虚拟现实概述

一、虚拟现实技术概述自从计算机发明以来，计算机一直是传统信息处理环境的主体，它只具有在数字化的单维信息空间中处理问题的能力。而事实上，人类是依靠自己的感知和认知能力全方位的获取知识，是在多维化的信息空间中认识问题。这样就产生了人类认识问题的认识空间与计算机处理问题的信息空间不一致的矛盾，人类被排斥在计算机为主体的信息处理环境之外，而且较难以直接理解信息处理工具的处理结果，更难以把人类的感知能力和认知经验与计算机信息处理环境直接联系起来。因此，人们迫切需要突破现有的数字计算机只能处理单纯数字信息的限制，建立一个能包容图像、声音、化学气味等多种信息源的信息空间，人们不但可以从外部观察信息处理的结果，而且能通过视觉、听觉、嗅觉、口令、手势等多种形式参与到信息处理环境中去，这种信息处理环境被称为虚拟环境。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真。虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统(其中虚拟世界是全体虚拟环境的总称)。通过虚拟现实系统所建立的信息空间，已不再是单纯的数字信息空间，而是一个包容多种信息的多维化的信息空间(Cyberspace)，人类的感性认识和理性认识能力都能在这个多维化的信息空间中得到充分的发挥。要创建一个能让参与者具有身临其境感，具有完善地交互作用能力的虚拟现实系统，在硬件方面，需要高性能的计算机软硬件和各类先进的传感器；软件方面，主要是需要提供一个能产生虚拟环境的工具集。二、国内外虚拟现实技术的研究状况2.1国外虚拟现实技术的研究（1）、美国的研究状况美国是从事虚拟现实研究最早、研究范围和水平最高、相关研究对国家发展贡献最大的国家，从事虚拟现实的大学包括MIT、Stanford大学、华盛顿大学、UniversityofIllinoisatChicago、CMU等几乎所有著名的大学，其研究内容侧重新概念发展(如虚拟现实的概念模型)、单项关键技术(如触觉反馈)和系统实现，并参加了许多有关虚拟现实的国家项目。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。（2）、日本的研究状况在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中，日本是居于领先位置的国家之一，主要致力于建立大规模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。但日本大部分虚拟现实硬件是从美国进口的。（3）、英国的研究与开发在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，在欧洲英国是领先的。到1991年底，英国已有从事VR的六个主要中心，它们是WIndustries（工业集团公司），BritishAerospace（英国航空公司），DimensionInternational，DivisionLtd，AdvancedRoboticsResearchCenter和VirtualPresenceLtd（主要从事VR职产品销售）。（4）、欧洲其它国家VR的研究在欧洲其它一些较发达的国家如：荷兰、德国、瑞典等也积极进行了VR的研究与应用。瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境，是一个基于Unix的，不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室(TNO-PEL)开发的训练和模拟系统，通过改进人机界面来改善现有模拟系统，以使用户完全介入模拟环境。德国的计算机图形研究所(IGD)的测试平台，用于评估VR对未来系统和界面的影响，以及向用户和生产者提供通向先进的可视化、模拟技术和VR技术的途径。另外，德国在建筑业、汽车工业及医学界等也较早应用了VR技术，如德国一些著名的汽车企业奔驰、宝马、大众等都使用了VR技术；制药企业将VR用于新药的开发；医院开始用人体数字模型进行手术实验。2.2国内虚拟现实技术的研究国内研究状况和一些发达国家相比，我国VR技术起步较晚，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，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列入了研究项目。国内一些重点院校已积极投入到了这一领域的研究工作。北京航空航天大学计算机系：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；实现了分布式虚拟环境网络设计，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。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，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。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，提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度。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。当前，我国专注于虚拟现实与仿真领域的软硬件研发与推广，已具备了国际上比较先进的虚拟现实技术解决方案和相关服务，产品有:虚拟现实编辑器(VRP-Builder)、数字城市仿真平台(VRP-Digicity)、物理模拟系统(VRP-Physics)、三维网络平台(VRPIE)、工业仿真平台(VRP-Indusim)，三维仿真系统开发包(VRP-SDK)，以及多通道环幕立体投影解决方案等，能够满足不同领域不同层次的客户对虚拟现实的需求。02年和07在国家级重点项目数字奥运仿真中发挥了重要的作用，为08奥运虚拟现实提供了技术支持。三、虚拟现实技术的特征及其构成3.1虚拟现实技术的特征G.Burdea在《虚拟现实系统和它的应用》一文中，用三个“I”、“Immersion”、“Interaction”、“Imagination”来说明虚拟现实的特征，即沉浸、交互、想象，三者缺一不可。（1）、沉浸性(Immersion)是指用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。（2）、交互性(Interaction)是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。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。（3）、多感知性(Imagination)。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中通过人机交互，可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。研究和开发VR是为了扩展人类的认知与感知能力，建立和谐的人机环境。VR技术是人与技术完善的结合，它是计算机图形学和人-机交互技术发展之产物，人在整个系统中占有十分重要的地位。利用VR技术的手段，使我们对所研究的对象和环境获得“身临其境”的感受，从而提高人类认知的广度与深度，拓宽人类认识客观世界的“认识空间”和“方法空间”，最终达到更本质地反映客观世界的实质。3.2虚拟现实系统的种类分类的依据不同，虚拟现实的种类也就不同。根据目前的发展来看，最常见的虚拟现实分类标准是按照其功能高低来进行划分。虚拟现实按其功能高低大体可分为四类：桌面级虚拟现实系统(DesktopVR)，沉浸式虚拟现实系统（ImmersionVR），分布式虚拟现实系统（DistributedVR），增强现实性虚拟现实系统。（1）、桌面级虚拟现实系统桌面级虚拟现实系统是利用个人计算机和低级工作站实现仿真，计算机的屏幕作为参与者或用户观察虚拟环境的一个窗口，各种外部设备一般用来驾驭该虚拟环境，并且用于操纵在虚拟场景中的各种物体。由于桌面级虚拟现实系统可以通过桌上型机实现，所以成本较低，功能也比较单一，主要用于计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、建筑设计、桌面游戏等领域。（2）、沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统采用头盔显示，以数据手套和头部跟踪器为交互装置，把参与者或用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，使参与者暂时与真实环境相隔离，而真正成为虚拟现实系统内部的一个参与者，并可以利用各种交互设备操作和驾驭虚拟环境，给参与者一种充分投入的感觉。沉浸式虚拟现实能让人有身临其境的真实感觉，因此常常用于各种培训演示及高级游戏等领域。但是由于沉浸式虚拟现实需要用到头盔、数据手套、跟踪器等高技术设备，因此它的价格比较昂贵，所需要的软件、硬件体系结构也比桌面级虚拟现实系统更加灵活。（3）、分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统，是指在网络环境下，充分利用分布于各地的资源，协同开发各种虚拟现实。分布式虚拟现实是沉浸式虚拟现实的发展，它把分布于不同地方的沉浸式虚拟现实系统通过网络连接起来，共同实现某种用途，它使不同的参与者联结在一起，同时参与一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，使用户协同工作达到一个更高的境界。在目前，分布式虚拟现实主要基于两种网络平台，一类是基于Internet的虚拟现实，另一类是基于告诉专用网的虚拟现实。（4）、增强现实性虚拟现实系统增强现实性虚拟现实系统又称为混合虚拟现实系统，它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，即可减少构成复杂真实环境的开销，因为部分真实环境由虚拟环境代替，又可对实际物体进行操作，因为部分系统就是真实环境，从而真正达到了亦真亦幻的境界。另外，还有一些其他的分类方法，如根据虚拟现实生成的方式，可将其分为基于几何模型的图形构造虚拟现实和基于实景图像的虚拟现实系统；根据虚拟现实生成器的性能和组成可将其分为四类：基于PC机的虚拟现实系统、基于工作站的虚拟现实系统、高度平行的虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统；根据交互界面的不同可将其分为五类：世界之窗、视频映射、沉浸式系统、遥控系统、混合系统。3.3虚拟现实系统的构成虚拟现实系统的模型表示如图。用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它反馈信息(如触觉、力觉反馈等)。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用(如遥操作等)。虚拟现实系统主要由以下六个模块构成，如图。（1）检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。（2）反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。（3）传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。（4）控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。(5)建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。3.4虚拟现实系统的关键技术虚拟现实的关键技术包括以下几方面:（1）、动态环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。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。三维数据的获取可以采用CAD技术(有规则的环境)，而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。建模包括几何建模、物理建模、运动建模。（2）、实时三维图形生成技术。三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现实时生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧/s，最好是高于30帧