虛擬現(xiàn)實概述

1、一、虛擬現(xiàn)實技術概述自從計算機創(chuàng)造以來,計算機一直是傳統(tǒng)信息處理環(huán)境的主體,它只具有在數(shù)字化的單維信息空間中處理問題的水平.而事實上,人類是依靠自己的感知和認知水平全方位的獲取知識,是在多維化的信息空間中熟悉問題.這樣就產(chǎn)生了人類熟悉問題的熟悉空間與計算機處理問題的信息空間不一致的矛盾,人類被排斥在計算機為主體的信息處理環(huán)境之外,而且較難以直接理解信息處理工具的處理結果,更難以把人類的感知水平和認知經(jīng)驗與計算機信息處理環(huán)境直接聯(lián)系起來.因此,人們迫切需要突破現(xiàn)有的數(shù)字計算機只能處理單純數(shù)字信息的限制,建立一個能包容圖像、聲音、化學氣味等多種信息源的信息空間,人們不但可以從外部觀察信息處理的結果

2、,而且能通過視覺、聽覺、嗅覺、口令、手勢等多種形式參與到信息處理環(huán)境中去,這種信息處理環(huán)境被稱為虛擬環(huán)境.虛擬環(huán)境是由計算機生成的,通過視、聽、觸覺等作用于用戶,使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真.虛擬現(xiàn)實是一種可以創(chuàng)立和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)其中虛擬世界是全體虛擬環(huán)境的總稱.通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所建立的信息空間,已不再是單純的數(shù)字信息空間,而是一個包容多種信息的多維化的信息空間Cyberspace,人類的感性熟悉和理性熟悉水平都能在這個多維化的信息空間中得到充分的發(fā)揮.要創(chuàng)立一個能讓參與者具有身臨其境感,具有完善地交互作用水平的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),在硬件方面,需要高性能的計算機軟硬件和各類先進的傳

3、感器；軟件方面,主要是需要提供一個能產(chǎn)生虛擬環(huán)境的工具集.虛批屏境二、國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術的研究狀況2.1國外虛擬現(xiàn)實技術的研究1、美國的研究狀況美國是從事虛擬現(xiàn)實研究最早、研究范圍和水平最高、相關研究對國家開展奉獻最大的國家,從事虛擬現(xiàn)實的大學包括MIT、Stanford大學、華盛頓大學、UniversityoflllinoisatChicago、CMU等幾乎所有著名的大學,其研究內(nèi)容側重新概念開展如虛擬現(xiàn)實的概念模型卜單項關鍵技術如觸覺反響和系統(tǒng)實現(xiàn),并參加了許多有關虛擬現(xiàn)實的國家工程.美國VR研究技術的水平根本上就代表國際VR開展的水平.目前美國在該領域的根底研究主要集中在感知、用戶界面、

4、后臺軟件和硬件四個方面.(2)、日本的研究狀況在當前實用虛擬現(xiàn)實技術的研究與開發(fā)中,日本是居于領先位置的國家之一,主要致力于建立大規(guī)模VR知識庫的研究.另外在虛擬現(xiàn)實的游戲方面的研究也做了很多工作.但日本大局部虛擬現(xiàn)實硬件是從美國進口的.(3)、英國的研究與開發(fā)在VR開發(fā)的某些方面,特別是在分布并行處理、輔助設備(包括觸覺反響)設計和應用研究方面,在歐洲英國是領先的.到1991年底,英國已有從事VR的六個主要中央,它們是WIndustries(工業(yè)集團公司),BritishAerospace(英國航空公司),Dimensioninternational,DivisionLtd,Advanced

5、RoboticsResearchCenter和VirtualPresenceLtd(主要從事VR職產(chǎn)品銷售).(4)、歐洲其它國家VR的研究在歐洲其它一些較興旺的國家如：荷蘭、德國、瑞典等也積極進行了VR的研究與應用.瑞典的DIVE分布式虛擬交互環(huán)境,是一個基于Unix的,不同節(jié)點上的多個進程可以在同一世界中工作的異質分布式系統(tǒng).荷蘭海牙TNO研究所的物理電子實驗室(TNO-PEL)開發(fā)的練習和模擬系統(tǒng),通過改良人機界面來改善現(xiàn)有模擬系統(tǒng),以使用戶完全介入模擬環(huán)境.德國的計算機圖形研究所(IGD)的測試平臺,用于評估VR對未來系統(tǒng)和界面的影響,以及向用戶和生產(chǎn)者提供通向先進的可視化、模擬技術和

6、VR技術的途徑.另外,德國在建筑業(yè)、汽車工業(yè)及醫(yī)學界等也較早應用了VR技術,如德國一些著名的汽車企業(yè)奔馳、寶馬、群眾等都使用了VR技術；制藥企業(yè)將VR用于新藥的開發(fā)；醫(yī)院開始用人體數(shù)字模型進行手術實驗.2.2國內(nèi)虛擬現(xiàn)實技術的研究國內(nèi)研究狀況和一些興旺國家相比,我國VR技術起步較晚,還有一定的差距,但已引起政府有關部門和科學家們的高度重視.根據(jù)我國的國情制定了開展VR技術的研究,九五規(guī)劃、國家自然科學基金委、國家高技術研究開展方案等都把VR列入了研究工程.國內(nèi)一些重點院校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：著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現(xiàn)實中的視覺

7、接口方面開發(fā)出局部硬件,并提出有關算法及實現(xiàn)方法；實現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡設計,可以提供實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實演示環(huán)境、用于飛行員練習的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)的開發(fā)平臺等.浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發(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(wǎng)格的快速生成算法.哈爾濱工業(yè)大學已經(jīng)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.清華大學計算機科學和技術系對虛擬現(xiàn)實和臨場感的方面進行了研究.西安交通大學信息工程研究所對虛擬現(xiàn)實中的關鍵技術立體顯示技術進行了研究,提出了一種基于JPEG

8、標準壓縮編碼新方案,獲得了較高的壓縮比、信噪比以及解壓速度.北方工業(yè)大學CAD研究中央是我國最早開展計算機動畫研究的單位之一,中國第一部完全用計算機動畫技術制作的科教片?相似?就出自該中央.當前,我國專注于虛擬現(xiàn)實與仿真領域的軟硬件研發(fā)與推廣,已具備了國際上比擬先進的虛擬現(xiàn)實技術解決方案和相關效勞,產(chǎn)品有：虛擬現(xiàn)實編輯器(VRP-Builder)、數(shù)字城市仿真平臺(VRP-Digicity)、物理模擬系統(tǒng)(VRP-Physics)三維網(wǎng)絡平臺(VRPIE)、工業(yè)仿真平臺(VRP-Indusim),三維仿真系統(tǒng)開發(fā)包(VRP-SDK)以及多通道環(huán)幕立體投影解決方案等,能夠滿足不同領域不同層次的客

9、戶對虛擬現(xiàn)實的需求.02年和07在國家級重點工程數(shù)字奧運仿真中發(fā)揮了重要的作用,為08奧運虛擬現(xiàn)實提供了技術支持.三、虛擬現(xiàn)實技術的特征及其構成3.1 虛擬現(xiàn)實技術的特征G.Burdea在?虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和它的應用?一文中,用三個"I"、"Immersion"、"InteractionaImagination來說明虛擬現(xiàn)實的特征,即沉浸、交互、想象,三者缺一不可.(1)、沉浸性(Immersion)是指用戶作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實程度.使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設備,便可將自己置身于虛擬環(huán)境中,成為虛擬環(huán)境中的一員.使用者與虛擬環(huán)

10、境中的各種對象的相互作用,就如同在現(xiàn)實世界中的一樣.使用者在虛擬環(huán)境中,一切感覺都是那么逼真,有一種身臨其境的感覺.(2)、交互性(Interaction)是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反響的自然程度.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機交互是一種近乎自然的交互,使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標進行交互,而且能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設備進行交互.計算機能根據(jù)使用者的頭、手、眼、語言及身體的運動,來調整系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像及聲音.使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能,就能對虛擬環(huán)境中的對象進行考察或操作.(3)、多感知性(Imagination).由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中裝有視、聽、觸、

11、動覺的傳感及反響裝置,因此,使用者在虛擬環(huán)境中通過人機交互,可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知,從而到達身臨其境的感受.研究和開發(fā)VR是為了擴展人類的認知與感知水平,建立和諧的人機環(huán)境.VR技術是人與技術完善的結合,它是計算機圖形學和人-機交互技術開展之產(chǎn)物,人在整個系統(tǒng)中占有十分重要的地位.利用VR技術的手段,使我們對所研究的對象和環(huán)境獲得“身臨其境的感受,從而提升人類認知的廣度與深度,拓寬人類熟悉客觀世界的“熟悉空間和“方法空間,最終到達更本質地反映客觀世界的實質.3.2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的種類分類的依據(jù)不同,虛擬現(xiàn)實的種類也就不同.根據(jù)目前的開展來看,最常見的虛擬現(xiàn)實分類標準是根據(jù)其功能

12、上下來進行劃分.虛擬現(xiàn)實按其功能上下大體可分為四類：桌面級虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(DesktopVR),沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(ImmersionVR),分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(DistributedVR),增強現(xiàn)實性虛擬現(xiàn)實系統(tǒng).(1)、桌面級虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)桌面級虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是利用個人計算機和低級工作站實現(xiàn)仿真,計算機的屏幕作為參與者或用戶觀察虛擬環(huán)境的一個窗口,各種外部設備一般用來駕馭該虛擬環(huán)境,并且用于操縱在虛擬場景中的各種物體.由于桌面級虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以通過桌上型機實現(xiàn),所以本錢較低,功能也比擬單一,主要用于計算機輔助設計CAD計算機輔助制造CAM、建筑設計、桌面游戲等領域.(2)、沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)沉浸

13、式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采用頭盔顯示,以數(shù)據(jù)手套和頭部跟蹤器為交互裝置,把參與者或用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來,使參與者暫時與真實環(huán)境相隔離,而真正成為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)內(nèi)部的一個參與者,并可以利用各種交互設備操作和駕馭虛擬環(huán)境,給參與者一種充分投入的感覺.沉浸式虛擬現(xiàn)實能讓人有身臨其境的真實感覺,因此常常用于各種培訓演示及高級游戲等領域.但是由于沉浸式虛擬現(xiàn)實需要用到頭盔、數(shù)據(jù)手套、跟蹤器等高技術設備,因此它的價格比擬昂貴,所需要的軟件、硬件體系結構也比桌面級虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)更加靈活.(3)、分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),是指在網(wǎng)絡環(huán)境下,充分利用分布于各地的資源,協(xié)同開發(fā)各種虛擬現(xiàn)實.分布式虛擬

14、現(xiàn)實是沉浸式虛擬現(xiàn)實的開展,它把分布于不同地方的沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過網(wǎng)絡連接起來,共同實現(xiàn)某種用途,它使不同的參與者聯(lián)結在一起,同時參與一個虛擬空間,共同體驗虛擬經(jīng)歷,使用戶協(xié)同工作到達一個更高的境界.在目前,分布式虛擬現(xiàn)實主要基于兩種網(wǎng)絡平臺,一類是基于Internet的虛擬現(xiàn)實,另一類是基于告訴專用網(wǎng)的虛擬現(xiàn)實.(4)、增強現(xiàn)實性虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)增強現(xiàn)實性虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)又稱為混合虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),它是把真實環(huán)境和虛擬環(huán)境結合起來的一種系統(tǒng),即可減少構成復雜真實環(huán)境的開銷,由于局部真實環(huán)境由虛擬環(huán)境代替,又可對實際物體進行操作,由于局部系統(tǒng)就是真實環(huán)境,從而真正到達了亦真亦幻的境界.另外,還有一些其

15、他的分類方法,如根據(jù)虛擬現(xiàn)實生成的方式,可將其分為基于幾何模型的圖形構造虛擬現(xiàn)實和基于實景圖像的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；根據(jù)虛擬現(xiàn)實生成器的性能和組成可將其分為四類：基于PC機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、基于工作站的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、高度平行的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；根據(jù)交互界面的不同可將其分為五類：世界之窗、視頻映射、沉浸式系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、混合系統(tǒng).3.3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的模型表示如圖.用戶通過傳感裝置直接對虛擬環(huán)境進行操作,并得到實時三維顯示和其它反響信息(如觸覺、力覺反響等).當系統(tǒng)與外部世界通過傳感裝置構成反響閉環(huán)時,在用戶的限制下,用戶與虛擬環(huán)境間的交互可以對外部世界產(chǎn)生作用(如遙操

16、作等).虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要由以下六個模塊構成,如圖.(1)檢測模塊：檢測用戶的操作命令,并通過傳感器模塊作用于虛擬環(huán)境.(2)反響模塊：接受來自傳感器模塊信息,為用戶提供實時反響.(3)傳感器模塊：一方面接受來自用戶的操作命令,并將其作用于虛擬環(huán)境；另一方面將操作后產(chǎn)生的結果以各種反響的形式提供給用戶.(4)限制模塊：對傳感器進行限制,使其對用戶、虛擬環(huán)境和現(xiàn)實世界產(chǎn)生作用.(5)建模模塊：獲取現(xiàn)實世界組成局部的三維表示,并由此構成對應的虛擬環(huán)境.3.4虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關鍵技術虛擬現(xiàn)實的關鍵技術包括以下幾方面：(1)、動態(tài)環(huán)境建模技術.虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實技術的核心內(nèi)容.動態(tài)環(huán)境建模技術的目的

17、是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù),并根據(jù)應用的需要,利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應的虛擬環(huán)境模型.三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(有規(guī)那么白環(huán)境),而更多的環(huán)境那么需要采用非接觸式的視覺建模技術,兩者的有機結合可以有效地提升數(shù)據(jù)獲取的效率.建模包括幾何建模、物理建模、運動建模.(2)、實時三維圖形生成技術.三維圖形的生成技術已經(jīng)較為成熟,其關鍵是如何實現(xiàn)實時生成.為了到達實時的目的,至少要保證圖形的刷新率不低于15幀/s,最好是高于30幀/s.在不降低圖形的質量和復雜程度的前提下,如何提升刷新頻率將是該技術的研究內(nèi)容.(3)、立體顯示和傳感器技術.虛擬現(xiàn)實的交互水平依賴于立體顯示和傳感器技術的開展.現(xiàn)有

18、的設備還遠不能滿足系統(tǒng)的需要,例如,頭盔過重,數(shù)據(jù)手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點；另外,力覺和觸覺傳感裝置的研究也有待進一步深入,虛擬現(xiàn)實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提升,因此有必要開發(fā)新的三維顯示技術.(4)、應用系統(tǒng)開發(fā)技術.虛擬現(xiàn)實應用的關鍵是尋找適宜的場合和對象,即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力.選擇適當?shù)膽脤ο罂梢源蠓鹊靥嵘a(chǎn)效率、減輕勞動強度、提升產(chǎn)品開發(fā)質量.為了到達這一目的,必須研究虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具.例如,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)平臺、分布式虛擬現(xiàn)實技術等.(5)、系統(tǒng)集成技術.由于虛擬現(xiàn)實中包括大量的感知信息和模型,因此系統(tǒng)的集成技術起著至關重要的作用.集成技術

19、包括信息的同步技術、模型的標定技術、數(shù)據(jù)轉換技術、數(shù)據(jù)治理模型、識別和合成技術等.四、虛擬現(xiàn)實技術的應用領域虛擬現(xiàn)實技術隨著計算機技術、傳感與測量技術、圖形理論學、仿真技術和微電子技術等的飛速開展而開展.(1)、虛擬現(xiàn)實地圖的應用虛擬現(xiàn)實技術在地圖學中一個主要應用是制作虛擬現(xiàn)實地圖.涉及到以下技術：利用VR強大的三維場景構建技術,構造三維地形模型,制作各種地物,真實地再現(xiàn)自然景觀；利用其它的環(huán)境編輯器對環(huán)境進行渲染.利用VR技術多感通道編輯器對以視覺為主的感覺進行仿真,使用戶能以真實的感覺“進入地圖.利用數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器等交互工具從分析應用工具箱中提供給用工具,模擬人在現(xiàn)實環(huán)境中進行工作,

20、如距離量算、面積計算等.(2)、在軍事現(xiàn)代化中的應用怎樣進行無人戰(zhàn)爭是當今的開展趨勢.要進行無人戰(zhàn)爭的前提是要熟悉敵方的各種情況以及能靈活指揮.通過虛擬現(xiàn)實技術就能實現(xiàn)此目的.利用VR技術的強大三維場景模型,就可使指揮官親臨前線,掌握敵人的盡可多情況.在現(xiàn)在的導彈發(fā)射中,就是利用虛擬現(xiàn)實技術,使人在屏幕上跟蹤其運動軌跡,動態(tài)調整其運動方向,使其順利到達其目標.美國的太空演習戰(zhàn)中也就是利用VR技術.VR技術在軍事中的應用隨著高科技的開展會越來越重要,其發(fā)揮的威力也會更大.(3)、在GIS中的應用在GIS中利用VR技術的三維場景模型和多感通道編輯器來對三維地物進行視覺的仿真,使人親臨地物之中,具有

21、逼真的感覺.在利用VR技術中,地理空間數(shù)據(jù)庫的支持特別重要.地理數(shù)據(jù)庫以地形數(shù)據(jù)為主,包括地形、水下、居民點、交通線、地物的三維數(shù)據(jù)等,是生成空間定位地形圖像的根底.與之相配合的是地面影像數(shù)據(jù)庫,這是根據(jù)已定位的航空照片與衛(wèi)星照片數(shù)字化而成,是構成地形三維圖像的重要數(shù)據(jù)來源.(4)、在空間信息可視化的應用空間信息可視化一直是中國地圖科學家關注的問題,其實現(xiàn)的主要途徑是虛擬現(xiàn)實技術.(5)、在其它方面的應用VR技術在圖像處理、電影業(yè)、文藝方面、醫(yī)療、娛樂、機器視覺等都有很大的作用.五、虛擬現(xiàn)實的幾個瓶頸問題(1)、虛擬環(huán)境表示的準確性.為使虛擬環(huán)境與客觀世界相一致,需要對其中種類繁多、構形復雜的

22、信息做出準確、完備的描述.同時,需要研究高效的建模方法,重建其演化規(guī)律以及虛擬對象之間的各種相互關系與相互作用.(2)、虛擬環(huán)境感知信息合成的真實性.抽象的信息模型并不能直接為人類所直接感知,這就需要研究虛擬環(huán)境的視覺、聽覺、力覺和觸覺等感知信息的合成方法,重點解決合成信息的高保真性和實時性問題,以提升沉浸感.(3)、人與虛擬環(huán)境交互的自然性.合成的感知信息實時地通過界面?zhèn)鬟f給用戶,用戶根據(jù)感知到的信息對虛擬環(huán)境中事件和態(tài)勢做出分析和判斷,并以自然方式實現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互.這就需要研究基于非精確信息的多通道人機交互模式和個性化的自然交互技術等,以提高人機交互效率.(4)、實時顯示問題.盡治理論

23、上講能夠建立起高度逼真的,實時漫游的VR,但至少現(xiàn)在來講還達不到這樣的水平.這種技術需要強有力的硬件條件的支撐,例如速度極快的圖形工作站和三維圖形加速卡,但目前即使是最快的圖形工作站也不能產(chǎn)生十分逼真,同時又是實時交互的VR.其根本原因是由于引入了用戶交互,需要動態(tài)生成新的圖形時,就不能到達實時要求,從而不得不降低圖形的逼真度以減少處理時間,這就是所謂的景物復雜度問題.(5)、圖形生成.圖形生成是虛擬現(xiàn)實的重要瓶頸,虛擬現(xiàn)實最重要的特性是人可以在隨意變化的交互限制下感受到場景的動態(tài)特性,換句話說,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)要求隨著人的活動(位置、方向的變化)即時生成相應的圖形畫面.(6)、智能技術(Artficiallntelligence,簡稱AI).在VR中,計算機是從人的各種動作,語言等變化中獲得信息,要正確理解這些信息,需要借助于AI技術來解決,如語音識別、圖像識別、自然語言理解等,這些智能接口領域的研究課題是VR技術的根底,同時也是VR技術的難點.本質上,上述6個問題的解決使得用戶能夠身臨其境地感知虛擬環(huán)境,從而到達探索、熟悉客觀事物的目的.概括地說,圍繞著虛擬現(xiàn)實展開的研究都是圍繞著這6個根本問題的.六、虛擬現(xiàn)實技術未來的開展與展望虛擬現(xiàn)實技術是20世紀末才興起來的一門嶄新綜合性的信息技術,尚處于初創(chuàng)時期,