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1、 信息技术应用与管理专业（独立本科段）毕业论文（设计） 论虚拟现实的实现 摘要：虚拟现实（Virtual Reality）技术成为一项十分热门的技术，越来越多的人员投身到这个研究领域，致力于虚拟现实技术的研究、开发及应用推广。虚拟现实技术、理论分析和科学实验已成为人类探索客观世界规律的三大手段。虚拟现实技术所带来的身临其境的神奇效应正渗透到各行各业，成为近年来国际科技界关注的一个热点。它是建立在计算机图形学、人机接口技术、传感技术和人工智能等学科基础上的综合性极强的高新信息技术，在军事、医学、设计、艺术、娱乐等多个领域都得到了广泛的应用，被认为是21世纪大有发展前途的科学技术领域。本文全方位展
2、现了虚拟现实技术的概念与应用前景。关键词：虚拟现实技术 教学应用 信息技术 目录 第一章 绪论11.1课题背景1第二章 虚拟现实探秘22.1 什么是虚拟现实？22.2 虚拟现实的重要特征32.3 虚拟现实的特点42.4 虚拟现实的类型72.5 虚拟现实的构成8第三章 虚拟现实的发展10第四章 现实技术现状124.1硬件现状124.2 软件现状134.3 应用现状144.4 国内虚拟现实技术现状20第五章 虚拟现实技术的应用235.1 产品设计235.2 教育培训235.3 电子商务265.4 军事航天265.5 艺术娱乐275.6 旅游休闲28第六章 总结语30参考文献：3131第一章 绪论虚
3、拟现实，又称为灵境技术,它汇集了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、网络技术，以及人体行为学等多项技术，是计算机技术的综合应用。1.1课题背景虚拟现实技术，又称“灵境技术”、“虚拟环境”、“赛伯空间”等，原来是美国军方开发研究出来的一种计算机仿真技术，其主要目的是用于军事上的仿真，在美国军方内部使用。一直到20世纪80年代末期，虚拟现实技术才开始作为一个较完整的体系受到人们极大关注。虚拟现实是从英文Virtual reality 一词翻译过来的，Virtual 就是虚假的意思，Reality 就是真实的意思，合并起来就是虚拟现实，也就是说本来没有的事物和
4、环境，通过各种技术虚拟出来，让你感觉到就如真实的一样。第二章 虚拟现实探秘 关于虚拟现实的提法，历来多有争议。国外有人反对“Virtual Reality这个词，称它太玄乎；国内也有人认为虚拟现实的译法不佳，而主张翻译为“灵境”，这给人一种空灵缥缈的感觉，颇有一些韵味。另外也有一些译法如实时环境、虚拟空间、人造现实、仿真技术等等。但在科学界，大多数人仍主张直译为虚拟现实，以求准确和符合现代语法。2.1 什么是虚拟现实？人在现实世界中是通过眼睛、耳朵、手指等器官来实现视觉、听觉、触觉等功能的，人们可以通过视觉观察到色彩斑斓的外部环境，通过听觉感知丰富多彩的音响世界，通过触觉了解物体的形状和特性。
5、一个世纪以来,我们已经有一种虚拟现实电话,或者说是声音的虚拟现实。对此,我们早就习以为常。但当19世纪,电话初次展现在人们面前时,这也是一种全新的世界。无论人们相隔多远,一个电话线就能把两个人联系起来,这难道不让人惊奇么？在人类历史上,这也是开天辟地头一遭。 20世纪20年代,诞生了电视，这种以声音和影像并茂的虚拟现实，打开了人类视觉空间，使人们足不出户，遍览天下大事。然而这些远非真正意义上的虚拟现实。真正的虚拟现实在技术思想上有着质的飞跃,它直接将我们投入到虚拟的三维空间中去，与交互的环境融为一体。在这个虚拟的世界里，我们能够自由的运动，观看风景，就和真实的世界一样，我们有着足够的自主性，我
6、们甚至可以捡起一块石头攻击敌人。于是，我们可以认为：虚拟现实是人们利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境，将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一，并利用人机交互设备，把操作者与计算机生成的三维虚拟环境连结在一起。操作者通过人机交互设备，以自然的方式（如头的转动、手的运动等）向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉等多种感知获得三维感觉世界。随着人们不同的动作，这些感觉也随之改变。目前，与虚拟现实相关的内容已经扩大到了与之相关的许多方面，像“人工现实”、“遥现”、“虚拟环境”、“赛伯空间”等，都可以认为是虚拟现实的不同术语或形式。事实上, 虚拟现实要创建一个酷似客观环境又超越客观时空、
7、能沉浸其中又能驾驭其一的和谐人机环境，也就是由多维信息所构成的可操纵的空间。2.2 虚拟现实的重要特征 虚拟现实技术是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理等技术综合发展的产物 . 它具有以下 4个特征 :(1) 多感知性, 所谓多感知性就是除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外 , 还有听觉感知、触觉感知、力觉感知、运动感知 , 甚至包括味觉感知、嗅觉感知等 . 理想的虚拟现实环境应该包含对人自然交互方式的模拟 ,能提供给用户以视觉、听觉、触觉、嗅觉甚至味觉等多感通道 .(2) 存在感, 又称临场感, 在虚拟现实的环境中 , 用户能感到自己成为了一个“发现者和行动者” . 例如 , 视
8、场中的景物随着人的走动或头部的转动甚至眼球的转动而变动 . 理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度 .(3) 交互性, 是指用户可以对模拟环境中的物体直接操作 , 并从环境得到信息或感受 . 例如 , 用户可以用手去直接抓取模拟环境中的物体 , 这时手要有握着东西的感觉 , 并可以感觉物体的重量 ( 其实这时手里并没有实物 ), 视场中被抓的物体也立刻随着手的移动而移动 .(4) 自 主性, 是指虚拟环境中的对象具有依据物理定律动作的能力 . 例如 , 当受到力的推动时 , 物体会向力的方向移动 , 或反倒 , 或从桌面落到地面等 2.3 虚拟现实的特点 虚拟现实最重要的特点就是“逼真
9、”与“交互”性。参与者在虚拟世界中就象身临其境一样。环境象真的，人象在真环境中与各种物体及现象相互作用。环境中的物体和特性，按照自然规律发展和变化，而人在其中经历视觉、听觉、触觉、运动觉、味觉和嗅觉等感受。首先，虚拟现实很“逼真”。电视的空间是二维空间而不是现实世界的三维空间，电视的所谓“立体声”效果也不同于现实世界的声音的立体特征。而虚拟现实的视觉空间、视觉形象是三维的，音响效果也是“地道的三维音响”。二维与三维的视觉形象有本质的区分：在一个二维屏幕上看三维的图像就如同从一个玻璃船底看下面的海水，这时感到自己还是在船上，处于三维环境的边缘，从它的边缘看这个世界的深处。而在一个立体的“屏幕”里
10、看一个视觉世界就像是在潜水。通过一个电脑化的手套来操纵一个三维显示器，我们进入到虚拟现实的多重感觉的世界中，就如同戴着潜水装置潜入到深海，我们沉浸在水下环境中，在礁石间穿行，听着鲸鱼的低鸣，捡起贝壳来仔细端详，与别的潜水员交谈，完全参与到海底探险的经验当中。这种感觉是如此的真实，以至于我们全方位地浸没在这个虚幻的世界中。其次，虚拟现实强调交互性。在系统中，用户可以直接控制对象的各种参数，如：运动方向、速度等，而系统也可以向用户反馈信息，如：模拟驾驶系统中两车相撞，用户会感觉到震颤，车在抖动。经过不平路面时，汽车会颠簸。在虚拟现实中，视觉无疑是最主要和最常用的交互手段。因为观察点是在观察者的眼睛
11、上，这样，观察者就可以得到与在真实世界中同样的感受。随着图像的变化，再配以适当的音响效果，就可以使人们有身临其境的感受。但是，当人们希望用手来触摸虚拟模型，或用手直接对虚拟模型进行操作时，只是视觉和听觉就无能为力了，因而需要研制和开发具有触觉功能的交互手段，也就是具有力反馈功能的装置。它可以对使用者的输入（如手势，语言命令）作出响应。比如你可以拿起一虚拟的火炬并打开其开关，你一推操纵杆，仿佛可以在里面漫游，你甚至可以用虚拟的手感触到虚拟物体存在。2.4 虚拟现实的类型虚拟现实可分为仿真、超越、幻象三种类型。(1)仿真型虚拟现实它根据现实世界的真实存在，由计算机将其模拟出来。它虽然现在并不存在，
12、但一切都是符合客观规律的。仿真虚拟现实被广泛用于培训中。“虚拟飞机座舱”便是一例。学员坐在座舱里便可获得和真实飞行中一样的感受。根据这种感受做出各种操作，并根据操作后出现的效果可判断这样操作是否正确。旅游业同样可以利用仿真虚拟现实招揽游客，让公众通过虚拟现实观赏到名山大川之雄伟、深谷小溪之清幽、名胜古迹之丰富、风土人情之多彩，必能激发其游兴，增加客源。(2)超越型虚拟现实它虽然也是根据真实存在进行模拟，但所模拟的对象或者用人的五官无法感觉到，或者在日常生活中无法接触到。超越型虚拟现实可以充分发挥人的认识和探索能力，揭示未知世界的奥秘。它以现实为基础，却可能创造出超越现实的情景。例如，可以模拟宇
13、宙太空和原子世界发生的情况，把人带入浩瀚无比或纤细入微的世界里，对那里发生的一切取得感性认识。如美国宇航局把火星探测器发回的大量数据，经过整理制成火星模型，可以使人从感性上了解火星上的各种情况，宛如置身于火星上一样。(3)幻想型虚拟现实随心所欲地营造出现实世界不可能出现的情景。神话、童话、科学幻想在这个世界中可以轻而易举地化作“现实”。因此，幻想型虚拟现实给人带来广阔的想象时空，尽管有时是荒诞不经的，却促进了人类想象和创造力的发展；完全是子虚乌有的，却可供人消遣娱乐。例如，模拟海底龙宫世界，可以置人于虾兵蟹将之中，赏悦各种奇珍异宝。逼真的感受，宛如真正置身于龙宫。并且最重要的，就是它是交互式的
14、，也就是说随着人的反应不同，将出现不同的情景。这一点是目前现实生活中其它娱乐手段所做不到的。2.5 虚拟现实的构成虚拟现实系统包含操作者、机器、软件及人机交互设备四个基本要素，其中机器是指安装了适当的软件程序，用来生成用户能与之交互的虚拟环境的计算机，内含存有大量图像和声音的数据库。人机交互设备则是指将虚拟环境与操作者连接起来的传感与控制装置。 人机交互设备将视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等各种感官刺激传达给操作者，使人的意识进入虚拟世界。目前已经开发出来的，在视觉方面有头盔式立体显示仪等；听觉方面有立体音响；触觉、位置感方面有“数据手套”、“数据服”等，以及一些语音识别，眼球运动检测等装置，未
15、来还会开发出模拟味觉和嗅觉的设备，那时虚拟现实将更加真实。头盔式显示器是与虚拟现实系统关系最密切的人机交互设备，这种设备是在头盔上安装显示器，利用特殊的光学设备来对图像进行处理，使图像看上去立体感更强。绝大多数头盔式显示器使用两个显示器，能够显示立体图像。从人类获取信息的方式看，视觉是最主要的，它占人们获取的信息量的70%，其次是听觉、触觉和味觉。为了实现逼真的效果，满足人的视觉和听觉习惯，虚拟环境的图像和声响应是三维立体的；为了达到实时性，图像至少应有60 Hz的帧频，还要随时响应人们的操纵信号，延迟不能超过0.1秒。虚拟现实系统利用头盔显示器把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来，产生一种身
16、在虚拟环境中的错觉。头戴式显示器将观察者的头部位置及运动方向告诉计算机，计算机就可以调整观察者所看到的图景，使得呈现的图像更趋于真实感。数据手套是虚拟现实系统中最常用的人机交互设备，它可测量出手的位置和形状从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向。数据手套可能使你觉得你的手产生放在水中、或者泥巴中的感觉。数据服也是虚拟现实系统中用的人机交互设备。一件虚拟现实的数据紧身服可能使你有在水中或泥沼中游泳的感觉。当人戴上头盔时，就把立体图像，由多媒体计算机从头盔的显示器显示给参观者。人戴上数据手套，你的手一动，
17、有很多传感器就测出了你的动作（比如去开门）。计算机接到这一信息，就去控制图像，使门打开，你眼前就出现了室内的图像景物，并给出相应的声音及运动感觉。当你的妻子恰巧在房中，看到你的出现，她张开双臂亲昵地向你飞奔而来，随之你的腰被紧紧地搂住。切记，此时仅是数据紧身服在收缩罢了，只是这一切来得那么自然，那么逼真，那么不露痕迹。 第三章 虚拟现实的发展人类自古以来都有一种对某个未知、未及的世界的想象和想象性地占有。这种欲望和想象在个人身上表现为梦（睡梦和白日梦），在集体（民族）身上表现为神话、宗教。人类不仅把对另外世界的向往和想象诉诸神话、诗歌等语言形式，而且以既有的技术手段将它们诉诸视觉形象和声音形式
18、。于是，原始人的岩画，中国古代的兵马俑，各个时代的雕塑、绘画视觉艺术，以及近现代出现的透视画、全景画、立体图镜、电影、电视等构成了虚拟现实的史前史。画、电影、电话、电视、计算机的发展为虚拟现实问世打下了基础。20世纪50年代，莫顿.海利希就考虑，看电影如何才能使人有身临其境的感觉。他得到墨西哥教育部长的支持，研究制造出一台机器，叫“传感影院”，但效果不佳。又由于教育部长在飞机失事中丧生，他失去了经济支持。幸好又有对此感兴趣的人提供投资，他才制成第二台样机。这是利用视觉、听觉、运动觉，使用户感到好像是骑在摩托车上旅行，欣赏周围的自然景色。可惜的是，这种装置只能为一个人服务，每次花费惊人，所以没有
19、引起电影界的重视。1965年，美国人艾凡萨瑟兰，在篇名为的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，后来被公认为在虚拟环境领域中起着里程碑的作用。1970年，出现了第一个功能较齐全的头盔式显示器系统。该系统含有能模拟力量和触觉的力反馈装置。80年代，美国的杰伦正式提出了“Virtual Reality”一词。美国宇航局及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。1986年，美国航空和航天局建立了世界上第一个计算机虚拟环境。1990年在美国达拉斯召开的国际会议上明确了虚拟现实的主要
20、技术构成，即实时三维图形生成技术、多传感交互技术及高分辨率显示技术。进入90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。1993年爱荷华大学提出了“制造技术的虚拟环境”的报告，提出建立支持虚拟制造环境等技术。1997年美国标准与技术研究院“使用VRML的制造系统建模”，探讨了虚拟现实技术及在网络上的应用。希望将WWW变成一个三维的立体空间。主页的链接也不再是高亮显示的图片和文字，而是在三维空间打开一扇门或者
21、触摸一个物体，就进入了另一个主页。甚至同时上网者互相之间都能看到，你在网上可以有一个虚拟的自己，可以象逛街一样浏览主页，同时和路上碰到的人打招呼。你能在Internet上设计自己的三维虚拟空间。可以建造虚拟的房间、建筑物、城市、山脉和星球。能用虚拟的家具、汽车、人员、飞机或你能想象的任何东西来填充虚拟的世界。虚拟现实技术发展到如今，当然不只是纸上谈兵。各大公司努力开发的各种设备，在促进虚拟现实的实际应用上起到了相当的作用。第四章 现实技术现状4.1硬件现状虚拟现实技术诞生以来，许多大学、科研机构及制造厂家研究开发了各种各样的信息检测、再现和生成装置，尤其对视觉信息再现装置的研究方面取得重大进展
22、。按立体成像方式和图像是否跟随观察者头的转动而移动，视觉信息再现装置大体上可以分为两大类，一种是利用立体电影原理生成立体图像的视觉信息再现装置。这种方式的立体图像需要戴上特殊的眼镜才能看得到，且立体图像不能跟随观察者头转动。另一种视觉信息再现装置是头盔式显示器，其立体图像可以跟随观察者的头而转动，这种方式可以获得较高的临场感觉。(1)头盔式显示器美国犹他大学的学生索式兰德应用立体镜视原理在60年代末发明了第一台头盔式显示器。虚拟现实技术诞生之后，头盔式显示器得到了广泛的应用。近年来世界上许多厂家生产了各种各样的头盔式显示器。岛津制作所生产的头盔式显示器采用CRT显像方式，重量虽然增加了一些，但
23、图像的清晰度比液晶显像高。另外，现阶段头盔式显示器主要应用在科研机构，所以生产的台数有限也是价格高的一个主要原因。索尼公司为了降低头盔式显示器的价格以把它推向个人消费市场，于1997年6月开发了廉价、简易、携带型的新产品（MLM-50）。这种小型的头盔式显示器虽然观赏不到立体图像，但可以取得在2米的距离观看52英寸电视机的效果，并有配套的小型录像机和充电电池适合于个人在野外或出差途中使用。索尼公司计划以每月5000台的数量推向个人消费市场。2000年6月14-19日在东京举行的“第8届产业虚拟现实展”中，正在开发中的单眼头戴式显示器“DATA GLASS2”被展出。该产品只要与电脑相接便可显示
24、图像，与早期的产品相比，新产品的最大改进之处在于减轻了重量，仅为80g，据称这是目前最轻的头盔式显示器。新产品与800600像素的彩色显示相对应，总像素与早期产品相比，增加了50%，达到144万像素。视角也从25度增至30度。头戴该产品的视觉感受，与在60cm远的地方观看14英寸屏幕的效果基本相同。该产品由液晶板和反射光学系统构成的曲面镜组成。考虑到头戴时的安全性，外界光线能够透过画面，使戴镜者能够看到周围物体。(2)数据手套赛伯手套公司生产的数据手套在每个手指上有三个弯曲传感器和一个扭曲传感器，在手掌上还有两个传感器。数据手套本身配有一个叫“假手”的软件，该软件用来接收传感器所获取的数据，利
25、用这些信息可控制虚拟空间中物体的位置和方向。VPL公司开发的数据手套，在手指关节处安装有光学传感器，手套周围遍布磁场跟踪器。马特公司生产的PowerGlove曾在短时间内应用于游戏系统，它用指端的压力传感器和超声位置传感器提供了手掌和手指的位置数据。4.2 软件现状虚拟现实发展至今，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
26、SVGA下运行，可以在窗口中显示带纹理映射的虚拟世界，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；虚拟现实建模语言VRML(Virtual Reality Modeling Language)是HTML的3D模型，其目的是提供一种用于网上的虚拟世界的描述方法。目前已有VRML1.0、VRML2.0、VRML97等几种版本；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。语音输入为用户与虚拟环境交互提供了
27、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 Voice 软件,以及Dragon系统的 Dictate软件。4.3 应用现状九十年代，虚拟现实技术应用研究全面展开。有人曾对全世界范围内进行的805项虚拟现实技术研究项目作了统计，结果表明：娱乐、教育及艺术方面的占据主流，达21.4，其次是军事与航空达12.7，医学方面达6.13，机器人方面占6.21，商业方面占4.96，另外在可视化计算、制造业等方面也有相当
28、的比重。(1)虚拟游戏 由于娱乐方面对虚拟现实的真实感要求不是太高，故虚拟现实在该方面发展最为迅猛。如1990年，在芝加哥开放了世界上第一台大型可供多人使用的虚拟现实娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争。1991年英国开发的称为“Virtuality”的虚拟游戏系统，配头盔式显示器，大大增强了真实感；1992年的一台称为“Legeal Qust”的系统由于增加了人工智能，使计算机具备了自学习能力，大大增强了趣味性及难度，使该系统获年度虚拟现实技术产品奖。美国许多采用虚拟现实技术制作的游戏已成为青少年的新宠。比如在好莱坞大片侏罗纪公园中，几千万年前已经灭绝的恐龙在屏幕上活灵活现地肆虐；
29、勇敢者游戏中，大象冲上街头踏破小汽车等，都是在电脑上运用虚拟现实技术做出的效果。美国芝加哥有一个虚拟现实娱乐厅，叫“战技中心”。它是世界上第一个大规模虚拟现实娱乐系统，有一个座舱，前方有一个屏幕。可以从上面看到战斗场景。下方有个副屏幕，从它的上面可看到损伤情况。主屏幕的两侧显示武器的状态和选择，左边的操纵杆控制武器动作，右边的调整开关可以控制速度。“战斗机器”是这个娱乐系统的“主要人物”，是一个超级机器人。它是一场战争的发动者，假设这场战争发生在一千多年以后。用脚去踏脚踏板，就使“战斗机器模拟器”开始工作，于是模仿一千多年以后的战争就开始了。人们排长队买票去玩这种虚拟现实娱乐，去进行战斗游戏：
30、玩的人在座舱内，利用舱内的设备，在星球间飞行，飞行中要保护自己，防止巨型坦克的袭击，并用激光枪展开射击竞赛，或低头弯腰，扭身拐行，躲开史前翼身龙的攻击。虚拟战争游戏受到人们欢迎；日本横滨的“战技中心”是有32个座舱的大系统，比芝加哥的“战技中心”座舱要多一倍。(2)虚拟工厂世界著名的摩托罗拉公司，从1994年开始，建立了工厂装配线的虚拟模型。这种虚拟模型是由硬件和软件组成的。硬件包括计算机、各种传感器、头盔显示器、鼠标等。软件包括计算机控制程序，由实际装配线拍摄下来的照片并变成计算机存储的图像资料。操作者在启动、运行、关闭装配系统的虚拟模型中，可以听到像从真实系统发出的响声，从显示器上可看见与
31、真实系统一样的动作反应。摩托罗拉公司用该虚拟模型，对世界各地的员工进行培训，获得良好效果。用虚拟模型有两点好处：一是虚拟现实实验用的装配线模型比真实的装配线便宜（只有310万美元），并且可以很方便地运到任何地方去；二是当真正的装配线上的机械设备变更或改进时，虚拟现实实验室的模型很容易得到及时的更新。(3)虚拟飞机虚拟现实技术应用于生产，可以节省大量的成本，提高效率。美国用虚拟现实技术设计波音777飞机，获得巨大成功。三百多万个零部件的设计与飞机整体结构的互相组合，都是在一个由数百台工作站组成的虚拟环境系统上进行的。设计师带上虚拟现实技术装配的头盔显示器后，可穿行于这个虚拟的“飞机”中，去审视“
32、飞机”的各项设计是否合乎理想。过去要设计一架新型飞机必须先造两架实体模型飞机，至少要花120万美元，虚拟现实技术不仅节约了经费，更重要的是缩短了新产品上市的时间，大大增加了市场竞争能力。(4)虚拟汽车近年在美国通用、福特等汽车公司的虚拟现实技术工作室里，人们可以看到拥有各种各样的新颖装备和制作工具，工程师们正在进行着试验性的工作，通过头盔和感应手套等工具，使工作站上生成立体的汽车原型图像，也有用1:1的大型屏幕，把立体图像的汽车，完全与实体一样显示出来，并可以随意进行设计改进，使人们感到一种完全身临其境的逼真体验。 德国汽车业应用虚拟现实技术最快也最广泛。目前，德国所有的汽车制造企业都建成了自
33、己的虚拟现实开发中心。奔驰、宝马、大众等大公司的报告显示，应用虚拟现实技术、以“数字汽车”模型来代替木制或铁皮制的汽车模型，可将新车型开发时间从一年以上缩短到2个月左右，开发成本最多可降低到原先的十分之一。 目前，德国汽车制造企业已将虚拟现实技术应用到零部件设计、内部设计、空气动力学试验和模拟撞车安全试验等细小局部的工作中。汽车零部件的设计因为使用了虚拟现实技术，成本降低达40。研究人员还计划将虚拟现实技术降低成本后进一步应用于销售、客户服务和市场调查。届时，客户可以先体验多媒体“数字汽车”之后再选择定购。虚拟现实技术的应用大幅度提高了德国汽车产业的竞争力。(5)虚拟太空机器人1999年4月1
34、9至21日，德国多特蒙德大学机器人研究所与日本宇宙开发事业团合作完成了用虚拟现实技术遥控太空机器人的实验。两国科学家在日本筑波的卫星地面控制中心通过虚拟现实头盔和数字手套指挥一台机器人。这台机器人搭载于日本的工程实验卫星“ETS7”上，在距地面500千米的近地轨道运行。借助于虚拟现实技术，地面上的科学家在头盔中看到的景物就是机器人在太空中“视线”所及。与此相应，进行实验的专家转动头部或挥挥手，机器人也会做同样动作。地面上的真人和太空中的机器人实现了“心有灵犀一点通”。科学家戴上头盔和手套操纵机器人，能遥控机器人避开各种障碍物。该实验证明虚拟现实技术使得远距离操纵机器人完成研究和探测使命更加容易
35、和方便。比如一位生物学家能够在自己的办公室里戴上头盔和手套研究太空中实验生物的生长情况，而在太空中“亲临现场”的却是一台机器人。(6)虚拟战场美国陆军1994年的“路易斯安娜94”作战演习就是利用虚拟现实技术进行的。这次演习不但试验论证了美国陆军制定的条令、战术和部队编成，使之更加符合21世纪的作战要求，还节约演习经费近20亿美元。在波斯尼亚伊格尔基地，美国陆军采用一种计算机武器模拟作战系统对维和部队士兵进行作战训练。猛一看，这种场面更象是在电子游艺厅里，人们用假枪玩电子游戏。目前，这一系统已在该基地使用两个月了，将逐步取代过去采用实弹进行的作战准备训练。(7)虚拟诊断1999年3月报道，美国
36、明尼苏达州梅奥诊所将虚拟现实技术应用于结肠癌诊断，使医生可仿佛身临其境地在结肠中“穿行”，寻找肿瘤或息肉部位。新技术还可将结肠图像局部放大，以便对细小部位进行研究，将其“切开” 露出肠壁，让医生作更好的检查。在对70名患者所作的研究中，医生们发现，利用虚拟现实技术进行检查要精确得多。这种方法对患者来说也更好，因为它无需让病人保持镇静状态，整个扫描过程所需时间不到2分钟。而使用最普遍的验血方法，不但患者承受一定的痛苦，且确诊率不到50%。(8)虚拟小宠物日本富士通公司用计算机制造出一个小动物，它一半像海豚，一半像鸟。这个由虚拟现实技术创造的电子宠物叫“菲兰克”。它和人能进行相互交流，它会记人的脸
37、和声音，当主人呼唤它的时候，它会高兴得又叫又跳。你用温柔的声音对它说话，它就会作出小鸟依人状；如果你粗声吼叫，它就会飞行得无影无踪。它会唱歌，能学唱新歌，还会表演杂技。 (9)虚拟厨房日本松下公司用来招揽买主的“厨房世界”，就是用虚拟现实技术，让顾客去品评厨房设备是否合自己的心意的一个尝试。当你走进陈列室，只要戴上特殊的头盔和一双银色的手套，你在原地就可以去漫游“厨房世界”了。在头盔的显示器内，你可以看到厨房及它的门。你伸出手去开门，门随手而开，厨房内所有的设备就会映入你的眼帘。你可以用手打开柜橱的门和抽屉，查看里面的结构和质量，可从碗架上拿下盘子看看，也可以打开水龙头，立即看见水流出来，听见
38、流水声，还可查看水池下面的排水是否流杨，也可查看照明是否亮堂，试试通水排气是否正常。如果您对厨房的布置不满意，可按照自己的意愿重新安排。这一切在你的感觉中和真的一模一样。经过亲眼目睹和亲自操作，你如果感到满意，只要填一张订单，计算机立即把订单传输到工厂，两周内，就可以得到所订的厨具了。(10)虚拟演员美国迪斯尼公司宣称推出虚拟演员，这将使“演员”艺术青春常在，并将导致个人数字电影的诞生。 好莱坞征服世界的一个法宝是“明星制度”。对明星偶像的追逐，为电影业带来了滚滚财源。明星制度也让道格拉斯范朋克、葛丽泰嘉宝等一批明星成为一些人崇拜的偶像。 但是，明星是吃“青春饭”的，而虚拟演员却可青春常在、活
39、力永存。虚拟演员可以比斯瓦辛格更强壮、比卓别林更滑稽、比费雯丽更妩媚。由计算机拍成的游戏节目古墓丽影，片中的虚拟女主角入选为全球的知名人物，预示着虚拟演员时代即将来临。目前全世界电影业都面临危机。一方面其他新兴娱乐方式的出现，削弱了它的吸引力；另一方面场面越来越大、片酬越来越高，巨额投资往往难有相应效益。使用虚拟演员将可改变这种局面。例如，拍摄昆虫总动员，用传统方式需用100人完成动画，用电脑制作动画也要30人；而用电脑制作的虚拟演员，只要几个人便够了。 虚拟演员成为电影主角后，电影将成为软件产业的一个分支。各软件公司将开发出数不胜数的虚拟演员供人选购。一个人可以身兼制片人、导演、摄影师、布景
40、设计师，把编写剧本、选择明星、选择艺术手法等所有工作都集于一身，把复杂的拍摄设备变成一台计算机，把有血有肉的演员变成程序。因此以使用虚拟演员为特征的个人电影也被称为“个人虚拟电影”。 电影诞生以来一直在变革，无声电影、有声电影、彩色电影、立体电影、宽银幕电影但哪一次都不会像使用虚拟现实技术拍摄个人虚拟电影所引起的变化那么大。4.4 国内虚拟现实技术现状在国内，虚拟现实技术正逐渐受到人们重视。1990年，我国将“虚拟现实技术”正式列入国家“863计划”。近年来，虚拟现实技术在我国取得了长足的进步。一些重要的成果已推向市场。北京科技大学虚拟现实实验室成功开发出了纯交互式汽车模拟驾驶培训系统。由于开
41、发出的三维图形非常逼真,虚拟环境与真实的驾驶环境几乎没有什么差别,因此投入使用后效果良好。到目前为止,已经有150余人通过这个系统的学习取得驾驶执照,路考通过率达到98。北京航空航天大学虚拟现实与多媒体研究室在分布式虚拟环境网络上开发了直升机虚拟仿真器、坦克虚拟仿真器、虚拟战场环境观察器、计算机兵力生成器；连接了装甲兵工程学院提供的坦克仿真器；基本完成分布式虚拟环境网络下分布交互仿真使用的真实地形；并正在联合多家单位开发J7、F22、F16及单兵等虚拟仿真器。他们的总设计目标是为我国军事模拟训练与演习提供一个多武器协同作战或对抗的战术演练系统。国防科技大学研制的虚拟空间会议系统1999年12月
42、在长沙通过专家鉴定。虚拟空间会议系统随着虚拟现实技术的发展而被提出，是国际上公认的前沿性高难度课题，具有终极会议系统 之称。国防科技大学于1995年开始进行前期研究，1997年正式立项，研究人员经过5年的艰苦探索，大胆创新，终于解决了对象提取、三维虚拟对象、会场合成、场景感知、视音频压缩与传输及高分辨率显示等一系列关键技术，使中国虚拟现实技术获得突破性进展。虚拟会议空间通过多个大屏幕投影机无缝组成虚拟会场显示环境，采用视频合成技术构造一个超高分辨率、宽视角、一体化的虚拟会议空间，实现了与会者之间相互关注及对会场虚拟场景的感知等普通多媒体会议系统无法实现的功能。在虚拟会议空间系统中，所有与会者仿
43、佛在同一个会议室开会，每个与会者所处的空间位置、行为动作及面部表情都能相互感知，并能通过多种形式进行信息交流。发言人也可通过对每个与会者的反应和提出的问题，调整讲话内容、回答有关问题。位于上海浦东陆家嘴地区的正大商业广场，采用了中国建筑第三工程局和华中理工大学合作开发的虚拟现实技术，在国内首次将“虚拟实境”应用于建筑领域。在盖大楼前，可先用计算机系统模拟一下周围的环境、施工的过程，身临其境地感受和研究一番。杭州大学用虚拟现实技术开发出故宫漫游器，使用者骑在“自行车”上，戴上头盔式显示器，便可远远地看到天安门。当蹬动“自行车”的脚蹬时，便走近天安门、越过金水桥、穿过午门，经由太和门来到太和殿前的
44、广场。甚至可以“破墙”而入“冲”进太和殿，看到金銮殿内盘龙的柱子、庄严的殿堂。然后“骑”着车来到御花园，看到红墙、绿树、亭台楼阁。目前，我国已有越来越多的科研单位和企业投入了虚拟现实技术的研究和产品的开发，这一方兴未艾的计算机技术必将产生巨大的生产力，让人们的工作和生活更加轻松，更加富有色彩。像中央电视台，正在积极考虑使用虚拟演播室，因为采用虚拟场景不仅成本低，而且创作人员可以自由发挥想象力，不受现实条件的束缚。这样，节目的感染力也更强。故宫博物院就“故宫文化资产数字化应用研究”项目与日本凸版印刷株式会社签订了合作意向书。双方将采用三维成像和虚拟现实技术建起“数字故宫”。故宫72万平方米的古建
45、筑群，收藏着近百万件古代珍贵文物，而由于现实展示条件不具备，目前向游人开放的面积不足1/3，文物也只展出10000余件，绝大多数堪称“世界瑰宝”的世间极品，无缘与游人见面，而“数字故宫”的建成将使这一问题迎刃而解。据介绍，双方首先进行的是逐步把博物院中的建筑和文物通过影像采集、数字处理、压缩技术等制成三维形象，集合高清晰、超宽屏幕和环绕立体声数字音响，使人们能够随意从各种角度观看和欣赏建筑、文物。观众不用戴特殊的眼镜或传感手套，只要通过手中控制器就能走遍故宫的角角落落。从整体上看，我国虚拟现实技术仍处于一个早期和初步的形式。它的发展与50年代的空间计划和70年代的微型计算机相似。现在我们才刚刚
46、看到虚拟现实的潜力。虚拟现实技术系统要达到实用化、普遍化，还需要从软件和硬件两方面得到发展，还有较长的路要走。尽管这样、虚拟现实技术作为一种人机接口技术，它提供了人与计算机的一个直接、自然的接触关系，最终可以得到广泛的应用，甚至走进千家万户。第五章 虚拟现实技术的应用5.1 产品设计虚拟现实技术可以帮助进行产品设计。设计人员用一个虚拟的产品来分析、研究、检查所设计的产品是否合理，有毛病没有，应如何修改。在对虚拟产品品评和考查中，如发现问题，可再修改设计，使产品设计得更好，而不是在投产前先制造一个模型或样品。在建筑设计中，要考虑结构、强度、采光、声音效果、通风等许多问题，而这些问题要预先估计出来
47、是比较困难的。利用虚拟现实技术，虚拟出建筑物，可以让设计人员清楚地看到一座建筑物的内外景观，甚至可以“进入”建筑物中走走、看看、摸摸，对设计进行修改，在建筑设计竞赛投标时，评审人可进入建筑物进行考查。对于讲演厅、电影院的设计，则可用虚拟现实技术来考查声音效果，帮助设计人员改进设计。5.2 教育培训利用虚拟现实技术，可以模拟显现抽象的或在现实中存在的、但在课堂教学环境下用别的方法很难做到或者要花费很大的代价才能显现的各种事物，供学生学习和探索.(1)机械课当学生学习某种机械装置，如汽车发动机的结构原理和运行过程时，一般的教学方法都是利用图示或放录像的方式向学生展示，但这些方法难于使学生对这种机械
48、装置的运行过程、状态及内部的各个部件在工作时的相互联系有一个明确的了解。这时，应用虚拟现实技术就可以充分显示出其优势。它不仅可以向学生展现出发动机的复杂构造、工作原理以及工作时各个零件的运行状态，而且还可以模仿出发动机在出现故障时的表现和原因等。这样就使学习内容非常直观地展现在学生的面前，大大提高学习效果。(2)自然课比如在教授各种自然现象的形成和发展的内容时，由于大多数的自然现象都有时间性，或者是转瞬即逝，或者是非常漫长，如森林树木的更新换代，在自然界中一般要经过几十年甚至上百年才能完成，学生很难实际观察到，用电影或录像的手段也显然不行。而虚拟现实技术可以使学生在一堂课的时间里非常逼真的观察到自然界在几十年里所发生的变化。(3)化学课物质的原子、分子结构在化学反应中是很抽象的，虚拟现实技术可以让抽象的内容具体化和形象化。(4)地理课以往的地理知识都以文字的方式写在教科书上，通过教育者的讲解，以及借助于地图、地球仪等教学模具。但如能借助于虚拟现实技术，则更会提高受教育者的