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1、虚拟现实结课作业班级：学号：姓名：学科、专业：机械工程成绩：摘要本文综述了虚拟现实技术在机器人领域应用的最新进展。分析了虚拟现实技术的研究背景和状况。重点介绍了作为遥操作界面、机器视觉三维表示、系统仿真方面的应用实力和发展状况。分析了相应的发展前景,并对当前虚拟现实技术应用中出现的问题提出了建议。关键词虚拟现实,机器人学,遥操作,三维重建,仿真1虚拟现实技术的概念及特征虚拟现实（Virtual Reality），是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、
2、触觉等感觉器官功能，使人在计算机生成的虚拟境界中，通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。概括地说，虚拟现实是一种探讨如何实现人与计算机之间理想交互方式的技术。虚拟现实的主要特征是：多感知性、浸没感、交互性、构想性。（1）沉浸性。沉浸性是是指观察者对虚拟世界的情感反映，虚拟现实通过计算机生成一个非常逼真的虚拟世界，用户利用视觉、听觉、触觉来感受这个虚拟世界中所发生的一切，在虚拟从事机械创新设计环境中产生一种身临其境的感觉。（2）交互性。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，还可以运用多种交互手段（数据手套、声
3、音命令等），支持更多的设计行为（建模、仿真、评估、预测等）。虚拟现实能对用户的输入作出响应，同时可以通过监控装置来影响用户和被用户影响。（3）多感知性。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉等的传感及反应装置，可以使用户感受视觉、听觉、触觉和嗅觉等多种信息，发挥人的多种潜能，增加设计的成功性。（4）实时性。实时的参与、交互和显示，把人的活动提升到人机融为一体的积极主动活动，构成融入性的智能开发系统。2 虚拟现实系统的分类根据虚拟现实所倾向的特征的不同，目前的虚拟现实系统可分为 4 种：桌面式、增强式、沉浸式和网络分布式虚拟现实系统。（1）桌面虚拟现实系统利用 PC 机或中、低档工作站作虚拟环境
4、产生器，计算机屏幕或单投影墙是参与者观察虚拟环境的窗口，由于受到周围真实环境的干扰，它的沉浸感较差，但是成本相对较低，仍然比较普及。（2）沉浸式虚拟现实系统主要利用各种高档工作站、高性能图形加速卡和交互设备，通过声音、力与触觉等方式，并且有效地屏蔽周围现实环境 （如利用头盔显示器、3 面或 6 面投影墙），使得被试完全沉浸在虚拟世界中。（3）增强式虚拟现实系统允许参与者看见现实环境中的物体，同时又把虚拟环境的图形叠加在真实的物体上。穿透型头戴式显示器可将计算机产生的图形和参与者实际的即时环境重叠在一起。 该系统主要依赖于虚拟现实位置跟踪技术，以达到精确的重叠。（4）网络分布式虚拟现实系统由上述
5、几种类型组成的大型网络系统，用于更复杂任务的研究。 它的基础是分布交互模拟。3虚拟现实在机器人领域的适用方面虚拟现实技术作为可视化工具在机器人领域,已经有广泛的应用。比较著名的系统包括美国ARPA计划中的火星遥操作机器人,NASA和威斯康星大学共同研制的水下机器人仿真系统,日本东北大学研制的具有时延共享的移动机器人遥操作界面。虚拟现实技术在机器人学中的应用主要集中在以下几个方面:作为遥操作界面,可以应用于半自主式操作;作为机器视觉中自动目标识别和三维场景表示的直观表达;建立具有真实感的多传感器融合系统仿真平台。（1）遥操作界面遥现可以定义为人的感觉器官在远端的延伸。人的感觉能通过虚拟现实的I/
6、O设备得到增强,同时虚拟现实的三维图形数据适于低带宽、大延时的网络通讯。美国NASA Ames的智能机器小组(IME)长期从事机器人和人机界面的研究。1993年,他们研制的遥操作车(TROV)在南极区的McMudo的科学考察站附近的Ross冰洋实验成功,给人们以极大的鼓舞。遥现的应用是机器人学和虚拟现实技术相结合的产物。遥现系统是被用来在远距离操纵真实的设备而不是与虚拟物体相交互,并且使操作员产生一种“临场感”进而对控制器进行操作。因此需要提供一个高度直觉的交互式机器人控制界面。这一方面的研究的主要困难在于控制上由于长距离的信号传输而造成的延迟。NASA另一部分研究人员还从事火星探测遥操作机器
7、人的研制。这种机器人不仅仅能够横穿地面,也进行地质学的勘测研究。这个项目的研究重点在于如何使得操作员能够自如地控制远端的机器人,而不必考虑潜在的延迟有多大。另外,NASA还应用虚拟环境技术对水下机器人提供控制,来对传输延迟问题进行系统的研究。虚拟现实作为遥操作界面的另外一个原因是随着室外移动机器人领域的研究近年逐渐转向半自主而提出的。半自主式移动机器人是在由于完全自主的移动机器人的研制过程中遇到的诸多问题在当前的技术状况下难以解决的情况下提出的。但是,半自主机器人并不是一种技术上的倒退,而是站在一个崭新的角度,采用新的技术以弥补当前机器人行为决策和规划过程中的缺陷。在这方面的具体研究实例有,日
8、本东北大学研究的具有时延共享的自主式移动机器人。为了克服延迟问题采用了分布式智能结构,把决策级的操作分解到机器人本身的自主机制和远端的控制站的操作员上。使得有较强的实时性和较高鲁棒性的超声避障等行为能够在远端自主执行,而路径规划等需要人为参与决策的行为通过遥控的驾驶命令进行控制。由此看出,半自主式机器人是依赖于多传感器信息融合技术辅助操作员操纵机器人,减少操纵人员的工作强度。因此,这种技术的研究在汽车自动驾驶领域,有着较强的实用性和较好的应用前景。（2）三维场景的表达和自动建模虚拟现实的另外一个快速发展的研究领域是机器视觉领域。也正是国际上虚拟现实技术研究的热点。我们可以从卡内基梅隆大学在这一
9、领域的研究略窥一斑11。卡内基梅隆大学的虚拟现实研究分为10个方向,大部分研究的应用背景和最终目的都是通过视觉手段得到三维场景的描述,然后以虚拟现实的手段加以表示。例如基于计算机视觉的增强现实系统;跟踪三维目标,并计算目标的位置;从录像带建立实体模型;从真实环境的观测来建立环境模型,并完成室内环境的自动构造;由光反射属性来建立环境模型;真实场景的虚拟化。从本质上看,虚拟现实可以看成是视觉领域借助于图形学技术的一种表达方式。视觉处理一般来说分低层视觉处理、中层视觉处理、高层处理3个层次。高层处理指场景的语义表达和场景表达。从视觉的角度看,虚拟现实技术可以看成是视觉的高层处理的场景表达。在文中给出
10、了这样一个例子。其他的表达方式还有谓词方式表达等。与虚拟现实的方式相比较,其表达方法从直观性上和方式上,都显得略逊一筹。从另外一个角度讲虚拟现实作为视觉的高层表达依赖于三维重建问题。虚拟现实的场景模型数据是虚拟现实技术的基础。通过手工建立模型的工作量是惊人的。人们希望通过自动方式得到数据模型,而摄像机是一个理想的数据来源。其他的方式还有卫星遥感照片和三维激光雷达等。随着自动目标识别和三维重建技术的发展,通过摄像机摄取的图像,自动建立模型的技术已经逐渐走向市场化。例如加拿大的Eos Systems公司的基于视觉的三维自动建模软件系统PhotoModuler14。但是,寻找基于低成本的硬件平台,同
11、时具有较高的鲁棒性和实时性的算法仍是这一领域的难点。（3）基于虚拟现实的仿真平台当前的移动机器人的传感器体系结构愈来愈朝着多传感器信息融合的方向发展。但是,以往的机器人传感器仿真是对单传感器进行仿真,尤其是视觉和激光雷达等传感器难以通过数学模型进行仿真。对于基于信息融合的导航规划任务,就很难通过单传感器仿真来实现算法的调试和研究。理想的仿真系统是能够对视觉、超声等传感器集成仿真,产生真实的动态的、实时的传感器反馈。目前,国际上有许多的研究单位在这一领域进行不同层次的研究。美国田那西州立大学在1991年研制出一套三维交互式机器人仿真系统,对视觉传感器,激光雷达传感器等在三维环境下仿真。但是,由于
12、80年代虚拟现实研究刚刚兴起,虚拟现实的软、硬件平台还不成熟,效果不很理想。进入90年代,国际上有许多单位在这一领域展开研究。较为著名的有NASA的水下机器人的虚拟现实仿真系统。NASA的水下机器人仿真是基于SGI图形工作站和Inventor软件平台的分布式仿真系统。主要仿真的传感器是超声传感器,模拟在水下不同深度和温度情况下的超声行为。在这个工作中系统的总结和研究了传感器可视化仿真的方法。在对传感器的仿真过程中,尤其希望能够对视觉传感器进行实时的、动态的仿真。但是,由于对视觉仿真的过程中,随着摄像机的角度和位置的变化,产生的画面也在不断的变化。预先存储所有的场景画面是不可能的。许多人尝试通过
13、光线跟踪等图形学算法来产生真实的画面,或者借助于PhotoRealistic技术产生照相质感的画面。实际上,我们从事仿真的目的是为决策算法的测试提供一组实时传感器反馈数据,而不是检验滤波、抽边等图像处理算法的效果。如果单纯为检验后者,完全没有必要为此而设计仿真系统。所以,画面的真实程度只需要满足高层的视觉处理,没有必要达到与真实世界完全无异的程度。从这一角度讲,当前的虚拟现实软硬件平台的水平已经完全达到了。其他的虚拟现实的仿真平台还有夏威夷大学的全方位智能导航系统。卡内基梅隆大学机器人研究所的高速公路仿真系统。4展望与发展趋势虚拟现实技术的起源和发展都得益于许多机器人技术,例如传感器技术。反过
14、来虚拟现实技术又为机器人领域提供了一个强有力的技术手段。当前,世界上已经有许多的研究人员从事这些方面的工作。有的刚刚起步,有的已经卓有成效。虽然已经开发出许多实验性系统。但是,在实际中的虚拟现实技术的应用仍存在有许多困难。首先,新的人机界面方式需要使用者逐步适应。其次,我们还缺乏对人类本身的认知过程的理解。这几个问题已经成为虚拟现实技术发展的主要障碍。当前,国内的虚拟现实技术在机器人领域的研究刚刚起步,未能广泛的开展。而国际上对这一领域的研究还局限于机械手,水下机器人,空间飞行器和陆地上障碍物较少的地面环境的移动机器人。这主要是由于机器人技术本身对环境感知的能力还很有限,尤其是视觉领域对环境的
15、实时建模的技术还不成熟。相信,随着计算机技术和相关技术的发展,虚拟现实技术会随着这些问题的解决得到进一步的完善,而走向实用化。纵观虚拟现实技术这 30 多年来的发展历程，VR 技术的未来研究还是遵循“低成本、高性能”这一主线，从软件、硬件上分别展开，有以下几个主要发展方向：（1）动态环境建模技术。 虚拟环境的建立是 VR 技术的核心内容， 动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。（2）实时三维图形生成和显示技术。 三维图形的生成技术已较成熟，而关键是如何“实时生成”。 在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率将是
16、今后重要的研究内容。 此外，VR 还依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术。（3）新型交互设备的研制。 虚拟现实能让参与者用人类自然的技能与感知能力与虚拟世界中的对象进行交互作用，使之身临其境，借助的输入输出设备主要有：头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。 因此，新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。（4）智能化的语音虚拟现实建模。VR 建模是一个比较繁复的过程，它的建立需要开发人员花费大量的时间和精力。 为了解决这个问题，可以考虑将 VR 技术与智能技术、语音识别技术结合起来。任何模型都包含有模型的概念、模型的描述、模型的功能约束条件、模型的空间和模型的多种形态等基本特征说明。这些信息若用计算机语言来编写说明有时会显
