虚拟技术论文

论虚拟现实技术姓名：班级：1201学院：计算机学院学号：摘要：2010年初，由詹姆斯，卡梅隆导演的3d旷世巨作《阿凡达》席卷全球，这部影片完全颠覆了传统电影的概念，技术上有了质的飞跃，场面宏伟细致。该影片不仅让观众深刻地体验到3d所带来的空前视觉和心灵的震撼，同时也让虚拟现实技术再度成为舆论关注的焦点。虚拟现实(VirtualReality，简称VR，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。他给用户提供了更自然的交互方式，从而减轻了用户的负担，提高了效率。与从最早的人机会话，到目前被广泛应用的视窗操作相比，虚拟现实在技术上有了质的飞跃。关键词：虚拟现实技术；特征；应用；3D1.什么是虚拟现实360百科是这样描述的——虚拟现实虚拟现实技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。概括起来，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。2.虚拟现实的特征2.1多感知性所谓多感知，是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉、力觉、触觉、运动，甚至包括味觉、嗅觉等感知。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。2.2浸没感又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。2.3交互性指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉到物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。2.4构想性强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。2.5自主性是指虚拟环境中物体依据物理定律进行动作的程度。虚拟现实系统的关键技术主要由动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具和系统集成技术等五个方面组成。其中动态环境建模技术的目的是根据应用的需要获取实际环境的三维数据,并利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。而三维图形的生成技术关键是如何实现“实时”生成。立体显示和传感器技术是虚拟现实中实施交互能力的关键。3.虚拟现实技术的发展历程虚拟现实技术的发展历程基本分为3个阶段：第一阶段是20世纪50年代到70年代，是虚拟技术的探索阶段；第二阶段是80年代初到80年代初期，这一阶段开始形成了虚拟技术的基本概念；第三阶段是80年代末至今，是虚拟现实技术全面发展时期。4.虚拟现实技术的基本原理它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。5.国内外虚拟现实技术研究现状5.1VR技术在美国的研究现状北卡罗来纳大学的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。施乐公司研究中心在VR领域主要从事利用VRT建立未来办公室的研究,并努力设计一项基于VR使得数据存取更容易的窗口系统。波音公司的波音777运输机采用全无纸化设计,利用所开发的虚拟现实系统将虚拟环境叠加于真实环境之上,把虚拟的模板显示在正在加工的工件上,工人根据此模板控制待加工尺寸,从而简化加工过程。5.2VR技术在欧洲的研究现状在欧洲,英国在VR开发的某些方面,特别是在分布并行处理、辅助设备(包括触觉反馈)设计和应用研究方面,在欧洲来说是领先的。英国Bristol公司发现,VR应用的交点应集中在整体综合技术上,他们在软件和硬件的某些领域处于领先地位。英国ARRL公司关于远地呈现的研究实验,主要包括VR重构问题。他们的产品还包括建筑和科学可视化计算。欧洲其它一些较发达的国家如:瑞典、荷兰、德国等也积极进行了VR的研究与应用。2008年10月27-29日在法国举行的ACMSymposi-umonVirtualRealitySoftwareandTechnoogy大会,整体上促进了虚拟现实技术的深入发展。5.3VR技术在日本的研究现状日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中同样具有举足轻重的地位,它在建立大规模VR知识库和虚拟现实的游戏方面作出了很大的成就。在东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面,称为SpmAR;日本奈良尖端技术研究生院大学教授千原国宏领导的研究小组于2004年开发出一种嗅觉模拟器,只要把虚拟空间里的水果放到鼻尖上一闻,装置就会在鼻尖处放出水果的香味,这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破。5.4国内虚拟现实技术研究现状北京航空航天大学计算机系也是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一,其虚拟实现与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境,可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等,并在以下方面取得进展:着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理;在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件,并提出有关算法及实现方法。浙江大学CAD&CG国家重点实验室在基于图像的虚拟实现、分布式虚拟环境的建立、多细节层次模型、真实感三维重建、基于几何和图像的混合式图形实时绘制算法等领域开展了深入的研究，在国内外产生了广泛的影响。清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究，例如：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试验等方面都有不少独特的方法。6.虚拟现实技术应用现状虚拟现实技术的应用前景十分广阔。目前在娱乐、教育及艺术领域的应用占据主流,其次是军事与航空、医学领域,机器人和商业领域都占有一定比例,另外在可视化计算、制造业等领域也有相当的比重。下面简要介绍其部分应用。7.对虚拟现实技术的展望随着虚拟现实技术在城市规划、军事等方面应用的不断深入,在建模与绘制方法、交互方式和系统构建方法等方面,对虚拟现实技术都提出来更高的需求。为了满足这些新的需求,近年来,虚拟现实相关技术研究遵循“低成本、高性能”原则取得了快速发展,表现出一些新的特点和发展趋势。主要表现在以下方面:7.1动态环境建模技术虚拟环境的建立是VR技术的核心内容,动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。7.2实时三维图形生成和显示技术三维图形的生成技术已比较成熟,而关键是如何“实时生成”,在不降低图形的质量和复杂程度的前提下,如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外,VR还依赖于立体显示和传感器技术的发展,现有的虚拟设备还不能满足系统的需要,有必要开发新的三维图形生成和显示技术。7.3适人化、智能化人机交互设备的研制虽然头盔和数据手套等设备能够增强沉浸感,但在实际应用中,它们的效果并未达到沉浸交互的目的。采用人类最为自然的视觉、听觉、触觉和自然语言等作为交互的方式,会有效地提高虚拟现实的交互性效果。8.结束语虚拟现实技术是一个极具潜力的前沿研究方向，是面向21世纪的重要技术之一，正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。随着虚拟我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未客服的技术保障。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的集合作用问题。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底地克服了。虽然如此，但它独特的优势特长为各个领域的发展提供了一个全新的突破口，同时，我们也相信，随着计算机技术，尤其是网络技术的飞速发展虚拟现实技术将会得到更为长足的发展，必将更为广泛地应用于各个领域为人类的生产生活带来全新的面貌。参考文献：[1]张怡.虚拟技术中的主客体关系.东华大学学报.2001,1(1):5-9.[2]张凯威.基于OpenGL的军事地形仿真系统的研究与实现:（硕士学位论文）.吉林：吉林大学，2008.[3]龚建华,林珲、谭倩虚拟香港中文大学校园的设计与初步试验.测试学报.2002,31(1):39.[4]姜学智,李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状.辽宁工程大学技术学报.2004,23(2):238-240.[5]葛艳红,李文锋.基于Java的VRML虚拟场景人机交互的实现.交通与计算机.2003,21(2):35-37.[6]葛艳红,李文锋.基于Java的VRML虚拟场景人机交互的实现.交通与计算机.2003,21(2):35-37.[7]陈阿林胡朝晖祁相志校园虚拟现实三维场景建模技术及实现方法研究.重庆师范大学学报:2007,24(4):1-4.