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1、第 1 页虚拟现实技术总结虚拟现实技术概述总结一、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、
2、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。构想性构想是指用户沉浸在多维
3、信息空间中,依靠自己的感知和认第 2 页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
4、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
5、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，成熟第 3 页和相对成熟的感知信息的产生和检测技术仅有视觉、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
6、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。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；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；高度并行的计算机系统采用高性能并行体系；基于分布式计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
7、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第 4 页得的信息的80以上来自视觉，视觉信息的获取是人类感知外部世界、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
8、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
9、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。三维虚拟声音的实第 5 页现技术在虚拟现实系统中加入与视觉并行的三
10、维虚拟声音，一方面可以在很大程度上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、虚拟现实技术展望虚拟现实技术依赖于计算机的高速运算和传输。高速运算和传输能解决虚拟现实环境的复杂逼真的环境构造和海量数据处理的问题，从而解决因计算和传输滞后引起参与者的心理疾病。虚拟体的基本属性是与几何、物理和生物行为融合的。再好的真实感也离不开虚拟体的仿真行为。虚拟现实技术的真实感主要体现在视觉和听觉上，“多感知交互”正在成为热点。对力反馈系统的进一步研究、嗅觉、味觉和体表感受都是未来虚拟现实
11、的内容。基于互联网的虚拟现实伴随互联网的发展而成为热点。我国的虚拟软件还处于起步的阶段，希望国内有更多的自主知识产权的开发平台。广阔的应用领域又向虚拟现实技术提出了新的创意和难题，应进一步推动虚拟现实的发展，目前虚拟现实技术的发展仅限于人们的想象力。五、论文小结虚拟现实技术是一个极具潜力的前沿研究方向，是面向21世纪的重要技术之一。它在理论，软硬件环境的研究方面依赖于多种技术的综合，其中有很多技术有待完善。可以预见，随着技术的发展，虚拟现实技术及其应用会越来越广泛。本论文概述了虚拟现实的定义、硬件、软件和应用，并对虚拟现实技术和应用的新热点做了展望，最后对学习“虚拟现实技术”这部分知识进行了总
12、结。任雨佳1205170202计本1202班篇二：虚拟现实技术要点小结。第 6 页虚拟现实技术要点小结1.VirtualReality：用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界；让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。2.虚拟现实系统具有四个重要特征：临境性，交互性，想象性，多感知性。3.虚拟现实系统包含：虚拟世界（包含三维模型或环境定义的数据库）；虚拟现实软件（提供实时观察和参与虚拟世界的能力）；计算机；输入设备；输出设备。4.虚拟现实系统类型：桌面虚拟现实系统，沉浸式虚拟现实系统，分布式虚拟现实系统，混合虚拟现
13、实系统。5.虚拟现实的硬件：跟踪系统；知觉系统；音频系统；图像生成与显示系统。6.位置跟踪技术：a.磁跟踪技术：用磁场进行位置和方位跟踪，优点是不受视线阻挡的限制，适用于手的跟踪。b.光学跟踪技术c.机械跟踪技术d.声学跟踪技术e.惯性位置跟踪技术。7.VR系统中人的因素：眼睛（信息量最大），耳朵，身体感觉，平衡和运动眩晕。眼睛视觉暂留：视网膜的电化学现象造成的视觉的反应时间。眼睛临界熔合频率（CriticalFusionFregnency，CFF）效果会产生把离散图像序列组合成连续视觉的能力，CFF最低20Hz，并取决于图像尺寸与亮度。眼睛立体视觉8.MultiGen软件：3DMax，VRM
14、L，OpenGL等。9.基于几何的传统计算机图形学建模方法：a.真实感图形的实时绘制；b.多层次细节模型（LOD）；c.碰撞检测。第 7 页10.LOD（LevelofDetail，多层次细节模型）技术：a.在图形绘制时，通常将连续曲面离散为一系列的多边形或三角形，三角面片是图形系统中通用的绘图元语。b.三角形数目越多，场景中几何模型的描述和绘制质量越高，但同时绘制速度越慢。基本思想：a.对场景中的不同物体或物体的不同部分，采用不同的细节描述方法；b.在绘制时，如果一个物体离视点比较远，或物体比较小，用较粗的LOD模型绘制；c.反之，如果一个物体离视点比较近，或物体比较大，则必须用较精细的LO
15、D模型绘制；d.运动的物体，对运动速度快或者运动中的物体，采用较粗的LOD，对静止的物体，采用较细的LOD。11.碰撞检测技术：在虚拟环境中，由于用户的交互和物体的运动，物体间经常可能发生碰撞，此时为了保持环境的真实性，需要及时检测这些碰撞，并计算相应的碰撞反应，更新绘制结果，否则，物体间会出现穿透现象，破获虚拟环境的真实感和用回的沉浸感。12.虚拟现实的应用：a.数字工程b.专项应用：建筑环境；电力管理；矿产资源；水资源与水环境；大气与海洋；交通模拟与管理；战场模拟；古地理环境重建；E-Life。13.数字地球的技术支撑：信息高速公路，计算机宽带高速网络技术，高分辨率卫星影像，空间信息技术，
16、大容量数据处理与存储技术，科学计算及可视化，虚拟现实技术。14.地形三维显示中的数据类型：矢量型和栅格型两大类。矢量型数据主要包括：等高线矢量数据。栅格数据主要包括：数字高程模型DEM，纹理图像数据。15.DEM数据获取：a.野外实地直接测量得到；b.利用摄影测量方法获取；c.从地形图中采集。其他获取DEM的方法：用航天遥感立体像第 8 页对获取DEM；INSAR（干涉合成孔径雷达）获取DEM；激光扫描测高仪等。三种获取DEM数据方法的区别：野外实地直接测量适用于大比例尺、精度要求高、采集面积范围较小，优点是可以获取高精度的DEM数据，缺点是劳动强度较大、效率较低，仅适用于小范围面积内作业。利用摄影测量的方法获取数据较快、周期短，但是数据源获取的成本较高、采集作业要求具备专业的仪器设备和训练有素的摄影测量专业技术人员。采用从地形图上获取DEM所需的数据源容易获取，对采集作业所需的仪器设备和作业人员的要求也不太高，采集速度也比较快，易于进行大批量作业，但是它的精度最低。16.DEM的获取与建立：规则格网
