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1、虚拟现实技术1背景与意义n 科学技术的发展促使人们为了适应未来信息社会的需要，必须提高人与信息社会的接口能力，提高人对信息的理解能力。而对信息处理的方法要求建立一个多维化的信息空间，建立一个定性和定量相结合，感性认识和理性认识相结合的综合环境，虚拟现实技术将是支撑这个多维信息空间的关键技术。虚拟现实技术归根结底就是要把计算机从善于处理数字化的单维信息改变为善于处理人所能感受到的、在思维过程中所接触到的、除了数字化信息之外的其他各种表现形式的多维信息。增强现实成果，并给用户一个将现实世界和计算机中的虚拟模型结合起来的工作环境。2虚拟现实的概念n 虚拟现实技术近年来在技术研究领域十分活跃，它汇集了
2、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、高度并行的实时计算技术和人的行为研究等多项关键技术。虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术高层次的继承和渗透；它给用户以逼真的体验，它为人们探索宏观世界和微观世界中由于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律，提供了极大的便利。n 虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)，又译为临境，灵境等，这个词最早始创于2O世纪80年代是1989年由美国的Jarn Lanier正式提出的。然而，关于虚拟现实的研究可以追溯到20世纪60年代最初的研究主要集中在美国军方对飞行驾驶员与宇航员的模拟训练。然而，随着冷战后美国军费的削
3、减。这些技术逐步转为民用。由于虚拟现实技术能够借助计算机构建出一个与现实环境十分逼真的虚拟环境。且支持用户使用自然技能来亲身感受，因而引起了人们及大的兴趣。曾经被称为”梦幻般的技术”和”人机接口的最后一道障碍”。3虚拟现实系统n 虚拟现实系统通常指用头盔显示器和传感手套等一系列新型交互设备构造出的一种计算机软硬件环境，人们通过这些设施以自然的技能。比如头的摇动、手的摆动，向计算机送入命令，同时得到计算机对用户的视觉、听觉等多种感官的反馈。随着人们动作的变化。这些感官反馈也随之改变。但是现在与虚拟现实有关的内容已经扩大到与之相关的许多方面，如：人工现实(Artificial Reality)、遥
4、在(Telepresence)、虚拟环境(Virtual Environment)、赛伯空间(Cyberspace)等等。4虚拟现实的技术特征n 交互性：指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度 n 沉浸感：又称为临场感，指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度；n 构想性：又称想像性，指用户沉浸在多为信息空间中、依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性、寻求解答，形成新概念。5虚拟现实的技术特征6虚拟现实发展历史美国是虚拟现实技术研究的发源地。第一个虚拟设备是在1962年由Morton Heiling设计的”全传感仿真器”该仿真器仿真骑车穿越纽约市
5、的过程。”骑车人”能感受到风，感受到路面的颠簸，当经过饭店时。”骑车人”甚至能闻到食品的香味。1984年，美国宇航局Ames研究中心开始了虚拟视觉环境显示项目的研究。后来还开发虚拟界面环境工作站Ames。研究中心的虚拟行星探测实验室的McGreevy和J HumDhfies博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器将发回的数据输入到计算机中为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。1986年美国宇航局的科学家们成功研制出了第一套基于HMD及数据手套的虚拟交互环境工作站VIEW。成为世界上第一个较为完善的多用途多感知的虚拟现实系统 到了20世纪90年代。迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的
6、计算机软件系统相匹配，使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。1992年大型虚拟现实系统CAVE的建立标志着虚拟现实技术与网络的结合变的越来越紧密。与此同时，新的网络编程语言的出现促使了新的虚拟现实建模语言的诞生。如X3D Java3D等。7虚拟现实发展历史在我国虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比还有很大的一段距离但是近十年来虚拟现实技术已经得到了相当的重视。国家科委国防科工委都已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用并取得了一些不错的研究成果如北京航空航天大学计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟环境清华大学国家
7、光盘工程研究中心所做的布达拉宫实现了大全景虚拟现实等。现在，虚拟现实系统已突破了过去航空航天、军事、娱乐等几个特定应用领域，打破了只有政府才能用得起的技术，渗入到了生活的各个方面，比如航空、航天、铁道、建筑、土木、科学计算可视化等各个领域。8虚拟现实技术发展趋势n桌面级虚拟现实发展，特别是在商业领域 n高性能沉浸式虚拟现实发展 9虚拟现实技术发展瓶颈n 虚拟现实设备的“贵族化”n 要构建一个高质量的虚拟现实系统，首先需要昂贵的外部设备。无论是高分辩率的头盔显示器HMD，还是立体投影显示器；无论是空间定位器，还是高精度的数据手套，都是价格不菲的。其次，在一些专用领域，为完成复杂场景的实时渲染，还
8、需要高性能的图形工作站以及相应的软件。但普通的信息系统用户可能会望而却步。10虚拟现实技术发展瓶颈n 繁琐的三维建模 n 基于图形的虚拟环境首先要解决的问题便是三维造型。当图形渲染技术在向实现真实感大踏步前进的时候，生成精确三维模型的过程还像二十几年前一样困难。在三维激光扫描技术上的进步提供了简化模型构造过程的一些承诺。然而，这些自动化模型获取方法也验证了真实世界的几何是极端复杂的。大部分的模型仍需要人工绘制，而且需要聘请高水平的专业人士，其费用是相当惊人的。比如在电影泰坦尼克号中，为实现场景三维建模及各种特技处理，所花的人工费用高达2500万美元，这笔钱足以制造一艘同样规模的真船。繁琐的三维
9、建模也是制约虚拟现实技术发展的严重障碍。11虚拟现实技术发展瓶颈n 数据量大 n 虚拟现实技术要想得到很大的发展，需要与Intenet结合，这已是不争的事实。目前虚拟现实技术应用的数据量仍然很大，在现有网络整体速度较慢的情况下，Intenet用户必须等待较长时间，这往往令人难以忍受。因此应该在虚拟现实系统中考虑数据压缩问题，这个问题可能现在还未引起人们的重视，但是随着应用的深入，这是一个不可回避的问题。12虚拟现实系统构成虚拟现实系统模型13虚拟现实系统构成虚拟现实系统构成14虚拟现实系统构成n 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。n 反馈模块:接受来自传感器模块的信
10、息，为用户提供实时反馈。n 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。n 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。n 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。n 建模模块运用知识库、模式识别、人工智能等技术建立模型，通过三维动画实现虚拟环境的视觉模拟，通过音响制作声音模拟，人的动作由传感器进行检测，然后通过控制模块对虚拟环境进行操纵。同时，通过反馈作用给人以动感、触觉、力觉等感受。15虚拟现实系统分类n 桌面式虚拟现实系统n 桌面式虚拟显示系统又称为非沉浸式虚拟显
11、示系统，这种系统通过计算机屏幕、投影屏幕作为用户观察虚拟环境的一个窗口，参与者仅使用一些简单外部设备来控制虚拟环境和操纵虚拟场景中的物体。在桌面虚拟现实系统中，用户可以通过事先设置的交互操作或者浏览器已附带的功能来实现虚拟环境的物体平移和旋转，以便从各个角度观看三维模型；也可以利用浏览器中的“walk”功能在虚拟环境中浏览。如汽车模拟器、飞机模拟器、电子会议等都属于桌面式虚拟现实系统。桌面式虚拟现实系统适宜推广应用，投资比较低，而且通过附加一些低成本的辅助设备，如立体观察器、液晶显示光闸眼镜等就能达到比较理想的模拟显示的效果。16虚拟现实系统分类n 沉浸式虚拟现实系统n 沉浸式虚拟现实系统又称
12、为配带型虚拟显示系统，是利用头盔显示器和数据手套等各种交互设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，使用户完全置于计算机生成的虚拟环境之中，并利用这些交互设备游弋于虚拟环境，产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。有的沉浸式虚拟显示系统能提供处决功能，使参与者产生人在其中的效果。沉浸式虚拟显示系统具有以下主要特点：高效的实时性能、高度的沉浸感、能支持多种I/O设备并行工作。相比桌面式虚拟现实系统，建立沉浸式虚拟现实系统投资成本太高，因而制约了沉浸式虚拟现实系统的推广应用。17虚拟现实系统分类n 叠加式虚拟现实系统n 叠加式虚拟现实系统又称为补充现实系统，是用户一边对现实世界进行观察，一边通
13、过穿透型头戴式显示器计算生成虚拟图像叠加的现实世界上，为操作员提供与他所看到的现实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强操作员对真实世界的感受。因此，叠加式虚拟现实系统不仅能模拟现实世界，而且能增强现实中无法感知或者不方便的感受。这种系统在我们的现实生活中有广泛的应用前景，如外科医生应用该系统进行外科手术，可以让医生用另外来源得到的3D虚拟图像与病人患病部位的实际图像进行对比，判断，增强手术的成功率。由于叠加式虚拟现实系统中的应用到的传感器技术的精确性方面的限制，这种技术在目前实际应用中还有一定的局限性。18虚拟现实系统分类n 分布式虚拟现实系统n 分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟环境，
14、是在沉浸式虚拟现实系统的基础上，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接，并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。分布式虚拟现实系统充分利用计算机系统的强大计算能力和网络功能，使在共同领域的特长专家学者，进行信息共享，达到处于不同地域的设计人员进行协同设计的目的。分布式虚拟现实系统的操作系统必须能在不同计算机上处理不相似的虚拟世界，因此必须用专门的操作系统分布式操作系统。目前，分布式虚拟现实系统主要应用于远程虚拟会议、虚拟医学会诊，虚拟战争模拟等领域。19虚拟现实关键技术n 实物虚化技术n 虚物实话技术n 高性能计算处理技术n 分布式虚拟实现技术20实物虚化技术n基
15、本模型构建技术 n空间跟踪技术 n声音跟踪技术n视觉跟踪与视点感应技术 21虚物实化技术n视觉感知 n听觉感知 n力觉和触觉感知 22高性能计算技术n 虚拟现实是以计算机技术为核心的现代高科技，高性能的计算处理技术是直接影响系统性能的关键所在。具有高计算速度，强处理能力，大存储容量和强联网特性等特征的高性能计算处理技术主要包括以下研究内容：n 1服务于实物虚化和虚物实化的数据转换和数据预处n 2实时、逼真图形图像生成与显示技术。n 3多种声音的合成与声音空间化技术。n 4多维信息、数据的融合、数据转换、数据压缩、数据标准化以及数据库的生成。n 5模式识别。如命令识别、语音识别、以及手势和人的面
16、部表情信息的检测、合成和识别。n 6高级计算模型的研究。如专家系统、自组织神经网、遗传算法等。n 7分布式与并行计算，以及高速、大规模的远程网络技术。23分布式虚拟实现n 分布式虚拟现实的研究目标是建立一个可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境，处于不同地理位置的用户如同进入到一个真实世界，不受物理时空的限制，通过姿势、声音或文字等“在一起”进行交流、学习、研讨、训练、娱乐，甚至协同完成同一件比较复杂的产品设计或进行同一艰难任务的演练。n 分布式虚拟现实的研究有两大阵营。一个是国际互联网上的分布式虚拟现实，如基于VRML标准的远程虚拟购物。另一个是在由军方投资的高速专用网，如采用ATM技术的美
17、国军方国防仿真互联网DSI。24典型应用n 医学。n 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，可用于指导手术的进行。n Pieper及Satara等研究者在上世纪90年代初，基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。借助于HMD及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可
18、在外地专家的指导下工作等。25典型应用n 娱乐、艺术与教育。n 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。由于在娱乐方面对虚拟现实的真实感要求不是太高，故近些年来虚拟现实技术在该方面发展最为迅猛。如Chicago(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；英国开发的称为“Virtuality”的虚拟现实游戏系统，配有HMD，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功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度虚拟现实产品奖。26典型应用n
19、 军事与航天工业。n 模拟训练一直是军事与航天工业中的个重要课题。这为虚拟现实技术提供了广阔的应用前景。美国国防部高级研究计划局DARPA自80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统，以提供坦克协同训练，该系统可联结200多台模拟器。利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的多快好省的研究战争、培训指挥员的方法。战争实验室在检验预定方案用于实战方面也能起巨大作用。n 1991年海湾战争开始前。美军便把海湾地区各种自然环境和伊拉克军队的各种数据输入计算机内，进行各种作战方案模拟后才定下初步作战方案。后来实际作战的发展和模拟实验结果相当一致。27典型应用n 商业。n 虚拟现实技术常被用
20、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加有吸引力。28典型应用n 科技开发。n 虚拟现实技术可缩短开发周期，减少费用。例如克莱斯勒公司1998年初便利用虚拟现实技术，在设计某两种新型车上取得突破，首次使设计的新车直接从计算机屏幕投入生产线，也就是说完全省略了中间的试生产。由于利用了卓越的虚拟现实技术，使克莱斯勒避免了1500项设计差错，节约了8个月的开发时间和8000万美元费用。利用虚拟现实技术还可以进行汽车冲撞试验，不必使用真的汽车便可显示出不同条件下的冲撞后果。在虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起，成为人类探索客观世界规律的三大手段。用它来设计新材料，可以预先了解改变成分对材料性能的影响。在材料还没有制造出来之前便知道用这种材料制造出来的零件在不同受力情况下是如何损坏的。29