虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用分析及研究報告

1、. 虛擬與現(xiàn)實技術(shù)概述前言21世紀(jì)的人類社會是信息化社會，以信息技術(shù)為主要標(biāo)志的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)在整個經(jīng)濟(jì)中的比重不斷增加，多媒體技術(shù)及產(chǎn)品是計算機(jī)產(chǎn)業(yè)開展的活潑領(lǐng)域。早期的計算機(jī)只能處理數(shù)和字，現(xiàn)在多媒體計算機(jī)能夠綜合處理聲、文、圖信息，使多種信息建立邏輯連接集成為一個系統(tǒng)，并具有交互性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是目前在計算機(jī)領(lǐng)域中一項開展最快的多學(xué)科綜合技術(shù)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于許多領(lǐng)域。本文綜述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念，特征，原理和國外研究應(yīng)用進(jìn)展，以及對于此項課程的總結(jié)與建議。虛擬現(xiàn)實的簡介虛擬現(xiàn)實的概念虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR;又譯作靈境、幻真)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技

2、術(shù)或人工環(huán)境，是一種可以創(chuàng)立和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)。關(guān)于虛擬現(xiàn)實的定義，可以從狹義和廣義兩個層面來理解。所謂狹義的，被認(rèn)為是一種先進(jìn)的人機(jī)界面，在這種情況下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)被稱為基于自然的人工界面，它利用計算機(jī)技術(shù)生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設(shè)備同虛擬環(huán)境中的實體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)。虛擬現(xiàn)實是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三度空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間的事物。VR是一項綜合集成技術(shù)，涉及計算機(jī)圖形學(xué)

3、、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域。它用計算機(jī)生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當(dāng)裝置，自然地對虛擬世界進(jìn)展體驗和交互作用。使用者進(jìn)展位置移動時，電腦可以立即進(jìn)展復(fù)雜的運算將準(zhǔn)確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場感。廣義的，即對虛擬想象三維可視化的或真實三維世界的模擬。它不僅僅是一種界面，更重要的局部是部的模擬，人機(jī)交互界面采用虛擬現(xiàn)實的方式界面，對*個特定環(huán)境真實再現(xiàn)后，用戶通過自然的方式承受和相應(yīng)模擬環(huán)境的各種感官刺激，與虛擬世界中的人及物體進(jìn)展思想和行為等方面的交流。該技術(shù)集成了計算機(jī)圖形(CG)技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最

4、新開展成果，是一種由計算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。概括地說，虛擬現(xiàn)實是人們通過計算機(jī)對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)展可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。虛擬現(xiàn)實的特征虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供了一中先進(jìn)的人機(jī)界面，他通過為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等多種直觀而自然的實時感知交互的方法和手段，最大程度地方便了用戶的操作，從而減輕了用戶的負(fù)擔(dān)、提高了系統(tǒng)的工作效率。其效率主要由系統(tǒng)的沉浸程度與穿插程度來決定。沉浸性 (Immersion)沉浸性又稱進(jìn)入性，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地

5、投入到計算機(jī)創(chuàng)立的三維虛擬環(huán)境中。該環(huán)境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)實世界中的感覺一樣。其中，沉浸包括好多種。除了視覺沉浸之外，還有聽覺沉浸、力覺沉浸、觸覺沉浸、運動沉浸，甚至包括味覺沉浸、嗅覺沉浸等。理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制。目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)所具有的沉浸功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等幾種。交互性 (Interactivity)在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，交互性的現(xiàn)實與傳統(tǒng)的多媒體技術(shù)有所不同。指用戶對模擬環(huán)境物體的可操作程度和從環(huán)境得到反響的自然程度(包括實時性)。

6、例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體。這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動。交互性具有以下特點：1虛擬環(huán)境中人的參與與反響；2人機(jī)交互的有效性；3人機(jī)交互的實時性。想象性 (Imagination)想象性是指虛擬的環(huán)境是人想象出來的，同時這種想象表達(dá)出設(shè)計者相應(yīng)的思想，因而可以用來實現(xiàn)一定的目標(biāo)。它強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間可拓寬人類認(rèn)知圍，不僅可再現(xiàn)真實存在的環(huán)境，也可以隨意設(shè)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。一般來說，一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計算機(jī)為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視

7、覺系統(tǒng)、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)、以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反響系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。例如，在建立一座大樓之前，傳統(tǒng)的方法就是要畫各種圖紙，而現(xiàn)在可以采用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)來進(jìn)展設(shè)計與仿真。虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，重點研究心理學(xué)、控制學(xué)、計算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、實時分布系統(tǒng)、電子學(xué)和多媒體技術(shù)等多學(xué)科融合技術(shù)，研究醫(yī)學(xué)、娛樂、藝術(shù)與教育、軍事及工業(yè)制造管理等多個相關(guān)領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實技術(shù)和系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實涉及的關(guān)鍵技術(shù)自然交互與傳感技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)中強(qiáng)調(diào)自然交互性，即人處在虛擬世界中，與虛擬世界進(jìn)展交互

8、，甚至意識不到計算機(jī)的存在，即在計算機(jī)系統(tǒng)提供的虛擬現(xiàn)實空間在，人可以使用眼睛。耳朵、皮膚、手勢和語音等各種感覺方式直接預(yù)支發(fā)生交互，這就是虛擬環(huán)境下的自然交互技術(shù)。目前，與虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的其他技術(shù)相比。這種自然交互技術(shù)相對不太成熟。自然交互人們研究虛擬現(xiàn)實的目標(biāo)是實現(xiàn)計算機(jī)應(yīng)該適應(yīng)人，而不是人適應(yīng)計算機(jī)，認(rèn)為人機(jī)接口的改良應(yīng)該基于相對不變的人類特性。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，人機(jī)交互可以不再借助鍵盤、鼠標(biāo)、菜單，而是使用頭盔、手套甚至向無障礙的方向開展，從而使最終的計算機(jī)能對人體有感覺，能聆聽人的聲音，通過人的所有感官進(jìn)展溝通。多通道多通道界面是在充分利用一個以上的感覺和運動通道的特性來捕捉用戶的意

9、向，從而增進(jìn)人機(jī)交互中的可靠性與自然性?，F(xiàn)在，計算機(jī)操作時，人的眼和手十分累，效率也不高。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將聽、說、眼等協(xié)同工作，實現(xiàn)高效人機(jī)通信，還可以由人或機(jī)器選擇最正確反響通道，從而不會是*一通道負(fù)擔(dān)過重。高帶寬現(xiàn)在計算機(jī)輸出的容已經(jīng)可以快速、連續(xù)地顯示彩色圖像，其信息量非常大。而人們的輸入?yún)s還是使用鍵盤一個又一個地敲擊，虛擬現(xiàn)實技術(shù)則可以利用語言、圖像及姿勢等的輸入和理解進(jìn)展快速大批量地信息輸入。非準(zhǔn)確交互技術(shù)這是指能用一種技術(shù)來完全說明用戶交互的目的的交互方式，鍵盤和鼠標(biāo)均需要用戶的準(zhǔn)確的輸入。但是，人們的動作或思維往往并不是很準(zhǔn)確，而計算機(jī)應(yīng)該理解人的要求，甚至于糾正人的錯誤，因此

10、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)智能化的界面將是一個重要的開展方向。通過交互作用表示事物的現(xiàn)實性傳統(tǒng)的計算機(jī)應(yīng)用方式中，人機(jī)交互的媒介是Ian果真是思維用符號表示，是對現(xiàn)實的抽象代替，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)則可以是這種媒介成為這是事物的復(fù)現(xiàn)、模擬甚至想象和虛構(gòu)。他能使用戶感到比官方是在使用計算機(jī)，二是在直接與應(yīng)用對象打交道。實施碰撞檢測技術(shù)為了保證虛擬環(huán)境的真實性，用戶不僅要能從視覺上如實看到虛擬環(huán)境中的虛擬物體以及它們的表現(xiàn)，而且能身臨其境地與它們進(jìn)展各種交互，這就首先要求虛擬環(huán)境中的固體物體是不可穿透的，當(dāng)用戶接觸到物體并進(jìn)展拉、推、抓取時，能真實碰撞的發(fā)生并實時做出相應(yīng)的反響。這就需要虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠及時檢測出這些

11、碰撞，產(chǎn)生相應(yīng)的碰撞反響，并及時更新場景輸出，否則就會發(fā)生穿透現(xiàn)象。正是有了碰撞檢測，才可以防止諸如人穿墻而過等不真實情況的發(fā)生，虛擬的世界才有真實感。碰撞檢測問題是計算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域中有很長的研究歷史。準(zhǔn)確的碰撞檢測對提高虛擬環(huán)境的真實性、增加虛擬環(huán)境的沉浸性有十分重要的作用，而虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中高度的復(fù)雜性與實時性又對碰撞檢測提出了更高的要求。在虛擬世界常包含有很多靜止的環(huán)境對象與運動的活動物體，每一個虛擬物體的幾何模型往往都是由成千上萬個根本幾何元素組成，虛擬環(huán)境的幾何復(fù)雜度是碰撞檢測的計算復(fù)雜度大大提高，同時由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中有較高實時性的要求，要求碰撞檢測必須在很短的時間3050ms完成

12、，因而碰撞檢測成了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與其他實時仿真系統(tǒng)的瓶頸，碰撞檢測是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)研究的一個重要技術(shù)。碰撞檢測的要求在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，為了保證虛擬世界的真實性，碰撞檢測須有較高的真實性和真確性。碰撞檢測的實現(xiàn)方法最原始最簡單的碰撞檢測方法是一種蠻力的計算方法，即對兩個幾何模型中所有幾何元素進(jìn)展兩兩測試，盡管這種方法可以得到正確的結(jié)果，但當(dāng)模型的復(fù)雜度增大時，它的計算量過大，這種相交測試將會變得十分緩慢，顯得無法忍受。這樣虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等的要求相差甚遠(yuǎn)。對兩物體間的準(zhǔn)確碰撞檢測的加速實現(xiàn)，現(xiàn)有的碰撞檢測算法主要可劃分為兩大類：層次包圍盒法和空間分解法。這兩種方法的目的都死為了盡可能的減少需要相交測試對

13、象對或者根本幾何元素對的數(shù)目。環(huán)境建模技術(shù)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，營造的虛擬環(huán)境是它的核心容，要建立虛擬環(huán)境，首先建模，然后在其根底上再進(jìn)展實時進(jìn)展繪制、立體顯示，形成一個虛擬的世界。虛擬環(huán)境建模的目的在于獲取實際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)其應(yīng)用的需要，利用或取得三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬模型。只有設(shè)計出反映研究對象的真實有效的模型，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)才有可信度。虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境2.3.1.1 模仿真實世界中的環(huán)境。例如建筑物，武器系統(tǒng)或戰(zhàn)場環(huán)境。這種真實環(huán)境可能是已經(jīng)存在的，也可能是已經(jīng)設(shè)計好但還沒有建成的。這一類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能實際是系統(tǒng)仿真。 2.3.1.2 人類主管創(chuàng)造的環(huán)境.例如用于影

14、視制作或電子游戲的三維動畫。環(huán)境是虛構(gòu)的，幾何模型和物理模型就可以完全虛構(gòu)。這時，系統(tǒng)的動畫技術(shù)常用插值方法。2.3.1.3 模仿真是世界中人類不可見的環(huán)境例如分子的構(gòu)造，空氣中速度，溫度，壓力的分布等。這種真實環(huán)境是真實存在的，但是人類的視覺和聽覺不能被感覺到。對于分子機(jī)構(gòu)這類微觀環(huán)境，可以將其進(jìn)展放大等，這一類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能，實際是科學(xué)可視化。環(huán)境建模包括方面包含視覺，聽覺，觸覺，力覺，味覺等多種感覺通道的建模。包含技術(shù)有幾何建模技術(shù)，物理建模技術(shù)，行為建模技術(shù)，聽覺建模技術(shù)等。真實感實時繪制技術(shù)所謂真實感實時繪制技術(shù)是指在計算機(jī)中重現(xiàn)真實世界場景的過程。真實感繪制的主要任務(wù)是要模擬真

15、是物體的物理屬性，即物體的形狀，光學(xué)性質(zhì)，外表的文明里和粗糙程度，以及物體間的相對位置，遮擋關(guān)系等。所謂實時繪制是指當(dāng)用戶試點發(fā)生變化時，他所看到的場景需要及時更新，這就要保證圖形顯示的速度必須跟上視點的改變速度，否則就會產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象，一般來說要消除遲滯現(xiàn)象，計算機(jī)每秒鐘必須生成20幀以上的圖像。此外，系統(tǒng)往往還要對場景進(jìn)展光照明處理、反混淆處理及紋理處理等等。這就對實時顯示提出了很高的要求。采用以下方法提高顯示逼真度，加強(qiáng)真實性。 (1) 紋理映射：將紋理圖像貼在簡單的物體的幾何物體，以近似描述物體外表的紋理細(xì)節(jié)，加強(qiáng)真實性。 (2) 環(huán)境映射：在紋理映射的根底上出現(xiàn)了環(huán)境映射的方法，它是采

16、用紋理圖像來表示物體的鏡面反射和規(guī)則投射效果。 (3) 反走樣：一兩倍分辨率繪制圖形，再計算正常分辨率的圖形；或者計算每個鄰接元素對一個像素點的影響，在加權(quán)求和得到最終像素值。真實感實時繪制技術(shù)包含技術(shù)基于幾何圖形的實時繪制技術(shù)3D剪切、可見消隱、細(xì)節(jié)層次模型，基于圖像的實時繪制技術(shù)。三維虛擬聲音的實現(xiàn)技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)中的三維虛擬聲音與人們熟悉的立體聲音完全不同。我們?nèi)粘Ｂ牭降牧Ⅲw聲錄音雖然有所有聲道之分，但就整體效果而言，我們能感到立體聲音來自聽著面前的*個平面。而虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的三維虛擬聲音，卻能使聽著感覺到聲音是來自圍繞聽著雙耳的一個球型中的任何地方，即聲音可能出現(xiàn)在頭的上方、前方或

17、者前方。因而把在虛擬場景中能使用戶準(zhǔn)確的判斷出聲源的準(zhǔn)確位置，符合人們在真實境界中聽覺方式的聲音系統(tǒng)成為三維虛擬聲音。三維虛擬聲音的特征：2.5.1.1 全向三維定位特征是指在三維虛擬空間中把實際聲音信號定位到特定和虛擬專用源的能力。它能使用戶準(zhǔn)確的判斷出聲源的準(zhǔn)確位置，從而符合人們在真實世界中的聽覺方式。2.5.1.2 三維實時跟蹤特征是指在三維虛擬空間中實時跟蹤虛擬聲源位置變化或競相變化的能力。2.5.1.3 沉浸感與交互性三維虛擬聲音的沉浸感就是指參加三維虛擬聲音后，能使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺，這可以使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺，這可以更進(jìn)一步沉浸在虛擬環(huán)境中，有助于增強(qiáng)臨場效果。三維聲音的

18、交互特性則是指追隨用戶的運動而產(chǎn)生的臨場反響和實時相應(yīng)能力。三維虛擬聲音的技術(shù)三維虛擬聲音的技術(shù)包括技術(shù)語音識別技術(shù)、語音合成技術(shù)。立體顯示技術(shù)人類從看客觀世界獲得的信息的80%以上來自視覺、視覺信息的獲取是人類感知外部世界、獲取信息的最重要傳感通道，視覺通道成為多感知的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。在視覺顯示技術(shù)中，實現(xiàn)立體顯示技術(shù)是較為復(fù)雜與關(guān)鍵的，立體視覺顯示技術(shù)是虛擬現(xiàn)實的重要支撐技術(shù)。其中包括彩色眼鏡法，偏振光眼鏡法，串行式立體顯示法，裸眼立體顯示技術(shù)。不過許多立體顯示技術(shù)的產(chǎn)品存在一定的缺點，典型的就是對客觀觀察者的試點有一定的要求，不能在任意的視角去觀察。這也期待著在以后的開展中得

19、以解決。其他相關(guān)技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)是多種技術(shù)的綜合，以上簡單介紹了幾種相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，其實相關(guān)的技術(shù)還有很多，如系統(tǒng)集成技術(shù)，由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)集成技術(shù)起著重要的作用，集成技術(shù)包括有信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、識別與合成技術(shù)等。虛擬現(xiàn)實在現(xiàn)實生活中較成熟的應(yīng)用基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的航空發(fā)動機(jī)機(jī)務(wù)訓(xùn)練系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有獨特的優(yōu)點，采用這種技術(shù)可以產(chǎn)生逼真的虛擬世界。建立的發(fā)動機(jī)機(jī)務(wù)訓(xùn)練系統(tǒng)無論從視覺上、聽覺上、操作上都能產(chǎn)生一種身臨其境的感覺，可以進(jìn)展相關(guān)的試車操作，解決了真實裝備在培訓(xùn)中的制約問題，而且可以采用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造實現(xiàn)多用戶操作，大大提高培訓(xùn)

20、學(xué)習(xí)的效率，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益。由于采用了計算機(jī)虛擬技術(shù)，可以實現(xiàn)故障設(shè)置等功能，在實際操作中出現(xiàn)的發(fā)動機(jī)有關(guān)故障可以再現(xiàn)，這一點及其便利。對于試車的操作和發(fā)動機(jī)的有關(guān)顯示，可以進(jìn)展回放，這也是實裝無法實現(xiàn)的。其缺乏之處在于虛擬視景對計算機(jī)的性能要求比較高，還有操作過程中的力反響等無法實現(xiàn)，假設(shè)要實現(xiàn)，需要昂貴的外設(shè)作為支持。建立的發(fā)動機(jī)試車虛擬環(huán)境，是一個可以擴(kuò)展的虛擬平臺。如果輔以高精度的實時發(fā)動機(jī)模型，可以實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的相關(guān)分析研究，成為數(shù)字化試車臺。航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的心臟，在實際使用過程中，機(jī)務(wù)培訓(xùn)、判別發(fā)動機(jī)的性能、各種飛行前檢查等項工作的順利開展是保證飛機(jī)飛行平安、提高戰(zhàn)斗

21、力的重要保障。目前，此類工作大多數(shù)是結(jié)合實裝或是基于硬件形式的訓(xùn)練模擬器展開的，具有代價昂貴、維護(hù)復(fù)雜等限制。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和仿真技術(shù)，建立數(shù)字化飛機(jī)和發(fā)動機(jī)，可以創(chuàng)立出真實感和沉浸感較強(qiáng)的航空發(fā)動機(jī)試車環(huán)境，為各種機(jī)務(wù)工作提供模擬試車效勞，提高保障人員的操作水平和操作技能，將產(chǎn)生較大的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)空發(fā)動機(jī)的試車環(huán)境，包括飛機(jī)、座艙、機(jī)場等的物理模型和機(jī)務(wù)操作邏輯、發(fā)動機(jī)的數(shù)學(xué)仿真模型。機(jī)務(wù)操作可以在虛擬的座艙進(jìn)展，操作響應(yīng)和發(fā)動機(jī)的數(shù)學(xué)模型在后臺運行，既能保障操作與視景上的沉浸感，又能保證發(fā)動機(jī)性能的準(zhǔn)確性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)手段有很多。從底層的實現(xiàn)層面來講，有Ope

22、nGL和Direct*技術(shù)。從高層的實現(xiàn)手段上講，分兩個方面：一是虛擬現(xiàn)實建模技術(shù)；二是虛擬現(xiàn)實驅(qū)動技術(shù)。虛擬現(xiàn)實的建模軟件有：MAYA、3D MA*、Creator等。虛擬現(xiàn)實驅(qū)動軟件有：VEGA、OPENGVS、VTree、VRtools、EON等。這些高層的虛擬現(xiàn)實軟件一般是將底層的實現(xiàn)方法封裝，給用戶提供了基于現(xiàn)實的對象的描述，使用起來方便快捷?；贠penGL的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用研究OpenGl簡介OpenGL即開放性圖形庫Open Graphic Library是一個三維的計算機(jī)圖形和模型庫，也似該領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它是一種高性能的開放式且功能強(qiáng)大的3D圖像庫，具有幾百個

23、指令和函數(shù)。OpenGL靈活方便的實現(xiàn)了二維和三維的高級圖形技術(shù)，在性能上表現(xiàn)得異常優(yōu)越，它具有建模、變換、光線處理、色彩處理以及動畫等能力，在圖形效果處理上增加了紋理映射、物體運動模糊效果和霧化效果等等。使用專業(yè)建模軟件建模并向OpenGL轉(zhuǎn)化工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中的三維模型均是由3DS MA*等專業(yè)建模軟件構(gòu)造而成。但是由于3DS MA*交互性較差，而且3DS MA*模型的默認(rèn)存儲格式ma*，不易被交互性靈活的OpenGL所讀取。因此，我們采用3DS MA*模型的另一種易于OpenGL讀取的文件格式3ds作為三維模型的存儲格式，然后將模型通過OpenGL導(dǎo)入三維場景并實現(xiàn)交互性操作。圖2.1和圖2

24、.2所示的模型為在專業(yè)建模軟件3D MA*中創(chuàng)立的兩個模型。下面，具體介紹一下將3ds文件導(dǎo)入OpenGL的實現(xiàn)過程。圖2.1 變壓器圖2.2 平安器材3.2.2.1 3ds模型的數(shù)據(jù)構(gòu)造3DS格式文件是一種二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件，它由塊(chunk)組成(見圖2.3)。每個塊包括塊的索引(ID：Indentification)、塊所包含的容、塊的組成以及下一個塊的位置。在3DS文件中，判斷1個塊所存儲的容是由通過這個塊的索引(ID)來實現(xiàn)的。不同類型的塊具有不同的ID。3DS文件本身有1個主塊(MainChunk)，這個主塊的ID為4D4D。主塊始終出現(xiàn)在文件的開場處，通過對文件開場的兩個字節(jié)容進(jìn)展

25、判斷，便可知道當(dāng)前操作的文件是否為3DS文件，這樣就可以防止翻開不正確類型的文件。為保證文件構(gòu)造的完整性以及可操作性，不同的塊在文件中是按一定的體系來存儲的。在這個體系中，主塊(Main Chunk)在最頂端，在主塊之下嵌套了各個子塊，并且子塊之間也是相互嵌套的。這樣，塊與塊之間的關(guān)系得到了表達(dá)，方便了讀取。比方作為整個場景的環(huán)境設(shè)置(包括視點、光源、材質(zhì)等)放在其他實體塊的前面，對這些實體產(chǎn)生作用。在3DS文件中，每個實體都是由三角形面片組成的。這樣，一個三維模型(3DModel)包括一個或多個三維實體(3DObject)，一個三維實體又由一個或多個面片(CFace)組成。在記錄數(shù)據(jù)的時候，

26、三維實體的塊當(dāng)中記錄了一系列的三維空間坐標(biāo)和二維紋理坐標(biāo)，而每個面片塊中則通過對這些坐標(biāo)的索引來表示面片在空間中的位置以及對應(yīng)的紋理。材質(zhì)塊中記錄了用于檢索該材質(zhì)的名稱，如果材質(zhì)是由文件來創(chuàng)立的，則包括文件名，否則記錄材質(zhì)的顏色。在三維模型當(dāng)中記錄了一個或多個材質(zhì)(CMaterialInfo)，在實體當(dāng)中則通過對材質(zhì)的索引來決定當(dāng)前實體引用了哪個材質(zhì)。3.2.2.2 3ds數(shù)據(jù)模型的讀取根據(jù)以上對3DS數(shù)據(jù)模型構(gòu)造的分析，能夠應(yīng)用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計一種能方便、快速、準(zhǔn)確對3DS文件進(jìn)展讀取的方法。其中的CVector2類和CVector3類存儲二維和三維數(shù)據(jù)，用于記錄空間坐標(biāo)以及紋理坐標(biāo)。C3

27、DModel類包含了整個三維模型，它由假設(shè)干個三維實體(用C3Dobject存儲)和假設(shè)干個材質(zhì)信息(用CmaterialInfo存儲)組成。論文大全。C3Dobject中記錄了組成這個實體的頂點數(shù)量、頂點坐標(biāo)列表、面數(shù)量、紋理坐標(biāo)列表以及這個實體的材質(zhì)信息。CFace類記錄了組成*個面的紋理坐標(biāo)索引和地理坐標(biāo)索引。根據(jù)3DS文件中各個塊之間的嵌套關(guān)系，設(shè)計了一種遞歸讀取的方法。函數(shù)ReadChunk用于讀取每個塊的開頭所記錄的塊索引(ID)和塊的長度。在讀取文件的第1個塊時，通過索引來判斷當(dāng)前翻開的是否為合法3DS文件(索引為4D4D)，如果是，則通過調(diào)用ReadNe*tChunk函數(shù)將程序

28、帶入遞歸過程。在ReadNe*tChunk函數(shù)中，同樣首先需要調(diào)用ReadChunk來讀取塊索引和塊的長度，由塊索引來判斷塊的類型，由塊的類型來決定如何讀取接下來的數(shù)據(jù)。在這個過程當(dāng)中，ReadChunk和ReadNe*tChunk將會被反復(fù)調(diào)用。配合著OpenGL在計算機(jī)中生成的虛擬環(huán)境，程序?qū)?ds文件讀入虛擬環(huán)境。這樣我們就可以很方便地將3D模型移植到其他的計算機(jī)平臺當(dāng)中，從而更好地對產(chǎn)品進(jìn)展設(shè)計和分析。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)會展隨著迅速開展的虛擬現(xiàn)實技術(shù)與計算機(jī)多媒體展示技術(shù)的結(jié)合，在展覽方面也不斷涌現(xiàn)出一些結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)會展。如今國外的虛擬會展業(yè)已經(jīng)十分成熟，如著名的德國漢諾

29、威展，在網(wǎng)絡(luò)上運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立三維立體的展示系統(tǒng)；國外一些城市宣傳也開場采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，如網(wǎng)上新加坡、虛擬龐貝古城、虛擬巴黎圣母院等，運用三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)展示一些有價值的文物、展品和三維場景，使用戶能夠通過Internet遠(yuǎn)程連接去體驗。國的虛擬會展目前還根本屬于界面包裝，主要通過二維平面靜態(tài)地網(wǎng)頁展示，如中國茶葉博覽會，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對茶具和茶文化進(jìn)展網(wǎng)上瀏覽，還有虛擬現(xiàn)實環(huán)球v利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)展網(wǎng)上展銷；再如國際機(jī)電博覽會，采用網(wǎng)上虛擬武博會和武博會同期開幕，未到展會現(xiàn)場的客戶通過點擊該，就可像親赴現(xiàn)場一樣，可在場館每一個展位前流連，任意觀看各種產(chǎn)品，了解它們的性能和用途，甚至突

30、破實際參觀過程中的限制，深入了解展品的部構(gòu)造，瀏覽武博會的即時信息。虛擬展覽系統(tǒng)按其表現(xiàn)形式可分為三類：運用圖文聲像以及環(huán)視圖展示物品和場景。這類系統(tǒng)因表現(xiàn)形式的局限，不能更生動、更全面的展示。單純的三維場景展示，用戶可以隨意漫游，但只提供展覽會的外表形式，不提供展覽容與展覽場景的關(guān)聯(lián)。既提供三維場景，也提供實際展覽容，并與三維場景結(jié)合在一起3。虛擬現(xiàn)實軟件Multigen Creator在高架庫場景建模中的應(yīng)用Creator是美國MultiGen-Paradigm公司推出的一種建模軟件系統(tǒng)，專門創(chuàng)立用于視景仿真的實時三維模型。它性能優(yōu)越、系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定性好，具有其它建模軟件無法比較的優(yōu)點，在

31、可視化仿真領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如圖2所示。它具有強(qiáng)大的建模功能，可為眾多的不同圖像發(fā)生器提供建模系統(tǒng)及工具；同時，它提供更靈活的Open Flight格式，該格式成為三維建模領(lǐng)域中流行的圖像生成格式，并成為仿真領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。Creator的特點主要表達(dá)在如下幾個方面：1具有多種視圖構(gòu)造與開發(fā)工具，有類似于AutoCAD以及3Dma*的菜單及視圖架構(gòu)，使用方便。2數(shù)據(jù)存儲層次構(gòu)造清晰，便于快速建模與維護(hù)。作為一種層次性的數(shù)據(jù)構(gòu)造，Creator使用幾何層次構(gòu)造和屬性來描述三維物體，可以對幾何層的數(shù)據(jù)進(jìn)展直接操作。3采用LODLevel of Detail節(jié)點技術(shù)使創(chuàng)立、構(gòu)造化、修改和優(yōu)化模型數(shù)

32、據(jù)庫更容易，數(shù)據(jù)處理更加合理，高效，非常適用于大型的視景仿真建模。LOD是Creator數(shù)據(jù)處理的主要技術(shù)之一，它根據(jù)觀察視點的位置，來確定模型的精細(xì)程度，距離視點近的模型精細(xì)度高，而距離視點遠(yuǎn)的模型精細(xì)度低。4采用DOFDegree of Freedom節(jié)點技術(shù)以實現(xiàn)后期的人機(jī)交互。DOF技術(shù)也是Creator數(shù)據(jù)處理的主要技術(shù)之一，它是通過為動態(tài)模型設(shè)置一個DOF父節(jié)點，然后，在Vega視景驅(qū)動軟件過控制DOF節(jié)點來控制其子節(jié)點該動態(tài)模型在虛擬場景中運動。另外，Creator完成三維建模與傳統(tǒng)的AutoCAD、3Dma*建模方法有很大的不同，Creator更多的考慮系統(tǒng)運行的實時性，它采用

33、紋理、光照等技術(shù)來提高逼真度，減小數(shù)據(jù)構(gòu)造冗余性，使存儲格式更精煉，滿足觀眾和仿真之間的動態(tài)交互。國外虛擬現(xiàn)實研究的最新進(jìn)展計算機(jī)的開展提供了一種計算工具和分析工具，并因此導(dǎo)致了許多解決問題的新方法的產(chǎn)生。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)生與開展也同樣如此，概括的國外虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它主要涉及到三個研究領(lǐng)域：通過計算圖形方式建立實時的三維視覺效果；建立對虛擬世界的觀察界面；使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)加強(qiáng)諸如科學(xué)計算技術(shù)等方面的應(yīng)用。VR技術(shù)在美國的研究現(xiàn)狀美國是虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究的發(fā)源地，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以追溯到上世紀(jì)40年代。最初的研究應(yīng)用主要集中在美國軍方對飛行駕駛員與宇航員的模擬訓(xùn)練。然而，隨著冷戰(zhàn)后美國軍費的削減，這

34、些技術(shù)逐步轉(zhuǎn)為民用，目前美國在該領(lǐng)域的根底研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。上世紀(jì)80年代，美國宇航局(NASA)及美國國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，并取得了令人矚目的研究成果，美國宇航局Ames實驗室致力于一個叫虛擬行星探索(VPE)的實驗方案?，F(xiàn)NASA已經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護(hù)VR訓(xùn)練系統(tǒng)，空間站VR訓(xùn)練系統(tǒng)，并已經(jīng)建立了可供全國使用的VR教育系統(tǒng)。北卡羅來納大學(xué)的計算機(jī)系是進(jìn)展VR研究最早最著名的大學(xué)。他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術(shù)仿真、建筑仿真等。喬治梅森大學(xué)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)。施樂公司研究中心在VR領(lǐng)域主要從事利用V

35、RT建立未來辦公室的研究，并努力設(shè)計一項基于VR使得數(shù)據(jù)存取更容易的窗口系統(tǒng)。波音公司的波音777運輸機(jī)采用全無紙化設(shè)計，利用所開發(fā)的虛擬現(xiàn)實系統(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，從而簡化加工過程。圖形圖像處理技術(shù)和傳感器技術(shù)是以上VR工程的主要技術(shù)。就目前看，空間的動態(tài)性和時間的實時性是這項技術(shù)的最主要焦點。VR技術(shù)在歐洲的研究現(xiàn)狀在歐洲，英國在VR開發(fā)的*些方面，特別是在分布并行處理、輔助設(shè)備(包括觸覺反響)設(shè)計和應(yīng)用研究方面。在歐洲來說是領(lǐng)先的。英國Bristol公司發(fā)現(xiàn)，VR應(yīng)用的交點應(yīng)集中在整體綜合技術(shù)上，他們在軟件和硬件

36、的*些領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。英國ARRL公司關(guān)于遠(yuǎn)地呈現(xiàn)的研究實驗，主要包括VR重構(gòu)問題。他們的產(chǎn)品還包括建筑和科學(xué)可視化計算。歐洲其它一些較興旺的國家如：荷蘭、德國、瑞典等也積極進(jìn)展了VR的研究與應(yīng)用。瑞典的DIVE分布式虛擬交互環(huán)境，是一個基于Uni*的，不同節(jié)點上的多個進(jìn)程可以在同一世界中工作的異質(zhì)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)的訓(xùn)練和模擬系統(tǒng)，通過改良人機(jī)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。德國在VR的應(yīng)用方面取得了出乎意料的成果。在改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面，一是用于產(chǎn)品設(shè)計、降低本錢，防止新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險；二是產(chǎn)品演示，吸引客戶爭取定單；三

37、是用于培訓(xùn)，在新生產(chǎn)設(shè)備投入使用前用虛擬工廠來提高工人的操作水平。2008年10月27-29日在法國舉行的ACM Symposi- um on Virtual Reality Software and Technoogy大會，整體上促進(jìn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的深入開展。轉(zhuǎn)VR技術(shù)在日本的研究現(xiàn)狀日本的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開展在世界相關(guān)領(lǐng)域的研究中同樣具有舉足輕重的地位，它在建立大規(guī)模VR知識庫和虛擬現(xiàn)實的游戲方面作出了很大的成就。在東京技術(shù)學(xué)院精細(xì)和智能實驗室研究了一個用于建立三維模型的人性化界面，稱為SpmAR NEC公司開發(fā)了一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，用代用手來處理CAD中的三維形體模型。通過數(shù)據(jù)手套把對模型的

38、處理與操作者的手聯(lián)系起來；日本國際工業(yè)和商業(yè)部產(chǎn)品科學(xué)研究院開發(fā)了一種采用*、Y記錄器的受力反響裝置；東京大學(xué)的高級科學(xué)研究中心的研究重點主要集中在遠(yuǎn)程控制方面，他們最近的研究工程是可以使用戶控制遠(yuǎn)程攝像系統(tǒng)和一個模擬人手的隨動機(jī)械人手臂的主從系統(tǒng)；東京大學(xué)廣瀨研究室重點研究虛擬現(xiàn)實的可視化問題。他們正在開發(fā)一種虛擬全息系統(tǒng)，用于克制當(dāng)前顯示和交互作用技術(shù)的局限性；日本奈良尖端技術(shù)研究生院大學(xué)教授千原國宏領(lǐng)導(dǎo)的研究小組于2004年開發(fā)出一種嗅覺模擬器，只要把虛擬空間里的水果放到鼻尖上一聞，裝置就會在鼻尖處放出水果的香味，這是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在嗅覺研究領(lǐng)域的一項突破。國虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究現(xiàn)狀在我國虛擬

39、現(xiàn)實技術(shù)的研究和一些興旺國家相比還有很大的一段距離，隨著計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)系統(tǒng)工程等技術(shù)的高速開展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)得到了相當(dāng)?shù)闹匾?，引起我國各界人士的興趣和關(guān)注，研究與應(yīng)用VR，建立虛擬環(huán)境!虛擬場景模型分布式VR系統(tǒng)的開發(fā)正朝著深度和廣度開展。國家科委國防科工委部已將虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究列為重點攻關(guān)工程，國許多研究機(jī)構(gòu)和高校也都在進(jìn)展虛擬現(xiàn)實的研究和應(yīng)用并取得了一些不錯的研究成果。航空航天大學(xué)計算機(jī)系也是國最早進(jìn)展VR研究、最有權(quán)威的單位之一，其虛擬實現(xiàn)與可視化新技術(shù)研究室集成了分布式虛擬環(huán)境，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、用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的開

40、發(fā)平臺等，并在以下方面取得進(jìn)展：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)實中的視覺接口方面開發(fā)出局部硬件，并提出有關(guān)算法及實現(xiàn)方法。清華大學(xué)國家光盤工程研究中心所作的布達(dá)拉宮，采用了QuickTime技術(shù)，實現(xiàn)大全景VR制；大學(xué)CADCG國家重點實驗室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)；工業(yè)大學(xué)計算機(jī)系已經(jīng)成功地合成了人的高級行為中的特定人臉圖像，解決了表情的合成和唇動合成技術(shù)問題，并正在研究人說話時手勢和頭勢的動作、語音和語調(diào)的同步等。關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)這門很有前途的課程。在學(xué)習(xí)的過程中，我發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一項新起的很有開展?jié)摿Φ募夹g(shù)，現(xiàn)在正式起步開展階段，在各個領(lǐng)域已經(jīng)有了很好的應(yīng)用，我覺得以后的社會開展離不開虛擬現(xiàn)實技術(shù)，正如我們現(xiàn)在的社會離