虛擬現(xiàn)實技術

1、 課程：虛擬現(xiàn)實技術 學院：計算機學院 班級2011211317班 學號：2011211619號 姓名：陳海媛題目：國內外虛擬現(xiàn)實技術的最新進展國內外虛擬現(xiàn)實技術的最新進展 在此之前，我對于虛擬現(xiàn)實技并沒有什么了解，也沒有聽說過虛擬現(xiàn)實這個名詞，直到本學期選修了這門課才知道這種技術，并且對這門課 產生了濃厚的興趣。至少讓我知道了3D電影是通過什么原理來產生的。 虛擬現(xiàn)實技術是很神奇的一門技術，在很大程度上幾乎可以產生視覺或聽覺的以假亂真。用比較專業(yè)的術語來說：虛擬現(xiàn)實技術是一門新興邊緣的技術,研究內容涉及多個領域,應用十分廣泛,被公認為是21世紀重要的發(fā)展學科以及影響人們生活的重要技術之一。它

2、利用計算機的圖形環(huán)境和電子技術外設產生逼真的視，聽，觸，力等 偽物質天維感覺環(huán)境，其本質是將不可視的想象力變成有形體和聲音，強調的是逼真性和科學的可視性，其個重要特征是：沉浸特征，交互特征，行為特征，它是一種全新的信息處理方式，可廣泛應用于設計，教學，培訓和仿真等。 那么在虛擬現(xiàn)實技術方面，國內外有什么最近進展呢？ 首先我們來看看中國在這方面的發(fā)展吧：我國VR技術研究起步較晚，與國外發(fā)達國家還有一定的差距，但現(xiàn)在已引起國家有關部門和科學家們的高度重視，并根據(jù)我國的國情，制定了開展VR技術的研究計劃。九五規(guī)劃、國家自然科學基金委、國家高技術研究發(fā)展計劃等都把VR列入研究項目。 國內一些重點院校，

3、已積極投入到了這一領域的研究工作。北京航空航天大學計算機系是國內最早進行VR研究、最有權威的單位之一，著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理；實現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網絡設計，虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)的開發(fā)平臺等。浙江大學開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)，還研制出了在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進網格的快速生成算法；哈爾濱工業(yè)大學已經成功地虛擬出了人的高級行為中特定人臉圖像的合成、表情的合成和 唇動的合成等技術問題。虛擬現(xiàn)實技術在我國近些年發(fā)展極為迅速，被廣泛的應用在城市規(guī)劃、教育培訓、文物保護、醫(yī)療、房地產、互聯(lián)網、勘探測繪、生產制造、軍事航天等數(shù)十個重要的行業(yè)，全世界的目光都

4、聚焦于虛擬現(xiàn)實技術在中國的蓬勃發(fā)展。流行一時的網絡游戲，實質上也是虛擬現(xiàn)實技術的一種簡單應用。最近，中國首款虛擬現(xiàn)實游戲射日精英也已經橫空出世。縱觀多年來的發(fā)展歷程，VR技術的未來研究仍將遵循“低成本、高性能”這一原則，從軟件、硬件上展開，并將在以下主要方向發(fā)展：1：動態(tài)環(huán)境建模技術動態(tài)環(huán)境建模技術的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要建立相應的虛擬環(huán)境模型。:2：實時三維圖形生成和顯示技術。在不降低圖形的質量和復雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是今后重要的研究內容。此外，有的虛擬設備還不能滿足系統(tǒng)的需要，有必要開發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術。 3：新型交互設備的研制。虛擬現(xiàn)實需要頭盔顯

5、示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、三維位置傳感器和三維聲音產生器等。因此，新型、便宜、做工精良的數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)服將成為未來研究的重要方向。4：智能化語音虛擬現(xiàn)實建模。虛擬現(xiàn)實建模如果將VR技術與智能技術、語音識別技術結合起來將會給虛擬現(xiàn)實的發(fā)展帶來巨大的意義。 大型網絡分布式虛擬現(xiàn)實(Distributed Virtual Reality，DVR)的應用。目前，分布式虛擬交互仿真已成為國際上的研究熱點，相繼推出了DIS、MA等相關標準。網絡分布式VR在航天中極具應用價值，例如，國際空間站的參與國分布在世界不同區(qū)域，分布式VR訓練環(huán)境不需要在各國重建仿真系統(tǒng)，這樣不僅減少了研制費設備費用，而且也減少了人

6、員出差的費用和異地生活的不適。然后我們再來看看美國在虛擬現(xiàn)實技術的長期發(fā)展以及最新發(fā)展：國家科學基金會國家科學基金會（NSF）成立于1950年，是美國科技體系中的一個重要機構。NSF下轄7個學部。其中計算機、信息科學與工程學部（CISE） 資助的VR 技術項目最多。該學部下設三個處，每個處下設 若干核心計劃，支持某一領域的科研項目，其中與VR技術最相關的是人機互動計劃（HCI）和以人為 中心的計算計劃（HCC）。人機互動計劃支持對人機互動系統(tǒng)的設計和評估研究。以人為中心的計算計 劃的研究對象覆蓋各種計算平臺，設備規(guī)模從單用戶設備到大型異構系統(tǒng)。這些研究具有高度的跨學科特性，因而經常得到 NSF

7、 其他計劃的聯(lián)合資助。國家科學基金會的研發(fā)經費總體呈上升趨勢，CISE 每年的平均研發(fā)經費約為 5 億美元 。由于虛擬現(xiàn)實具有較高的學科綜合性和廣泛的 應用領域，NSF 的其他學部也都資助與 VR 技術相 關的項目。資助項目較多的有工程學部 （ENG）下設的產業(yè)創(chuàng)新與合作處（IIP）和民用、機械與制造創(chuàng)新處（CMMI）以及教育與人力資源學部（HER）下設的大學本科教育處（DUE）。美國航空航天局美國國家航空航天局（ NASA）成立于1958 年，是世界上最大的空間開發(fā)機構。NASA 已經建立了航空、衛(wèi)星維護 VR 訓練系統(tǒng)，空間站 VR 訓練系統(tǒng)，以及可供全國使用的 VR 教育系統(tǒng)。NASA下

8、轄10個研究中心，其中支持 VR 技術研發(fā)最多的是艾姆斯研究中心（ARC）。艾姆斯研究中心是美國信息技術的領先研究機研究重構之一，年度預算 6 億美元（2008 年）點是高性能計算、網絡技術和智能系統(tǒng)。其中與 VR 關系最為密切的是中心下設的探索技術理事會下的 人機綜合處（HSID），該處主要研究領域為虛擬航 空建模仿真、 平視顯示器、 虛擬環(huán)境界面等。HISD 的研發(fā)工作主要由航空研究任務理事會（ARMD） 和探索系統(tǒng)任務理事會 （ ESMD）資助。每個理事會下設若干研究計劃，資助HISD研發(fā)的計劃有空域系統(tǒng)計劃、航空安全計劃、基礎航空計劃、星座計劃、人類研究計劃等。艾姆斯研究中心開展了一系

9、列的虛擬現(xiàn)實研究項目，如“虛 擬 行 星 探 索（VPE）”的實驗計劃；設立未來飛行中心 （ Future Flight Central），利用 VR 技術評估跑道安全等。國防部美國國防部（DOD） 主導美國國防科研。二戰(zhàn)后，國防科技在美國的科技創(chuàng)新體系中長期占據(jù)主導地位，其所獲得的聯(lián)邦政府科研投入一直占聯(lián)邦科研經費總額的50%左右。美國國防部非常重視 VR 技術的研發(fā)和應用。VR 技術在武器系統(tǒng)性能評價、武器操縱訓練及指揮大規(guī)模軍事演習等方面發(fā)揮著重要作用。國防高級研究計劃署（DARPA）在美國軍方的科研活動中占據(jù)重要地位。1983 年，DARPA和美國陸軍制定并實施SIMNET計劃。從19

10、94年起，DARPA和美軍大西洋司令部（USACOM）聯(lián)合開展了“戰(zhàn)爭綜合演練場（STOW）”的研發(fā)。從2003年起，DARPA啟動DARWARS 項目，加速新一代訓練系統(tǒng)的研發(fā)和部署。 除 DARPA 以外，美國軍方的 VR 技術研究機構還有： 美國空軍技術學院、 美國海軍研究生院及美國陸軍研究所等。 美國空軍技術學院主要研究人類因素的檢測、計算機圖形學以及與大規(guī)模分布綜合環(huán)境應用有關的人機交互問題 。美國海軍研究生院下屬的圖形和圖像實驗室進行了大規(guī)模虛擬環(huán)境的開發(fā)與應用研究。其研究目標是為基于網絡化虛擬環(huán)境的交互仿真開發(fā)低價格模擬器。 陸軍研究所從事與虛擬環(huán)境相關的行為科學和計算機科學兩方

11、 面的研究，在用于戰(zhàn)斗訓練的仿真電子戰(zhàn)場的應用 中發(fā)揮著重要作用。其他部門美國能源部（DOE）為改善運作模式、節(jié)省研發(fā)經費和時間積極發(fā)展 VR 技術。 能源部1995年啟動了“高級仿真和計算計劃 ”旨在幫助能源部用計算機仿真代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗方法 。美國衛(wèi)生與福利部 （ HHS） 下屬的國立衛(wèi)生研究院（NIH）進行了一系列 VR 技術的研究。 早在 1986 年就著手開展 “可視人計劃 ” 應用于諸多領域。另外，國立衛(wèi)生研究院還資助其它科研人員進行 VR 技術研究。2008 年國立精神衛(wèi)生研究所應用 VR 技術研究治療創(chuàng)傷后應激綜合征（PTSD） ， 取得良好效果。同年伊利諾伊衛(wèi)斯理大學的研究人員

12、獲得資助，應用 VR 技術研究人們的性行為選擇，以降低艾滋病病毒（HIV）的傳播。 此外，聯(lián)邦航空局 （FAA） 、教育部 （ED） 甚至一些州政府也都有開展 VR 技術研發(fā)的機構或計劃。聯(lián)邦航空局下屬的民用航天醫(yī)學研究所（CAMI）開發(fā)了首個VR 空間定向障礙示范器（VRSDD）。教育部資助了一些虛擬現(xiàn)實的研究項目，比如培訓系統(tǒng)的開發(fā)。美國加州政府則將 VR 技術作為重要應用寫入寬帶網絡發(fā)展計劃中 。美國大學虛擬現(xiàn)實技術研發(fā)現(xiàn)狀 ：高校是推動虛擬現(xiàn)實技術基礎研究的重要力量 。北卡羅來納大學（UNC）計算機系是進行虛擬現(xiàn)實 研究最早最著名的大學。他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術仿真、建

13、筑仿真等 。麻省理工學院（MIT）是研究人工智能、機器人和計算機圖形學及動畫的先鋒， 這些技術都是 VR 技術的基礎。1985 年 MIT成立了媒體實驗室，進行虛擬環(huán)境的正規(guī)研究。 媒體實驗室建立了一個名叫 BOLIO 的測試環(huán)境，利用這一環(huán)境，MIT建立了一個虛擬環(huán)境下的對象運動跟蹤動態(tài)系統(tǒng) 。密歇根大學 （ University of Michigan） 在80年代成功開發(fā)了基于符號表示和規(guī)則推理的 Agent 建模 環(huán)境 Soar 項目，后來被廣泛應用于人工智能、行為建模和人機接口等方面的研究。Soar 項目通過提供改進了的空軍仿真兵力來擴充 LORAL MODSAF 。這一計劃將使美國

14、國防部在虛擬仿真戰(zhàn)役中具有智能化的時態(tài)推理能力、 多目標管理和傳感能力， 使管理和操縱敵方兵力的人員減至最少。華盛頓大學（UW）的人機界面技術實驗室（HIT Lab）在新概念的研究中起著領先作用，同時也在進行感覺、知覺、認知和運動控制能力的研究。HIT 將 VR 研究引入了教育、設計、娛樂和制造領域。 伊利諾斯州立大學（UI）研制出支持遠程協(xié)作的車輛設計分布式 VR 系統(tǒng)， 不同國家和地區(qū)的工程師們可以通過計算機網絡進行實時協(xié)作設計。喬治梅森大學（GMU） 研制出一套在動態(tài)虛擬環(huán)境中的流體實時仿真系統(tǒng)。加州大學伯克利分校（UC Berkeley）的遠程沉 浸實驗室采用實時建模和遠程傳輸共享的方

15、法開發(fā) 了遠程沉浸式交互系統(tǒng)。 美國企業(yè)虛擬現(xiàn)實技術研發(fā)及應用現(xiàn)狀 企業(yè)是推動 VR 技術應用和產業(yè)化的重要力量。IBM 公司把互聯(lián)網和 VR 技術作為正在興起的商機， 投入上億資金資助研發(fā)。其推出的 Bluegrass 是一個 虛擬現(xiàn)實應用程序，能夠讓用戶建立虛擬的會議室。IBM2008年啟動的“Sametime 3D”項目，將虛擬世界整合到Lotus Sametime 即時通訊與協(xié)作應用軟件。IBM還與 故宮博物院合作推出“超越時空的紫禁城”這是中國第一個在互聯(lián)網上展現(xiàn)重要歷史文化景點的虛擬世界。 微軟公司開發(fā)了諸多 VR 技術： Photosynth 軟件 能夠讓用戶使用一組有相似性的照

16、片生成一個 3D 場景；Silverlight插件支持3D效果，并能使用顯示卡的GPU 硬件加速功能來提高顯示質量； 3D體感攝影機 Project Natal 導入了即時動態(tài)捕捉、影像辨識、 麥克風輸入、語音辨識、社群互動等功能；WorldWide Telescope 基于Web2.0可視化環(huán)境， 是 Internet 上的一個虛擬望遠鏡，用戶可以對圖像進行無縫縮放和平移；Virtual Earth 3D 的使用者可以瀏覽美 國主要城市的全方位 3D 圖片。施樂公司 （ Xerox）研究中心在 VR 領域主要從 事利用虛擬現(xiàn)實通信建立未來辦公室的研究，并設計一項基于 VR 使得數(shù)據(jù)存取更容易

17、的窗口系統(tǒng) 。此外，波音公司的波音 777 運輸機采用全無紙化設計，利用所開發(fā)的 VR 系統(tǒng)將虛擬環(huán)境疊加于真實環(huán)境之上，把虛擬的模板顯示在正在加工的工件上，工人根據(jù)此模板控制待加工尺寸， 簡化加工過程。需要強調的是，美國企業(yè)的 VR 技術不單著眼于研發(fā)，許多 VR 商品以面向市場、面向用戶為基礎，其商業(yè)化應用取得了良好的效果 。 美國虛擬現(xiàn)實技術領域相關政策法案和計劃 ：由于 VR 技術具有較高的學科綜合性，因此與之相關的政策法案和計劃分散于信息技術相關法案的諸多方面。 幾屆政府的科技政策雖有所不同，但在信息技術領域都給與了大力支持 。 克林頓政府于1993年宣布實施的“國家信息基礎設施（N

18、II）”計劃為分布式虛擬現(xiàn)實的研發(fā)和應用奠定了基礎。為確保美國在21世紀信息技術上的領導地位，并盡快搶占未來的高科技市場， 克林頓總統(tǒng)在2000 年財政預算中撥出 3. 66 億美元直接用于信息 技 術 領 域 的 研究。這一行 動計劃命名為“面向 21 世紀的信息技術（簡稱為 I）”將重點支。其中，I 行動計劃在科 持三大信息技術領域的研究 學工程領域的高性能計算技術研究中就包括了各種 圖形圖像處理、計算機模擬等虛擬現(xiàn)實技術。 布什政府的科技政策與前任政府保持了一定的連續(xù)性，同時進行一系列的調整，更加強調要大力推進高新科技尤其是數(shù)字信息科技。 布什政府大力支持“網絡與信息技術研發(fā)計劃 （ N

19、ITRD） ”平均每年資助額達24 億美元 。 在 NITRD 計劃眾多成果中，計算機模擬和可視化成果對科研和企業(yè)創(chuàng)新產生的影響最為深遠。 它們使研究人員能夠對非常復雜的現(xiàn)象進行檢查和試驗，并將復雜的動態(tài)過程可視化，如龍卷風的生成過程。奧巴馬在競選時就把科學技術議題放在重要的位置，集中體現(xiàn)在 投資美國的未來科學與創(chuàng) 新計劃政策 中。 就任后，奧巴馬提出了多項與信 息技術有關的經濟刺激提案。2009年4月，奧巴馬 正式宣布任命 查普拉 （ Aneesh Chopra） 擔任首位國家首席技術官，其主要職責之一是推動美國政府更 好地使用信息技術，從各個層面深化信息技術對經濟增長和提升國家競爭力的影響

20、 。 由于美國沒有統(tǒng)一的科技管理部門， 故其 VR 技術的發(fā)展計劃同樣分散于各個部門中。 國防部、 能源部、國家科學基金會等機構均有涉及 VR 技術 的發(fā)展計劃。 1995 年美國國防部制定了 “建模與仿真總體規(guī)劃” 虛擬現(xiàn)實作為其中的關鍵技術得到重點支持。此后，美國國防部在制定戰(zhàn)略規(guī)劃指南時又對該規(guī)劃進行了更新。2006 年美國國防部發(fā)布了“建模與 ， 仿真總體規(guī)劃采購計劃”旨在充分利用建模與仿真 技術為國防服務。2000 年能源部核能研究咨詢委員會（NERAC）。制定了“長期核技術研發(fā)規(guī)劃 ” 明確提出應重點開發(fā)、應用和驗證虛擬現(xiàn)實計算模型和仿真工具。 能源部及其下屬實驗室在高性能計算和仿

21、真技術上 引領全球，該領域將研發(fā)針對核能工廠的虛擬現(xiàn)實 平臺等一系列技術。 國家科學基金會在 2006 2011 財 年 戰(zhàn) 略 規(guī) 劃 中指出要“吸引更多公眾了解當前的科學研究 和新技術。通過互動式和沉浸式的體驗激起公眾的興趣，提升公眾的科技素養(yǎng)” 這表明國家科學基金會將積極把 2008 年 2 月，美國國家工程院 （ NAE） 公布了一份題為“21世紀工程學面臨的 14 項重大挑戰(zhàn) ”11 的報告。VR 技術是其中之一，與新能源、潔凈水、新藥物等技術相并列。并提出這些技術挑戰(zhàn)的任何一項一經克服，將可極大地改善們的生活質量。 最后我們再來看看：英國和日本虛擬現(xiàn)實技術的研究與開發(fā)在 VR 開發(fā)

22、的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設備( 包括觸覺反饋) 設計和應研 究方面，英國是領先的尤其是在歐洲。英國主要有四個從事VR 技術研究的中心： Windustries( 工業(yè)集團公司)，是國際VR 界的著名開發(fā)機構，在工業(yè)設計和可視化等重要領域占有一席之地；British Aerospace( 英國航空公司 BAe) 的 Brough 分部，正在利用 VR 技術設計高級戰(zhàn)斗機座艙；Dimension International, 是桌面 VR 的先驅。該公司生產了一系列的商業(yè) VR 軟件包，都命名為 Superscape ;；DivisonLTD 公司在開發(fā) VISION、 Vision

23、 Pro Supervision 系統(tǒng)/模塊化高速圖形引擎中，率先使用了Transputer 和i860技術。日本主要 致力于建立大規(guī)模 VR 知識庫的研究，在虛擬現(xiàn)實的游戲方面的研究也處于領先地位。京都的先進電子通信研究所(ATR) 正在開發(fā)一套系統(tǒng)，它能用圖像處理來識別手勢和面部表情，并把它們作為系統(tǒng)輸入，富士通實驗室有限公司正在研究虛擬生物與 VR 環(huán)境的相互 作用,他們還在研究虛擬現(xiàn)實中的手勢識別，已經開發(fā)了一套神經網絡姿勢識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以識別姿勢，也可以識別表示詞的信號語言。日本奈良尖端技術研究生院大學教授 千原國宏 領導的研究小組于2004 年開發(fā)出一種嗅覺模擬器，只要把虛擬空

24、間里的水果拉到鼻尖上一聞，裝置就會在鼻尖處放出水果的香味，這是虛擬現(xiàn)實技術在嗅覺研究領域的一項突破。 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展趨勢虛擬現(xiàn)實技術是 2O 世紀 8O 年代才興起的一門嶄新的綜合性信息技術， 尚處于新生階段，遠未達到成熟階段，同時，虛擬現(xiàn)實技術還需滲透到信息系統(tǒng)的各個領域。改變信息系統(tǒng)的 人機交互方式， 甚至改變現(xiàn)代信息系統(tǒng)的設計原則，使之更能適應以用戶為中心的應用需求。 只有這樣，虛擬現(xiàn)實技術才能夠得到快速健康的發(fā)展。從目前信息技術的發(fā)展來看。網絡已 經進入了人們的生活、工作和學習中。虛擬現(xiàn)實與網絡的結合也日趨緊密和完善。目前，國內外已經將虛擬現(xiàn)實與網絡結合。建成了多個商業(yè)宣傳網站，甚

25、至用于游戲同時。計算機圖 像壓縮技術和顯示技術的不斷進步以及相應硬件設備的日趨完善 我們不難預測未來虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展動向。這種動向大致包括兩個方向：一方是朝著 桌面級 虛擬現(xiàn)實發(fā)展，特別是 在商業(yè)領域。目前，已有數(shù)百家公司正在致力于 桌面級虛擬現(xiàn)實的開發(fā)。其主要用途有商業(yè) 展示教育培訓及仿真游戲等： 另一方面是朝著高性能沉浸式虛擬現(xiàn)實發(fā)展。 很多高科技領域， 如航空航天軍事訓練、模擬 訓練等。由于各種特殊要求，只能進行仿真試驗，簡單的桌面 級虛擬現(xiàn)實根本無法滿足， 因此只能建立高性能的沉浸式虛擬現(xiàn)實。 目前國內外已建成多個 高科技領域虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)。發(fā)達國家虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展對我國的啟示：1

26、：制定虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展規(guī)劃，完善政策體系 通過對美國VR技術發(fā) 展 現(xiàn)狀和政策的了解，不僅美國信息技術領域的諸多重大戰(zhàn)略規(guī)劃均涉及 VR 技術，而且政府下屬的各大部門均制定具體的VR技術的發(fā)展計劃，從上到下形成粗細得當、層次、863計劃等合理的政策體系。我國規(guī)劃綱要 大發(fā)展規(guī)劃中都將 VR 技術列為重點發(fā)展和資助領 域，但對 VR 技術的某些重點領域和技術熱點領域 缺少具體的發(fā)展計劃， 因此，在發(fā)展和應用 VR 技 術方面，應結合本國國情不僅從戰(zhàn)略高度重視技術的長遠規(guī)劃，而且需從策略層面對具體的技術領域 進行布局和計劃。 2： 注重虛擬現(xiàn)實技術的應用，促進產學研結合美國非常注重 VR 技術的應用，由于虛擬現(xiàn)實 在訓練、實驗等方面具有重大的應用價值， 所以 VR 技術往往最先應用于國防、航天等部門。 在這些部 門取得良好的應用效果后，促使 VR 技術向其他部 門擴散。醫(yī)療、教育、 娛樂等領域為 VR 技術的應 用提供 了 廣 闊 的 空 間。 美 國