9A文虛擬現(xiàn)實(shí)概述

1、MeiWei 81 重點(diǎn)借鑒文檔】 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述 自從計(jì)算機(jī)發(fā)明以來(lái)， 計(jì)算機(jī)一直是傳統(tǒng)信息處理環(huán)境的主體， 它只具有在數(shù)字化的單 維信息空間中處理問題的能力。 而事實(shí)上， 人類是依靠自己的感知和認(rèn)知能力全方位的獲取 知識(shí)，是在多維化的信息空間中認(rèn)識(shí)問題。 這樣就產(chǎn)生了人類認(rèn)識(shí)問題的認(rèn)識(shí)空間與計(jì)算機(jī) 處理問題的信息空間不一致的矛盾， 人類被排斥在計(jì)算機(jī)為主體的信息處理環(huán)境之外， 而且 較難以直接理解信息處理工具的處理結(jié)果， 更難以把人類的感知能力和認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)信 息處理環(huán)境直接聯(lián)系起來(lái)。 因此， 人們迫切需要突破現(xiàn)有的數(shù)字計(jì)算機(jī)只能處理單純數(shù)字信 息的限制， 建立一個(gè)能包容圖像、聲音、

2、 化學(xué)氣味等多種信息源的信息空間，人們不但可以 從外部觀察信息處理的結(jié)果，而且能通過視覺、聽覺、嗅覺、口令、手勢(shì)等多種形式參與到 信息處理環(huán)境中去， 這種信息處理環(huán)境被稱為虛擬環(huán)境。 虛擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的， 通過 視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真。 虛擬現(xiàn)實(shí)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（其中虛擬世界是全體虛擬環(huán)境 的總稱 ）。通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所建立的信息空間，已不再是單純的數(shù)字信息空間，而是一個(gè) 包容多種信息的多維化的信息空間 （CRberspace），人類的感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)能力都能在這 個(gè)多維化的信息空間中得到充分的發(fā)揮。 要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)能讓參與者

3、具有身臨其境感， 具有完善地交互作用能力的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)， 在 硬件方面， 需要高性能的計(jì)算機(jī)軟硬件和各類先進(jìn)的傳感器； 軟件方面， 主要是需要提供一 個(gè)能產(chǎn)生虛擬環(huán)境的工具集。 國(guó)內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究狀況 2.1 國(guó)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究 （1）、美國(guó)的研究狀況 美國(guó)是從事虛擬現(xiàn)實(shí)研究最早、 研究范圍和水平最高、 相關(guān)研究對(duì)國(guó)家發(fā)展貢獻(xiàn)最大的 國(guó)家，從事虛擬現(xiàn)實(shí)的大學(xué)包括 MIT 、Stanford 大學(xué)、華盛頓大學(xué)、 UniversitRofIllinoisatChicago 、 CMU 等幾乎所有著名的大學(xué)， 其研究?jī)?nèi)容側(cè)重新概念發(fā)展 （如虛擬現(xiàn)實(shí)的概念模型 ）、單項(xiàng)關(guān) 鍵技術(shù) （如觸覺反

4、饋 ）和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并參加了許多有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)的國(guó)家項(xiàng)目。美國(guó)VR 研究技 術(shù)的水平基本上就代表國(guó)際 VR發(fā)展的水平。 目前美國(guó)在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、 用戶界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面。 （2）、日本的研究狀況 在當(dāng)前實(shí)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究與開發(fā)中， 日本是居于領(lǐng)先位置的國(guó)家之一， 主要致力 于建立大規(guī)模 VR 知識(shí)庫(kù)的研究。另外在虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲方面的研究也做了很多工作。但日 MeiWei_81 重點(diǎn)借鑒文檔】 MeiWei 81 重點(diǎn)借鑒文檔】 本大部分虛擬現(xiàn)實(shí)硬件是從美國(guó)進(jìn)口的。 (3) 、英國(guó)的研究與開發(fā) 在 VR 開發(fā)的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設(shè)備(包括觸覺反饋)設(shè)

5、計(jì)和應(yīng) 用研究方面，在歐洲英國(guó)是領(lǐng)先的。到 1991 年底，英國(guó)已有從事 VR 的六個(gè)主要中心，它 們是 WIndustries(工業(yè)集團(tuán)公司) ，BritishAerospace( 英國(guó)航空公司) ，DimensionInternational ， DivisionLtd ， AdvancedRoboticsResearchCenter 和 VirtualPresenceLtd (主要從事 VR 職產(chǎn)品銷 售)。 (4) 、歐洲其它國(guó)家 VR的研究在歐洲其它一些較發(fā)達(dá)的國(guó)家如：荷蘭、 德國(guó)、 瑞典等也積極進(jìn)行了 VR的研 究與應(yīng)用。瑞典的 DIVE分布式虛擬交互環(huán)境，是一個(gè)基于 UniR 的

6、，不同節(jié)點(diǎn)上的多個(gè)進(jìn)程 可以在同一世界中工作的異質(zhì)分布式系統(tǒng)。 荷蘭海牙 TNO 研究所的物理電子實(shí)驗(yàn)室 (TNO-PEL) 開發(fā)的訓(xùn)練和模擬系統(tǒng)， 通過改進(jìn)人機(jī)界面來(lái)改善現(xiàn)有模擬系統(tǒng)， 以使用戶完全介入模擬環(huán) 境。德國(guó)的計(jì)算機(jī)圖形研究所 (IGD)的測(cè)試平臺(tái)，用于評(píng)估 VR 對(duì)未來(lái)系統(tǒng)和界面的影響，以 及向用戶和生產(chǎn)者提供通向先進(jìn)的可視化、模擬技術(shù)和 VR 技術(shù)的途徑。另外，德國(guó)在建筑 業(yè)、汽車工業(yè)及醫(yī)學(xué)界等也較早應(yīng)用了 VR 技術(shù)，如德國(guó)一些著名的汽車企業(yè)奔馳、寶馬、 大眾等都使用了 VR技術(shù)；制藥企業(yè)將 VR 用于新藥的開發(fā)；醫(yī)院開始用人體數(shù)字模型進(jìn)行 手術(shù)實(shí)驗(yàn)。 2.2 國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技

7、術(shù)的研究 國(guó)內(nèi)研究狀況和一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)VR 技術(shù)起步較晚，還有一定的差距，但已引 起政府有關(guān)部門和科學(xué)家們的高度重視。根據(jù)我國(guó)的國(guó)情制定了開展VR 技術(shù)的研究，九五 規(guī)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃等都把 VR 列入了研究項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)一 些重點(diǎn)院校已積極投入到了這一領(lǐng)域的研究工作。 北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系： 著重研究了 虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理； 在虛擬現(xiàn)實(shí)中的視覺接口方面開發(fā)出部分硬件， 并 提出有關(guān)算法及實(shí)現(xiàn)方法； 實(shí)現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)， 可以提供實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、 虛擬現(xiàn)實(shí)演示環(huán)境、 用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、 虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)等

8、。 浙 江大學(xué) CAD利 用其它的環(huán)境編輯器對(duì)環(huán)境進(jìn)行渲染。利用 VR 技術(shù)多感通道編輯器對(duì)以視覺為主的感覺 進(jìn)行仿真，使用戶能以真實(shí)的感覺“進(jìn)入”地圖。利用數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器等交互工具 從分析應(yīng)用工具箱中提供應(yīng)用工具， 模擬人在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行工作， 如距離量算、 面積計(jì)算 等。 （2）、在軍事現(xiàn)代化中的應(yīng)用 怎樣進(jìn)行無(wú)人戰(zhàn)爭(zhēng)是當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)。 要進(jìn)行無(wú)人戰(zhàn)爭(zhēng)的前提是要熟悉敵方的各種情況 以及能靈活指揮。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)此目的。利用VR 技術(shù)的強(qiáng)大三維場(chǎng)景模型， 就可使指揮官親臨前線， 掌握敵人的盡可多情況。 在現(xiàn)在的導(dǎo)彈發(fā)射中， 就是利用虛擬現(xiàn)實(shí) 技術(shù)， 使人在屏幕上跟蹤其運(yùn)動(dòng)軌跡

9、，動(dòng)態(tài)調(diào)整其運(yùn)動(dòng)方向，使其順利到達(dá)其目標(biāo)。美國(guó)的 太空演習(xí)戰(zhàn)中也就是利用 VR 技術(shù)。VR技術(shù)在軍事中的應(yīng)用隨著高科技的發(fā)展會(huì)越來(lái)越重要， 其發(fā)揮的威力也會(huì)更大。 （3）、在 GIS中的應(yīng)用 在 GIS中利用 VR 技術(shù)的三維場(chǎng)景模型和多感通道編輯器來(lái)對(duì)三維地物進(jìn)行視覺的仿真， 使人親臨地物之中， 具有逼真的感覺。 在利用 VR技術(shù)中，地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)的支持特別重要。 MeiWei_81 重點(diǎn)借鑒文檔】 MeiWei 81 重點(diǎn)借鑒文檔】 地理數(shù)據(jù)庫(kù)以地形數(shù)據(jù)為主，包括地形、水下、居民點(diǎn)、交通線、地物的三維數(shù)據(jù)等，是生 成空間定位地形圖像的基礎(chǔ)。 與之相配合的是地面影像數(shù)據(jù)庫(kù)， 這是根據(jù)已定位的

10、航空照片 與衛(wèi)星照片數(shù)字化而成，是構(gòu)成地形三維圖像的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。 （4）、在空間信息可視化的應(yīng)用 空間信息可視化一直是中國(guó)地圖科學(xué)家關(guān)注的問題， 其實(shí)現(xiàn)的主要途徑是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。 （5）、在其它方面的應(yīng)用 VR技術(shù)在圖像處理、電影業(yè)、文藝方面、醫(yī)療、娛樂、機(jī)器視覺等都有很大的作用。 五、虛擬現(xiàn)實(shí)的幾個(gè)瓶頸問題 （1）、虛擬環(huán)境表示的準(zhǔn)確性。 為使虛擬環(huán)境與客觀世界相一致， 需要對(duì)其中種類繁多、構(gòu) 形復(fù)雜的信息做出準(zhǔn)確、 完備的描述。同時(shí)， 需要研究高效的建模方法，重建其演化規(guī)律以 及虛擬對(duì)象之間的各種相互關(guān)系與相互作用。 （2）、虛擬環(huán)境感知信息合成的真實(shí)性。 抽象的信息模型并不能直接為人類

11、所直接感知， 這 就需要研究虛擬環(huán)境的視覺、 聽覺、 力覺和觸覺等感知信息的合成方法， 重點(diǎn)解決合成信息 的高保真性和實(shí)時(shí)性問題，以提高沉浸感。 （3）、人與虛擬環(huán)境交互的自然性。 合成的感知信息實(shí)時(shí)地通過界面?zhèn)鬟f給用戶， 用戶根據(jù) 感知到的信息對(duì)虛擬環(huán)境中事件和態(tài)勢(shì)做出分析和判斷， 并以自然方式實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交 互。這就需要研究基于非精確信息的多通道人機(jī)交互模式和個(gè)性化的自然交互技術(shù)等， 以提 高人機(jī)交互效率。 （4）、實(shí)時(shí)顯示問題。盡管理論上講能夠建立起高度逼真的，實(shí)時(shí)漫游的 VR，但至少現(xiàn)在 來(lái)講還達(dá)不到這樣的水平。 這種技術(shù)需要強(qiáng)有力的硬件條件的支撐， 例如速度極快的圖形工 作站和三

12、維圖形加速卡， 但目前即使是最快的圖形工作站也不能產(chǎn)生十分逼真， 同時(shí)又是實(shí) 時(shí)交互的 VR。其根本原因是因?yàn)橐肓擞脩艚换?，需要?jiǎng)討B(tài)生成新的圖形時(shí)，就不能達(dá)到 實(shí)時(shí)要求，從而不得不降低圖形的逼真度以減少處理時(shí)間，這就是所謂的景物復(fù)雜度問題。 （5）、圖形生成。 圖形生成是虛擬現(xiàn)實(shí)的重要瓶頸， 虛擬現(xiàn)實(shí)最重要的特性是人可以在隨意 變化的交互控制下感受到場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)特性，換句話說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)要求隨著人的活動(dòng) （位 置、方向的變化 ） 即時(shí)生成相應(yīng)的圖形畫面。 （ 6）、智能技術(shù) （ArtificialIntelligence ，簡(jiǎn)稱 AI）。在 VR 中，計(jì)算機(jī)是從人的各種動(dòng)作，語(yǔ)言 等變化中獲

13、得信息，要正確理解這些信息，需要借助于 AI 技術(shù)來(lái)解決，如語(yǔ)音識(shí)別、圖像 識(shí)別、自然語(yǔ)言理解等，這些智能接口領(lǐng)域的研究課題是 VR 技術(shù)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是 VR 技 術(shù)的難點(diǎn)。 本質(zhì)上，上述 6 個(gè)問題的解決使得用戶能夠身臨其境地感知虛擬環(huán)境，從而達(dá)到探索、 認(rèn)識(shí)客觀事物的目的。 概括地說(shuō)，圍繞著虛擬現(xiàn)實(shí)展開的研究都是圍繞著這 6 個(gè)基本問題的。 六、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展與展望 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是 20 世紀(jì)末才興起來(lái)的一門嶄新綜合性的信息技術(shù)，尚處于初創(chuàng)時(shí)期， 遠(yuǎn)未達(dá)到成熟階段。 雖然我們也許不能清楚地設(shè)想出， 新世紀(jì)里虛擬現(xiàn)實(shí)出現(xiàn)并普及的新形 式，但我們能通過應(yīng)用媒介形態(tài)變化原則和延伸媒介領(lǐng)

14、域的主要傳播特性， 對(duì)未來(lái)的發(fā)展方 向做一些展望。 （1）、動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。 虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容， 而動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的就是對(duì)實(shí)際環(huán) 境的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，從而建立對(duì)應(yīng)的虛擬環(huán)境模型，創(chuàng)建出虛擬環(huán)境。 （2）、實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示技術(shù)。 在生成三維圖形方面，目前的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，關(guān)鍵是怎么樣才能夠做到實(shí)時(shí)生成， 在不對(duì)圖形的復(fù)雜程度和質(zhì)量造成影響的前提下， 如何讓刷新頻率得到有效的提高是今后重 要的研究?jī)?nèi)容。 另外， 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還依賴于傳感器技術(shù)和立體顯示技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的虛 MeiWei_81 重點(diǎn)借鑒文檔】 MeiWei 81 重點(diǎn)借鑒文檔】 擬設(shè)備還不能夠讓系統(tǒng)的需要得到充分的滿足，需要開發(fā)全新的三維圖形生成和顯示技術(shù)。 （3）、適人化、智能化人機(jī)交互設(shè)備的研制。 雖然手套和頭盔等設(shè)備能夠讓沉浸感增強(qiáng)， 但在實(shí)際使用當(dāng)中效果并不盡如人意。 交互 方式使用最自然的視覺、 聽覺、 觸覺和自然語(yǔ)言的話， 能夠讓虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性效果得到有 效的提高。 （4）、大型網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的研究與應(yīng)用。 網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)是指多個(gè)用戶在一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)集合當(dāng)中， 對(duì)新型的人機(jī)交互設(shè)備 進(jìn)行一個(gè)用， 介入計(jì)算機(jī)中， 產(chǎn)生適用于用戶的虛擬情景環(huán)境。 分布式虛擬環(huán)境系統(tǒng)除了要 讓復(fù)雜虛擬環(huán)境計(jì)算的需求得到滿足之外， 還需要讓協(xié)同工作以及分布式仿真等應(yīng)用對(duì)