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发表时间 : 2015-8-27 22:21:04 | 浏览 : 1118    评论 : 2
    作者:王梅艳
    单位:陕西师范大学(陕西西安)


摘要:虚拟现实技术是门新兴的科学技术,是许多相关学科领域交叉、集成的产物,它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感嚣技术等多个信息技术分支,并且其应用非常广泛。本文介绍了虚拟现实技术的概念,特征以及发展历程和关键技术,并结合虚拟现实技术的应用展望了虚拟现实技术的前景。

    一、虚拟现实技术的概念及特征

    虚拟现实技术作为一种综合多种科学技术的计算机领域新技术,已经涉及众多研究和应用领域,被认为是21世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。虚拟现实(Virtua lReality),又称灵境,是在信息科学的飞速发展中诞生的。传统的信息处理环境一直是“人适应计算机”,而当今的目标或理念是要逐步使“计算机适应人”,人们要求通过视觉、听觉、触觉、嗅觉,以及形体、手势或口令,参与到信息处理的环境中去,从而取得身临其境的体验。这种信息处理系统已不再是建立在单维的数字化空间上,而是建立在一个多维的信息空间中。虚拟现实技术就是支撑这个多维信息空间的关键技术。从概念上讲,它是利用计算机和其它的专用软件和硬件去产生另一种虚拟环境的仿真。

    参与者可以通过感觉与这一虚幻环境的内容产生交互作用。

    虚拟现实技术具有以下三个主要特征:

    1.沉浸感(Immersion),是指利用计算机产生的三维立体图像,让人置身于一种虚拟环境中,就像在真实的客观世界中一样,能给人一种身临其境的感觉。

    2.交互性(Interaction),在计算机生成的这种虚拟环境中,人们可以利用一些传感设备进行交互,感觉就像是在真实客观世界中一样,比如;当用户用手去抓取虚拟环境中的物体时,手就有握东西的感觉,而且可感觉到物体的重量。

    3.想象(Imagination),虚拟环境可使用户沉浸其中并且获取新的知识,提高感性和理性认识,从而使用户深化概念和萌发新的联想,因而可以说,虚拟现实可以启发人的创造性思维。

    二、虚拟现实技术的发展历程

    虚拟现实技术的发展基本上可以分为三个阶段:第一阶段是20世纪50年代到70年代,是属于准备阶段第二阶段是80年代初到80年代中期,是虚拟现实技术走出实验室,进入实际应用阶段;第三阶段是从80年代末至今,是虚拟现实技术全面发展时期。

    第一阶段是虚拟现实技术的探索阶段,才有了虚拟现实技术的基本思想,在1956年Morton Heileg开发出了一个叫做Sensorama的摩托车仿真器,Sensorama具有三维显示及立体声效果,能产生振动和风吹的感觉。在虚拟现实技术发展史上一个重要的里程碑就是在1968年美国计算机图形学之父IvanSutherlan在哈佛大学组织开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器HMD及头部位置跟踪系统。

    第二阶开始形成了虚拟现实技术的基本概念。这一时期出现了两个比较典型的虚拟现实系统,即vIDE0PLACE与VIEw系统。VIDEOPLACE是由M.w.Krueger来设计的,它是一个计算机生成的图形环境,在该环境中参与者看到他本人的图像投影在一个屏幕上,通过协调计算机生成的静物属性及动体行为,可使它们实时地响应参与者的活动。1985年在M.MGreevy领导下完成的VIEW虚拟现实系统,装备了数据手套和头部跟踪器,提供了手势、语言等交互手段,使VIEW成为名副其实的虚拟现实系统,成为后来待发虚拟现实的体系结构。其他如VPL公司开发了用于生成虚拟现实的RB2软件和DataG1OVa数据手套,为虚拟现实提供了开发工具。

    第三阶段虚拟现实技术开始了全面的发展,在这一阶段虚拟现实技术从研究转向应用阶段,在医学,航空,教育,商业经营,工程设计等方面都有所应用。国内许多高校及研究所开始了对虚拟现实技术的研究和应用。例如,清华大学计算机系对虚拟现实和临场感方面进行了研究,在球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法;浙江大学心理学国家重点实验室开发的虚拟故宫、CAD&CG国家重点实验室开发出桌面虚拟建筑环境实时漫游系统;北京航空航天大学计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟环境。还有许多单位对虚拟现实在不同领域进行了研究,并取得了一定的研究成果。

    三、虚拟现实关键技术的发展

    虚拟现实技术是多种技术的综合,其中关键技术包括实时三维图形图像生成技术,立体显示技术,传感交互技术,系统集成技术。

    1.实时三维图形图像生成技术

    实时三维图形图像生成技术目的就是在实际环境中获取三维数据,然后利用这些数据,在计算机中建立相应的虚拟环境模型,将客观世界的对象在相应的三维虚拟世界中进行重构。在这里有数据,我们就不难建立各种物体的图像,关键的是要解决“实时”的问题,要在不降低图像质量的情况下,提高图像的刷新频率。比如在飞行的模拟系统中,图像的刷新非常重要,同时对图像的质量要求也很高,而且虚拟环境又相当复杂,这样问题就有些困难了。

    2.立体显示技术

    要想使一幅画面产生立体感,至少要满足三个条件,一是画面要有透视效果,二是画面要有正确的明暗虚实,三是双眼的空间定位效果。透视效果是观看三维世界时的基本规律,是画面产生立体感的基本要求。在真实世界中物体会根据光源的亮度,颜色,位置和数量的不,在其亮部,暗部,投影和光泽会有所不同,而且不同位置的物体色彩的饱和度,亮度,对比度都会不同,画面只有反映这些规律才会有好的立体感。对于第三点,人在看周围世界的时候,两只眼睛所得到的图像会有不,在大脑进行融合最终形成一幅整体的图像。在虚拟现实系统中,用户的两只眼睛看到的图像是分别产生的,显示在不同的显示器上,但用户带上特殊的眼镜后,一只眼睛只能看到奇数帧图像,另一只眼睛只能看到偶数帧图像,这样两者之间的不同形成视差产生了立体感。

    3.传感交互技术

    此技术包括三维定位、方向跟踪、触觉反馈等传感技术和设备以及符合人类认知心理的三维自然交互技术。目前GPS技术具有实时三维定位、精确定时功能,已被广泛应用于各个领域。具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力。在虚拟现实技术中,利用头部跟踪来改变图像的视角,用户的视觉系统和运动感知系统可以联系起来,感觉会更逼真一些,这样用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境。而且可以通过头部的运动去观察环境。

    在虚拟现实系统中,产生身临其境效果的关键因素之一是让用户能够直接操作虚拟物体并感觉到虚拟物体的反作用力,要有触觉和力觉的反馈。然而研究力学反馈装置是相当困难的,如何解决现有高精度装置的高成本和大重量是一个需要进一步研究的问题。

    虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式,符合人类认知心理的三维交互技术已经成为计算机图形学中的一个重要研究课题。此外。语音识别与语音输入技术也是虚拟现实系统的一种重要人机交互手段。

   4.系统集成技术

    由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型,因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等等。

    四、虚拟现实技术在各个领域的应用

    虚拟现实技术的应用非常广泛,它可以应用于军事领域,医学领域,教育领域,互动娱乐领域等等,而且随着虚拟现实技术的发展,应用领域会更加广泛,更加深入

    1.在军事领域中的应用

    虚拟现实技术在军事领域的应用主要是在虚拟战场环境,单兵模拟训练与评判,诸军种联合虚拟演习,进行指挥员训练。

    美国国防部和军方认为:虚拟现实将在武器系统性能评价、武器操纵训练及指挥大规模军事演习三方面发挥重大作用。他们制定了战争综合演示厅计划、防务仿真交互网络计划、综合战役计划及虚拟座舱等应用环境,并在核武器试验及许多局部战争中进行了应用。

    我国北航计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室在国家863计划支持下,作为集成单位。与国防科技大学、浙江大学、装甲兵工程学院、中科院软件所和解放军测绘学院等单位一起建立了一个用于虚拟现实技术研究和应用的分布式虚拟环境基础信息平台,英文缩写为DVENET。DVENET由一个专用计算机网络以及支持分布式虚拟环境研究与应用的各种标准、开发工具和基础信息数据(如三维逼真地形)组成。基于DVENET,一个分布式虚拟战场环境被成功开发出来。目前,应用DVENET,可以实现包含远程的数十个武器虚拟平台在同一块逼真地形下进行协同作业或对抗演练。参演人员(即用户)可以通过不同的交互方式控制真实的或虚拟的武器仿真平台在虚拟战场环境中进行异地协同与对抗战术演练总体上说,DVENET的技术水平已接近美国的STOW。

    2.在医学领域中的应用

    目前,虚拟现实技术在医学上已应用于仿真组织、器官的解剖结构,包括虚拟人。今后还可构建“虚拟器官”,它可以对各种刺激做出反应,具有生长功能,可模拟实际人体器官的生理、病理过程。

    远程出席系统在医学中用于控制远方的医疗设备远程手术系统根据遥感和机器人等技术将远程传送来的图像仿真成手术场景,手术医生在此场景下进行手术操作,传感器将医生的操作控制信号传送到手术目的地,控制手术目的地的手术机器人或机器手完成手术。医学教育也是虚拟现实技术应用的一个主要领域,可以用作医学教学、新生培训、技能测试、技术学习、手术计划等。掌握了虚拟技术的核心,再了解市场的需求,投资者就可以根据市场调研的结果,合理选择投资项目。

    3.在教育领域中的应用

    教育界的专家指出,崭新的技术,会带给我们崭新的教育思维,解决了我们以前无法解决的问题,将给我们的教育带来一系列的重大变革,虚拟现实技术应用于教育领域是教育技术发展的一个飞跃。

    虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境,如建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构示等,在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验,从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力,主动地去交互与被动的灌输,有本质的差别。

    利用虚拟现实技术,可以建立各种虚拟实验室,如地理、物理、化学、生物实验室等等,拥有传统实验室难以比拟的优势。

    利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实训基地,其“设备”与“部件”多是虚拟的,可以根据随时生成新的设各。教学内容可以不断更新,使实践训练及时跟上技术的发展。

    虚拟校园时虚拟现实技术与网络教育最早的具体用,天津大学早在1996年在SGI硬件平台上,基于VRML国际标准,最早开发了虚拟校园,让大家领略到了近代史上久负盛名的大学。到现在,人们已经不满足于仅仅是校园环境的欣赏,而是要体验到其中全方位的教育,形成一个完整的虚拟校园体系。中央广播电视大学,将网络学院具体的实际功能整合到基于internet的类游戏图形引擎中,作为基础平台进行大规模应用。

    4.在互动娱乐产业方面的应用

    虚拟现实技术为互动娱乐方式的突破提供了新的机遇,在竞争激烈的游戏市场得到了越来越多的重视和应用。由BungieStudios公司开发的基于XBOX平台的FPS(主视角射击游戏)《光环(HALO)》可以支持一款名为“Trimersiorl”的头戴虚拟现实显示设备。戴上它可以让玩家置身于360度的环绕场景之中,并控制虚拟环境中的一些关键因素,如视角和位置。控制方式不再是使用手指,而是依靠头部的转动。玩家在游戏中涉及的时候可以使用一个手枪形状的输入设备而无需旋钮。

    从最初的文字MUD游戏,N维游戏、三维游戏,再到网络三维游戏,游戏在保持其实时性和交互性的同时,逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加强。随着虚拟现实技术的发展,真正意义上的虚拟现实游戏必将为人类娱乐做出新的更大的贡献。

    五、结束语

    虚拟现实技术是门新兴的科学技术,是许多相关学科领域交叉,集成的产物,它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支。由于其有诸多的优势,它的应用前景是很广阔的,将会成为2llff纪重要发展的技术之一,越来越受到人们的关注。

    参考文献

    [1]汪成为,高文.灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M],北京:清华大学出版社,2004

    [2]吴迪,黄文骞.虚拟现实技术的发展过程及研究现状[J].海洋测绘,2002,6

    [3]王红兵.虚拟现实技术一回顾与展望[J].计算机工程与应用,2001,1

    [4]崔杏园,钱桦.虚拟现实及演变发展[J].工地质计算机应用,2005,4

    [5]虚拟现实视景仿真技术[EB/0L].httP://www.ksqYgZX.corn/ebook007/life/electronicsel6ctrical/shiJingfangzhen.html

    [6]李研.虚拟现实技术与互动娱乐[EB/0L].[2006/1/8].http://news.Xinhuanet.com/it/200605/1o/content4529349.html

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我的领域 评论于2016-1-16 16:47:04
科学就是这么厉害啊,一步一步演变到现在的虚拟现实了,科学家们真是不一般,作为现在年代的人,我们感觉还是比较幸运呢,能享受科研成果。
刺眼的光 评论于2016-1-21 16:44:42
通过楼主介绍原来虚拟现实那么强大,领域那么广啊。

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