虛擬現(xiàn)實技術(shù)

1、2010-2011學(xué)年第2學(xué)期期末考試考試科目：虛擬現(xiàn)實技術(shù)學(xué) 院：電子工程學(xué)院專 業(yè)：電子信息工程類班 級：班內(nèi)序號：學(xué) 號：姓 名：任課教師：黃海北京郵電大學(xué)2011年12月13日虛擬現(xiàn)實技術(shù)期末論文201廣2012學(xué)年第一學(xué)期虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述總結(jié)(北京郵電大學(xué) 北京100876)摘 要虛擬現(xiàn)實技術(shù)是目前在計算機領(lǐng)域中一項發(fā)展最快的多學(xué)科綜合技術(shù)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于許多領(lǐng)域。本文綜述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念，特征，原 理和國內(nèi)外研究應(yīng)用進展，以及對于此項課程的總結(jié)與建議。關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實技術(shù)，應(yīng)用，研究，發(fā)展一、虛擬現(xiàn)實的概念、特征及應(yīng)用領(lǐng)域1、虛擬現(xiàn)實的概念：虛擬現(xiàn)實技術(shù)(簡稱VR)，又稱靈

2、境技術(shù)，它是以沉浸性、交互性和構(gòu)想性 為基本特征的計算機高級人機界面。它綜合利用了計算機圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多 媒體技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)，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，它創(chuàng)建了一種適人化的多維信息空間，具有廣闊的應(yīng)用前景。2、虛擬現(xiàn)實的特征：作為一種新興的前沿技術(shù)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要特征有：1、多感知性 (Multi-Sensory )所謂多感知性是指除了一般計算機技術(shù)所具有的視覺感知 之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，味覺感知、嗅覺感知等 感知系統(tǒng)，從理想狀態(tài)講，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)該

3、具有一切人所具有的感知功能。但 是由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)所具有的感知功能 僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等有限的幾種；2、交互性(Interactivity ) 指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。例 如，用戶可以用于去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感覺， 并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動；3、 浸沒感(Immersion )又稱臨場感或存在感，指用戶感到作為主角存在于模擬 環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中

4、的一切看上去是真的，聽上去是 真的，動起來是真的，如同在現(xiàn)實世界中的感覺一樣；4、構(gòu)想性(imagination) 又稱自主性，主要強調(diào)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類 認知范圍，不僅可以再現(xiàn)真實存在的環(huán)境，還可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是 不可能發(fā)生的環(huán)境。3、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域：早在20世紀(jì)70年代，美國便開始將虛擬現(xiàn)實用于培訓(xùn)宇航員。由于這是一 種省錢、安全且有效的培訓(xùn)方法，現(xiàn)在已被推廣到各行各業(yè)的培訓(xùn)中。目前，虛 擬現(xiàn)實已被推廣到不同領(lǐng)域中，得到了廣泛得應(yīng)用。1、在科技方面：虛擬現(xiàn)實可縮短開發(fā)周期，減少費用?？巳R斯勒公司在1998年初便利用虛 擬現(xiàn)實技術(shù)，使設(shè)計的新車

5、直接從計算機屏幕投入生產(chǎn)線，完全省略了中間的試 生產(chǎn)，使克萊斯勒避免了 1500項設(shè)計差錯，節(jié)約了 8個月的開發(fā)時間和8000 萬美元費用?，F(xiàn)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)和理論分析、科學(xué)實驗一起，成為了人類 探索客觀世界規(guī)律的三大手段。用它來設(shè)計新材料，可以預(yù)先了解改變成分對材 料性能的影響。2、在商業(yè)方面：虛擬現(xiàn)實常被用于推銷。例如建筑工程投標(biāo)時，把設(shè)計的方案用虛擬現(xiàn)實技 術(shù)表現(xiàn)出來，便可把業(yè)主帶入未來的建筑物里參觀，如門的高度、窗戶朝向、采 光多少、屋內(nèi)裝飾等，都可以感同身受。用虛擬現(xiàn)實技術(shù)展現(xiàn)這類商品的魅力， 比單用文字或圖片宣傳更加有吸引力。3、在醫(yī)療方面：虛擬現(xiàn)實應(yīng)用大致上有兩類。一是虛擬人體

6、，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，方便醫(yī)生對人體進行分析；另一是 虛擬手術(shù)系統(tǒng)，可用于指導(dǎo)手術(shù)的進行，使手術(shù)進行得更加順利流暢，降低手術(shù) 的失誤率。4、在軍事方面：利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬戰(zhàn)爭過程已成為最先進的研究戰(zhàn)爭、培訓(xùn)指揮員的方 法。也正是由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)達到很高水平，所以盡管不進行核試驗，也能不斷虛擬現(xiàn)實技術(shù)期末論文201廣2012學(xué)年第一學(xué)期改進核武器。1991年海灣戰(zhàn)爭開始前，美軍便把海灣地區(qū)各種自然環(huán)境和伊拉 克軍隊的各種數(shù)據(jù)輸入計算機內(nèi)，進行各種作戰(zhàn)方案模擬后才定下初步作戰(zhàn)方 案。后來實際作戰(zhàn)的發(fā)展和模擬實驗結(jié)果相當(dāng)一致。二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)總

7、結(jié):1、環(huán)境建模技術(shù):在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，營造的虛擬環(huán)境是它的核心內(nèi)容，要建立虛擬環(huán)境，首 先要建模，然后在其基礎(chǔ)上再進行實時繪制、立體顯示，形成一個虛擬的世界。虛擬環(huán)境建模的目的在于獲取實際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)其應(yīng)用的需 要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。只有設(shè)計出反映研究對象的 真實有效的模型，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)才有可信度。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，環(huán)境建模應(yīng)該包括有基于視覺、聽覺、觸覺、力覺、味 覺等多種感覺通道的建模。但基于目前的技術(shù)水平，常見的是三維視覺建模和三維聽覺建模。而在當(dāng)前 應(yīng)用中，環(huán)境建模一般主要是三維視覺建模，這方面的理論也較為成熟。三維視覺建模又可細分為幾何建模、物理

8、建模、行為建模等：1、幾何建模是基于幾何信息來描述物體模型的建模方法，它處理物體的幾 何形狀的表示，研究圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本問題；2、物理建模涉及物體的物理屬性；3、行為建模反映研究對象的物理本質(zhì)及其內(nèi)在的工作機理。2、立體聲合成和立體顯示技術(shù)：在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強度的差別來確定聲音的方向，因為 聲音到達兩只耳朵的時間或距離有所不同。常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到 在不同位置錄制的不同聲音來實現(xiàn)的，所以會產(chǎn)生一種方向感，形成立體聲。而 立體顯示技術(shù)則是利用雙目立體視覺的原理：用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是 分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統(tǒng)采用單個顯示器，但用戶帶上特

9、殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數(shù)幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數(shù)幀圖像， 奇、偶幀之間的不同也就是視差就產(chǎn)生了立體感。利用頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來，用戶可以通過頭部的 運動去觀察環(huán)境，感覺更加逼真。在用戶與計算機的交互中，鍵盤和鼠標(biāo)是目前 最常用的工具，但對于三維空間來說，它們都不太適合。在三維空間中因為有六 個自由度，我們很難找出比較直觀的辦法把鼠標(biāo)的平面運動映射成三維空間的任 意運動?，F(xiàn)在，已經(jīng)有一些設(shè)備已經(jīng)可以提供六個自由度，如3Space數(shù)字化儀 和SpaceBall空間球等，而另外一些性能比較優(yōu)異的虛擬現(xiàn)實設(shè)備則是數(shù)據(jù)手套 和數(shù)據(jù)衣。3、

10、觸覺反饋技術(shù)：在一個VR系統(tǒng)中，用戶可以看到一個虛擬的杯子。你可以設(shè)法去抓住它， 但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這 在現(xiàn)實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內(nèi)層安裝一些可以 振動的觸點來模擬觸覺，讓用戶能夠直接操作虛擬物體并感覺到虛擬物體的反作 用力，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺。4、交互技術(shù)：虛擬現(xiàn)實中的人機交互遠遠超出了鍵盤和鼠標(biāo)的傳統(tǒng)模式，利用數(shù)字頭盔、 數(shù)字手套等復(fù)雜的傳感器設(shè)備，三維交互技術(shù)與語音識別、語音輸入技術(shù)成為重 要的人機交互手段。5、系統(tǒng)集成技術(shù)：由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)為重 中之重：包括信

11、息同步技術(shù)、模型標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、識別和合成技術(shù)等 等。6、真實感實時繪制技術(shù)：要實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的虛擬世界，僅有立體顯示技術(shù)是遠遠不夠的，虛擬 現(xiàn)實中還有真實感與實時性的要求，也就是說虛擬世界的產(chǎn)生不僅需要真實的立 體感，而且虛擬世界還必須實時生成，這就必須要采用真實感實時繪制技術(shù)。所謂真實感繪制是指在計算機中重現(xiàn)真實世界場景的過程。真實感繪制的主 要任務(wù)是要模擬真實物體的物理屬性，即物體的形狀、光學(xué)性質(zhì)、表面的紋理和 粗糙程度，以及物體間的相對位置、遮擋關(guān)系等等。三、國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實研究的最新進展：對于國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術(shù)的最新研究進展，我將從各個國家自身的角度加以 敘述。內(nèi)容如下：1

12、、美國：美國作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)源地，其研究水平基本上就代表國際虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā) 展的水平，目前美國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件 和硬件四個方面。例如，美國宇航局（NASA）的Ames實驗室近期將其目標(biāo)鎖定 在以下內(nèi)容中：1、將數(shù)據(jù)手套工程化，使其成為可用性較高的產(chǎn)品；2、在約翰 遜空間中心完成空間站操縱的實時仿真；3、大量運用了面向座艙的飛行模擬技 術(shù)；4、對哈勃太空望遠鏡的仿真，主要表現(xiàn)在其即將推出的一個叫“虛擬行星 探索”的試驗計劃。現(xiàn)在美國宇航局己經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護VR訓(xùn)練系統(tǒng)， 空間站VR訓(xùn)練系統(tǒng)，并且已經(jīng)建立了可供全國使用的VR教育系統(tǒng)。許多高校 的實驗室

13、也在積極地開展對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究：北卡羅來納大學(xué)（UNC）的計 算機系是進行虛擬現(xiàn)實研究最早的大學(xué)，他們主要研究分子建模、航空駕駛、外 科手術(shù)仿真、建筑仿真等等內(nèi)容。Loma lAnda大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的David Warner博 士和他的研究小組成功地將計算機圖形及VR的設(shè)備用于探討與神經(jīng)疾病相關(guān)的 問題，首創(chuàng)了 VR兒科治療法。麻省理工學(xué)院（MIT）是研究人工智能、機器人和 計算機圖形學(xué)及動畫的先鋒，這些技術(shù)都是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)，1985年M1T 成立了媒體實驗室，進行虛擬環(huán)境的正規(guī)研究。華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心的人 機界面技術(shù)實驗室（1ilT lab），將虛擬現(xiàn)實研究引入了教育、設(shè)計、娛

14、樂和制造 領(lǐng)域。2、英國：在虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設(shè)備（包括 觸覺反饋）設(shè)計和應(yīng)用研究方面，可以說，英國是領(lǐng)先的。英國主要有四個從事 虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究的中心：Windustries（工業(yè)集團公司），是國際VR界的著名開 發(fā)機構(gòu)，在工業(yè)設(shè)計和可視化等重要領(lǐng)域占有一席之地；British Aero space（英 國航空公司）正在利用VR技術(shù)設(shè)計高級戰(zhàn)斗機座艙；Dimension International公虛擬現(xiàn)實技術(shù)期末論文201廣2012學(xué)年第一學(xué)期司，是桌面VR的先驅(qū)。該公司生產(chǎn)了一系列的商業(yè) VR軟件包，都命名為 Superscape； Divison L

15、TD 公司在開發(fā) VISION、Pro Vision 和 supervision 系統(tǒng) /模塊化高速圖形引擎中，率先使用了 Tmnsputer和i860技術(shù)。3、日本：日本主要致力于建立大規(guī)模虛擬現(xiàn)實技術(shù)知識庫的研究，在虛擬現(xiàn)實的游戲 方面的研究也處于領(lǐng)先地位。京都的先進電子通信研究所(ATR)正在開發(fā)一套系 統(tǒng)，它能用圖像處理來識別手勢和面部表情，并把它們作為系統(tǒng)輸入；富士通實 驗室有限公司正在研究虛擬生物與VR環(huán)境的相互作用，他們還在研究虛擬現(xiàn)實 中的手勢識別，已經(jīng)開發(fā)了一套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)姿勢識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以識別姿勢， 也可以識別表示詞的信號語言。日本奈良尖端技術(shù)研究生院大學(xué)教授千原國宏領(lǐng)

16、導(dǎo)的研究小組于2004年開發(fā)出一種嗅覺模擬器，只要把虛擬空間里的水果拉到 鼻尖上一聞，裝置就會在鼻尖處放出水果的香味，這是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在嗅覺研究 領(lǐng)域的一項突破。4、中國：我國的虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究起步相對較晚，與國外發(fā)達國家還有一定的差距， 但值得期待的是，關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)在已引起國家有關(guān)部門和科學(xué)家們 的高度重視，并根據(jù)我國的國情，制定詳盡的研究計劃。九五規(guī)劃、國家自然科 學(xué)基金計劃、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃等都把VR列入了研究項目。國內(nèi)一些重 點院校，也已積極投入到了這一領(lǐng)域的研究工作。例如北京航空航天大學(xué)計算機 系，著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理，在虛擬現(xiàn)實中的視覺接

17、口方面開發(fā)出部分硬件，并提出有關(guān)算法及實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng) 絡(luò)設(shè)計。可以提供實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實演示環(huán)境、用于飛行員訓(xùn)練的 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺等；浙江大學(xué)CAD&CG國家重點 實驗室開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)，還研制出了在虛擬環(huán)境 中一種新的快速漫游算法和一種遞進網(wǎng)格的快速生成算法；哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng) 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(shù)問題；清華大學(xué)計算機科學(xué)和技術(shù)系對虛擬現(xiàn)實和臨場感的方面進行了研 究；西安交通大學(xué)信息工程研究所對虛擬現(xiàn)實中的關(guān)鍵技術(shù)一一立體顯示技術(shù)進行了研究，提出了一種基于

18、JPEG標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼新方案，獲得了較高的壓縮比、 信噪比以及解壓速度；北方工業(yè)大學(xué)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(shù)制作的科教片相似就出 自該中心?？梢哉f，通過近些年的努力，我國科學(xué)技術(shù)工作者對虛擬現(xiàn)實的研究 已取得了重要成果，在某些方面的研究更是已經(jīng)接近國際先進水平。四、學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實的收獲與進一步學(xué)習(xí)的期望：一個學(xué)期的課程即將結(jié)束了，可能我們對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)現(xiàn)有的了解還太 少，但我認為，這短短的16次課無疑是一把奇妙的鑰匙，為我們打開了這扇通 往虛擬現(xiàn)實的大門，給了我們一個機會讓我們初窺一二。對于我個人而言，這 16次課給我的最大收獲就是使

19、我對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)生了濃厚地興趣，這是我 以后繼續(xù)進一步學(xué)習(xí)這方面內(nèi)容的動力和源泉。本來選課時我并沒有對虛擬現(xiàn)實 技術(shù)有一個很清晰的認識，只是覺得可能挺輕松的，才選了這門課。但隨著上課 的進程，我越來越發(fā)現(xiàn)它的有趣之處，使我深深地喜歡上了這門課。我認為：雖 然現(xiàn)在我們的知識和能力水平還不足以對其進行學(xué)術(shù)層面的探索，但我們可以保 持對它的關(guān)注，先從最基本的層面開始接觸它、了解它、最終喜歡上它。其實我 以前就對于虛擬現(xiàn)實這方面非常感興趣，只是那時還沒有系統(tǒng)的了解過這門學(xué) 科。我曾經(jīng)看到過一個名叫“缸中的大腦”的思想實驗，它的具體內(nèi)容是：想象 有一個瘋狂科學(xué)家把你的大腦從你的體內(nèi)取出，放在某種生命

20、維持液體中。大腦 上插著電極，電極連到一臺能產(chǎn)生圖像和感官信號的電腦上。因為你獲取的所有 關(guān)于這個世界的信息都是通過你的大腦來處理的，這臺電腦就有能力模擬你的日 常體驗。如果這確實可能的話，你要如何來證明你周圍的世界是真實的，而不是 由一臺電腦產(chǎn)生的某種模擬環(huán)境？我認為這個可以算是一種經(jīng)典的虛擬現(xiàn)實情 境，而這道題也一直在被廣泛的討論著，有許許多多的科幻電影作品，都是在這 個思想實驗的影響下創(chuàng)作出來的，這是我能想到的第一次接觸虛擬現(xiàn)實技術(shù)的層 面。通過這一學(xué)期的虛擬現(xiàn)實技術(shù)選修課，我基本上對于“虛擬現(xiàn)實技術(shù)”這個 領(lǐng)域有了一個初步的了解，我知道這還遠遠不夠，所以，我打算繼續(xù)進一步地學(xué) 習(xí)這方面的內(nèi)容：首先是關(guān)注，我會保持對于和虛擬現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)的新聞、話題、虛擬現(xiàn)實技術(shù)期末論文201廣2012學(xué)年第一學(xué)期研究進展的關(guān)注，隨時隨地了解最新的研究前沿；其次，我會在這學(xué)期所學(xué)課程 的基礎(chǔ)上，加深課程深度，繼續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容；最后，我會去圖書館借閱一些虛 擬現(xiàn)實技術(shù)方面的書籍來豐富和充實我自己，拓寬我的知識面，使我對虛擬現(xiàn)實 擁有更多的了解?？傊艺J為這是一門十分有趣、富有意義的工科類選修課，選了這門課， 我覺得是十分值得的。五、小結(jié)及建議:虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一個極具潛力的前沿研究方向，是面向21世紀(jì)的重要技術(shù) 之一。它在理論，軟硬件環(huán)境的研究方