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1、精选优质文档-倾情为你奉上昨天的创新,今天的标准谈虚拟现实技术及其应用 黄南华李治柱 li-zz摘 要 本文介绍了一项新的技术-虚拟现实，它的重要特征、软/硬件设备及建模软件-VRML，特别介绍了它在各个领域的应用。作为一个很有潜力的技术,它是一种可视化的工具,并可以运用在远程培训、通讯、新手培训、定位和导航等方面。关键词 虚拟现实 沉浸性 交互性 VRML Abstract In this paper， I introduce a new technology-Virtual Reality and its vital characteristic, hardware/software eq
2、uipment and Virtual Reality modeling language VRML. The work-related application that appear to be most promising are those that employ virtual reality for visualization and representation, distance training and communication, hands-on training and orientation and navigation Key words virtual realit
3、y，immersion，interaction，VRML1 引言虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）或称虚拟环境（Virtual Environment，简称VE）技术是二十世纪末发展起来的由应用驱动的涉及众多学科的高新实用技术，是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感器技术的基础上发展起来的一门交叉技术。它利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种传感设备使用户沉浸到该环境中去。虚拟现实系统的目标就是要去除系统和用户环境之间的界限，极大地突破了事物表达传统方法的局限，使人们可以将任何想象的环境虚拟实现，并且人们可以在其中以最自然的动作与这种虚拟现实进行交
4、流。虚拟现实是一门比较新的技术，但却引起了广泛地关注，人们已经认识到：虚拟现实是下一代的用户界面。虚拟现实中的“虚拟”指的是利用虚拟现实技术所产生的局部世界是虚构的，而“现实”说明对于进入这一虚构的局部世界的人来说，在感觉上是进入了现实世界。11虚拟现实的特征Grigore Burdea和Philippe Coiffet在著作“Virtual Reality Technology”一书中指出，虚拟现实具有三个最突出的特征，也是人们称为三“I”特性，即交互性(interactivity)、沉浸感(Illusion of Immersion)和想象性(imagination)。交互性主要是指参与者
5、通过使用专门设备，用人类的自然技能实现对模拟环境的考察与操作的程度，例如用户可以用手去直接抓取模拟环境中的物体，且用户有抓东西的感觉，还能感到物体的重量，视场中被抓起的物体也应随手的移动而移动。虚拟现实并不只是一种媒介或一个高层终端用户界面，它的应用能解决在工程、医学、军事等方面的一些问题。沉浸感是虚拟现实最主要的技术特征。虚拟现实的追求目标是力图使用户在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种“全身心投入”的感觉状态，有身临其境感。在该环境中的一切，看上去是真的、听起来是真的、动起来也是真的，一切感觉如真。用户觉得自己是虚拟环境中的一个部分，而不是旁观者。沉浸感认知存在感图像 交互 行为导致沉浸
6、感的原因是用户对计算机环境的虚拟物体产生了类似于对现实物体的存在意识或幻觉。为此必须具备3种基本要素：图像、交互和行为，他们是相互关联的（关系如右图）。它们对于用户的“存在”意识的影响、进而导致“沉浸感”的过程实际上基于人的认知机理。所以有人认为：“心理学是虚拟现实的物理学”。虚拟现实技术将从根本上改变人与计算机系统的交互操作方式。在一个理想的虚拟现实世界中，使用者根本无法确定他们是面对的计算机所仿真的环境还是面对的一个真实世界。实现一个虚拟现实环境一般需要高速、高质量的三维图形、三维音频以及诸如头盔显示器和数据衣等硬件，以便获得高度的逼真性和可信度。2 虚拟现实的软硬件状况分析一个基本的虚拟
7、现实系统由虚拟环境发生器、虚拟环境、传感器件、作用器件及人组成。虚拟现实的模型图如下：（感觉）人（动作）传感器件作用器件虚拟环境（产生）虚拟环境发生器感觉信息作用信息具有临境感和交互性的虚拟现实系统的基本构成应包括：虚拟现实发生器、声音合成器、3D声音定域器、语音识别器、跟踪器、触/动觉系统、头盔显示器、数据手套等硬件系统；以及虚拟现实境界构造程序和有关虚拟现实境界的数据库等软件系统。虚拟现实系统中的计算机主要要完成三项任务：虚拟环境的生成与管理、数据输入、数据输出。为了使系统拥有较好的交互性能，不同的任务要使用一些特殊的软硬件。与虚拟现实有关的软硬件更新很快，因此，有必要简单讨论这些现代化的
8、设备。21 数据输入/输出的软硬件设备虚拟现实发生器是虚拟现实系统的核心，由装有虚拟现实境界数据的数据库和构造程序组成，主要进行虚拟环境的生成以及数据的输入和输出。11输入数据的软硬件设备语音信号的输入语音输入为用户与虚拟环境交互提供了一种方便的方法。提供语音输入功能需要一个普通的麦克风和某种语音识别软件。语音识别技术发展至今，已经能在货架上见到待出售的语音识别软件。这种软件有：SoundBlaster 公司的Voice-Assist 软件，Command 公司的IN voice软件，以及Dragon 系统的DragonDictate 软件。肌肉信号的输入生物控制器是用于捕捉特性命令的输入设备
9、。它能够捕捉活动，如肌肉的运动，并且产生电子信号。例如：位于眼睛附近的皮肤上的电极能够捕捉到眼部肌肉的活动，从而允许我们能够通过眼部肌肉的运动而遨游于虚拟世界。这种设备仍然处于实验阶段。手部运动信号的输入用于捕捉设计者的手势和手部运动的输入设备可分为三种：跟踪设备、点输入设备、手套型设备。跟踪设备用于捕捉设计者的手或头的位置和方向，以或机械的，或超声波的，或磁学的，或光学的系统为基础的捕捉传感器都是可选用的。这种设备的一个例子是Ascension技术公司的Flock of Birds。跟踪器能感知参与者六自由度（6DOF）的视线及头、手乃至全身肢体的物理位置和取向，并转换成虚拟环境中的相应图像
10、。点输入设备包括六自由度鼠标和力矩球。手套型设备是用含电线的布料做的手套，戴在手上就象一般的手套一样。其中包有或纤维光学式的，或电子式的，或电阻式的传感器，这些传感器可以测量手指关节的位置。常用的有数据手套。数据手套可以捕捉手指和手腕的相对运动，从而为虚拟现实系统提供虚拟境界使用的各种信号，它可抓取或推动虚拟物体，也可由虚拟物体作用于手。212 输出数据的软硬件设备可听信号的输出可听输出有一个优势，即它是可以与可视信息同时存在的交流渠道。3D声音可以用不同的声音表现不同的位置，因此给我们一种更加接近真实的虚拟体验。声音合成器和3D声音定域器采集或合成声音，并能使其在360度的球体中空间化，使参
11、与者不仅能听到三维立体声，而且能感受到声音的确切位置。可视信号的输出3D可视反馈可以使用两种类型的技术。第一种是头盔显示器，它一般使用两支液晶显示（LCD）屏幕，给每一只眼睛都提供独立的图像。头盔显示器将图像直接提供给双眼，并将无关信息滤掉，配合头部位置跟踪器，当参与者转动头时，头盔显示器的屏幕显示不同的部位；当走动时，屏幕内容随之更新，使参与者产生纵深感。第二种是使用立体形象监视器和LCD保护眼睛。在这种系统中，虚拟景象的两个形象（一只眼睛看一个）在监视器中以非常高的速率交替显现，从而产生一个立体感的形象。可触信号的输出这种类型的反馈设备使用户能感觉到虚拟环境中的力，并能感觉到与物体接触时受
12、物体的阻碍。模拟不同情况下触觉反馈的一个方法是使用电信号或手上不同方向的振动。另一个途径是在手套中使用可充气的袋子提供触觉反馈。对于力的反馈，一些机械设备（臂）可以在用户试图操作虚拟环境下的物体时提供阻力的作用。22 建模软件虚拟现实发展至今，已有了许多的建模软件，它们使用的机制各有不同，对用户的要求也有高低，当然，其功能上的差异也是很大的。其典型代表为：Rend386是一个免费的程序库和世界播放器，功能较弱，适于DOS环境；World Tool Kit for Windows 是Sense8公司以Windows动态连接库的形式发布的虚拟现实程序库，在标准SVGA下运行，可以在窗口中显示带纹理
13、映射的虚拟世界，也可全屏显示。该程序支持DDE，因而可以通过电子表格、数据库或其它程序来控制虚拟世界；OpenGL（开放式图形语言）是Silicon Graphics 开发的一种建立图形库的语言，该语言功能强大，是实现虚拟现实的较好工具，但由于其编程量大，又较难掌握，因此目前只在专业人员中有较广的应用；虚拟现实建模语言VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一种网络上使用的描述三维环境的场景描述语言。目前已有VRML1.0、VRML2.0、VRML97等几种版本。VRML是使虚拟现实技术在Internet网页上得以实现的工具。VRML的基本特征包括：分布
14、式、交互式、平台无关、多媒体集成、逼真自然等，被称为第二代Web。VRML虚拟空间生成系统（VRML Authoring Software）可以使用户通过可视化拖放的方法，人机交互地生成VRML虚拟空间，并保存于VRML文件（扩展名为 .wrl）中，而用户完全不需要掌握VRML的语法和规范。VRML的代码可以描述三维立体的场景，以及在用户的操作下这些场景的变化。它的代码与HTML 一样是以文本或ASCII码形式编写的，一般由成百上千预定义的基元图形组成。从最严格的意义上讲 VRML 不算是一种编程语言，至少它不是编程人员所说的编译型语言。VRML的实现基础是一个利用 HTTP 协议传输数据的全
15、球网，和SGI设计的Open Inventor 文件格式，它是完全跨平台的。VRML 文件的访问方式是基于客户/服务器模型的。虽然 VRML 文件的一个重要特征是能够通过包含关系把文件组织在一起，利用层次性的文件和包含关系创建任意大的场景。但是这也是 VRML 本身的弱点，造成了它对复杂对象或场景进行表现时的复杂性。因为场景一复杂，构成场景的多边形和面的数量也就多了，而且还要牵涉到各个面和多边形的相对坐标位置的复杂关系，所以单纯地用手工来编写 VRML 的代码还是不合适的。目前已经有了 VRML 的场景编辑器，如：Cosmo 公司的 HomeSpace Builder、Platinum Tec
16、hnology 公司的 虚拟现实Creator 等。利用VRML 的场景编辑器可以帮助你完成对虚拟场景的构造。3虚拟现实的应用虽然虚拟现实技术还不够成熟，但它在许多领域都有潜在的应用。它作为一门新兴的科学，无论是在航空、航天、船舶、医学等高技术领域，还是在教育、娱乐、商业等方面都显示出了诱人的应用前景。随着相关硬件、软件成本逐渐降低以及技术方面不断取得新的突破，虚拟技术的应用领域还将迅速扩大。它是一种可视化的工具，它提供了远程培训和通讯，并可用于定位和导航。下面有一些这方面的应用的例子。31可视化的工具 虚拟现实的交互特性和三维显示特性使工程师，设计师可以在实际的物体建造之前，先看到它的结构。
17、例如，利用虚拟现实技术，可以增强机械工具的计算机辅助设计的能力，设计者利用导航工具到需要修改的地方，使用空间球来放大，缩小或改变部件的颜色，或添加新的特性，然后可以从各个有利的角度来观察所作的修改。比起其它设计工具，使用虚拟现实的另一个好处是使用户可以观察用其他方法很难理解的模型。因此，它成为放射学者观察肿瘤结构的有利方法；化学家探索分子组成的方法；医学研究者预言治疗方法的效果。在正式建造物理结构前，建立虚拟现实模型可以很好地节约资源。Wilson指出，在建造房子之前，进行仿真可以很好地揭示设计的缺点。例如，一个轮椅虚拟现实系统可以帮助确保设计的房子是对残疾人可用的。在完全的沉浸式系统，测试者
18、利用数据手套和头盔系统，坐在实际的轮椅上，在一个虚拟的结构中探索，来决定建筑对残疾人的可用性，如门的宽度，小空间的回转性，水龙头的高度等。使用虚拟原型来代替物理原型还可以很大地减少产品的开发时间和开发费用。当需要改变时，可以很容易地修改部件或重新规划。另外，还可以使非专业人员清楚地看懂产品的设计，虚拟现实提高了产品设计者和顾客在设计和制造初期的协作。这样可以更准确和迅速地响应市场的需求。32远程培训和通讯随着近二十年电子技术的发展，标准的讲课方式的培训被快速发展新的方式所代替。目前，远程培训的一个很大的缺点是指导者和学生之间缺乏交互。对这个问题的一个解决方法是通过交互的视频传输，但在目前，这种
19、方法受传输信道和设备的限制。而且，当许多用户同时参加， 需要传给用户大量的视频图像，而且参加者不易感觉到他们在同一间会议室。但应用虚拟现实就可以做到感觉在同一虚拟空间进行交互。共享同一虚拟空间的概念是相当简单的。许多计算机通过Internet 或其他网络相连，远程的用户和其他人共享同一虚拟现实，并进行交互。网络虚拟现实的最初形式是基于文本的。用文本来交谈意味着使用键盘来和在想象的虚拟空间中的其他人交谈。屋子里的物体如虚拟黑板，虚拟投影仪，都是可交互的并可响应用户的要求。这些虚拟的环境已成为Internet上的会议工具。除了简单的文本表示，他们给使用者”存在”的信息。在53 个参加这样的Inte
20、rnet的网络会议的人，其中74%的参加者感觉在同一房间开会。在网络虚拟现实的高级形式中，每一个参加者用一个化身，坐在桌子的周围，随着参加者的演讲，化身可以移动身体，做手势。这种方式提高了用户的浸入感。这种技术可用于协同工作和远程会议。复杂的网络虚拟技术在几年前就应用于军事。海军研究院网络车辆仿真器把数百个远程用户连入沉浸式的虚拟环境中。这项应用的目的是为了降低培训的费用。虽然建造这样一个系统也要投入很多人力，但比召集这些人员培训的费用便宜多了。虽然网络虚拟现实比较可行和便宜，但由于需要复杂的软件还不能在大面积的推广，更重要的是带宽的不足是最大的限制，虽然利用替身已减少了数据的传输。目前的In
21、ternet服务由于带宽的缺乏，和缺乏服务质量的保证对虚拟环境的交互提出许多限制。较复杂的系统在局域网中已有实现。这些局域网通过以太网相连，以太网的速度较快以保证参加者进行交互。 目前，最先进的系统还处在研发阶段。Caterpillar公司设计了一个系统使全球各地的工程师协同设计Caterpillar的产品。虽然原想在跨大西洋连接，目前这系统只在三个使用政府的超级计算机上的虚拟现实系统和一个局域网中测试。在这条件下传输质量相当好。参加者感觉通讯很自然。33 新手培训虚拟现实的最广泛的应用是利用它的交互性和沉浸性进行培训。虚拟现实广泛用于各种设备的培训，这种培训可以避免高额费用和危险,如在放射性
22、的环境中。虚拟环境还可以根据难度系数的改变或提示的改变来改变，它也可以暂停进行讨论, 还可以记录下全部过程。虚拟现实的新手培训的最著名的应用是战斗仿真器，还有用于潜水和外科。麻醉的仿真器。一些成功的例子包括利用虚拟现实训练医学人员。例如,虚拟现实为医学院的学生学习解剖学和生理学提供动态的媒介。用尸体只能解剖一次，虚拟现实使学生可以重复解剖并可以从各个角度来观察。虚拟现实还用在训练外科医生进行复杂的外科手术如腹腔镜检查，关节镜检查和内窥镜检查和其他一些微创手术。虽然运用机械臂和其他一些照相机等设备用于远程操作已很久了，但利用位置和力的传感手套和其他一些接口技术,虚拟现实为远程交互提供了更直接的方
23、法。虚拟现实还可用于对灾难事件如飞机失事，地震等的模拟响应。3. 4定位和导航虚拟现实技术可以帮助用户在不熟悉的或复杂的环境中导航。一系列的研究表明在复杂环境中导航可以推广到实际的建筑物。另一些研究发现使用过自动导向的虚拟地形环境的军事人员很容易适应真实的环境。但是，学会在虚拟环境下导航和实际情况还是有较大区别。因此，目前在虚拟环境下的导航是作为在真实环境前的准备。虽然，虚拟现实常常用于对现存的物理空间提供精确的表示，但是用户的感觉在虚拟环境和真实环境还是不同。例如用户在虚拟环境下对大小和距离的感觉和在实际环境下是不同的。学会在不熟悉的环境下导航，对有障碍的人是有帮助的。在”学会旅游”的项目中
24、，认知障碍的人们进行基本旅游技能的训练，如认识路标，还可以进入公车的仿真器。虚拟现实还可以帮助有严重学习障碍的儿童培养生活技能，例如在虚拟商店里购物和付款，在虚拟城市的街道上认识交通安全。虚拟现实技术也是大型数据库的理想导航工具。例如查询超文本是一件繁琐的过程。web浏览器限制用户一次只能看一页，而不能使用户知道他所在的确切位置。搜寻是一件智力活动，为了找到需要的信息，需要循环地比较查询结果。这些问题激发了对交互虚拟现实浏览器的研究，通过它可以访问特定的页面，同时对周围环境有一了解。一种辅助的查询工具可以动态地比较多重查询的结果。在搜索空间的三维表示中，每一次查询在三维空间分配一个位置，用图标
25、代表每一匹配的页面。图标的空间位置表明页面匹配哪些查询，每一页面的重要度和相关性用图标的大小和明暗来表示。三维可视化的结果给用户一个印象，哪些页面更重要，(根据大小和明暗度)以及哪些页面和主题更相关。4结束语虚拟现实（VR）是一项新兴的技术，它具有对很多领域带来一场革命的潜在动力。目前，VR技术仍处在发展阶段，要使其真正有效地应用还有许多技术问题有待解决。其中实现VR 的关键技术包括：1） 实时，限时三维动画技术；2） 临场感技术（包括宽视场立体显示技术，基于自然的人机交互技术等）；3） 快速高精度三维跟踪技术；4） 辨识技术；5） 传感技术等。但是，虚拟现实技术在各行各业中都有着广阔的应用前
26、景，基于 Internet 的虚拟现实将给我们的生活、工作、学习带来一个崭新的天地。参考文献1曾芬芳 虚拟现实技术 交大出版社 1997.62Joe Gradecki 虚拟现实系统制作指南 电子工业出版社 1996.113ANDREAL.AMES,DAVIDR,NADEAU AND JOHN LMORELAOD Virtual Reality Modeling Language4虚拟现实高级交互技术 199515王坚 虚拟现实系统的类型与系统组成 1995106Ron Wodaski,Donna Brown 多媒体电脑虚拟现实技巧 机械工业出版社 199697王成为，高文，王行仁 灵境（虚拟现实）技术的理论、实现及应用 清华大学出版社 19968Virtual reality applications to work (Work, Volume: 11, Issue: 3, November, 1998, pp. 277-293 ) Weiss, Patrice L.; Jessel, Adam S., 专心-专注-专业