1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),背景與意義,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促使人們?yōu)榱诉m應(yīng)未來信息社會的需要，必須提高人與信息社會的接口能力，提高人對信息的理解能力。而對信息處理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)識和理性認(rèn)識相結(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)從善于處理數(shù)字化的單維信息改變?yōu)樯朴谔幚砣怂芨惺艿降?、在思維過程中所接觸到的、除了數(shù)字化信息之外的其他各種表現(xiàn)形式的多維信息。增強(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)合起來的工作環(huán)境。,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)研究領(lǐng)域十分活躍，它匯集了計(jì)算

2、機(jī)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)和人的行為研究等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)是多媒體技術(shù)發(fā)展的更高境界，是這些技術(shù)高層次的繼承和滲透；它給用戶以逼真的體驗(yàn)，它為人們探索宏觀世界和微觀世界中由于種種原因不便于直接觀察事物的運(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)的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代最初的研究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

3、些技術(shù)逐步轉(zhuǎn)為民用。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠借助計(jì)算機(jī)構(gòu)建出一個(gè)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境十分逼真的虛擬環(huán)境。且支持用戶使用自然技能來親身感受，因而引起了人們及大的興趣。曾經(jīng)被稱為”夢幻般的技術(shù)”和”人機(jī)接口的最后一道障礙”。,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，人們通過這些設(shè)施以自然的技能。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饋。隨著人們動(dòng)作的變化。這些感官反饋也隨之改變。但是現(xiàn)在與虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的內(nèi)容已經(jīng)擴(kuò)大到與之相關(guān)的許多方面，如：人工現(xiàn)實(shí)(Artificial Reality)、遙在(Te

4、lepresence)、虛擬環(huán)境(Virtual Environment)、賽伯空間(Cyberspace)等等。,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)境中得到反饋的自然程度 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； 構(gòu)想性：又稱想像性，指用戶沉浸在多為信息空間中、依靠自己的感知和認(rèn)知能力全方位地獲取知識，發(fā)揮主觀能動(dòng)性、尋求解答，形成新概念。,虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)特征,虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展歷史,美國是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的發(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

5、車人”能感受到風(fēng)，感受到路面的顛簸，當(dāng)經(jīng)過飯店時(shí)?！彬T車人”甚至能聞到食品的香味。1984年，美國宇航局Ames研究中心開始了虛擬視覺環(huán)境顯示項(xiàng)目的研究。后來還開發(fā)虛擬界面環(huán)境工作站Ames。研究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)中為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。1986年美國宇航局的科學(xué)家們成功研制出了第一套基于HMD及數(shù)據(jù)手套的虛擬交互環(huán)境工作站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。迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)與不斷改進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件

6、系統(tǒng)相匹配，使基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)畫制作成為可能。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)合變的越來越緊密。與此同時(shí)，新的網(wǎng)絡(luò)編程語言的出現(xiàn)促使了新的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言的誕生。如X3D Java3D等。,虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展歷史,在我國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究和一些發(fā)達(dá)國家相比還有很大的一段距離但是近十年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)得到了相當(dāng)?shù)闹匾?。國家科委國防科工委都已將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)和高校也都在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的研究和應(yīng)用并取得了一些不錯(cuò)的研究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)研究室集成的分布式虛擬環(huán)境清華大學(xué)國家光盤工程

7、研究中心所做的布達(dá)拉宮實(shí)現(xiàn)了大全景虛擬現(xiàn)實(shí)等?，F(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已突破了過去航空航天、軍事、娛樂等幾個(gè)特定應(yīng)用領(lǐng)域，打破了只有政府才能用得起的技術(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。,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展趨勢,桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展，特別是在商業(yè)領(lǐng)域 高性能沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)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)，首先需要昂貴的外部設(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)格不菲的。其次，在一些專用領(lǐng)域，為完成復(fù)雜場景的實(shí)時(shí)渲染，還需要高性能的圖形

8、工作站以及相應(yīng)的軟件。但普通的信息系統(tǒng)用戶可能會望而卻步。,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展瓶頸,繁瑣的三維建模 基于圖形的虛擬環(huán)境首先要解決的問題便是三維造型。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，生成精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)上的進(jìn)步提供了簡化模型構(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。大部分的模型仍需要人工繪制，而且需要聘請高水平的專業(yè)人士，其費(fèi)用是相當(dāng)驚人的。比如在電影泰坦尼克號中，為實(shí)現(xiàn)場景三維建模及各種特技處理，所花的人工費(fèi)用高達(dá)2500萬美元，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)

9、發(fā)展的嚴(yán)重障礙。,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展瓶頸,數(shù)據(jù)量大 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)要想得到很大的發(fā)展，需要與Intenet結(jié)合，這已是不爭的事實(shí)。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量仍然很大，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)整體速度較慢的情況下，Intenet用戶必須等待較長時(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)中考慮數(shù)據(jù)壓縮問題，這個(gè)問題可能現(xiàn)在還未引起人們的重視，但是隨著應(yīng)用的深入，這是一個(gè)不可回避的問題。,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)模型,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成,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，并通過傳感器模塊作用于虛擬環(huán)境。 反饋模塊:接受來自傳感器模塊的信息，為用戶提供實(shí)時(shí)反饋。 傳感器模塊:

10、一方面接受來自用戶的操作命令，并將其作用于虛擬環(huán)境；另一方面將操作后產(chǎn)生的結(jié)果以各種反饋的形式提供給用戶。 控制模塊:對傳感器進(jìn)行控制，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)用知識庫、模式識別、人工智能等技術(shù)建立模型，通過三維動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的視覺模擬，通過音響制作聲音模擬，人的動(dòng)作由傳感器進(jìn)行檢測，然后通過控制模塊對虛擬環(huán)境進(jìn)行操縱。同時(shí)，通過反饋?zhàn)饔媒o人以動(dòng)感、觸覺、力覺等感受。,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)通過計(jì)算機(jī)屏幕、投影屏幕作為用戶觀察

11、虛擬環(huán)境的一個(gè)窗口，參與者僅使用一些簡單外部設(shè)備來控制虛擬環(huán)境和操縱虛擬場景中的物體。在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶可以通過事先設(shè)置的交互操作或者瀏覽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；也可以利用瀏覽器中的“walk”功能在虛擬環(huán)境中瀏覽。如汽車模擬器、飛機(jī)模擬器、電子會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)適宜推廣應(yīng)用，投資比較低，而且通過附加一些低成本的輔助設(shè)備，如立體觀察器、液晶顯示光閘眼鏡等就能達(dá)到比較理想的模擬顯示的效果。,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

12、設(shè)備把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，使用戶完全置于計(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感覺。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)備并行工作。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)投資成本太高，因而制約了沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。,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)行觀察，一邊通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

13、供與他所看到的現(xiàn)實(shí)環(huán)境有關(guān)的、存儲在計(jì)算機(jī)中的信息，從而增強(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，而且能增強(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)生活中有廣泛的應(yīng)用前景，如外科醫(yī)生應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行外科手術(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)際圖像進(jìn)行對比，判斷，增強(qiáng)手術(shù)的成功率。由于疊加式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用到的傳感器技術(shù)的精確性方面的限制，這種技術(shù)在目前實(shí)際應(yīng)用中還有一定的局限性。,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)的基礎(chǔ)上，將位于不同物理位置的多個(gè)用戶或多個(gè)虛擬

14、環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相連接，并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達(dá)到一個(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)算能力和網(wǎng)絡(luò)功能，使在共同領(lǐng)域的特長專家學(xué)者，進(jìn)行信息共享，達(dá)到處于不同地域的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行協(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)必須能在不同計(jì)算機(jī)上處理不相似的虛擬世界，因此必須用專門的操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)。目前，分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要應(yīng)用于遠(yuǎn)程虛擬會議、虛擬醫(yī)學(xué)會診，虛擬戰(zhàn)爭模擬等領(lǐng)域。,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)算處理技術(shù) 分布式虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù),實(shí)物虛化技術(shù),基本模型構(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),虛物實(shí)化技術(shù),

15、視覺感知 聽覺感知 力覺和觸覺感知,高性能計(jì)算技術(shù),虛擬現(xiàn)實(shí)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技，高性能的計(jì)算處理技術(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)處理能力，大存儲容量和強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)特性等特征的高性能計(jì)算處理技術(shù)主要包括以下研究內(nèi)容： 1服務(wù)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)的融合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化以及數(shù)據(jù)庫的生成。 5模式識別。如命令識別、語音識別、以及手勢和人的面部表情信息的檢測、合成和識別。 6高級計(jì)算模型的研究。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)

16、算，以及高速、大規(guī)模的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。,分布式虛擬實(shí)現(xiàn),分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的研究目標(biāo)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如同進(jìn)入到一個(gè)真實(shí)世界，不受物理時(shí)空的限制，通過姿勢、聲音或文字等“在一起”進(jìn)行交流、學(xué)習(xí)、研討、訓(xùn)練、娛樂，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)行同一艱難任務(wù)的演練。 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的研究有兩大陣營。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標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程虛擬購物。另一個(gè)是在由軍方投資的高速專用網(wǎng)，如采用ATM技術(shù)的美國軍方國防仿真互聯(lián)網(wǎng)DSI。,典型應(yīng)用,醫(yī)學(xué)。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)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

17、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)，可用于指導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行。 Pieper及Satara等研究者在上世紀(jì)90年代初，基于兩個(gè)SGI工作站建立了一個(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及感覺手套，使用者可以對虛擬的人體模型進(jìn)行手術(shù)。但該系統(tǒng)有待進(jìn)一步改進(jìn)，如需提高環(huán)境的真實(shí)感，增加網(wǎng)絡(luò)功能，使其能同時(shí)培訓(xùn)多個(gè)使用者，或可在外地專家的指導(dǎo)下工作等。,典型應(yīng)用,娛樂、藝術(shù)與教育。 豐富的感覺能力與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

18、于在娛樂方面對虛擬現(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)在該方面發(fā)展最為迅猛。如Chicago(芝加哥)開放了世界上第一臺大型可供多人使用的虛擬現(xiàn)實(shí)娛樂系統(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，大大增強(qiáng)了真實(shí)感；1992年的一臺稱為“Legeal Qust”的系統(tǒng)由于增加了人工智能功能，使計(jì)算機(jī)具備了自學(xué)習(xí)功能，大大增強(qiáng)了趣味性及難度，使該系統(tǒng)獲該年度虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品獎(jiǎng)。,典型應(yīng)用,軍事與航天工業(yè)。 模擬訓(xùn)練一直是軍事與航天工業(yè)中的個(gè)重要課題。這為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用前景。美國國防部高級研究計(jì)劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱為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)可聯(lián)結(jié)200多臺模擬器。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