虛擬現實探究

摘要:虛擬現實技術是由計算機產生，通過視、聽、觸覺等作用，使用戶產生身臨其境感覺的交互式視景仿真，具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特征。文章介紹虛擬現實技術的原理、關鍵技術及分類，闡述了虛擬現實系統的前景。

關鍵詞:虛擬現實技術;關鍵技術;前景

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)24-6815-03

The Study of the Virtual Reality

HU Feng-hua， GUO Dan-feng， LIU Bin

(Collage of Computer and Information Technology， Henan Normal University， Xinxiang 453007， China)

Abstract: Virtual reality is a result of computer development，it may create some scenery that includes senses of sight，hearing and touch.Its characteristics are multi-sensation， existent sense，interaction an d independence.

Key words: virtual reality; key technology; prosperity

虛擬現實是近年來十分活躍的技術研究領域，是一系列高新技術的匯集，這些技術包括計算機圖形學、多媒體技術、人工智能、人機接口技術、傳感器技術以及高度并行的實時計算技術，還包括人的行為學研究等多項關鍵技術。虛擬現實是多媒體技術發展的更高境界，是這些技術的更高層次的集成和滲透。它能給用戶以更逼真的體驗，為人們探索宏觀世界和微觀世界以及那些由于種種原因不便于直接觀察事物的運動變化規律提供了極大的便利。由于它前景誘人，一經問世就立即受到了人們的高度重視。有專家認為，80年代是個人計算機的年代，90年代是多媒體計算機的年代，21世紀初將是虛擬現實技術的時代。

1 虛擬現實技術的概念

虛擬現實技術(Virtual Reality )，又稱靈境技術，是90年代為科學界和工程界所關注的技術。這種技術的特點在于，計算機產生一種人為虛擬的環境，這種虛擬的環境是通過計算機圖形構成的三度空間，或是把其它現實環境編制到計算機中去產生逼真的“虛擬環境”，從而使得用戶在視覺上產生一種沉浸于虛擬環境的感覺。狹義的說它是一種人機交互方式，以最終消除人、機之間的隔閡，達到人機交融為目的。

2 虛擬現實的發展歷程

虛擬現實的發展從 1962年，Morton Heilig發明了實感全景仿真機開始。l965年，27歲的美國高級研究規劃署 (ARPA)信息處理技術處主任伊凡·蘇澤蘭 ( IvanSuthefland )在其論文《終極顯示》“The Ultimate Display”中首次提出包括具有力反饋設備、交互圖形顯示以及聲音提示的虛擬現實系統的基本思想，提出使計算機顯示屏成為觀察客觀世界窗口的設想，伊凡·蘇澤蘭研制了頭盔式圖形顯示器。這是目前大家公認的虛擬現實技術研究的開端。 20世紀80年代美國VPL(“Virtual Programming Languages”) 研發公司的創始人計算機科學家、作曲家、藝術家兼作家加隆·雷尼爾 (Jaron Lanier)創造了“Virtual Reality”一詞。原意指計算機構建的三維空間。1992年，在法國召開了與VR技術相關的名為“真實與虛擬世界的界面”的國際會議。 1993年，美國科學家 Grigore C.Burdea 和法國科學家 Philippe Coitfet在世界電子國際年會上發表了“Virtual Reality System and Application”一文，第二年兩人在紐約合作出版了《模擬識實技術》一書，提出了虛擬現實的三“I”特征:Immersion(沉浸)、Interaction(交互)、Imagination(構想)，即所謂的虛擬現實三角形。

3 虛擬現實的特征

3.1 沉浸感

沉浸感，是指計算機生成的虛擬世界能給人一種身臨其境的感覺，如同進入一個真實的客觀世界。在現實生活中，我們觀察到的都是有景深、有立體感的三維世界，因此要做到完全模擬現實，僅僅靠簡單的平面二維圖形是不夠的，只有用三維系統才能真正意義地模擬三維世界，才能給用戶一種身臨其境的感覺。

3.2 交互性

交互性，是指人能夠很自然地跟虛擬世界中的對象進行交互操作或者交流。進入三維場景之后，用戶要有第一人稱感覺，就是說是以用戶為主而不是計算機圖片或場景，用戶要體會到一種與現實生活一樣的感覺。這就要求我們必須把時點移到所構造的三維場景中的任何一點，就像在真實世界中您可以隨意前進、后退、轉彎、蹲下、跳起以得到不同的視角，不同的視角才會造成不同的場景。

3.3 構想

構想，是指虛擬環境可使人沉浸其中，并且獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而深化概念并萌發新意。任何系統都需要人都參與，這其中主要用到三維交互設備，常用的有立體頭盔、數據手套、三維鼠標、數據衣等穿戴于用戶身上的裝置和設置于現實環境中的傳感裝置，如攝像機、地板壓力傳感器等。

任何系統，只要滿足了以上三個特征，我們就可以稱其為一個虛擬現實系統。

4 虛擬現實的實現

4.1 虛擬現實技術的原理

虛擬現實技術是綜合利用了計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能夠沉浸在計算機生成的虛擬境界中，并能夠通過語言、手勢等自然的方式與之進行實時交互，創建了一種適人化的多維信息空間。使用者不僅能夠通過虛擬現實系統感受到在客觀物理世界中所經歷的“身臨其境”的逼真性，而且能夠突破空間、時間以及其他客觀限制，感受到真實世界中無法親身經歷的體驗。

4.2 虛擬現實的關鍵技術

4.2.1 動態環境建模技術

虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容。動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。

4.2.2 交互技術

虛擬現實中的人機交互遠遠超出了鍵盤和鼠標的傳統模式，利用數字頭盔、數字手套等復雜的傳感器設備，三維交互技術與語音識別、語音輸入技術成為重要的人機交互手段。

4.2.3 立體顯示和傳感器技術

虛擬現實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術的發展?，F有的虛擬現實還遠遠不能滿足系統的需要，例如，數據手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點;虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高，因此有必要開發新的三維顯示技術。

4.2.4 系統集成技術

由于虛擬現實中包括大量的感知信息和模型，因此系統的集成技術起著至關重要的作用。集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別和合成技術等等。

4.3 虛擬系統的硬件

由于虛擬世界本身的復雜性及計算實時性的要求，對系統的硬件配置提出了極高的要求。虛擬現實系統的硬件包括虛擬現實發生器以及輸入輸出設備。虛擬現實發生器用來處理和產生虛擬境界，是任何虛擬系統的核心。它一般由計算機加圖形生成器或加速卡組成。虛擬現實系統的輸入設備可以幫助參與者在虛擬現實仿真中改變自己的位置、觀察點和視野，并能對虛擬境界中的問題進行一定的操作性作用。

4.4 虛擬系統的軟件

虛擬環境的開發者是在已有的虛擬環境系統開發工具的基礎上進行工作。虛擬現實軟件必須充分管理和利用各種計算資源、接口設備和系統資源，提供應用開發者高性能的接口。通常的接口方式有編譯庫、描述語言和圖形化。虛擬現實軟件可分為工具包和創作工具。工具包即程序庫，一般用c或c料等編制，VRML就是這樣一個程序庫。創作工具是帶有圖形用戶界面的完整軟件，通過創作工具只需簡單編程就可生成虛擬境界。

4.5 虛擬現實系統的分類

隨著科學技術的飛速發展，自1965年Ivan Sutherland提出虛擬現實的概念以來，虛擬現實技術出現了多樣化的發展趨勢。隨著數據結構、各種實體建摸技術趨于成熟，以及一切與之相關的具有自然模擬、逼真體驗的技術與方法的發展，為虛擬現實技術的廣泛應用提供了技術支持。到20世紀80年代出現了交互式手套控制和頭盔顯示的虛擬現實系統，使得虛擬現實在應用技術上有了新的飛躍。根據對虛擬環境的不同要求和對于使用目的和應用對象的不同要求，虛擬現實系統可以分為以下幾類:桌面式虛擬現實系統、沉浸式虛擬現實系統、疊加式虛擬現實系統、分布式虛擬現實系統和增強型虛擬現實系統。

4.5.1 桌面式虛擬現實系統

桌面式虛擬現實系統又稱為非沉浸式虛擬現實系統，這種系統通過投影屏幕、計算機屏幕作為用戶觀察虛擬環境的一個窗口，參與者僅使用一些簡單外部設備來控制虛擬環境和操縱虛擬場景中的物體。在桌面式虛擬現實系統中，用戶可以通過事先設置的交互操作或者瀏覽器已附帶的功能來實現虛擬環境的物體旋轉和平移，以便從各個角度觀看三維模型;也可以利用瀏覽器中的“walk”功能在虛擬環境中瀏覽。如飛機模擬器、汽車模擬器、電子會議等都屬于桌面式虛擬現實系統。桌面式虛擬現實系統投資比較低，適宜推廣應用，而且通過附加一些低成本的輔助設備，如液晶顯示光閘眼鏡、立體觀察器等就能達到比較理想的模擬現實的效果。

4.5.2 沉浸式虛擬現實系統

沉浸型虛擬現實系統比較復雜，為了使用戶能夠全身心地投入到虛擬環境之中，它將用戶與外界隔離，排除了外界的干擾。通過頭盔顯示器、數據衣服、數據手套等傳感器設備用戶可以與虛擬環境進行交互。這種系統由于價格昂貴，雖然能夠為用戶創造一個完備的虛擬世界，但難以普及。

4.5.3 疊加式虛擬現實系統

疊加式虛擬現實系統又稱為補充現實系統，是用戶一邊對現實世界進行觀察，一邊通過穿透型頭戴式顯示器計算生成的虛擬圖像疊加在現實世界上，為操作員提供存儲在計算機中的和他所看到的現實環境有關的信息，從而增強操作員對真實世界的感受。因為疊加式虛擬現實系統不僅能模擬現實世界，而且能增強現實中無法感知或者不方便的感受，所以這種系統在我們的現實生活中有廣泛的應用前景，如外科醫生應用該系統進行外科手術，為了提高手術的成功率，可以讓醫生用另外來源得到的3D虛擬圖像與病人患病部位的實際圖像進行對比、判斷。疊加式虛擬現實系統中應用到的傳感器技術在精確性方面有限制，所以這種技術在目前實際應用中還有一定的局限性。

4.5.4 分布式虛擬現實系統

分布式虛擬現實系統是基于網絡的虛擬環境，是在沉浸式虛擬現實系統的基礎上，將位于不同物理位置的多個用戶或多個虛擬環境通過網絡相連接，并共享信息，從而使用戶的協同工作達到一個更高的境界。分布式虛擬現實系統充分利用網絡功能和計算機系統強大的計算能力，使在共同領域的專家學者，進行信息共享，達到使處于不同地域的設計人員進行協同設計的目的。分布式虛擬現實系統的操作系統要求能在不同計算機上處理不相似的虛擬世界，因此必須用專門的操作系統——分布式操作系統。目前，分布式虛擬現實系統主要應用于虛擬戰爭模擬、遠程虛擬會議、虛擬醫學會診等領域。

4.5.5 增強型虛擬現實系統

增強型虛擬現實系統又稱為混合現實系統。它將真實環境與虛擬環境進行交匯融合，以虛擬環境取代部分真實環境，既可以對某些真實物體進行操作，又可以降低構成真實環境的開銷，真正達到了虛擬與現實有機結合的境界。增強型虛擬現實系統是今后的發展方向。

5 我國虛擬現實技術的研究現狀

我國的VR技術和一些發達國家相比，還有一定的差距，但已引起政府有關部門和科學家們的高度重視。我國根據具體的國情，已經制定了開展VR技術的研究。九五規劃、國家自然科學基金委、國家高技術研究發展計劃等都把VR列入了研究項目。在緊跟國際新技術的同時，國內一些重點院校，已積極投入到了這一領域的研究工作。

國內最早開展此項技術試驗的是掛靠在西北工業大學電子工程系的西安虛擬現實工程技術研究中心。該中心的成立，對發揮學校電子信息工程學院等其他院系和研究所在虛擬現實、虛擬仿真與虛擬制造等方面的研究優勢將具有積極作用。北京航空航天大學計算機系是國內最早進行虛擬現實技術研究的單位之一。在虛擬環境中物體物理特性的表示與處理、視覺接口部分軟硬件的研制、分布式虛擬環境網絡設計、實時三維動態數據庫開發等方面都取得了很多有意義的成果。浙江大學CADCG 國家重點實驗室開發出了一套桌面型虛擬建筑環境實時漫游系統。哈爾濱工業大學已經成功地虛擬出了人的高級行為中特定人臉圖像的合成，表情的合成和唇動的合成等技術問題，并正在研究人說話時頭勢和手勢動作，話音和語調的同步等。中國科技開發院威海分院主要研究虛擬現實中視覺接口技術，完成了虛擬現實中的視體圖像對算法回顯及軟件接口。他們在硬件開發上已經完成了LCD紅外立體眼鏡，并且已經實現商品化。北方工業大學CAD研究中心是我國最早開展計算機動畫研究的單位之一，中國第一部完全用計算機動畫技術制作的科教片《相似》就出自該中心。

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