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1、吉林财经大学信息经济学院毕业论文虚拟现实的构建系 别 专 业 年 级 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 职 称 2012年 04月毕业论文原创性声明本人郑重声明：所呈交毕业论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：年 月 日摘 要随着科技的不断发展，给世界的各项技术带来了一场空前的革命，虚拟现实也由此产生。虚拟现实对许多人来说并不陌生，虽然它出现的时间并不长，但它给
2、人们展现了一门神奇的技术。其研究内容涉及多个领域，应用十分广泛，但虚拟现实的发展还存在着很多问题没有解决。本文将就虚拟现实技术的基本概念、应用、发展进行一系列的探讨。【关键词】 虚拟现实 VR技术 研究现状 发展趋势 虚拟现实应用Abstract With the continuous development of science and technology, to the world of each technology has brought an unprecedented revolution, virtual reality and the resulting. Virtual r
3、eality for many people are not familiar with, although it is not a long time, but it is to show people a magic technique. Its research covers a number of areas, a wide range of applications, but the virtual reality development still exist many problems unsolved. In this paper the basic concept of vi
4、rtual reality technology, application, development of a series of discussions.Key words: Virtual reality VR technology research status deleopment trend application目 录一、绪论 (1)二、虚拟现实技术的介绍 (1)（一）虚拟现实技术的概念 (1)（二）虚拟现实的基本特征 (1)（三）虚拟现实的发展历程 (2)（四）虚拟现实发展现状 (4)（五）虚拟现实技术发展趋势 (5)三、虚拟现实技术 (5)（一）虚拟现实的分类 (5)（二）虚拟
5、现实系统的构成 (6)（三）虚拟现实技术 (7)（四）国内三大虚拟现实软件介绍 (8)四、虚拟现实的实现 (10)（一）虚拟现实的应用 (10)（二）虚拟现实的案例(10)五、结束语(13)注释 (14) 参考文献 (15) 一、绪论人类有许多梦想，一些梦想已经变为现实，而有些梦想也许永远都不可能实现。然而，有一种技术能使一切梦想全部实现在感知中实现。虚拟现实就是使你的幻想成真的技术。它可以让你置身于云端，可以让你遨游于深海，甚至可以让你穿越时空感受过去及未来世界。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、
6、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。二、 虚拟现实的介绍(一) 虚拟现实技术的概念虚拟现实（Virtual Reality,简称VR，又译作灵境、幻真）它是在虚拟环境中，有人参与操作而形成的一种在视觉上、听觉上、感觉上、嗅觉上能体验到的一种境界。 虚拟现实技术是一项综合集成技术，由计算机图形技术、多媒体技术、人机交互技术、网络技术、立体现实技术及仿真技术等多种科学技术综合发展起来的计算机领域的最新技术。它利用计算机生成逼真的三围视觉、听觉、嗅觉等各种感觉，使用户通过适当
7、装置置身于计算机所表示的三维空间资料库环境中，使用户自然地对虚拟现实世界进行体验和交互作用。创造出一种“身临其境”的感觉。简单的说，虚拟现实技术就是用计算机创造现实世界。（二）虚拟现实的基本特征1.沉浸性 沉浸性是指用户可以沉浸于计算生成的虚拟环境中和使用户投入到计算机生成的虚拟场景中的能力，用户在虚拟场景中有身临其境的感觉。它让所见所感完全与真实环境中感受的一样。它是虚拟现实系统的核心。2. 实时交互性实时交互性是指用户与模拟场景中的对象相互作用的能力。他是人机互动的关键因素。用户进入虚拟环境后，通过一系列技术使用户与环境发生相互作用，用户可以进行必要的操作，虚拟环境则会做出相应的响应，与真
8、实的一样。3. 多感知性多感知性是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知等一系列感知。4. 构想性 也称想象性是指通过用户沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟环境进行各种交互作用，具有广阔的想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。（三）虚拟现实的发展历程1. 第一阶段，20世纪50年代到70年代此时为虚拟现实的探索阶段。1965年由美国的Morton Heileg开发了一个称作sensorama的摩托车仿真器，不仅具有三维视频及立体声效果，还能产生风吹的感觉和街道气味。 摩托车仿真器1965 年，计算机图形
9、学的奠基者美国科学家艾凡萨瑟兰在一篇名为终极的显示的论文中，首次提出了一种假设，观察者不是通过屏幕窗口来观看计算机生成的虚拟世界，而是生成一种直接使观察者沉浸并能互动的环境。这一理论后来被公认为在VR技术中起着里程碑的作用，所以我们称他既是“计算机图形学”之父，也是 “虚拟现实技术”之父。在随后几年中，艾凡萨瑟兰在麻省理工学院开始头盔式显示器的研制工作，人们戴上这个头盔式显示器，就会产生身临其境的感觉。头盔显示器2.第二阶段，80年代初至80年代中期20 世纪80 年代，美国国家航空航天局（NASA ）及美国国防部组织了一系列有关VR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VR
10、技术的广泛关注。1984 年，NASA Ames 研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy 和J.Humphries 博士组织开发了用于火星探测的虚拟世界视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟世界。在随后的虚拟交互世界工作站（VIEW ）项目中，他们又开发了通用多传感个人仿真器和遥控设备。3. 第三阶段，80年代末至90年代初进入20 世纪90 年代后，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涌入市场，而这些都
11、为VR系统的发展打下了良好的基础。在应用方面，1993 年11 月，宇航员通过VR系统的训练，成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用VR技术设计的波音777 飞机是虚拟制造的典型应用实例，这是飞机设计史上第一次在设计过程中没有采用实物模型。波音777 飞机由300 万个零件组成，所有的设计在一个由数百台工作站组成的虚拟世界中进行。设计师戴上头盔式显示器后，可以穿行于设计的虚拟“飞机”之中，审视“飞机”的各项设计指标。1（四）虚拟现实的发展现状VR技术诞生于美国，最初是为了满足国防和航空航天的需要，随着计算机技术，特别是图形显示技术的快速发展，VR技术在近年来得到了很大发
12、展且大多数研究机构都在美国。美国VR技术的研究水平基本上代表了国际VR技术发展的水平，它是全球研究最早，研究范围最广的国家，其研究内容几乎涉及从新概念发展（如VR的概念模型）、单项关键技术（如触觉反馈）到VR系统的实现及应用等有关VR技术的各个方面。欧洲的VR技术研究主要由欧共体的计划支持，在英国、德国、瑞典、荷兰、西班牙等国家都积极进行了VR技术的开发与应用。英国在VR技术的研究与开发的某些方面，如分布式并行处理、辅助设备（触觉反馈设备等）设计、应用研究等方面，在欧洲是领先的。在德国，以德国FhG-IGD图形研究所和德国计算机技术中心（GMD）为代表。它主要从事虚拟世界的感知、虚拟环境的控制
13、和显示、机器人远程控制、VR在空间领域的应用、宇航员的训练、分子结构的模拟研究等。德国的计算机图形研究所（IGD）测试平台，主要用于评估VR技术对未来系统和界面的影响，向用户和生产者提供通向先进的可视化、模拟技术和VR技术的途径。在亚洲，日本的VR技术研究发展十分迅速，同时在韩国、新加坡、中国等国家也积极开展了VR技术方面的研究工作。在当前实用VR技术的研究与开发中，日本是居于领先位置的国家之一。它主要致力于建立大规模VR知识库的研究，另外在VR游戏方面的研究也做了很多工作，但日本大部分VR硬件是从美国进口的。（五）虚拟现实技术的发展趋势虚拟现实的前景非常广阔，通过与互联网的结合，人们会很快享
14、受虚拟现实带给我们的乐趣。它在某种意义上满足了我们对理想愿望的需求，甚至改变我们的生活。利用它我们可以达到很多以前无法满足甚至不敢想的事。三、虚拟现实技术（一）虚拟现实的分类1.桌面虚拟现实系统也称窗口中的虚拟现实。它可以通过桌上型机实现，所以成本较低，功能也最简单，主要用于CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、建筑设计、桌面游戏等领域。 2.沉浸虚拟现实系统如各种用途的体验器，使人有身临其境的感觉，各种培训、演示以及高级游戏等用途均可用这种系统。3.分布式虚拟现实系统它在因特网环境下，充分利用分布于各地的资源，协同开发各种虚拟现实的利用。它通常是浸沉虚拟现实系统的发展，也就是把
15、分布于不同地方的沉浸虚拟现实系统，通过因特网连接起来，共同实现某种用途。 美国大型军用交互仿真系统NPSNet以及因特网上多人游戏MUD便是这类系统。 4.增强现实又称混合现实系统它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，既可减少构成复杂真实环境的开销（因为部分真实环境由虚拟环境取代），又可对实际物体进行操作（因为部分系统即系真实环境），真正达到了亦真亦幻的境界，是今后发展的方向。（二）虚拟现实系统的构成虚拟现实系统的模型表示如图1。用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它 反馈信息（如触觉、力觉反馈等）。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用
16、户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用（如遥操作等）。图1虚拟现实系统的模型虚拟现实系统主要由以下六个模块构成,如图2。图2 虚拟现实系统的构成检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。 反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。 传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面 将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。 建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。 （三）虚拟现实技术1.Flash技术严格意义说是是基于二维的应用。由于它
17、文件量小，形式新颖动人，在互联网上颇受青睐。（1）模拟物体的三维展示分别拍摄展示物体在某个二维平面里的各个角度照片，一般拍摄十几幅即可，当然拍的越多越精细。然后把这些序列照片处理好以后导入到FLASH中作成一个MC，然后在场景中，通过按扭和ACTIONSCRIPT控制MC的播放，达到使物体前后旋转的效果，还可以加上放缩和鼠标交互功能。（2）模拟场景的三维展示分别拍摄展示场景在环视360度里的各个角度照片，一般拍摄十几幅即可，然后把这些序列照片处理成一张前后连续的图片，导入到FLASH中作成一个MC，然后在场景中，通过按扭和ACTIONSCRIPT控制MC的位置，达到使场景前后旋转的效果，还可以
18、加上放缩和鼠标交互功能。（3）点线面的三维模拟 在FLASH中通过精确控制点的位移来达到模拟三维空间的真实效果，还可以加上贴图显得更加真实，较为复杂。视频的播放在网络上播放专业视频，一直让人头痛，FLASH支持*.MOV视频的导入，再配上声音，也能以假乱真。2.Viewpoint技术 Viewpoint技术是由真正的3D模型建立的，它具有完全的互动功能，可以真实地还原现实中的物体功能。可以创建照片级真实的3D影象，并且可以和其它高端媒体(rich media)综合使用。对于窄带应用上，Viewpoint所提供的技术也是最好的解决方案之一。它使用独有的压缩技术，把复杂的3D信息压缩成很小的数字格
19、式，同时也保证我们的浏览器插件可以很快的将这些压缩的信息重新解释出来。在3D贴图上，我们使用JPEG的压缩格式，保证文件的贴图不会使3D文件加大。并且它传送给用户的方式像Flash、Quicktime、Realmedia等流行媒体一样，使用了流式播放方式，这就使用户不用下载完所有的文件即可看到。3.JAVA技术（360度环视）利用JAVA技术，可以轻松的创建360度实景物体和场景展示，并能模拟三维空间。JAVA技术产品可在浏览器上直接浏览，不需要任何插件。主要是运用JAVA的applet的嵌入网页。2（四）国内三大虚拟现实软件介绍虚拟现实软件的好坏问题争论了很久，相信也会一直争论下去，软件的好
20、坏本身就是相对的，因此使用者更应该从自身的角度和所处的行业特点来选择适合自己的软件，这也是我们一直以来一贯的态度。国内的虚拟现实软件目前比较流行的是一下三款软件，排列顺序也正好是他们出现的先后顺序：1WebMaxWebMax的最大特点在于它的压缩比，号称可以达到150：1，因此成品的文件量较小，网络发布上有天生的优势，画面方面也比较细腻，互动方面需要配合一些代码编写能力，扩展性也较强，而且对客户端机器的配置要求很低，不用过多担心浏览群的流失，目前软件更新到2.0版，虽然相对1.0的版来说核心变化不大，但凭借软件永久免费的理念，WebMax在国内有着大批的粉丝，后续版本也在不断推出新功能，新效果
21、（水特效+实时反射+全局光晕等等）也将会陆续出炉，值得期待。2.VRPIEVRPIE其实可以算是国内拥有大批用户地单机虚拟软件VRP的网络版，因此也被冠以VRPIE的名称，该软件有共享版和正式版之分，共享版提供完整的功能，只是不提供项目的保存功能；凭借原先大批的单机软件用户，VRPIE的推出立刻引起业界的巨大反响，频频出现的一批商业作品也正是得益于单机用户数的绝对优势，VRPIE软件人性化程度好，软件成熟度高，上手快，一些简单的互动不需要编程即可完成，软件也提供编程接口，可以通过编程实现更复杂的交互，加上后续出现的物理引擎系统，实现了刚体碰撞和控制，物理火焰，物理流体等等效果，使得软件得到很大
22、程度的完善，可以说VRPIE是一款有着强大技术后盾为基础的成熟虚拟现实开发工具，肯定会对我们国家的虚拟现实行业发展产生积极影响。3.Converse3DConverse3D在三款较流行的软件中最晚出现，可能也正因为如此，软件一起步就提升到了Dx9的API图形接口上，加上这款软件的免费版仅有模型面数的限制，连恼人的官方logo都消失了，这一切都为Converse3D增加了很多神秘的色彩，大家对他的图形表现充满期待，虽然大家的这个期待除了在模拟水的效果上得到了长足的改善，但整体画面的表现并不如大家预期的那样成功，尽管如此，我们还是认为，凭借它在API接口上的领先，Converse3D还是有能力实现
23、更大的突破！当然值得一提的是，Converse3D的开发团队紧跟网络发展的潮流，率先提出了“一个场景，一个社区”的概念,领先业界开发出了Web3D在线多人互动交流功能，这为Converse3D的发展开辟了广阔的想象空间，甚至为当红的SNS社区概念在互动形式上也“虚拟”出了一种全新的模式，是一大亮点；该软件由于暂不支持编程接口，所以界面上功能较多，所以在设计上还可以做的更人性化，在网络发布功能上也要再做一些改进。3四、虚拟现实的实现（一）虚拟现实的应用1医学 虚拟现实技术应用大致上有两类。一是虚拟人体，也就是数字化人体，这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能。另一是虚拟手术系统，可用于指导
24、手术的进行。2娱乐、艺术与教育 丰富的感觉能力与3D显示环境使得虚拟现实技术成为理想的视频游戏工具。在娱乐方面出现虚拟歌星、虚拟主持人之类的娱乐工具。教育方面虚拟现实真正实现了远程教育，使人们沟通真实梦幻。3军事在军事上，许多国家都会进行虚拟的军事演习。在培训指挥员和研究战争方面虚拟现实也起到了重要作业4商业虚拟现实技术常被用于推销。例如建筑工程投标时，把设计的方案用虚拟现实技术表现出来，便可把业主带入未来的建筑物里参观，如门的高度、窗户朝向、采光多少、屋内装饰等，都可以感同身受。它同样可用于旅游景点以及功能众多、用途多样的商品推销。因为用虚拟现实技术展现这类商品的魅力，比单用文字或图片宣传更
25、加有吸引力。（二）虚拟现实的案例1. 天梭表此款表拥有多种除显示时间之外的多种以虚拟现实技术为核心的功能。（1）海拔高度的指示功能（ALTIMETER） （2）温度的指示功能 （THERMO） （3）指南针的指示功能 （COMPASS） （4）闹表的功能 （ALARM） （5）计时码表的功能 （CHRONO） （6）气压的指示功能 （METEO）天梭探险者系列此外，天梭表还利用VR技术结合3D技术建立了随心所欲的3D天梭（Tissot）橱窗。这个神奇的橱窗将会展示出亦真亦幻趣味性极强的影像。顾客可以在这个橱窗前虚拟“试戴”天梭女表和T-Touch男表系列。动感的触摸屏幕可以让顾客前所未有地挑选
26、前全系列的天梭产品。用户可以通过橱窗在虚拟环境中进行试戴。虚拟橱窗2. 网上试衣间自从1947年H&M第一家商店在瑞典开业，这个公司已经成长为一个在22个国家开有分店的服装连锁店。近来，这加老店有推出了网上试衣间。进入美国网页，选择试衣间，你不用考虑纽扣，拉链和具体尺寸的小细节。消费者可以选择一位标准模特，也可以自创一位类似于你自己体型的模特，皮肤颜色，发型，身体特征，高度，体重，以及具体的细节比如眼睛的颜色，鼻子，嘴唇。选好后，注册进入“我的模特”，一旦你的注册得到确认，你就可以用所有在H&M销售的服装包括泳装、成衣和小装饰品为你的模特进行设计。当消费者完成满意的组合，存储进入“你的衣柜”，
27、就可以将衣柜中的组合打印出来，带到商场去购买。虚拟试衣间3. 游戏这款头盔名为Lifeclipper，它是一种全新类型的娱乐工具，但目前仅限于在瑞士巴塞尔的圣约翰公园内使用。头盔由背包的高效能计算机控制，透过镜头观赏由计算机制作的3D影像，把用家带到一个有精灵、发光草、超现实昆虫、神奇景观的奇幻世界。其中真实的部分来自其头盔上的镜头，而虚拟的部分则是由计算机制作生成。虚拟游戏头盔五、结束语虚拟现实技术是本世纪发展的重要技术之一，作为一门科学和艺术将会不断走向成熟，在各行各业中将得到广泛应用，并发挥神奇的作用，二十一世纪将是虚拟现实技术的时代。当然，虚拟现实技术无论是理论还是应用都还不太成熟。尚
28、存在不少有待解决的问题但不管怎样，虚拟现实技术毕竟开辟了富有发展潜力的新领域，它会随着时间的推移日臻完善，发挥的作用也将会越来越大。注 释1 吴迪，黄文骞 .海洋测绘 ,2002, 第06期.2 浅析：国内外虚拟现实技术发展状况和发展趋势3 国内流行的三大国产虚拟现实软件的介绍参考文献1李云华. 虚拟现实技术综述重型机械科技M. 2004.2张志鹏,劳奇成. 虚拟现实技术的概况及应用M.精密制造与自动化 2005.3谢晶妮, 张茂军. 虚拟现实发展趋势展望J.计算机工程 2002. 4郑彦平,贺钧.虚拟现实技术的应用现状及发展J.信息技术 2005. 5刘耀林,孔建益,蒋国璋,孙亮波.虚拟现实技术的发展M湖北工业大学学报2005. 6周红军. 王选科 虚拟现实系统概述J ,航空计算技术 2005.7胡小强.虚拟现实技术M.北京：机械工业出版社，2005.8黄明吉.虚拟数控技术及应用M.北京：化学工业出版社，2005.9蒋庆全.国外VR技术发展综述J飞航导弹，2002.15