毕雷-虚拟现实33

毕雷虚拟现实一、概念二、技术特征五、发展历程简述三、技术分类六、国内外研究现状七、研究困境与发展方向四、应用退出虚拟现实的概念虚拟现实(VirtualReality，简称VR)，是一项综合集成计算机图形学、人机交互技术、传感器技术、人机接口技术以及人工智能技术等，利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、嗅觉等各种感觉，用户可以通过适当的装置，在虚拟现实世界进行各项体验和交互。“灵境技术”、“虚拟环境”、“赛伯空间”、“模拟实境”、“虚拟实境”、“仿真技术”等词都可以是虚拟现实的不同术语和形式。虚拟现实的技术特征三个特征，即：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、想象性（Imagination）。沉浸性是是指用户借助各类先进的传感器进入虚拟环境，并产生“身历其境”之感，即所看到的、听到的、嗅到的、触摸到的，与真实环境中完全一样。交互性是是指用户进入虚拟环境后，以自然的方式与虚拟场景中各种对象进行相互作用的能力。想象性是是VR逼真性与实时交互性而使用户产生的更丰富的联想，扩大用户的认知领域，提高认知能力。虚拟现实技术的分类一、桌面虚拟现实系统也称窗口中的虚拟现实。它可以通过计算机显示器或其它台显示器的屏幕为虚拟环境的显示装置，其特点是虚拟系统视野小，沉浸度差，是一种初级的虚拟现实系统。但它的成本与制作要求低，易于普及和实现。功能也最简单，主要用于CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、建筑设计、桌面游戏等领域。CAD（计算机辅助设计）CAM（计算机辅助制造）建筑设计桌面游戏（二）沉浸的虚拟现实沉浸式虚拟现实系统是一种高级的虚拟现实系统，它提供一个完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。沉浸式虚拟系统是一套比较复杂的系统，它的优点是使用户全身心地沉浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备价格昂贵，难以普及推广。三、分布式虚拟现实系统是指利用因特网将分布于各地的资源连接起来，实现多个用户通过网络同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协同工作的目的，从而将虚拟现实的应用提升到了一个更高的境界。美国大型军用交互仿真系统NPSNet以及因特网上多人游戏MUD便是这类系统。四、增强现实又称混合现实系统它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，既允许用户看到真实世界，同时也可以看到叠加在真实世界的虚拟对象，这种系统可减少构成复杂真实环境的开销又可对实际物体进行操作，真正达到了亦真亦幻的境界。概括起来大致为三个阶段：一、20世纪50年代到70年代——探索阶段1965年“虚拟现实技术之父”LvanSuthedand博士首次提出了具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，随后几年又展开_『头盔式显示器(HMD)的研制工作，取得了显著的成绩，因此这一理论影响至今。在第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。虚拟现实技术的发展概述二、80年代前中期——从实验室走向实用的阶段1980年，美国JaronLanier正式提出了“VirtualReality”一词。美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究,并取得了令人瞩目的研究成果．从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。随后开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发同的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。三、90年代初到21世纪初——快速发展时期到了90年代．计算机硬件技术与软件系统极大的推动虚拟现实技术的发展，加速了大型数据集合的声音和图像的实时动画制作的发展。1993年11月。宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，用VR技术设计出由300万个零件组成的波音777飞机；1996年10月31日，世界第一个虚拟现实技术博览会在伦敦举行；同年12月，世界第一个虚拟现实环球网在英国投入运行。国内外虚拟现实的发展及其现状（一）美国研究状况美国作为VR技术的发源地，其研究水平基本上就代表国际VR发展的水平。近年来,虚拟现实在美国航空航天和军事领域的若干成功应用所获得的巨大经济效益和社会效益，促使美国政府进一步加大了对虚拟现实技术研究的支持力度。在军事领域，虚拟现实在以下三个方面发挥重大作用：（1）武器系统性能评价；（2）武器操纵训练；（3）指挥大规模军事演习。因为这将大幅度降低以上三者所需的费用，极大地提高效益，并消除意外伤亡事故。美国政府所支持的虚拟现实研究也正是紧紧围绕着提供这三种能力的系统和环境而展开的。美国的主要研究单位为：美国空军技术研究所(AirForceInstituteofTechnology)、海军研究生院图形和图像实验室(NavalPostgraduateSchoolGraphicsandVideolaboratory)、美国陆军研究所(U.S.ArmyResearchInstitute)。在航天领域，现在NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早的大学，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。我国VR技术研究较晚，与国外发达国家相比存在一定的差距，但现已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根制定了开展VR技术的研究计划。例如：九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入研究项目。甚至国内的一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。（二）中国研究现状北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理。浙江大学开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。哈尔滨工业大学已经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。纵观多年来的发展历程，VR技术研究仍将遵循“低成本、高性能”的原则，从软件、硬件上展开，并将在以下主要方向发展：一、动态环境建模技术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。未来发展方向二、实时三维图形生成和显示技术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，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。三、新型交互设备的研制例如：头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等设备。因此，新型、便宜、做工精良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。四、智能化语音虚拟现实建模虚拟现实建模如果将VR技术与智能技术、语音识别技术结合起来将会给虚拟现实的发展带来巨大的意义。虚拟现实技术发展的瓶颈虚拟现实技术的发展过程中遇到的问题很多，可以归结为3大难题：一、虚拟现实设备的“贵族化”要构建一个高质量的虚拟现实系统，首先需要昂贵的外部设备，无论是高分辩率的头盔显示器HMD，还是立体投影显示器，无论是空间定器，还是高精度的数据手套，都是价格不菲。其次，为完成复杂场景的实时渲染，还需要高性能的图形工作站以及相应的软件。在一些专用领域，但普通的信息系统用户可能会望而却步。2繁琐的三维建模基于图形的虚拟环境首先要解决的问题便是三维造型。在三维激光扫描技术上的进步提供了简化模型构造过程的想法。但是大部分的模型仍需人工绘制，而且需要聘请高水平的专业人士，所以费用是相当惊人的。如在电影《泰坦尼克号》中，为实现场景三维建模及各种特技处理所花的人工费用高达2500万美元，这笔钱足以制造一艘同样规模的真船。繁琐的三维建模也是制约虚拟现实技术发展的严重障碍。3数据量大虚拟现实技术若要得到很大的发展，必须结合Internet。目前虚拟现实技术应用的数据量很大，在网速较慢的情况下，用户必须等待较长时间，所以应该考虑数据压缩问题。（1）医学虚拟现实技术应用大致上有两类。一是虚拟人体，这样医生更容易了解人体的构造和功能。另一是虚拟手术系统，可用于指导手术的进行。（2）娱乐、艺术与教育由于在娱乐方面对虚拟现实的真实感要求不是太高，故近些年来虚拟现实技术在该方面发展最为迅猛。如Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的虚拟现实娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争。虚拟现实技术的应用（3）军事与航天工业模拟与练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为虚拟现实技术提供了广阔的应用前景。美国国防部高级研究计划局DARPA自80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统。利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的多快好省的研究战争、培训指挥员的方法。1991年海湾战争开始前，美军便把海湾地区各种自然环境和伊拉克军队的各种数据输入计算机内，进行各种作战方案模拟后才定下初步作战方案。后来实际作战的发展和模拟实验结果相当一致。在航空航天方面，宇航员利用虚拟现实系统进行各种训练，美国航空航天局计划将虚拟现实系统用于国际空间站组装、训练等工作。模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题。（4）商业虚拟现实技术常被用于推销。例如建筑工程投标时，把设计的方案用虚拟现实技术表现出来，便可把业主带入未来的建筑物里参观，如门的高度、窗户朝向、采光多少、屋内装饰等，都可以感同身受。它同样可用于旅游景点以及功能众多、用途多样的商品推销。因为用虚拟现实技术展现这类商品的魅力，比单用文字或图片宣传更加有吸引力。（5）科技开发虚拟现实技术可缩短开发周期，减少费用。例如克莱斯勒公司1998年初便利用虚拟现实技术，在设计某两种新型车上取得突破，首次使设计的新车直接从计算机屏幕投入生产线。由于利用了卓越的虚拟现实技术，使克莱斯勒避免了1500项设计差错，节约了8个月的开发时间和8000万美元费用。