虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用主講：劉賢梅2000年6月虛擬現(xiàn)實(shí)什么是虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）？VR技術(shù)的發(fā)展過(guò)程人是多維信息空間和人機(jī)和諧仿真環(huán)境的主體VR技術(shù)的特性人與VR系統(tǒng)的關(guān)系VR系統(tǒng)分類(lèi)VR技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀VR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)各大公司VR軟件簡(jiǎn)介研究VR技術(shù)的意義—VR技術(shù)在油田中的應(yīng)用—其它應(yīng)用實(shí)例VR系統(tǒng)的一般體系結(jié)構(gòu)VR技術(shù)的應(yīng)用人是多維信息空間的主體傳統(tǒng)信息處理環(huán)境〔1〕打印輸出、屏幕顯示，從外部觀(guān)察信息處理的結(jié)果?！?〕單維的數(shù)字化的信息空間?！?〕計(jì)算機(jī)是主體，人圍著計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)。和諧的人機(jī)環(huán)境〔1〕通過(guò)視、聽(tīng)、觸、嗅覺(jué)、形體、手勢(shì)或口令，參與到信息處理的環(huán)境中，取得身臨其境的體驗(yàn)?！?〕多維化的信息空間?！?〕人是主體，計(jì)算機(jī)圍著人轉(zhuǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是支撐多維信息空間的關(guān)鍵技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)多媒體科學(xué)可視化虛擬現(xiàn)實(shí)〔VirtualReality〕就是利用計(jì)算機(jī)和其它專(zhuān)用硬件和軟件去產(chǎn)生另一種境界的仿真，可以仿真各種環(huán)境，參與者通過(guò)感覺(jué)、視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)與仿真的內(nèi)容交互對(duì)話(huà)。這種交互是直觀(guān)、自然的，就如同人們?cè)谌粘Ｉ钪腥伺c人交流一樣：如可見(jiàn)、可聽(tīng)、可說(shuō)、可拿等。什么是虛擬現(xiàn)實(shí)？IMAGINATION構(gòu)想IMMERSION沉浸INTERACTION交互I3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特性這三個(gè)I強(qiáng)調(diào)了人的主導(dǎo)作用，使它同多媒體、模擬、電視等不同。虛擬現(xiàn)實(shí)有三個(gè)根本特性，即I3。虛擬現(xiàn)實(shí)與看電視有什么不同？電視只是不斷的給我們一些東西，卻不接受我們的回饋。無(wú)交互性，隨意性可言。虛擬現(xiàn)實(shí)與多媒體有什么關(guān)系呢？

如今有一些游戲做得實(shí)在很像虛擬實(shí)境，但它到底只是多媒體，因?yàn)樗械膱?chǎng)景，機(jī)關(guān)或路徑都已經(jīng)預(yù)設(shè)好了，一個(gè)設(shè)計(jì)者，永遠(yuǎn)知道下一秒會(huì)有什么東西出來(lái)，不過(guò)多媒體與虛擬現(xiàn)實(shí)確是一對(duì)好搭擋，因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)中常需要有多媒體的展現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)與模擬的異同。模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)其實(shí)已經(jīng)很接近了，甚至虛擬現(xiàn)實(shí)有些概念也衍生自模擬。通常模擬的交談性與自由度也不像虛擬現(xiàn)實(shí)這般高，所以一旦虛擬現(xiàn)實(shí)成熟了，反過(guò)來(lái)當(dāng)作模擬的工具。沉浸功能：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能使操作者“沉浸〞到數(shù)據(jù)空間中去，使用戶(hù)暫時(shí)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境脫離，進(jìn)入到了另一個(gè)境地，如同“身臨其境〞，更直接更真實(shí)地與數(shù)據(jù)交互，更快更全面地分析、理解及運(yùn)用數(shù)據(jù)?！俺两暫汀皡⑴c〞是有區(qū)別的。哇！我已經(jīng)上太空了！?。V闊的宇宙真奇妙??！人與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)系虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展過(guò)程1965年，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的創(chuàng)始人指出，人們可以把顯示屏當(dāng)作一個(gè)窗口觀(guān)察一個(gè)虛擬世界，使觀(guān)察者有身臨其境的感覺(jué)。這一思想提出了虛擬現(xiàn)實(shí)概念的雛形。1961年，美國(guó)Philoo公司首創(chuàng)了頭盔式立體顯示器（HMD）。1929年，EdwinLink設(shè)計(jì)了一種競(jìng)賽乘坐器。1962年美國(guó)攝影師MortonHeilig研制出了第一套多感知仿真體驗(yàn)系統(tǒng)SensoramaSimulator。1975年，MyronKrueger提出“人工現(xiàn)實(shí)”（ArtificialReality)的思想，展示了稱(chēng)之為Videoplace的“并非存在的一種概念化環(huán)境”。1968年，IvanSutherland使用兩個(gè)可以戴在眼睛上的陰極射線(xiàn)管（CRT）研制出了第一臺(tái)頭盔式立體顯示器（HMD）。1972年，NolanBushnell開(kāi)發(fā)了第一個(gè)交互式電子游戲，稱(chēng)為Pong。虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展過(guò)程1992年，在法國(guó)召開(kāi)了VR的第一次國(guó)際會(huì)議——真實(shí)世界和虛擬世界的接口。1990年，在美國(guó)召開(kāi)的Siggraph會(huì)議上，明確提出VR技術(shù)的主要內(nèi)容是：實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)，以及高分辨率顯示技術(shù)，為VR技術(shù)的發(fā)展確定了研究方向。1987年，美國(guó)VPL研究公司發(fā)明了數(shù)據(jù)服。1988年，VPL建立了一套完整的VR系統(tǒng)。1989年，VPL創(chuàng)始人JaronLanier提出了“VirtualReality”(虛擬現(xiàn)實(shí)）這個(gè)名詞。從1981年開(kāi)始，MichaelMcGreeveyh和ScottFisher建立了基于液晶顯示技術(shù)的虛擬可視環(huán)境頭盔系統(tǒng)VIVEDHMD。1985年，研制了稱(chēng)之為VIEW的數(shù)據(jù)手套、第一套商用虛擬現(xiàn)實(shí)硬件—Intel386、軟件—美國(guó)空軍的Supercockpit飛行模擬器。1986年，研制成功了第一套基于HMD和數(shù)據(jù)手套的VR系統(tǒng)VIEW。這是第一個(gè)較為完整的多用途、多感知的VR系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)(DVR)系統(tǒng)是指基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境,在這個(gè)環(huán)境中,位于不同物理位置的多個(gè)用戶(hù)或多個(gè)虛擬環(huán)境通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)結(jié),并共享信息。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是指利用頭盔顯示器或其它設(shè)備把參與者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其它感覺(jué)封閉起來(lái)，并提供一個(gè)新的、虛擬的感覺(jué)空間，使得參與者產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中、并能全身心投入和沉浸其中的感覺(jué)。（基于座艙空間、投影、遙在系統(tǒng)等）桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是指采用標(biāo)準(zhǔn)的顯示器和立體顯示、立體聲音技術(shù)，并可以用多種空間操縱設(shè)備如三維鼠標(biāo)、空間球、數(shù)據(jù)手套等進(jìn)行操縱。這種系統(tǒng)的分辨率較高，價(jià)格也較便宜。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)平臺(tái)虛擬藝術(shù)制作工具輸出設(shè)備輸出軟件輸入軟件形狀編輯器聲音編輯器用戶(hù)輸入設(shè)備虛擬世界編輯器虛擬世界計(jì)算機(jī)系統(tǒng)購(gòu)物教育培訓(xùn)工業(yè)控制建筑設(shè)計(jì)軍事作戰(zhàn)服裝設(shè)計(jì)旅游科學(xué)實(shí)驗(yàn)航空航天醫(yī)療保健體育運(yùn)動(dòng)石油虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)在油田中的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)地震數(shù)據(jù)模型和解釋油藏工程中的應(yīng)用海洋石油工程特殊作業(yè)培訓(xùn)海洋石油工程頭盔式立體映象雙目鏡〔Telcontrolledremotelyoperatedvehicle,TRV〕代替潛水員工作。操作員頭帶TRV，配備電子數(shù)據(jù)手套，操縱TROV抵達(dá)通常人工無(wú)法進(jìn)入的極惡劣工況下的深水洋底去采集數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)TROV的攝像和接收到的數(shù)據(jù)，通過(guò)VR系統(tǒng)生成一個(gè)實(shí)時(shí)的“海底作業(yè)環(huán)境“，讓操作者〞沉浸“其中。特殊專(zhuān)業(yè)的培訓(xùn)利用VR技術(shù)進(jìn)行教育培訓(xùn)，可使培訓(xùn)更加生動(dòng)逼真、內(nèi)容更加豐富，特別是特殊專(zhuān)業(yè)的培訓(xùn)效果更為理想。如采用VR技術(shù)，可以“制造”出火災(zāi)或爆炸的平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)，伴隨有火、熱、光、噪聲、維妙維肖，讓人如臨現(xiàn)場(chǎng)。虛擬聯(lián)合站培訓(xùn)以下內(nèi)容：油罐區(qū)的消防生產(chǎn)流程安全報(bào)警的模擬違章操作的嚴(yán)重后果地震數(shù)據(jù)模型和解釋專(zhuān)家們描述未來(lái)解釋工作的情景是：地球科學(xué)家不再使用圖形工作站，而是戴上特殊的頭盔和手套，這時(shí)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的地震時(shí)延〔Time-LapseSeismic〕數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)VR系統(tǒng)的處理，顯示在地球科學(xué)家面前的是一個(gè)個(gè)所勘探對(duì)象地下構(gòu)造或圈閉的三維透視圖像，隨著電子數(shù)據(jù)手套的動(dòng)作，可以讓其旋轉(zhuǎn)，從不同側(cè)面觀(guān)察，還可變化透明度，調(diào)整光照，看到不同的內(nèi)幕。還可以選擇進(jìn)入其中的不同方向和路線(xiàn)，到構(gòu)造或圈閉內(nèi)部作深入的“游覽〞。油藏工業(yè)中的應(yīng)用交互式的模型演示，如轉(zhuǎn)動(dòng)、傾斜、跟蹤、快移放大等；在任一時(shí)間瞬間，顯示模型中油藏特征參數(shù)分布的立體圖像；模型次一級(jí)的結(jié)構(gòu)圖像；模型任意剖面或切面圖像；油藏特征參數(shù)分布隨時(shí)間的變化演繹；井位置及完井視圖；模型中任意單元位置的特征參數(shù)“點(diǎn)測(cè)〞；井的綜合數(shù)據(jù)顯示及定位；井周?chē)植俊包c(diǎn)測(cè)〞顯示流體流動(dòng)及軌跡。虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將地質(zhì)工作者從繁重的工作中解脫出來(lái)戴著頭盔和數(shù)據(jù)手套的工作人員其它應(yīng)用實(shí)例化學(xué)家能看到復(fù)雜的分子情況以及顯現(xiàn)創(chuàng)造物質(zhì)的新方法。一個(gè)藝術(shù)家可以創(chuàng)造自己邏輯想象的世界而不用關(guān)心物理規(guī)律之類(lèi)的麻煩事。學(xué)生能漫游計(jì)算機(jī)表現(xiàn)的太陽(yáng)系以學(xué)習(xí)地球引力與量之類(lèi)的知識(shí)。飛行員可以不離開(kāi)地面進(jìn)行訓(xùn)練，或者測(cè)試昂貴的新型飛機(jī)的設(shè)計(jì)性能而不用冒機(jī)毀人亡之險(xiǎn)。建筑師和客戶(hù)在第一鏟土動(dòng)工之前就能“看到”一個(gè)新建筑，甚至可以在里面行走。美國(guó)電影《泰坦尼克號(hào)》采用幾百臺(tái)基于Linux的并行圖形工作站來(lái)合成虛擬的場(chǎng)景。

電子商務(wù)CompuServe的VRcade，是新一代的網(wǎng)絡(luò)在線(xiàn)購(gòu)物服務(wù)，是世界上第一家虛擬現(xiàn)實(shí)購(gòu)物中心。位于倫敦街心的這家購(gòu)物中心由三部分虛擬購(gòu)物世界組成：本地商場(chǎng)，外地商場(chǎng)和地下商場(chǎng)。網(wǎng)站的訪(fǎng)問(wèn)者可以瀏覽不同的商場(chǎng)，并使用信用卡進(jìn)行網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)。使得：顧客購(gòu)買(mǎi)輕松有趣。商家在3D環(huán)境下可以更真實(shí)的展示產(chǎn)品和服務(wù)。

員工培訓(xùn)英特爾公司開(kāi)發(fā)了基于VR的庫(kù)房員工培訓(xùn)程序，預(yù)計(jì)每年僅培訓(xùn)成本就可節(jié)省50萬(wàn)美元。英特爾公司的一個(gè)項(xiàng)目部經(jīng)理講，交互性是VR技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)，大大加強(qiáng)了培訓(xùn)應(yīng)用。使用二維圖形，用戶(hù)很被動(dòng)，只是一旁觀(guān)看；使用普通的三維仿真，雖然他周?chē)奈矬w可能移動(dòng)，但用戶(hù)停留在一個(gè)地點(diǎn)。而使用虛擬現(xiàn)實(shí)時(shí)，物體保持不動(dòng)，而是用戶(hù)在動(dòng)，所以更真實(shí)。培訓(xùn)應(yīng)用的意義重大。利用虛擬現(xiàn)實(shí)，用戶(hù)可以真實(shí)的模仿他們所做的工作。例如，培訓(xùn)叉車(chē)司機(jī)，讓他們熟悉新的倉(cāng)庫(kù)碼放，司機(jī)可駕駛著虛擬的卡車(chē)向前，轉(zhuǎn)彎，看到真實(shí)的新倉(cāng)庫(kù)的樣子。結(jié)果是這樣的學(xué)習(xí)過(guò)程比傳統(tǒng)的教室和崗位培訓(xùn)更好，更快捷。研究VR技術(shù)的意義二十一世紀(jì)初將是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的時(shí)代。美國(guó)在2010年前要重點(diǎn)發(fā)展十項(xiàng)高新電子技術(shù)，而居十項(xiàng)技術(shù)之首的就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是在石油工業(yè)中的應(yīng)用前途光明。目前，國(guó)外的許多大石油公司，在石油勘探和開(kāi)發(fā)中獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。我們要盡快研制自己的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟件，必將對(duì)石油工業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。就目前大慶市場(chǎng)來(lái)看，許多單位對(duì)利用VR技術(shù)在特殊專(zhuān)業(yè)的仿真培訓(xùn)、房屋建設(shè)等方面有很大的需求，其應(yīng)用前景極為廣闊。VR技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1〕虛擬現(xiàn)實(shí)的概念提出已有二三十年歷史，只是近年開(kāi)展很快。目前全世界有兩千多個(gè)研究單位、大學(xué)、公司正在從事此項(xiàng)研究與開(kāi)發(fā)，而實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域，已普及到各個(gè)方面，幾乎是“無(wú)所不在，無(wú)所不能〞。二十一世紀(jì)初將是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的時(shí)代。2〕美國(guó)是VR技術(shù)的發(fā)源地。美國(guó)VR研究技術(shù)的水平根本上就代表國(guó)際VR開(kāi)展的水平。美國(guó)國(guó)家航天局和美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究方案所重點(diǎn)致力于航天和軍事上的VR應(yīng)用，另外其它單位對(duì)太空訓(xùn)練、哈勃望遠(yuǎn)境控制、虛擬醫(yī)療、數(shù)據(jù)可視化和智能輔助培訓(xùn)等方面進(jìn)行了研究。IBM與英國(guó)Virtuality公司在聯(lián)合研究VR開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。德國(guó)、荷蘭、日本等國(guó)都對(duì)VR技術(shù)進(jìn)行跟蹤研究。3〕國(guó)內(nèi)許多有識(shí)之士早就預(yù)見(jiàn)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的巨大潛力,并得到了政府的高度支持。九五規(guī)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、國(guó)家技術(shù)研究開(kāi)展方案等都把VR列入了研究工程。北京航空航天大學(xué)較早進(jìn)行VR研究，中科院計(jì)算所CAD開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)、北京大學(xué)等許多單位也都高度重視VR技術(shù)，并有一批專(zhuān)家在著手研究，且取得了相當(dāng)?shù)某晒?〕國(guó)外石油界人士已經(jīng)著手在作虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)用性開(kāi)發(fā)。當(dāng)前這項(xiàng)新技術(shù)處于開(kāi)始引進(jìn)和起步的階段，作為重要應(yīng)用部門(mén)的石油工業(yè)正是早期介入的極好時(shí)機(jī)，需要積極跟蹤其應(yīng)用開(kāi)發(fā)，使其在“科技興油〞事業(yè)中發(fā)揮作用。VR技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r各相關(guān)公司簡(jiǎn)介

Sense8公司SGI公司SuperScape公司

Sense8公司Sense8公司開(kāi)發(fā)了世界工具包WTK（WorldToolKitforWindows)，WTK是世界獲獎(jiǎng)軟件，它以Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式發(fā)布。WTK由400多個(gè)C函數(shù)構(gòu)成。它提供了一個(gè)完整的合成虛擬環(huán)境的應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境。WTK的用戶(hù)必須是一個(gè)合格的“C”編程語(yǔ)言。在國(guó)內(nèi)北京理工大學(xué)，清華，北航都在推廣和開(kāi)發(fā)。有PC版和工作站版及網(wǎng)絡(luò)版。比較適合中國(guó)國(guó)情。SGI制造了一系列適于虛擬環(huán)境的圖形平臺(tái)，其圖形庫(kù)OpenGL成為一種事實(shí)圖形軟件接口標(biāo)準(zhǔn)。工作站版：Volumizer工具軟件，IRISPerformer〔高檔產(chǎn)品〕，必須配SGI工作站。PC版：CosmoWorldforWin95〔中低檔產(chǎn)品〕SGI公司SuperScape公司VRT是一個(gè)專(zhuān)供PC機(jī)使用的高水平專(zhuān)業(yè)級(jí)開(kāi)發(fā)軟件，工作于Window95/98、WindowsNT平臺(tái)。允許較高程度上的交互性和網(wǎng)絡(luò)處理。VRT為一可視化制作軟件，不用編程即可制作復(fù)雜的三維交互模擬場(chǎng)景。利用SCL高級(jí)語(yǔ)言可以進(jìn)行控制功能的編程，如邏輯預(yù)算與外部數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)交換等。SDK開(kāi)發(fā)包，它是基于C++的接口工具，有400多種DLL庫(kù)函數(shù)，支持多種C++編程。還有一種是：3DwebMast