虚拟现实技术介绍及在各领域的应用

虚拟现实技术介绍及在各领域的应用摘要：虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，实现了人类与虚拟世界的交互。上世纪中期开始虚拟现实技术开始萌芽，而美国为其发源地，在随后发展过程中美国、日本、德国均有巨大突破，在我国VR技术与发达国家还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视，各大高校纷纷开展相关课程。当今世界，虚拟现实技术已渗透在各个领域，教育、军事、医疗、娱乐、工业仿真、应急演练等等。虚拟现实改变了人类与科技的关系，使我们能够与虚拟世界更好的交互，造福于人类。关键字：虚拟现实发展应用一、虚拟现实技术简介虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境[1]，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统它利用计算机生成一种模拟环境是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中[1]。通过多种传感设备，用户可根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作，参与其中的事件。[2]虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。常用的有立体头盔、数据手套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置，如摄像机、地板压力传感器等。[2]虚拟现实具有以下四个重要特征①多感知性。视觉感知、听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。②存在感。指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。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。④自主性。指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。[2]虚拟现实的关键技术主要包括：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，系统集成技术。[2]通过虚拟现实技术，帮助人们更好的操作、体验一些在现实生活中存在困难或危险的事。例如危险的科学研究、军事演练、手术模拟等，人们可以通过虚拟现实技术感受各国风光、冒险等生活中难以做到的活动项目。同样，虚拟现实技术在娱乐游戏方面也做出巨大贡献，为人们的休闲生活增加更多乐趣。当今时代是科技高速发展的时代，虚拟现实技术的发展也有着重大突破。虚拟现实技术是一项造福人类的技术，在医疗、教育、军事、娱乐等各个领域均可应用，为世界科技的发展、社会的进步、人们的便利生活做出巨大贡献，目前人才空缺，发展前景很大。二、虚拟现实技术在国内外发展现状虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段有声形动态的模拟是蕴涵虚拟现实思想的第一阶段（1963）年以前，虚拟现实萌芽为第二阶段（1963-1972），虚拟现实概念的产生和理论初步形成为第三阶段（1973-1989），虚拟现实理论进一步的完善和应用为第四阶段（1990-2004）。[1]1.美国美国是VR技术的发源地。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。美国北卡罗来纳大学（UNC）的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学。麻省理工学院（MIT）是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年MIT成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。SRI研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有VR技术的进一步发展。1991年后，SRI进行了利用VR技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿真来减少飞行事故。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室（HITLab）将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中支持远程协作的分布式VR系统。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。从90年代初起，美国率先将虚拟现实技术用于军事领域，主要用于以下四个方面：一是虚拟战场环境。二是进行单兵模拟训练。三是实施诸军兵种联合演习。四是进行指挥员训练。[2]2.日本在实用虚拟现实技术的研究与开发中，日本致力于建立大规模VR知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。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。NEC公司开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使用“代用手”去处理三维CAD中的形体模型。京都的先进电子通信研究所（ATR）正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入。日本国际工业和商业部产品科学研究院开发了一种采用X、Y记录器的受力反馈装置。东京大学的高级科学研究中心将他们的研究重点放在远程控制方面。东京大学原岛研究室开展了3项研究：人类面都表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取。东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。筑波大学研究一些力反馈显示方法，开发了九自由度的触觉输入器，虚拟行走原型系统。富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与VR环境的相互作用。[2]3.中国和一些发达国家相比，我国VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。国内最早开展此项技术试验的是挂靠在西北工业大学电子工程系的西安虚拟现实工程技术研究中心。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。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统。采哈尔滨工业大学已轻成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手势动作，话音和语调的同步等。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。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术--立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且己经通过实验结果证明了这种方案的优越性。中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图象对算法回显及软件接口[2]。他们在硬件开发上己经完成了LCD红外立体眼镜，并且已经实现商品化。北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心。另外，西北工业大学CAD/CAM研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所，长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与住处科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。[2]各大高校以及正准备加入这一行列对虚拟现实技术的探索研究，足以体现我国对这一技术的重视以及这一技术的重要性，相信中国在虚拟现实技术的探索工作在不久的将来会取得重大成果。4.发展趋势1）动态环境建模技术。虚动态环境建模技术的目的就是对实际环境的三维数据进行获取，从而建立对应的虚拟环境模型，创建出虚拟环境。（2）实时三维图形生成和显示技术。3）适人化、智能化人机交互设备的研制。（4）大型网络分布式虚拟现实的研究与应用。[4]三、虚拟现实技术在各领域的应用1.游戏[1]虚拟现实技术重要的应用方向之一便是三维游戏，而三维游戏也为虚拟现实技术的发展做出巨大贡献。电脑游戏自产生以来，一直都在朝着虚拟现实的方向发展。从最初的文字MUD游戏，到二维游戏、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。游戏开发者们在不断地探索。我们相信，随着三维技术的快速发展和软硬件技术的不断进步，在不远的将来，真正意义上的虚拟现实游戏必将为人类娱乐、教育和经济发展做出新的更大的贡献。2.娱乐业[3]虚拟现实技术在现代运用最广的莫过于在娱乐业，日常生活中许多人都在体验这一“福利”，3D影院随处可见，人们在看电影的过程中感受着身临其境的体验。其次，VR眼镜也走入人们的生活，随时随地便可以有私人影院般的体验。话剧、音乐剧、舞会、晚会等也逐渐应用虚拟现实技术，带来感官上的震撼。3.医疗保障[3]医疗保健一直都是虚拟现实技术的主要应用领域。一些机构利用计算机生成的图像来诊断病情。虚拟现实模拟软件公司SurgicalTheaterandConquerMobile，使用CAT扫描或者超声波产生的诊断图像来生成患者解剖结构的3D模型。虚拟模型帮助新的和有经验的外科医生来决定最安全有效的方法定位肿瘤，决定手术切口，或者提前练习复杂的手术。除了手术，虚拟现实可以用作康复工具。在欧洲，中风和脑损伤的病人现在可以使用MindMaze创造的沉浸式虚拟现实疗法恢复运动和认知能力。MindMaze里的虚拟练习和实时反馈让恢复过程好像是玩游戏。我们相信随着虚拟现实技术的发展，未来在医学界的应用将更普遍，对人类疾病的治疗起重要作用。4.商业虚拟现实技术为现代商家的销售提供了更为便捷的介绍方式。买车的消费者可以通过虚拟现实技术感受车辆的上路效果，买房的消费者不用刻意跑一趟就可以感受房子的居住环境，喜欢购物的女孩子可以通过虚拟试衣镜等轻轻松松感受衣物配饰的上身效果……虚拟现实技术在商业的应用既便利了商家更便捷了消费者。5.文物古迹[1]利用虚拟现实技术，结合网络技术，将文物实体通过影像数据采集手段，建立起实物三维或模型数据库，保存文物原有的各项型式数据和空间关系等重要资源，实现濒危文物资源的科学、高精度和永久的保存。其次利用这些技术可以更好的找到不同文物古迹的保护手段。还可以通过计算机网络来整合文物资源，实现资源共享，人们足不出户便可感受文物古迹。6.教育[1]虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。它主要具体应用在以下几个方面：6.1科技研究虚拟现实与系统仿真的研究室，可以将科研成果迅速转化实用技术，如北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用；浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用；清华大学对临场感的研究等。虚拟学习环境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、化合物分子结构显示等，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。虚拟实验利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，拥有传统实验室难以比拟的优势。比如节约由于设备、场地、硬件带来的成本；规避实验带来的风险；打破空间时间的限制。6.2虚拟实训基地：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备。教学内容可以不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展。军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技、电器维修技能等各种职业技能的训练，由于虚拟的训练系统无任何危险，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。6.3虚拟仿真校园：虚拟校园也是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用，它由浅至深有三个应用层面，分别适应学校不同程度的需求：简单的虚拟我们的校园环境供游客浏览基于教学、教务、校园生活，功能相对完整的三维可视化虚拟校园以学员为中心，加入一系列人性化的功能，以虚拟现实技术作为远程教育基础平台虚拟远程教育虚拟现实可为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所，通过交互式远程教学的课程目录和网站，由局域网工具作校园网站的链接，可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育，还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会，创造更大的经济效益与社会效益。7.军事[3]美国军方经常使用虚拟现实模拟器训