虚拟现实概述

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1、一、 虚拟现实技术概述自从计算机发明以来，计算机始终是老式信息解决环境的主体，它只具有在数字化的单维信息空间中解决问题的能力。而事实上，人类是依托自己的感知和认知能力全方位的获取知识，是在多维化的信息空间中结识问题。这样就产生了人类结识问题的结识空间与计算机解决问题的信息空间不一致的矛盾，人类被排斥在计算机为主体的信息解决环境之外，并且较难以直接理解信息解决工具的解决成果，更难以把人类的感知能力和认知经验与计算机信息解决环境直接联系起来。因此，人们迫切需要突破既有的数字计算机只能解决单纯数字信息的限制，建立一种能包容图像、声音、化学气味等多种信息源的信息空间，人们不仅可以从外部观测信息解决的成

2、果，并且能通过视觉、听觉、嗅觉、口令、手势等多种形式参与到信息解决环境中去，这种信息解决环境被称为虚拟环境。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于顾客，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真。虚拟现实是一种可以创立和体验虚拟世界的计算机系统(其中虚拟世界是全体虚拟环境的总称)。通过虚拟现实系统所建立的信息空间，已不再是单纯的数字信息空间，而是一种包容多种信息的多维化的信息空间(Cyberspace)，人类的感性结识和理性结识能力都能在这个多维化的信息空间中得到充足的发挥。要创立一种能让参与者具有身临其境感，具有完善地交互作用能力的虚拟现实系统，在硬件方面，需要高性能的计算机软硬件和各

3、类先进的传感器；软件方面，重要是需要提供一种能产生虚拟环境的工具集。二、 国内外虚拟现实技术的研究状况2.1 国外虚拟现实技术的研究（1）、美国的研究状况美国是从事虚拟现实研究最早、研究范畴和水平最高、有关研究对国家发展奉献最大的国家，从事虚拟现实的大学涉及MIT、Stanford大学、华盛顿大学、UniversityofIllinoisatChicago、CMU等几乎所有出名的大学，其研究内容侧重新概念发展(如虚拟现实的概念模型)、单项核心技术(如触觉反馈)和系统实现，并参与了许多有关虚拟现实的国家项目。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。目前美国在该领域的基本研究重要集中

4、在感知、顾客界面、后台软件和硬件四个方面。（2）、日本的研究状况在目前实用虚拟现实技术的研究与开发中，日本是居于领先位置的国家之一，重要致力于建立大规模VR知识库的研究。此外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了诸多工作。但日本大部分虚拟现实硬件是从美国进口的。（3）、英国的研究与开发在VR开发的某些方面，特别是在分布并行解决、辅助设备（涉及触觉反馈）设计和应用研究方面，在欧洲英国是领先的。到1991年终，英国已有从事VR的六个重要中心，它们是WIndustries（工业集团公司），BritishAerospace（英国航空公司），DimensionInternational，DivisionLtd

5、，AdvancedRoboticsResearchCenter和VirtualPresenceLtd（重要从事VR职产品销售）。（4）、欧洲其他国家VR的研究在欧洲其他某些较发达的国家如：荷兰、德国、瑞典等也积极进行了VR的研究与应用。瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境，是一种基于Unix的，不同节点上的多种进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室(TNO-PEL)开发的训练和模拟系统，通过改善人机界面来改善既有模拟系统，以使顾客完全介入模拟环境。德国的计算机图形研究所(IGD)的测试平台，用于评估VR对将来系统和界面的影响，以及向顾客和生产者提供通向先进的

6、可视化、模拟技术和VR技术的途径。此外，德国在建筑业、汽车工业及医学界等也较早应用了VR技术，如德国某些出名的汽车公司奔驰、宝马、大众等都使用了VR技术；制药公司将VR用于新药的开发；医院开始用人体数字模型进行手术实验。2.2 国内虚拟现实技术的研究国内研究状况和某些发达国家相比，国内VR技术起步较晚，尚有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度注重。根据国内的国情制定了开展VR技术的研究，九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展筹划等都把VR列入了研究项目。国内某些重点院校已积极投入到了这一领域的研究工作。北京航空航天大学计算机系：着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表达与解决

7、；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措施；实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。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，还研制出了在虚拟环境中一种新的迅速漫游算法和一种递进网格的迅速生成算法。哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高档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。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。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的核心技术立体显示技术进行了研究，提出了一种

8、基于JPEG原则压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度。北方工业大学CAD研究中心是国内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的科教片相似就出自该中心。目前，国内专注于虚拟现实与仿真领域的软硬件研发与推广，已具有了国际上比较先进的虚拟现实技术解决方案和有关服务，产品有:虚拟现实编辑器(VRP-Builder)、数字都市仿真平台(VRP-Digicity)、物理模拟系统(VRP-Physics)、三维网络平台(VRPIE)、工业仿真平台(VRP-Indusim)，三维仿真系统开发包(VRP-SDK)，以及多通道环幕立体投影解决方案等，可以满足不同领域

9、不同层次的客户对虚拟现实的需求。和07在国家级重点项目数字奥运仿真中发挥了重要的作用，为08奥运虚拟现实提供了技术支持。三、 虚拟现实技术的特性及其构成3.1虚拟现实技术的特性G.Burdea在虚拟现实系统和它的应用一文中，用三个“I”、“Immersion”、“Interaction”、“Imagination”来阐明虚拟现实的特性，即沉浸、交互、想象，三者缺一不可。（1）、沉浸性(Immersion)是指顾客作为主角存在于虚拟环境中的真实限度。使用者戴上头盔显示屏和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的多种对象的互相作用，就犹如在现实世界

10、中的同样。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。（2）、交互性(Interaction)是指顾客对模拟环境内物体的可操作限度和从环境得到反馈的自然限度。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以运用电脑键盘、鼠标进行交互，并且可以通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调节系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。（3）、多感知性(Imagination)。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反映装置，因此，使用者在虚拟环

11、境中通过人机交互，可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。研究和开发VR是为了扩展人类的认知与感知能力，建立和谐的人机环境。VR技术是人与技术完善的结合，它是计算机图形学和人-机交互技术发展之产物，人在整个系统中占有十分重要的地位。运用VR技术的手段，使我们对所研究的对象和环境获得“身临其境”的感受，从而提高人类认知的广度与深度，拓宽人类结识客观世界的“结识空间”和“措施空间”，最后达到更本质地反映客观世界的实质。3.2虚拟现实系统的种类分类的根据不同，虚拟现实的种类也就不同。根据目前的发展来看，最常用的虚拟现实分类原则是按照其功能高下来进行划分。虚拟现实按其功能高下大

12、体可分为四类：桌面级虚拟现实系统(DesktopVR)，沉浸式虚拟现实系统（ImmersionVR），分布式虚拟现实系统（DistributedVR），增强现实性虚拟现实系统。（1）、桌面级虚拟现实系统桌面级虚拟现实系统是运用个人计算机和低档工作站实现仿真，计算机的屏幕作为参与者或顾客观测虚拟环境的一种窗口，多种外部设备一般用来驾驭该虚拟环境，并且用于操纵在虚拟场景中的多种物体。由于桌面级虚拟现实系统可以通过桌上型机实现，因此成本较低，功能也比较单一，重要用于计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、建筑设计、桌面游戏等领域。（2）、沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统采用头盔显示，以数据手

13、套和头部跟踪器为交互装置，把参与者或顾客的视觉、听觉和其她感觉封闭起来，使参与者临时与真实环境相隔离，而真正成为虚拟现实系统内部的一种参与者，并可以运用多种交互设备操作和驾驭虚拟环境，给参与者一种充足投入的感觉。沉浸式虚拟现实能让人有身临其境的真实感觉，因此常常用于多种培训演示及高档游戏等领域。但是由于沉浸式虚拟现实需要用到头盔、数据手套、跟踪器等高技术设备，因此它的价格比较昂贵，所需要的软件、硬件体系构造也比桌面级虚拟现实系统更加灵活。（3）、分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统，是指在网络环境下，充足运用分布于各地的资源，协同开发多种虚拟现实。分布式虚拟现实是沉浸式虚拟现实的发展，它把分布

14、于不同地方的沉浸式虚拟现实系统通过网络连接起来，共同实现某种用途，它使不同的参与者联结在一起，同步参与一种虚拟空间，共同体验虚拟经历，使顾客协同工作达到一种更高的境界。在目前，分布式虚拟现实重要基于两种网络平台，一类是基于Internet的虚拟现实，另一类是基于告诉专用网的虚拟现实。（4）、增强现实性虚拟现实系统增强现实性虚拟现实系统又称为混合虚拟现实系统，它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，即可减少构成复杂真实环境的开销，由于部分真实环境由虚拟环境替代，又可对实际物体进行操作，由于部分系统就是真实环境，从而真正达到了亦真亦幻的境界。此外，尚有某些其她的分类措施，如根据虚拟现实生成的方

15、式，可将其分为基于几何模型的图形构造虚拟现实和基于实景图像的虚拟现实系统；根据虚拟现实生成器的性能和构成可将其分为四类：基于PC机的虚拟现实系统、基于工作站的虚拟现实系统、高度平行的虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统；根据交互界面的不同可将其分为五类：世界之窗、视频映射、沉浸式系统、遥控系统、混合系统。3.3虚拟现实系统的构成虚拟现实系统的模型表达如图。顾客通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其他反馈信息(如触觉、力觉反馈等)。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在顾客的控制下，顾客与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用(如遥操作等)。虚拟现实系统重要由如下六个模块

16、构成，如图。（1）检测模块：检测顾客的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。（2）反馈模块：接受来自传感器模块信息，为顾客提供实时反馈。（3）传感器模块：一方面接受来自顾客的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作后产生的成果以多种反馈的形式提供应顾客。（4）控制模块：对传感器进行控制，使其对顾客、虚拟环境和现实世界产生作用。(5)建模模块：获取现实世界构成部分的三维表达，并由此构成相应的虚拟环境。3.4虚拟现实系统的核心技术虚拟现实的核心技术涉及如下几方面:（1）、动态环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。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

17、需要，运用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术(有规则的环境)，而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。建模涉及几何建模、物理建模、运动建模。（2）、实时三维图形生成技术。三维图形的生成技术已经较为成熟，其核心是如何实现实时生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧/s，最佳是高于30帧/s。在不减少图形的质量和复杂限度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。（3）、立体显示和传感器技术。虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。既有的设备还远不能满足系统的需要，例如，头盔过

18、重，数据手套有延迟大、辨别率低、作用范畴小、使用不便等缺陷；此外，力觉和触觉传感装置的研究也有待进一步进一步，虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范畴也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。（4）、应用系统开发技术。虚拟现实应用的核心是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和发明力。选择合适的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。（5）、系统集成技术。由于虚拟现实中涉及大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术涉及信息的同步技术、模型的标定技术、数据

19、转换技术、数据管理模型、辨认和合成技术等。四、 虚拟现实技术的应用领域虚拟现实技术随着计算机技术、传感与测量技术、图形理论学、仿真技术和微电子技术等的飞速发展而发展。（1）、虚拟现实地图的应用虚拟现实技术在地图学中一种重要应用是制作虚拟现实地图。波及到如下技术:运用VR强大的三维场景构建技术，构造三维地形模型，制作多种地物，真实地再现自然景观;运用其他的环境编辑器对环境进行渲染。运用VR技术多感通道编辑器对以视觉为主的感觉进行仿真，使顾客能以真实的感觉“进入”地图。运用数据手套、头盔显示屏等交互工具从分析应用工具箱中提供应用工具，模拟人在现实环境中进行工作，如距离量算、面积计算等。（2）、在军

20、事现代化中的应用如何进行无人战争是当今的发展趋势。要进行无人战争的前提是要熟悉敌方的多种状况以及能灵活指挥。通过虚拟现实技术就能实现此目的。运用VR技术的强大三维场景模型，就可使指挥官亲临前线，掌握敌人的尽可多状况。在目前的导弹发射中，就是运用虚拟现实技术，使人在屏幕上跟踪其运动轨迹，动态调节其运动方向，使其顺利达到其目的。美国的太空演习战中也就是运用VR技术。VR技术在军事中的应用随着高科技的发展会越来越重要，其发挥的威力也会更大。（3）、在GIS中的应用在GIS中运用VR技术的三维场景模型和多感通道编辑器来对三维地物进行视觉的仿真，使人亲临地物之中，具有逼真的感觉。在运用VR技术中，地理空

21、间数据库的支持特别重要。地理数据库以地形数据为主，涉及地形、水下、居民点、交通线、地物的三维数据等，是生成空间定位地形图像的基本。与之相配合的是地面影像数据库，这是根据已定位的航空照片与卫星照片数字化而成，是构成地形三维图像的重要数据来源。（4）、在空间信息可视化的应用空间信息可视化始终是中国地图科学家关注的问题，其实现的重要途径是虚拟现实技术。（5）、在其他方面的应用VR技术在图像解决、电影业、文艺方面、医疗、娱乐、机器视觉等均有很大的作用。五、 虚拟现实的几种瓶颈问题（1）、虚拟环境表达的精确性。为使虚拟环境与客观世界相一致，需要对其中种类繁多、构形复杂的信息做出精确、完备的描述。同步，需

22、要研究高效的建模措施，重建其演化规律以及虚拟对象之间的多种互相关系与互相作用。（2）、虚拟环境感知信息合成的真实性。抽象的信息模型并不能直接为人类所直接感知，这就需要研究虚拟环境的视觉、听觉、力觉和触觉等感知信息的合成措施，重点解决合成信息的高保真性和实时性问题，以提高沉浸感。（3）、人与虚拟环境交互的自然性。合成的感知信息实时地通过界面传递给顾客，顾客根据感知到的信息对虚拟环境中事件和态势做出分析和判断，并以自然方式实现与虚拟环境的交互。这就需要研究基于非精确信息的多通道人机交互模式和个性化的自然交互技术等，以提高人机交互效率。（4）、实时显示问题。尽管理论上讲可以建立起高度逼真的，实时漫游

23、的VR，但至少目前来讲还达不到这样的水平。这种技术需要强有力的硬件条件的支撑，例如速度极快的图形工作站和三维图形加速卡，但目前虽然是最快的图形工作站也不能产生十分逼真，同步又是实时交互的VR。其主线因素是由于引入了顾客交互，需要动态生成新的图形时，就不能达到实时规定，从而不得不减少图形的逼真度以减少解决时间，这就是所谓的景物复杂度问题。（5）、图形生成。图形生成是虚拟现实的重要瓶颈，虚拟现实最重要的特性是人可以在随意变化的交互控制下感受到场景的动态特性，换句话说，虚拟现实系统规定随着人的活动(位置、方向的变化)即时生成相应的图形画面。（6）、智能技术(ArtificialIntelligenc

24、e，简称AI)。在VR中，计算机是从人的多种动作，语言等变化中获得信息，要对的理解这些信息，需要借助于AI技术来解决，如语音辨认、图像辨认、自然语言理解等，这些智能接口领域的研究课题是VR技术的基本，同步也是VR技术的难点。本质上，上述6个问题的解决使得顾客可以身临其境地感知虚拟环境，从而达到摸索、结识客观事物的目的。概括地说，环绕着虚拟现实展开的研究都是环绕着这6个基本问题的。六、 虚拟现实技术将来的发展与展望虚拟现实技术是20世纪末才兴起来的一门崭新综合性的信息技术，尚处在初创时期，远未达到成熟阶段。虽然我们也许不能清晰地设想出，新世纪里虚拟现实浮现并普及的新形式，但我们能通过应用媒介形态

25、变化原则和延伸媒介领域的重要传播特性，对将来的发展方向做某些展望。（1）、动态环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，而动态环境建模技术的目的就是对实际环境的三维数据进行获取，从而建立相应的虚拟环境模型，创立出虚拟环境。（2）、实时三维图形生成和显示技术。在生成三维图形方面，目前的技术已经比较成熟，核心是怎么样才可以做到实时生成，在不对图形的复杂限度和质量导致影响的前提下，如何让刷新频率得到有效的提高是此后重要的研究内容。此外，虚拟现实技术还依赖于传感器技术和立体显示技术的发展，既有的虚拟设备还不可以让系统的需要得到充足的满足，需要开发全新的三维图形生成和显示技术。（3）、适人化

26、、智能化人机交互设备的研制。虽然手套和头盔等设备可以让沉浸感增强，但在实际使用当中效果并不尽如人意。交互方式使用最自然的视觉、听觉、触觉和自然语言的话，可以让虚拟现实的交互性效果得到有效的提高。（4）、大型网络分布式虚拟现实的研究与应用。网络虚拟现实是指多种顾客在一种基于网络的计算机集合当中，对新型的人机交互设备进行一种用，介入计算机中，产生合用于顾客的虚拟情景环境。分布式虚拟环境系统除了要让复杂虚拟环境计算的需求得到满足之外，还需要让协同工作以及分布式仿真等应用对共享虚拟环境的自然需要得到满足。分布式虚拟现实可以当作是一种基于网络的虚拟现实系统，可以让多种顾客同步参与，让不同地方的顾客进入到同一种虚拟现实环境当中。目前，分布式虚拟现实系统已经成为了全世界的研究热点，国内也由杭州大学、北京航空航天大学、中国科学院软件所、中国科学院计算因此及装甲兵工程学院等单位共同感开发了一种分布虚拟环境基本信息平台，为国内开展分布式虚拟现实的研究提供了必要的软硬件基本环境和网络平台。