虚拟现实技术

虚拟现实技术韩xx30xxxxxxxx工科试验班xxxxAbsract:阐述了虚拟现实的定义、重要特征和硬软件基础,研究了虚拟环境的体系结构、组成模块、实现方法和系统分类方法,探讨了其技术的主要应用领域以及该技术带来的哲学思考.Keywords:虚拟现实;体系结构;虚拟制造；哲学思考。Introduction:虚拟现实(VirtualReality,VR),又称虚拟环境(VirtualEnvironment,VE)或灵境,是20世纪90年代最重要的成就之一,被称为“放大智慧的工具”,也有人认为“21世纪的计算机是虚拟现实计算机”.1虚拟现实的定义、重要特征和硬软件基础1.1虚拟现实的定义虚拟现实技术可以定义为对现实世界进行五维时空的仿真,即除了对三维空间和一维时间仿真外,还包含对自然交互方式的仿真.它由计算机生成,通过视、听、触觉等作用于用户,使之产生身临其境的交互式场景仿真,是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统.一个完整的虚拟现实系统包含一个逼真的三维虚拟环境和符合人们自然交互习惯的人机交互界面,分布式虚拟现实系统还要包含用于共享信息的人机交互界面.1.2虚拟现实的重要特征虚拟现实技术是计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术等技术综合发展的产物.它具有以下4个特征:(1)多感知性(Multisensory),所谓多感知性就是除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、触觉感知、力觉感知、运动感知,甚至包括味觉感知、嗅觉感知等.理想的虚拟现实环境应该包含对人自然交互方式的模拟,能提供给用户以视觉、听觉、触觉、嗅觉甚至味觉等多感通道.(2)存在感(Presence),又称沉浸感(Immersion),在虚拟现实的环境中,用户能感到自己成为了一个“发现者和行动者”.例如,视场中的景物随着人的走动或头部的转动甚至眼球的转动而变动.理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度.(3)交互性(Interaction),是指用户可以对模拟环境中的物体直接操作,并从环境得到信息或感受.例如,用户可以用手去直接抓取模拟环境中的物体,这时手要有握着东西的感觉,并可以感觉物体的重量(其实这时手里并没有实物),视场中被抓的物体也立刻随着手的移动而移动.(4)自主性(Autonomy),是指虚拟环境中的对象具有依据物理定律动作的能力.例如,当受到力的推动时,物体会向力的方向移动,或反倒,或从桌面落到地面等[1].虚拟现实技术是一种为改善人与计算机的交互方式,提高计算机可操作性的人机界面综合技术.与其它计算机系统相比,虚拟环境可提供实时交互性操作、三维视觉空间和多通道(视觉、听觉、触觉、嗅觉)的人机界面.虚拟环境的三维属性和高保真性,使用户从单纯观测计算结果中解脱出来,沉浸到计算机创造的环境中,通过多种传感器和多维信息环境的交互作用,得到感性和理性的认识,从而深化概念并萌生新的创造思维.1.3虚拟现实的硬软件基础虚拟现实的主要硬件设备包括:高性能计算机;广角(宽视野)的立体显示设备;观察者(头、眼)的跟踪设备;人体姿势的跟踪设备;立体声设备;触觉、力反馈;语言输入输出等硬件设备[2].系统交互性是虚拟现实系统的首要特性.为了允许人机交互,必须使用特殊的人机接口与外部设备,既要允许用户将信息输入到计算机,也要使计算机能反馈信息给用户.今天的外部设备在功能和目的上各不相同.例如,身体运动由3-D位置跟踪器跟踪,手势由传感手套数字化,视觉反馈发送给立体显示器,虚拟声音由3-D声音生成器计算,观察方向随跟踪球和操作杆改变等.虚拟环境中采用的软件有四类:(1)语言类:如C++、OpenGL、VRWL等.(2)建模软件类:如AutoCAD、SolidWorks、ProPEngineer、I-DEAS、CATIA等.(3)应用软件类:指用户自己的各种需求,选择或者开发的自用软件.(4)通用的商用工具软件包:帮助用户建立虚拟环境的通用和基本的软件,可以使用户显著地加快虚拟现实系统的开发进程.可用于建立虚拟环境的图形软件包有:WTK、OpenGL、Java3D、VRML等.2虚拟现实技术的体系结构2.1虚拟环境的系统结构虚拟环境(VirtualEnvironment,VE)是体现了虚拟现实所具备的功能的一种计算机环境.虚拟环境技术的体系结构可以用图1所示的3-I“三角形”来表示，所谓的“3-I”是：Immersion-Interaction-Imagination(沉浸-交互-构想)。典型的虚拟现实系统有VIDEOPLACE系统、VIEW系统、SuperVision系统等.VIEW系统是第一个走出实验室进入工业应用的虚拟环境系统,它允许操作者以自然的交互手段考察全视角的人工世界,目前大多数虚拟现实系统体系结构都是由此发展而来的.图1虚拟现实硬件系统结构2.2虚拟现实系统的组成模块虚拟现实系统由以下模块组成:(1)输入模块:是虚拟现实系统的输入接口,其功能是检测用户的输入信号,并通过传感模块作用于虚拟环境.输入模块一般是数据手套、头盔显示器上的传感器,用于感应手的动作、手和头部的位置;对于桌面现实系统而言,输入模块一般是键盘、鼠标、麦克风等.2)传感器模块:是虚拟现实系统中操作者和虚拟环境之间的桥梁.一方面,传感器模块接受输入模块产生的信息,并将其作用于虚拟环境;另一方面将操作后产生的结果反馈给输入模块.(3)响应模块:是虚拟现实系统的控制中心.响应模块一般是软件模块,其作用是处理来自传感器模块的信息,如根据用户视点位置和角度实时生成三维模型根据用户头部的位置实时生成声效.(4)反馈模块:是虚拟现实系统的输出接口.其功能是将响应模块生成的信息通过传感器模块传给输出设备,如头盔显示器、耳机等,实时渲染视觉效果和声音效果.从系统组成结构来看,虚拟现实的体系结构如图2所示.图2虚拟现实系统组成结构2.3虚拟环境的实现方法产生虚拟环境的基本方法有两种,即基于图像的方法(Image-BasedMethod)和基于模型的方法(Model-BasedMethod).2.3.1基于图像的方法:全景图生成技术是基于图像方法的关键技术.了解全景图要先了解两个概念:其一,视点———是指用户某一时刻在虚拟实景空间中的观察点,观测时所用的焦距固定.其二,视点空间———是指某一视点处用户所观察到的场景.全景图实际上是空间中一个视点对周围环境的360度全封闭视图.根据视点全景图允许浏览的空间自由度,全景图可分为柱面全景图和球面全景图.全景图生成涉及图像无缝连接技术和纹理映射技术,其原始资料是利用照相机的平移或旋转得到的部分重叠的序列图像技术样本.纹理映射技术用于形成封闭的纹理映射空间,如柱面纹理映射空间和球面纹理映射空间.用户可以在柱面全景空间进行水平360度范围内任意视线切换,在球面全景空间进行经纬360度范围内任意视线切换.2.3.2基于模型的方法:又称为基于景物几何的方法,是以几何实体建立虚拟环境.几何实体可采用计算机图形学技术绘制,也可用已有的建模工具如AutoCAD、3Dstudio等建立模型,然后以统一数据格式输出,进行实时渲染.建立虚拟现实模型后,通过加入事件响应,实现移动、旋转、视点变换等操作,从而实现交互式虚拟环境.基于模型的方法主要涉及以下关键技术:(1)三维实体几何建模技术.虚拟环境的建模是虚拟现实技术的核心内容,动态建模则是建模技术的难点.动态建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型.(2)实时渲染技术.如果实时性不好,用户在虚拟环境中浏览或操纵时,会出现视觉或听觉滞后;如果从一个视点转向另一个视点,或操纵虚拟环境中的物体时,需要等待很长时间,用户很难在虚拟环境中获得参与感和沉浸感.(3)碰撞检测、干涉效验及关联运动.在机械虚拟装配、机械设备虚拟布局等技术中,碰撞检测和干涉效验显得尤为重要.关联运动则反映虚拟环境中物体之间的连动关系.目前还没有很好地解决碰撞检测的完全性和唯一性问题的高效算法,对于虚拟环境下关联运动的研究还是空白.(4)物理属性.包括实体表面光滑程度、光学效果、软硬程度、密度、力学特性等.软触觉与力反馈是基于模型的虚拟环境物理属性的主要实现方法.由于软件瓶颈的限制,虚拟环境的物理属性一直是虚拟技术的难点.2.4虚拟环境系统的分类方法根据显示方式可分为桌面式、佩带式和全景式[3].桌面式系统场景通过计算机屏幕显示,用户用立体眼镜观察,声音由台式或室内音响系统提供.佩带式是用头盔将用户视听觉与外界隔离,使用户完全沉浸在计算机生成的虚拟环境中,计算机通过位置跟踪器、数据手套或跟踪球等感知用户的运动、姿态及行为,并反馈到场景及声音系统中,产生人在其中的效果.全景式虚拟现实系统是投影系统,生成洞穴式虚拟现实.观察者佩带立体眼镜和头部跟踪器,当观察者移动时,立体投影生成器计算出各面墙上的图像.根据与外界真实世界的关系可分为封闭式与开放式两类.封闭式虚拟现实系统不与真正世界发生交互,任何操作不对外界产生直接影响,例如娱乐系统或单纯的验证预演、仿真系统.开放式虚拟现实系统则通过传感器和控制器与外界构成交互作用,系统可根据用户要求对外界产生直接作用并得到相应反馈信息,例如遥控机器人、遥控空间站及遥控手术系统等.根据采用的计算机不同可以分为基于微机的系统、基于工作站和分布式虚拟现实系统.基于微机的系统由486以上的计算机构成,由图形加速卡将生成的压缩图像信息,经解压缩和制式转换后分别送到左右眼显示器显示图像;三维声效卡产生三维声音;位置跟踪器跟踪头部位置的变化.基于工作站的虚拟现实系统采用若干个UNIX工作站,通过以太网构建服务器接口.系统采用Fastrak低频磁场方向跟踪器跟踪操作手的位置,用RMⅡ力反馈手套检测手指的弯曲姿态,服务器SUN4P380通过数据获取板读取力反馈手套RMⅡ的检测数据,当检测到虚拟手指与物体接触时,根据物体的物理机械特性向反馈手套输出反馈数据,使操作手产生触觉,并向图像处理服务器HP715P75输出物体变形数据,产生变形图像.服务器SUNELC运行声音处理程序,发出相应声音.分布式虚拟现实系统可以使设计者和工程师用三维方式进行实时交互,及时消除设计上的缺陷,缩短产品投放市场的时间.3虚拟现实技术的主要应用领域3.1在汽车制造业的应用近年来,虚拟现实技术在汽车制造业得到了广泛的应用.例如,美国通用汽车公司利用虚拟现实系统CAVE(Computer-AssistedVirtualEnvironment)来体验置于汽车之中的感受,其目标是减少或消除实体模型,缩短开发周期.CAVE系统同样可用来进行车型设计,可以从不同的位置观看车内的景像,以确定仪器仪表的视线和外部视线的满意性和安全性.1997年5月福特公司宣布,它已成为第一个着眼于“地球村”概念的采用计算机虚拟设计装配工艺的汽车厂商.使用“虚拟工厂”已经使得福特公司的产品开发节约时间、降低成本,并使设计的汽车更适合组装和维修,具有很高的质量.福特公司使用“虚拟工厂”的战略目标是减少生产中采用的90%的实体模型,这一目标的实现将为福特公司每年节省2亿美元.据估计,使用“虚拟工厂”将在推出一辆新车的过程中减少20%的因生产原因修改最初设计的事件.同时,福特公司正在尝试全新概念的发动机“虚拟样机”设计.英国航空实验室采用一个高分辨率头盔显示器、一个数据手套、一个三维系统音响和一台工作站为用户提供了一个由计算机生成的虚拟轿车客舱,设计人员能够精确研究轿车内部的人体工程学参数,并且在需要时可以修改虚拟部件的位置,进而可以在仿真系统中重新设计整个轿车内部.雷诺汽车公司采用了在“现实生活”的背景下加人“虚拟汽车”的方法来评估待开发的新车型.“CityFleet”就是虚拟与现实相结合的产物,它将计算机生成的虚拟汽车和实际拍摄的城市场景镜头完美地结合在一起,以得到真实车的感觉.因此不必制造物理原型就能够检测将要推向市场的汽车,检验造型与环境的匹配及适应性,这对减少汽车新车型开发周期无