世界对虚拟环境的控制，是有结构的数
4、据输入流，与交互设备密切相关。在虚拟现实的巨大需求的拉动和应用部门的推动下现已出现了各种类型的 VR 系统开发工具。其种类繁多，有的支持 VR 应用系统不同组成模块的开发，有的支持特定领域 VR应用系统的开发，包括建模工具、绘制工具、分布式开发平台和其他一些专业化开发工具。这些开发工具对降低 VR 系统开发门槛、提高开发效率起到了重要作用，推动了 VR 应用的发展。VR 科学技术领域具有两个方面的结合性特点，一是由多学科交叉结合形成，在多学科交叉结合中创新、发展。VR 在建模、绘制、人机交互等方面的研究需要综合数学、物理、电子学、控制学、计算机科学、心理学、人工智能等不同学科的研究成果；二是具
5、有很强的应用性，与应用领域的特点、需求密切结合。VR 应用于不同的行业和领域时，要结合该行业、领域的特点，研究与不同领域应用模型相结合的方法和技术。应用是 VR 技术发展的主要推动力。2010 年上海世博会就是 VR 技术应用的一次盛会，充分展示了 VR技术的特点和优势。一般来说，VR 技术应用广泛，军事、医学、工业和教育文化领域是其应用较为成功和重要的几个领域。VR 在不同领域的应用主要集中在培训与演练、规划与设计、展示与娱乐 3 个方面。其中，培训与演练类系统的特点是对现实世界进行建模，形成虚拟环境以代替真实的训练环境，操作人员可以参与到这一虚拟环境中进行反复的操作训练和协同工作，达到与真
6、实环境中训练相近的效果；规划与设计类系统的特点是对现实中尚不存在的对象和尚未发生的现象进行逼真模拟、预测和评价，从而使计划、设计更加科学合理；展示与娱乐类系统的特点是将真实或虚构的事物进行模拟，通过传媒和人们的参与达到观赏和娱乐的目的。二、学校建设虚拟现实技术公共平台的必要性1建立虚拟现实技术公共平台是承接学校“十一五规划” ，展望“十二五规划“的重要建设举措之一。西南科技大学“十一五”发展规划明确提出要在国家重点学科和国家重点实验室建设方面有所突破；学校“十二五”规划将进一步建立和完善大型仪器设备平台建设及实验室开放共享管理机制。虚拟现实技术公共平台的建立将是对这一奋斗目标的重要支撑，其将对
7、学校的教学平台与实验室开放共享管理机制贡献重要力量。2虚拟现实技术公共平台是学校建立学科融合共享的设计实验平台的需要虚拟现实技术可用于我校建筑视景与数字城市规划、虚拟制造/设计/ 装配及虚拟维修应用、驾驶模拟仿真训练、文物古迹数字复原保护、人工智能及远程控制操作、地形地貌/地理信息系统(GIS)、生物工程 (基因/遗传/ 分子结构研究)、虚拟地质/矿产/石油勘探等领域的教学科研工作。通过公共平台，促进多学院间的科研项目横向交流和学科交叉影响，形成学科融合共享与合力，提升研究水平，取得好的研究成果。3建立虚拟现实技术公共平台是深化人才培养模式改革的需要虚拟现实实验平台建设将对应用型人才培养起到积
8、极作用和广泛影响，可以营造“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。虚拟现实技术可以应用在我校科学研究、虚拟仿真校园、虚拟实训基地、虚拟远程教育、虚拟学习环境和虚拟实验等各个方面，并对数学、物理、化学、生物、园林、美术、建筑、机械、教育、体育、人文、计算机、电子等各个专业的专业课程教学观念的现代化、教学内容的现代化、教学手段的现代化起到积极作用，进一步提高教学效益和质量，促进学生实践和创新能力的培养。4建立虚拟现实技术公共平台是培养高素质专业人才的需要。虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，在广泛的科目领
9、域提供无限的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动的灌输，有本质的差别。此外，还可规避某些真实实验或操作带来各种危险，利用虚拟现实技术进行虚拟实验，学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的实验。有助于启迪和培养学生的创新思维。5虚拟现实技术是现代化信息化校园和社会的必由之路。数字化校园建设已经纳入许多高等学校学科建设的重要议程和规划，并作为一项基础性、长期性和经常性的工作 建立了相应的分工机构，并分阶段制定了实施目标，其建设水平已成为体现高校办学水平、学科建设形象和地位的重要标志。同时也可促进绵阳城市信息化建设和数
10、字城市建设，重点建设城市规划、城市管理、智能交通、生态环境保护与管理、公共卫生、公共安全、人口管理等信息系统都可涉及到虚拟现实技术。虚拟现实实验平台的建设将成为绵阳科学城信息化发展的技术指导和人员培训的重要基地。三、国内及省内高校同类平台建设情况我国对 VR 技术的研究起步大概在 1990 年代初，并作为重点研究项目列入了多项国家级高科技发展规划。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。国内最早开展此项技术试验的是挂靠在西北工业大学电子工程系的西安虚拟现实工程技术研究中心。该中心的成立，对发挥学校电子信息工程学院等其他院系和研究所在虚拟现实、虚拟仿真与虚拟制
11、造等方面的研究优势将具有积极作用。北京航空航天大学计算机系也是国内最早进行 VR 研究、最有权威的单位之一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。2007 年，依托计算机科学与技术、控制科学与工程和机械工程 3 个，获准成立“虚拟现实技术与系统国家重点实验室” 。通过不同学
12、科方向的合作、交叉，开展虚拟现实领域的基础研究、应用基础研究和战略高技术研究,进行原始创新和集成创新。实验室现由赵沁平教授担任主任，主要研究方向是：虚拟现实中的建模理论与方法；增强现实与人机交互机制；分布式虚拟现实方法与技术；虚拟现实的平台工具与系统。该实验室也是中国计算机学会虚拟现实与可视化专业委员会和中国系统仿真学会虚拟技术及应用专业委员会挂靠单位。浙江大学 CAD&CG 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，采用了层面迭加绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，他们还研制出了在虚拟环境
13、中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。哈尔滨工业大学已轻成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手势动作，话音和语调的同步等。清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。他们还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三堆结构的新颖算法。中国科学院计算技术研究所虚拟现实技术实验室主要在虚拟现实、多模式人机接口和人工智能等方向开展基
14、础与前瞻技术研究，目前研究重点集中于“虚拟人合成”和“ 虚拟环境交互 ”。虚拟人合成方向的研究目的在于建立人在计算机生成空间（虚拟环境）中的几何特性与行为特性的逼真表示。本方向重点研究三维虚拟人建模技术、人体运动的获取与理解技术以及虚拟人运动生成与控制技术，并研究这些技术在针对体育训练的数字化人体运动模拟仿真、人群运动战术演练与分析、虚拟环境中智能人体表示与生存、智能人机交互、游戏娱乐等领域中的应用。虚拟环境交互方向的研究目的在于研究虚拟环境建模、呈现和交互技术。本方向重点研究虚拟环境的快速建模与高效绘制、自然灾害现象模拟与仿真、多种数字媒体融合、增强现实等关键技术，并研究这些关键技术在公共安
15、全事件模拟分析、影视产品制作、游戏动漫生成、数字媒体的生成、展示、管理、发布等方面的应用。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术-立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于 JPEG 标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且己经通过实验结果证明了这种方案的优越性。中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图象对算法回显及软件接口。他们在硬件开发上己经完成了 LCD红外立体眼镜，并且已经实现商品化。北方工业大学 CAD 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作
16、的科教片相似就出自该中心。关于虚拟现实的研究已经完成了 2 个“863”项目，完成了体视动画的自动生成部分算法与合成软件处理，完成了 VR 图像处理与演示系统的多媒体平台及相关的音频资料库，制作了一些相关的体视动画光盘。另外，西北工业大学 CAD/CAM 研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所，长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与住处科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。以国防科技大学为代表的军事技术院校在 VR 技术上也有深厚的研究基础和丰富的成果，但限于这类院校的性质特点，众多成果在公开文献中出现较少。四川省内在虚拟现实技术开展较早并具备了较好研究基础的是电子科技大学和西南交通大学，四川大学也十分重视 VR 技术的科研应用。电子科技大学“虚拟现实技术重点实验室”建于 2000 年，是信息产业部重点实验室。依托于该重点实验室的数字媒体技术研究所由图形技术实验室、图像处理实验室、游戏引擎实验室、中间件与网格实验室及计算运筹学实验室组成。该重点实验室长期从事三维图形、
