虛擬現(xiàn)實(shí)及其應(yīng)用虛擬環(huán)境研究系統(tǒng)工程研究所張建民1VE(VirtualEnvironment)技術(shù)簡介科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得人們對信息的需求越來越多，人門對信息的接受和理解變得也愈重要，人門不再滿足通過數(shù)字、圖像的方式觀察信息的處理結(jié)果，而迫切需要通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、以及形體、手勢或口令，并直接參與到信息的處理環(huán)境中，獲得身臨其境的感覺。1VE(VirtualEnvironment)技術(shù)簡介虛擬環(huán)境是相對于實(shí)環(huán)境的，并有人的操作和參與而形成的一種虛構(gòu)的、視覺上的、聽覺上的、感覺上的存在，是一種物理意義上的人機(jī)交互和抽象組合，而這種存在是由計算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的。在實(shí)環(huán)境中，人們可以直接的感受到實(shí)際的物體和存在，并與其進(jìn)行交互和遠(yuǎn)程操作。而虛擬環(huán)境是一種利用顯示技術(shù)虛構(gòu)的環(huán)境，只是在感覺上能夠體驗(yàn)到的一種境界。1.1虛擬環(huán)境1.1虛擬環(huán)境虛擬環(huán)境實(shí)質(zhì)上不在是建立在一維的數(shù)字化信息空間，而是建立在一個多維信息空間的集成化環(huán)境，而虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualRealityVR)技術(shù)是支撐這種集成環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)，是一種新的人—機(jī)界面形式，它為用戶（參與者）提供了一種臨境(immersive)和多感覺通道（multi-sensory）的體驗(yàn)，試圖尋求一種最佳的人-機(jī)通訊方式。虛擬現(xiàn)實(shí)也被稱為人工環(huán)境(artificalenvironments)、電腦空間(cyberspace)、人工合成環(huán)境(syntheticenvironments)、虛擬環(huán)境(VirtualEnvironment)。1.1虛擬環(huán)境虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)近年來在技術(shù)研究領(lǐng)域十分活躍，它包容了計算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、并行實(shí)時計算技術(shù)和人的行為學(xué)等關(guān)鍵技術(shù)，是多媒體技術(shù)的一種發(fā)展境界。與傳統(tǒng)計算機(jī)相比，VR系統(tǒng)有著三個重要的特點(diǎn)：臨境(immersion)；交互性(interactivity)；想象(imagination)。這三者都與人密切相關(guān)。我們可以簡單地說，VR是計算機(jī)圖形學(xué)和人-機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)物。但從更廣泛的意義上講，VR是人與技術(shù)系統(tǒng)完美的結(jié)合，人在整個系統(tǒng)占有重要的地位。1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念虛擬現(xiàn)實(shí)的景物可以是真實(shí)物體的模型，如還沒有施工的房屋、正在設(shè)計中的工廠或產(chǎn)品的工程模型；可以是現(xiàn)實(shí)中看不到的抽象模型，如化學(xué)分子結(jié)構(gòu)、飛機(jī)機(jī)翼的超音速氣流模型；甚至可以是利率、股票等金融信息的三維模型表示。無論怎樣，它們都利用了現(xiàn)實(shí)世界中存在的數(shù)據(jù)，將計算機(jī)產(chǎn)生的電子信號，通過多種輸出設(shè)備轉(zhuǎn)換成能夠被人類感覺器官所感知的各種物理現(xiàn)象，如光波、聲波、力等，使人感受到虛擬境界的存在。這種現(xiàn)實(shí)是計算機(jī)生成的，又是現(xiàn)實(shí)世界的反映，是真實(shí)現(xiàn)實(shí)的一種表現(xiàn)形式，因此，稱之為虛擬現(xiàn)實(shí)。3D物體表示1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不同領(lǐng)域應(yīng)用時所要實(shí)現(xiàn)的功能各不相同，所以很難給出嚴(yán)格的定義，但是，任何VR系統(tǒng)都具有以下幾個特點(diǎn)。1、參與者可“沉浸”在虛擬環(huán)境中VR的“沉浸”（immersion）特性是指暫時把參與者與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相隔離，使其全身心置于計算機(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境之中，感到虛擬環(huán)境的存在，這樣，可以使參與者更自然、更直接地與虛擬環(huán)境中的各種對象進(jìn)行交互。1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)的概念念2、參與者者在虛擬環(huán)環(huán)境中具有有主動性參與者在虛虛擬環(huán)境中中不是被動動地依據(jù)固固定的程式式去觀看虛虛擬環(huán)境里里的各種物物體，而是是可以根據(jù)據(jù)自己的意意愿主動地地去觀察、、改變或影影響場景中中的對象。。例如，當(dāng)當(dāng)參與者在在一個VR系統(tǒng)中隨隨意轉(zhuǎn)動頭頭部或移動動其中的物物體時，他他所看到的的景物應(yīng)該該隨之逼真真地變化，，還應(yīng)該具具有聲音和和觸覺等形形式的反饋饋。1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)的概念念3、具有方方便自然的的交互手段段交互性（interaction）是是對VR系系統(tǒng)最基本本的要求之之一。它是是指參與者者虛擬環(huán)境境中所遇到到的各種對對象的相互互作用能力力。人可以以抓取、釋釋放或搬移移虛擬世界界中的物體體，甚至與與某些擬人人化物體交交談。4、、系系統(tǒng)統(tǒng)要要具具有有實(shí)實(shí)是是性性系統(tǒng)統(tǒng)要要實(shí)實(shí)時時地地跟跟蹤蹤參參與與者者的的觀觀察察方方、、手手部部和和身身體體的的運(yùn)運(yùn)動動情情況況，，實(shí)實(shí)時時產(chǎn)產(chǎn)生生相相應(yīng)應(yīng)的的畫畫面面、、聲聲音音等等反反饋饋，，從從而而達(dá)達(dá)到到身身臨臨其其境境的的切切身身感感受受。。1.3虛擬擬系系統(tǒng)統(tǒng)組組成成虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)系系統(tǒng)統(tǒng)可可分分為為三三大大類類：：桌面面虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)系系統(tǒng)統(tǒng)（（DesktopVR））、、臨臨境境虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)系系統(tǒng)統(tǒng)(ImmersiveVR)和和分分布布式式虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)系系統(tǒng)統(tǒng)(DistributedVR)。。1)桌桌面面VR也也稱稱為為窗窗口口中中的的VR。。這這類類系系統(tǒng)統(tǒng)由由于于采采用用標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的的CRT顯顯示示器器和和立立體體(Stereoscopic)顯顯示示技技術(shù)術(shù)，，其其分分辨辨率率較較高高，，價價格格較較便便宜宜。。在在使使用用時時，，桌桌面面VR系系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)設(shè)定定一一個個虛虛擬擬觀觀察察者者的的位位置置。。桌桌面面VR系系統(tǒng)統(tǒng)通通常常用用于于工工程程CAD、、建建筑筑設(shè)設(shè)計計以以及及某某些些醫(yī)醫(yī)療療應(yīng)應(yīng)用用。1.3虛擬擬系系統(tǒng)統(tǒng)組組成成2））臨臨境境VR系系統(tǒng)統(tǒng)利利用用頭頭盔盔顯顯示示器器把把用用戶戶的的視視覺覺、、聽聽覺覺和和其其他他感感覺覺封封閉閉起起來來，，產(chǎn)產(chǎn)生生一一種種身身在在虛虛擬擬環(huán)環(huán)境境中中的的錯錯覺覺。。3））分分布布式式VR則則是是在在臨臨境境VR系系統(tǒng)統(tǒng)的的基基礎(chǔ)礎(chǔ)上上將將不不同同的的用用戶戶（（參參與與者者））聯(lián)聯(lián)結(jié)結(jié)在在一一起起，，共共享享同同一一個個虛虛擬擬空空間間，，使使用用戶戶達(dá)達(dá)到到一一個個更更高高的的境境界界。。分分布布式式VR的的基基礎(chǔ)礎(chǔ)是是分分布布交交互互模模擬擬(DistributedInteractionSimulation)。。1.4虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)的的關(guān)關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)技技術(shù)術(shù)是是一一項(xiàng)項(xiàng)綜綜合合技技術(shù)術(shù)，，它它以以計計算算機(jī)機(jī)技技術(shù)術(shù)為為核核心心，，以以顯顯示示技技術(shù)術(shù)為為基基礎(chǔ)礎(chǔ)，，把把計計算算機(jī)機(jī)圖圖形形圖圖象象處處理理、、人人機(jī)機(jī)接接口口、、顯顯示示技技術(shù)術(shù)、、傳傳感感技技術(shù)術(shù)、、控控制制技技術(shù)術(shù)、、通通信信技技術(shù)術(shù)等等一一系系列列高高科科技技領(lǐng)領(lǐng)域域的的最最新新成成果果匯匯集集于于虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)的的實(shí)實(shí)踐踐中中，，成成為為一一門門很很有有前前途途的的應(yīng)應(yīng)用用科科學(xué)學(xué)。。在VR系系統(tǒng)統(tǒng)中中起起到到關(guān)關(guān)鍵鍵性性作作用用的的技技術(shù)術(shù)主主要要有：：1.4虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)的的關(guān)關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)1、、三三維維真真實(shí)實(shí)感感圖圖象象的的實(shí)實(shí)時時生生成成對于于三三維維真真實(shí)實(shí)感感造造型型，，大大家家一一定定不不會會陌陌生生。。只只要要有有足足夠夠的的時時間間，，計計算算機(jī)機(jī)圖圖形形學(xué)學(xué)方方法法就就可可以以產(chǎn)產(chǎn)生生具具有有高高度度真真實(shí)實(shí)感感的的物物體體圖圖象象。。但但是是，，VR的的實(shí)實(shí)是是特特性性所所限限定定的的正正是是時時間間。。VR系系統(tǒng)統(tǒng)要要對對參參與與者者的的行行為為反反應(yīng)應(yīng)靈靈敏敏，，并并保保持持內(nèi)內(nèi)部部的的一一致致性性和和連連貫貫性性，，因因此此，，計計算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)必必須須具具備備強(qiáng)強(qiáng)大大的的運(yùn)運(yùn)算算功功能能，，才才能能在在進(jìn)進(jìn)行行三三維維圖圖形形消消隱隱、、濃濃淡淡、、陰陰影影、、纊纊理理處處理理的的同同時時，，保保證證顯顯示示圖圖象象的的““更更新新率率””能能滿滿足足目目標(biāo)標(biāo)的的要要求求，，否否則則就就會會出出現(xiàn)現(xiàn)嚴(yán)嚴(yán)重重的的““滯滯后后””（（latency））問問題題。。所所謂謂““滯滯后后””即即動動作作開開始始與與反反映映這這一一動動作作的的畫畫面面在在顯顯示示器器上上出出現(xiàn)現(xiàn)之之間間的的時時間間間間隔隔。。1.4虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)的的關(guān)關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)2、、大大視視野野立立體體顯顯示示技技術(shù)術(shù)僅僅僅有有一一系系列列三三維維畫畫面面是是不不夠夠的的。。VR試試圖圖給給人人身身臨臨其其境境的的感感覺覺，，要要求求這這些些畫畫面面圍圍繞繞著著參參與與者者，，這這樣樣的的效效果果是是通通過過配配戴戴頭頭盔盔實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的的。。通通常常桌桌面面顯顯示示器器給給人人的的畫畫面面視視角角僅僅為為30度度，，而而一一個個好好的的VR系系統(tǒng)統(tǒng)的的畫畫面面將將包包容容參參與與者者的的整整個個視視野野，，這這可可能能需需要要水水平平線線40度度角角，，垂垂直直120度度角角。。當(dāng)當(dāng)前前大大多多數(shù)數(shù)頭頭盔盔顯顯示示器器的的圖圖象象顯顯示示裝裝置置使使用用的的液液晶晶顯顯示示器器（（LCD）），，這這種種顯顯示示器器的的有有效效分分辯辯率率一一般般僅僅為為140線線。。要要將將如如此此低低分分辯辯率率的的顯顯示示屏屏通通過過光光學(xué)學(xué)透透鏡鏡子子裝裝置置橫橫向向擴(kuò)擴(kuò)展展到到一一個個較較大大的的視視野野內(nèi)內(nèi)，，其其顯顯示示效效果果是是可可想想而而知知的的。。1.4虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)的的關(guān)關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)3、、位位置置跟跟蹤蹤器器位置置跟跟蹤蹤器器可可以以檢檢測測到到參參與與者者的的物物理理位位置置和和取取向向，，以以便便輸輸入入到到計計算算機(jī)機(jī)中中去去產(chǎn)產(chǎn)生生虛虛擬擬境境界界中中相相應(yīng)應(yīng)的的圖圖象象和和聲聲音音。。這一一般般是是使使用用簡簡單單的的電電磁磁裝裝置置來來實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的的。。幾幾個個很很小小的的發(fā)發(fā)射射器器固固定定在在用用戶戶的的身身上上，，例例如如，，頭頭盔盔中中放放一一個個，，每每只只手手上上放放一一個個，，通通過過固固定定在在VR系系統(tǒng)統(tǒng)上上的的接接收收裝裝置置，，可可以以跟跟蹤蹤參參與與者者的的位位置置和和方方向向。。還還可可以以使使用用若若干干臺臺數(shù)數(shù)字字化化攝攝像像機(jī)機(jī)，，通通過過圖圖象象處處理理的的方方法法專專門門用用來來監(jiān)監(jiān)測測參參與與者者頭頭部部、、手手部部的的位位置置和和方方向向。。1.4虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)的的關(guān)關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)4、、立立體體聲聲的的產(chǎn)產(chǎn)生生聲音音效效果果是是一一個個富富有有感感染染力力的的現(xiàn)現(xiàn)場場感感因因素素。。在在虛虛擬擬環(huán)環(huán)境境中中草草藥藥對對象象上上附附加加由由人人或或計計算算機(jī)機(jī)生生成成的的音音響響，，至至少少可可用用于于給給VR的的參參與與者者提提供供一一些些起起輔輔助助作作用用的的反反饋饋信信息息。。與與圖圖象象信信息息一一樣樣，，聲聲音音也也必必須須是是真真實(shí)實(shí)而而且且準(zhǔn)準(zhǔn)確確的的。。這這要要考考慮慮聲聲音音的的立立體體化化、、雜雜音音、、回回音音及及由由于于聲聲源源運(yùn)運(yùn)動動或或參參與與者者運(yùn)運(yùn)動動所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的““多多普普勒勒””效效應(yīng)應(yīng)等等，，特特別別要要注注意意的的是是聲聲音音方方向向感感。。聲聲源源的的位位置置是是不不隨隨參參與與者者頭頭部部的的運(yùn)運(yùn)動動而而變變化化的的。。1.4虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)的的關(guān)關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)5、、虛虛擬擬世世界界建建模模這部部分分的的主主要要任任務(wù)務(wù)是是設(shè)設(shè)計計出出參參與與者者在在一一種種虛虛擬擬境境界界中中會會遇遇到到的的景景物物。。計計算算機(jī)機(jī)輔輔助助設(shè)設(shè)計計（（CAD））程程序序包包可可用用來來對對