1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)1背景與意義科學(xué)技術(shù)的開展促使人們?yōu)榱隧槕?yīng)未來信息社會(huì)的需求，必需提高人與信息社會(huì)的接口才干，提高人對信息的了解才干。而對信息處置的方法要求建立一個(gè)多維化的信息空間，建立一個(gè)定性和定量相結(jié)合，感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)相結(jié)合的綜合環(huán)境，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將是支撐這個(gè)多維信息空間的關(guān)鍵技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)歸根結(jié)底就是要把計(jì)算機(jī)從擅優(yōu)點(diǎn)理數(shù)字化的單維信息改動(dòng)為擅優(yōu)點(diǎn)理人所能感遭到的、在思想過程中所接觸到的、除了數(shù)字化信息之外的其他各種表現(xiàn)方式的多維信息。加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)成果，并給用戶一個(gè)將現(xiàn)實(shí)世界和計(jì)算機(jī)中的虛擬模型結(jié)合起來的任務(wù)環(huán)境。 2虛擬現(xiàn)實(shí)的概念虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)近年來在技術(shù)研討領(lǐng)域非?；顫?，它聚集了計(jì)算機(jī)

2、圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、高度并行的實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)和人的行為研討等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)是多媒體技術(shù)開展的更高境界，是這些技術(shù)高層次的承繼和浸透；它給用戶以逼真的體驗(yàn)，它為人們探求宏觀世界和微觀世界中由于種種緣由不便于直接察看事物的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，提供了極大的便利。虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡稱VR)，又譯為臨境，靈境等，這個(gè)詞最早始創(chuàng)于2O世紀(jì)80年代是1989年由美國的Jarn Lanier正式提出的。然而，關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)的研討可以追溯到20世紀(jì)60年代最初的研討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(fèi)的削減。這些技

3、術(shù)逐漸轉(zhuǎn)為民用。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以借助計(jì)算機(jī)構(gòu)建出一個(gè)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境非常逼真的虛擬環(huán)境。且支持用戶運(yùn)用自然技藝來親身感受，因此引起了人們及大的興趣。曾經(jīng)被稱為夢境般的技術(shù)和人機(jī)接口的最后一道妨礙。 3虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通常指用頭盔顯示器和傳感手套等一系列新型交互設(shè)備構(gòu)造出的一種計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境，人們經(jīng)過這些設(shè)備以自然的技藝。比如頭的搖動(dòng)、手的擺動(dòng)，向計(jì)算機(jī)送入命令，同時(shí)得到計(jì)算機(jī)對用戶的視覺、聽覺等多種感官的反響。隨著人們動(dòng)作的變化。這些感官反響也隨之改動(dòng)。但是如今與虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的內(nèi)容曾經(jīng)擴(kuò)展到與之相關(guān)的許多方面，如：人工現(xiàn)實(shí)(Artificial Reality)、遙在(Telepres

4、ence)、虛擬環(huán)境(Virtual Environment)、賽伯空間(Cyberspace)等等。 4虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)特征交互性 ：指參與者對虛擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境中得到反響的自然程度 沉浸感：又稱為臨場感，指用戶感到作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度； 想象性：又稱想像性，指用戶沉浸在多為信息空間中、依托本人的感知和認(rèn)知才干全方位地獲取知識(shí)，發(fā)揚(yáng)客觀能動(dòng)性、尋求解答，構(gòu)成新概念。 5虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)特征6虛擬現(xiàn)實(shí)開展歷史美國是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研討的發(fā)源地。第一個(gè)虛擬設(shè)備是在1962年由Morton Heiling設(shè)計(jì)的全傳感仿真器該仿真器仿真騎車穿越紐約市的過程。騎車人能感遭到風(fēng)，感

5、遭到路面的顛簸，當(dāng)經(jīng)過飯店時(shí)。騎車人甚至能聞到食品的香味。1984年，美國宇航局Ames研討中心開場了虛擬視覺環(huán)境顯示工程的研討。后來還開發(fā)虛擬界面環(huán)境任務(wù)站Ames。研討中心的虛擬行星探測實(shí)驗(yàn)室的McGreevy和J HumDhfies博士組織開發(fā)了用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器將發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中為地面研討人員構(gòu)造了火星外表的三維虛擬環(huán)境。1986年美國宇航局的科學(xué)家們勝利研制出了第一套基于HMD及數(shù)據(jù)手套的虛擬交互環(huán)境任務(wù)站VIEW 。成為世界上第一個(gè)較為完善的多用途多感知的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 到了20世紀(jì)90年代。迅速開展的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)與不斷改良的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)相匹配，使基于大型數(shù)

6、據(jù)集合的聲音和圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)畫制形成為能夠。1992年大型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)CAVE的建立標(biāo)志著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合變的越來越嚴(yán)密。與此同時(shí)，新的網(wǎng)絡(luò)編程言語的出現(xiàn)促使了新的虛擬現(xiàn)實(shí)建模言語的誕生。如X3D Java3D等。7虛擬現(xiàn)實(shí)開展歷史在我國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研討和一些興隆國家相比還有很大的一段間隔但是近十年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)曾經(jīng)得到了相當(dāng)?shù)淖⒅亍铱莆瘒揽乒の家褜⑻摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研討列為重點(diǎn)攻關(guān)工程國內(nèi)許多研討機(jī)構(gòu)和高校也都在進(jìn)展虛擬現(xiàn)實(shí)的研討和運(yùn)用并獲得了一些不錯(cuò)的研討成果如北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化新技術(shù)研討室集成的分布式虛擬環(huán)境清華大學(xué)國家光盤工程研討中心所做的布達(dá)拉宮實(shí)現(xiàn)

7、了大全景虛擬現(xiàn)實(shí)等。如今，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已突破了過去航空航天、軍事、文娛等幾個(gè)特定運(yùn)用領(lǐng)域，突破了只需政府才干用得起的技術(shù)，滲入到了生活的各個(gè)方面，比如航空、航天、鐵道、建筑、土木、科學(xué)計(jì)算可視化等各個(gè)領(lǐng)域。 8虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展趨勢桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)開展，特別是在商業(yè)領(lǐng)域 高性能沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)開展 9虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展瓶頸虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的“貴族化 要構(gòu)建一個(gè)高質(zhì)量的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，首先需求昂貴的外部設(shè)備。無論是高分辯率的頭盔顯示器HMD，還是立體投影顯示器；無論是空間定位器，還是高精度的數(shù)據(jù)手套，都是價(jià)錢不菲的。其次，在一些公用領(lǐng)域，為完成復(fù)雜場景的實(shí)時(shí)渲染，還需求高性能的圖形任務(wù)站以及相應(yīng)的軟件。但普通

8、的信息系統(tǒng)用戶能夠會(huì)望而卻步。 10虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展瓶頸繁瑣的三維建模 基于圖形的虛擬環(huán)境首先要處理的問題便是三維外型。當(dāng)圖形渲染技術(shù)在向?qū)崿F(xiàn)真實(shí)感大踏步前進(jìn)的時(shí)候，生成準(zhǔn)確三維模型的過程還像二十幾年前一樣困難。在三維激光掃描技術(shù)上的提高提供了簡化模型構(gòu)造過程的一些承諾。然而，這些自動(dòng)化模型獲取方法也驗(yàn)證了真實(shí)世界的幾何是極端復(fù)雜的。大部分的模型仍需求人工繪制，而且需求聘請高程度的專業(yè)人士，其費(fèi)用是相當(dāng)驚人的。比如在電影中，為實(shí)現(xiàn)場景三維建模及各種特技處置，所花的人工費(fèi)用高達(dá)2500萬美圓，這筆錢足以制造一艘同樣規(guī)模的真船。繁瑣的三維建模也是制約虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展的嚴(yán)重妨礙。 11虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開

9、展瓶頸數(shù)據(jù)量大 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)要想得到很大的開展，需求與Intenet結(jié)合，這已是不爭的現(xiàn)實(shí)。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用的數(shù)據(jù)量依然很大，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)整體速度較慢的情況下，Intenet用戶必需等待較長時(shí)間，這往往令人難以忍受。因此應(yīng)該在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中思索數(shù)據(jù)緊縮問題，這個(gè)問題能夠如今還未引起人們的注重，但是隨著運(yùn)用的深化，這是一個(gè)不可逃避的問題。 12虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)模型13虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成14虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成檢測模塊:檢測用戶的操作命令，并經(jīng)過傳感器模塊作用于虛擬環(huán)境。反響模塊:接受來自傳感器模塊的信息，為用戶提供實(shí)時(shí)反響。傳感器模塊:一方面接受來自用戶的操作命令，并將其

10、作用于虛擬環(huán)境；另一方面將操作后產(chǎn)生的結(jié)果以各種反響的方式提供應(yīng)用戶?？刂颇K:對傳感器進(jìn)展控制，使其對用戶、虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生作用。建模模塊:獲取現(xiàn)實(shí)世界組成部分的三維表示，并由此構(gòu)成對應(yīng)的虛擬環(huán)境。建模模塊運(yùn)用知識(shí)庫、方式識(shí)別、人工智能等技術(shù)建立模型，經(jīng)過三維動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的視覺模擬，經(jīng)過音響制造聲音模擬，人的動(dòng)作由傳感器進(jìn)展檢測，然后經(jīng)過控制模塊對虛擬環(huán)境進(jìn)展支配。同時(shí)，經(jīng)過反響作用給人以動(dòng)感、觸覺、力覺等感受。 15虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)桌面式虛擬顯示系統(tǒng)又稱為非沉浸式虛擬顯示系統(tǒng)，這種系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算機(jī)屏幕、投影屏幕作為用戶察看虛擬環(huán)境的一個(gè)窗口，參與者僅運(yùn)用一些簡單外

11、部設(shè)備來控制虛擬環(huán)境和支配虛擬場景中的物體。在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶可以經(jīng)過事先設(shè)置的交互操作或者閱讀器已附帶的功能來實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的物體平移和旋轉(zhuǎn)，以便從各個(gè)角度觀看三維模型；也可以利用閱讀器中的“walk功能在虛擬環(huán)境中閱讀。如汽車模擬器、飛機(jī)模擬器、電子會(huì)議等都屬于桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)適宜推行運(yùn)用，投資比較低，而且經(jīng)過附加一些低本錢的輔助設(shè)備，如立體察看器、液晶顯示光閘眼鏡等就能到達(dá)比較理想的模擬顯示的效果。 16虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)又稱為配帶型虛擬顯示系統(tǒng)，是利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等各種交互設(shè)備把用戶的視覺、聽覺和其他覺得封鎖起來，運(yùn)

12、用戶完全置于計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境之中，并利用這些交互設(shè)備游弋于虛擬環(huán)境，產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的覺得。有的沉浸式虛擬顯示系統(tǒng)能提供處決功能，使參與者產(chǎn)生人在其中的效果。沉浸式虛擬顯示系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：高效的實(shí)時(shí)性能、高度的沉浸感、能支持多種I/O設(shè)備并行任務(wù)。相比桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，建立沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)投資本錢太高，因此制約了沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的推行運(yùn)用。 17虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類疊加式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)疊加式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)又稱為補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，是用戶一邊對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)展察看，一邊經(jīng)過穿透型頭戴式顯示器計(jì)算生成虛擬圖像疊加的現(xiàn)實(shí)世界上，為操作員提供與他所看到的現(xiàn)實(shí)環(huán)境有關(guān)的、存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中

13、的信息，從而加強(qiáng)操作員對真實(shí)世界的感受。因此，疊加式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不僅能模擬現(xiàn)實(shí)世界，而且能加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中無法感知或者不方便的感受。這種系統(tǒng)在我們的現(xiàn)實(shí)生活中有廣泛的運(yùn)用前景，如外科醫(yī)生運(yùn)用該系統(tǒng)進(jìn)展外科手術(shù)，可以讓醫(yī)生用另外來源得到的3D虛擬圖像與病人患病部位的實(shí)踐圖像進(jìn)展對比，判別，加強(qiáng)手術(shù)的勝利率。由于疊加式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的運(yùn)用到的傳感器技術(shù)的準(zhǔn)確性方面的限制，這種技術(shù)在目前實(shí)踐運(yùn)用中還有一定的局限性。 18虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境，是在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的根底上，將位于不同物理位置的多個(gè)用戶或多個(gè)虛擬環(huán)境經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)相銜接，并共享信息，從而運(yùn)用戶的

14、協(xié)同任務(wù)到達(dá)一個(gè)更高的境界。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)充分利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大計(jì)算才干和網(wǎng)絡(luò)功能，使在共同領(lǐng)域的專長專家學(xué)者，進(jìn)展信息共享，到達(dá)處于不同地域的設(shè)計(jì)人員進(jìn)展協(xié)同設(shè)計(jì)的目的。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)必需能在不同計(jì)算機(jī)上處置不類似的虛擬世界，因此必需用專門的操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)。目前，分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要運(yùn)用于遠(yuǎn)程虛擬會(huì)議、虛擬醫(yī)學(xué)會(huì)診，虛擬戰(zhàn)爭模擬等領(lǐng)域。 19虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)物虛化技術(shù)虛物實(shí)話技術(shù)高性能計(jì)算處置技術(shù)分布式虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)20實(shí)物虛化技術(shù)根本模型構(gòu)建技術(shù) 空間跟蹤技術(shù) 聲音跟蹤技術(shù)視覺跟蹤與視點(diǎn)感應(yīng)技術(shù) 21虛物實(shí)化技術(shù)視覺感知 聽覺感知 力覺和觸覺感知 22高性能計(jì)

15、算技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為中心的現(xiàn)代高科技，高性能的計(jì)算處置技術(shù)是直接影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。具有高計(jì)算速度，強(qiáng)處置才干，大存儲(chǔ)容量和強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)特性等特征的高性能計(jì)算處置技術(shù)主要包括以下研討內(nèi)容：1效力于實(shí)物虛化和虛物實(shí)化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處2實(shí)時(shí)、逼真圖形圖像生成與顯示技術(shù)。3多種聲音的合成與聲音空間化技術(shù)。4多維信息、數(shù)據(jù)的交融、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緊縮、數(shù)據(jù)規(guī)范化以及數(shù)據(jù)庫的生成。5方式識(shí)別。如命令識(shí)別、語音識(shí)別、以及手勢和人的面部表情信息的檢測、合成和識(shí)別。6高級計(jì)算模型的研討。如專家系統(tǒng)、自組織神經(jīng)網(wǎng)、遺傳算法等。7分布式與并行計(jì)算，以及高速、大規(guī)模的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 23分布式虛擬實(shí)現(xiàn)分布

16、式虛擬現(xiàn)實(shí)的研討目的是建立一個(gè)可供多用戶同時(shí)異地參與的分布式虛擬環(huán)境，處于不同地理位置的用戶好像進(jìn)入到一個(gè)真實(shí)世界，不受物理時(shí)空的限制，經(jīng)過姿態(tài)、聲音或文字等“在一同進(jìn)展交流、學(xué)習(xí)、研討、訓(xùn)練、文娛，甚至協(xié)同完成同一件比較復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)或進(jìn)展同一困難義務(wù)的演練。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的研討有兩大陣營。一個(gè)是國際互聯(lián)網(wǎng)上的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)，如基于VRML規(guī)范的遠(yuǎn)程虛擬購物。另一個(gè)是在由軍方投資的高速公用網(wǎng)，如采用ATM技術(shù)的美國軍方國防仿真互聯(lián)網(wǎng)DSI。 24典型運(yùn)用醫(yī)學(xué)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用大致上有兩類。一是虛擬人體，也就是數(shù)字化人體，這樣的人體模型醫(yī)生更容易了解人體的構(gòu)造和功能。另一是虛擬手術(shù)系統(tǒng)，可用于

17、指點(diǎn)手術(shù)的進(jìn)展。Pieper及Satara等研討者在上世紀(jì)90年代初，基于兩個(gè)SGI任務(wù)站建立了一個(gè)虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器，用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個(gè)虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺(tái)與手術(shù)燈，虛擬的外科工具如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等，虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及覺得手套，運(yùn)用者可以對虛擬的人體模型進(jìn)展手術(shù)。但該系統(tǒng)有待進(jìn)一步改良，如需提高環(huán)境的真實(shí)感，添加網(wǎng)絡(luò)功能，使其能同時(shí)培訓(xùn)多個(gè)運(yùn)用者，或可在外地專家的指點(diǎn)下任務(wù)等。 25典型運(yùn)用文娛、藝術(shù)與教育。豐富的覺得才干與3D顯示環(huán)境使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為理想的視頻游戲工具。由于在文娛方面對虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感要求不是太高，故近些年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在

18、該方面開展最為迅猛。如Chicago(芝加哥)開放了世界上第一臺(tái)大型可供多人運(yùn)用的虛擬現(xiàn)實(shí)文娛系統(tǒng)，其主題是關(guān)于3025年的一場未來戰(zhàn)爭；英國開發(fā)的稱為“Virtuality的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲系統(tǒng)，配有HMD，大大加強(qiáng)了真實(shí)感；1992年的一臺(tái)稱為“Legeal Qust的系統(tǒng)由于添加了人工智能功能，使計(jì)算機(jī)具備了自學(xué)習(xí)功能，大大加強(qiáng)了興趣性及難度，使該系統(tǒng)獲該年度虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品獎(jiǎng)。 26典型運(yùn)用軍事與航天工業(yè)。模擬訓(xùn)練不斷是軍事與航天工業(yè)中的個(gè)重要課題。這為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了寬廣的運(yùn)用前景。美國國防部高級研討方案局DARPA自80年代起不斷努力于研討稱為SIMNET的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)，以提供坦克協(xié)同訓(xùn)練，該系統(tǒng)可結(jié)合200多臺(tái)模擬器。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬戰(zhàn)爭過程已成為最先進(jìn)的多快好省的研討