虛擬現(xiàn)實結(jié)課論文

1、虛擬現(xiàn)實結(jié)課作業(yè)班級：學(xué)號：姓名：學(xué)科、專業(yè)：機(jī)械工程成績：摘要本文綜述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用的最新進(jìn)展。分析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究背景和狀況。重點介紹了作為遙操作界面、機(jī)器視覺三維表示、系統(tǒng)仿真方面的應(yīng)用實力和發(fā)展?fàn)顩r。分析了相應(yīng)的發(fā)展前景,并對當(dāng)前虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用中出現(xiàn)的問題提出了建議。關(guān)鍵詞虛擬現(xiàn)實,機(jī)器人學(xué),遙操作,三維重建,仿真1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念及特征虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality），是以沉浸性、交互性和構(gòu)想性為基本特征的計算機(jī)高級人機(jī)界面。它綜合利用了計算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、

2、觸覺等感覺器官功能，使人在計算機(jī)生成的虛擬境界中，通過語言、手勢等自然的方式與之進(jìn)行實時交互，創(chuàng)建了一種適人化的多維信息空間。概括地說，虛擬現(xiàn)實是一種探討如何實現(xiàn)人與計算機(jī)之間理想交互方式的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實的主要特征是：多感知性、浸沒感、交互性、構(gòu)想性。（1）沉浸性。沉浸性是是指觀察者對虛擬世界的情感反映，虛擬現(xiàn)實通過計算機(jī)生成一個非常逼真的虛擬世界，用戶利用視覺、聽覺、觸覺來感受這個虛擬世界中所發(fā)生的一切，在虛擬從事機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計環(huán)境中產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。（2）交互性。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機(jī)交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行交互，還可以運用多種交互手段（數(shù)據(jù)手套、聲

3、音命令等），支持更多的設(shè)計行為（建模、仿真、評估、預(yù)測等）。虛擬現(xiàn)實能對用戶的輸入作出響應(yīng)，同時可以通過監(jiān)控裝置來影響用戶和被用戶影響。（3）多感知性。由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中裝有視、聽、觸、動覺等的傳感及反應(yīng)裝置，可以使用戶感受視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等多種信息，發(fā)揮人的多種潛能，增加設(shè)計的成功性。（4）實時性。實時的參與、交互和顯示，把人的活動提升到人機(jī)融為一體的積極主動活動，構(gòu)成融入性的智能開發(fā)系統(tǒng)。2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類根據(jù)虛擬現(xiàn)實所傾向的特征的不同，目前的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可分為 4 種：桌面式、增強(qiáng)式、沉浸式和網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。（1）桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)利用 PC 機(jī)或中、低檔工作站作虛擬環(huán)境

4、產(chǎn)生器，計算機(jī)屏幕或單投影墻是參與者觀察虛擬環(huán)境的窗口，由于受到周圍真實環(huán)境的干擾，它的沉浸感較差，但是成本相對較低，仍然比較普及。（2）沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要利用各種高檔工作站、高性能圖形加速卡和交互設(shè)備，通過聲音、力與觸覺等方式，并且有效地屏蔽周圍現(xiàn)實環(huán)境 （如利用頭盔顯示器、3 面或 6 面投影墻），使得被試完全沉浸在虛擬世界中。（3）增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)允許參與者看見現(xiàn)實環(huán)境中的物體，同時又把虛擬環(huán)境的圖形疊加在真實的物體上。穿透型頭戴式顯示器可將計算機(jī)產(chǎn)生的圖形和參與者實際的即時環(huán)境重疊在一起。 該系統(tǒng)主要依賴于虛擬現(xiàn)實位置跟蹤技術(shù)，以達(dá)到精確的重疊。（4）網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由上述

5、幾種類型組成的大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于更復(fù)雜任務(wù)的研究。 它的基礎(chǔ)是分布交互模擬。3虛擬現(xiàn)實在機(jī)器人領(lǐng)域的適用方面虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為可視化工具在機(jī)器人領(lǐng)域,已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。比較著名的系統(tǒng)包括美國ARPA計劃中的火星遙操作機(jī)器人,NASA和威斯康星大學(xué)共同研制的水下機(jī)器人仿真系統(tǒng),日本東北大學(xué)研制的具有時延共享的移動機(jī)器人遙操作界面。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人學(xué)中的應(yīng)用主要集中在以下幾個方面:作為遙操作界面,可以應(yīng)用于半自主式操作;作為機(jī)器視覺中自動目標(biāo)識別和三維場景表示的直觀表達(dá);建立具有真實感的多傳感器融合系統(tǒng)仿真平臺。（1）遙操作界面遙現(xiàn)可以定義為人的感覺器官在遠(yuǎn)端的延伸。人的感覺能通過虛擬現(xiàn)實的I/

6、O設(shè)備得到增強(qiáng),同時虛擬現(xiàn)實的三維圖形數(shù)據(jù)適于低帶寬、大延時的網(wǎng)絡(luò)通訊。美國NASA Ames的智能機(jī)器小組(IME)長期從事機(jī)器人和人機(jī)界面的研究。1993年,他們研制的遙操作車(TROV)在南極區(qū)的McMudo的科學(xué)考察站附近的Ross冰洋實驗成功,給人們以極大的鼓舞。遙現(xiàn)的應(yīng)用是機(jī)器人學(xué)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。遙現(xiàn)系統(tǒng)是被用來在遠(yuǎn)距離操縱真實的設(shè)備而不是與虛擬物體相交互,并且使操作員產(chǎn)生一種“臨場感”進(jìn)而對控制器進(jìn)行操作。因此需要提供一個高度直覺的交互式機(jī)器人控制界面。這一方面的研究的主要困難在于控制上由于長距離的信號傳輸而造成的延遲。NASA另一部分研究人員還從事火星探測遙操作機(jī)器

7、人的研制。這種機(jī)器人不僅僅能夠橫穿地面,也進(jìn)行地質(zhì)學(xué)的勘測研究。這個項目的研究重點在于如何使得操作員能夠自如地控制遠(yuǎn)端的機(jī)器人,而不必考慮潛在的延遲有多大。另外,NASA還應(yīng)用虛擬環(huán)境技術(shù)對水下機(jī)器人提供控制,來對傳輸延遲問題進(jìn)行系統(tǒng)的研究。虛擬現(xiàn)實作為遙操作界面的另外一個原因是隨著室外移動機(jī)器人領(lǐng)域的研究近年逐漸轉(zhuǎn)向半自主而提出的。半自主式移動機(jī)器人是在由于完全自主的移動機(jī)器人的研制過程中遇到的諸多問題在當(dāng)前的技術(shù)狀況下難以解決的情況下提出的。但是,半自主機(jī)器人并不是一種技術(shù)上的倒退,而是站在一個嶄新的角度,采用新的技術(shù)以彌補(bǔ)當(dāng)前機(jī)器人行為決策和規(guī)劃過程中的缺陷。在這方面的具體研究實例有,日

8、本東北大學(xué)研究的具有時延共享的自主式移動機(jī)器人。為了克服延遲問題采用了分布式智能結(jié)構(gòu),把決策級的操作分解到機(jī)器人本身的自主機(jī)制和遠(yuǎn)端的控制站的操作員上。使得有較強(qiáng)的實時性和較高魯棒性的超聲避障等行為能夠在遠(yuǎn)端自主執(zhí)行,而路徑規(guī)劃等需要人為參與決策的行為通過遙控的駕駛命令進(jìn)行控制。由此看出,半自主式機(jī)器人是依賴于多傳感器信息融合技術(shù)輔助操作員操縱機(jī)器人,減少操縱人員的工作強(qiáng)度。因此,這種技術(shù)的研究在汽車自動駕駛領(lǐng)域,有著較強(qiáng)的實用性和較好的應(yīng)用前景。（2）三維場景的表達(dá)和自動建模虛擬現(xiàn)實的另外一個快速發(fā)展的研究領(lǐng)域是機(jī)器視覺領(lǐng)域。也正是國際上虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究的熱點。我們可以從卡內(nèi)基梅隆大學(xué)在這一

9、領(lǐng)域的研究略窺一斑11?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)的虛擬現(xiàn)實研究分為10個方向,大部分研究的應(yīng)用背景和最終目的都是通過視覺手段得到三維場景的描述,然后以虛擬現(xiàn)實的手段加以表示。例如基于計算機(jī)視覺的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng);跟蹤三維目標(biāo),并計算目標(biāo)的位置;從錄像帶建立實體模型;從真實環(huán)境的觀測來建立環(huán)境模型,并完成室內(nèi)環(huán)境的自動構(gòu)造;由光反射屬性來建立環(huán)境模型;真實場景的虛擬化。從本質(zhì)上看,虛擬現(xiàn)實可以看成是視覺領(lǐng)域借助于圖形學(xué)技術(shù)的一種表達(dá)方式。視覺處理一般來說分低層視覺處理、中層視覺處理、高層處理3個層次。高層處理指場景的語義表達(dá)和場景表達(dá)。從視覺的角度看,虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以看成是視覺的高層處理的場景表達(dá)。在文中給出

10、了這樣一個例子。其他的表達(dá)方式還有謂詞方式表達(dá)等。與虛擬現(xiàn)實的方式相比較,其表達(dá)方法從直觀性上和方式上,都顯得略遜一籌。從另外一個角度講虛擬現(xiàn)實作為視覺的高層表達(dá)依賴于三維重建問題。虛擬現(xiàn)實的場景模型數(shù)據(jù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)。通過手工建立模型的工作量是驚人的。人們希望通過自動方式得到數(shù)據(jù)模型,而攝像機(jī)是一個理想的數(shù)據(jù)來源。其他的方式還有衛(wèi)星遙感照片和三維激光雷達(dá)等。隨著自動目標(biāo)識別和三維重建技術(shù)的發(fā)展,通過攝像機(jī)攝取的圖像,自動建立模型的技術(shù)已經(jīng)逐漸走向市場化。例如加拿大的Eos Systems公司的基于視覺的三維自動建模軟件系統(tǒng)PhotoModuler14。但是,尋找基于低成本的硬件平臺,同

11、時具有較高的魯棒性和實時性的算法仍是這一領(lǐng)域的難點。（3）基于虛擬現(xiàn)實的仿真平臺當(dāng)前的移動機(jī)器人的傳感器體系結(jié)構(gòu)愈來愈朝著多傳感器信息融合的方向發(fā)展。但是,以往的機(jī)器人傳感器仿真是對單傳感器進(jìn)行仿真,尤其是視覺和激光雷達(dá)等傳感器難以通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真。對于基于信息融合的導(dǎo)航規(guī)劃任務(wù),就很難通過單傳感器仿真來實現(xiàn)算法的調(diào)試和研究。理想的仿真系統(tǒng)是能夠?qū)σ曈X、超聲等傳感器集成仿真,產(chǎn)生真實的動態(tài)的、實時的傳感器反饋。目前,國際上有許多的研究單位在這一領(lǐng)域進(jìn)行不同層次的研究。美國田那西州立大學(xué)在1991年研制出一套三維交互式機(jī)器人仿真系統(tǒng),對視覺傳感器,激光雷達(dá)傳感器等在三維環(huán)境下仿真。但是,由于

12、80年代虛擬現(xiàn)實研究剛剛興起,虛擬現(xiàn)實的軟、硬件平臺還不成熟,效果不很理想。進(jìn)入90年代,國際上有許多單位在這一領(lǐng)域展開研究。較為著名的有NASA的水下機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)。NASA的水下機(jī)器人仿真是基于SGI圖形工作站和Inventor軟件平臺的分布式仿真系統(tǒng)。主要仿真的傳感器是超聲傳感器,模擬在水下不同深度和溫度情況下的超聲行為。在這個工作中系統(tǒng)的總結(jié)和研究了傳感器可視化仿真的方法。在對傳感器的仿真過程中,尤其希望能夠?qū)σ曈X傳感器進(jìn)行實時的、動態(tài)的仿真。但是,由于對視覺仿真的過程中,隨著攝像機(jī)的角度和位置的變化,產(chǎn)生的畫面也在不斷的變化。預(yù)先存儲所有的場景畫面是不可能的。許多人嘗試通過

13、光線跟蹤等圖形學(xué)算法來產(chǎn)生真實的畫面,或者借助于PhotoRealistic技術(shù)產(chǎn)生照相質(zhì)感的畫面。實際上,我們從事仿真的目的是為決策算法的測試提供一組實時傳感器反饋數(shù)據(jù),而不是檢驗濾波、抽邊等圖像處理算法的效果。如果單純?yōu)闄z驗后者,完全沒有必要為此而設(shè)計仿真系統(tǒng)。所以,畫面的真實程度只需要滿足高層的視覺處理,沒有必要達(dá)到與真實世界完全無異的程度。從這一角度講,當(dāng)前的虛擬現(xiàn)實軟硬件平臺的水平已經(jīng)完全達(dá)到了。其他的虛擬現(xiàn)實的仿真平臺還有夏威夷大學(xué)的全方位智能導(dǎo)航系統(tǒng)?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所的高速公路仿真系統(tǒng)。4展望與發(fā)展趨勢虛擬現(xiàn)實技術(shù)的起源和發(fā)展都得益于許多機(jī)器人技術(shù),例如傳感器技術(shù)。反過

14、來虛擬現(xiàn)實技術(shù)又為機(jī)器人領(lǐng)域提供了一個強(qiáng)有力的技術(shù)手段。當(dāng)前,世界上已經(jīng)有許多的研究人員從事這些方面的工作。有的剛剛起步,有的已經(jīng)卓有成效。雖然已經(jīng)開發(fā)出許多實驗性系統(tǒng)。但是,在實際中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用仍存在有許多困難。首先,新的人機(jī)界面方式需要使用者逐步適應(yīng)。其次,我們還缺乏對人類本身的認(rèn)知過程的理解。這幾個問題已經(jīng)成為虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的主要障礙。當(dāng)前,國內(nèi)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域的研究剛剛起步,未能廣泛的開展。而國際上對這一領(lǐng)域的研究還局限于機(jī)械手,水下機(jī)器人,空間飛行器和陸地上障礙物較少的地面環(huán)境的移動機(jī)器人。這主要是由于機(jī)器人技術(shù)本身對環(huán)境感知的能力還很有限,尤其是視覺領(lǐng)域?qū)Νh(huán)境的

15、實時建模的技術(shù)還不成熟。相信,隨著計算機(jī)技術(shù)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,虛擬現(xiàn)實技術(shù)會隨著這些問題的解決得到進(jìn)一步的完善,而走向?qū)嵱没?。縱觀虛擬現(xiàn)實技術(shù)這 30 多年來的發(fā)展歷程，VR 技術(shù)的未來研究還是遵循“低成本、高性能”這一主線，從軟件、硬件上分別展開，有以下幾個主要發(fā)展方向：（1）動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。 虛擬環(huán)境的建立是 VR 技術(shù)的核心內(nèi)容， 動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。（2）實時三維圖形生成和顯示技術(shù)。 三維圖形的生成技術(shù)已較成熟，而關(guān)鍵是如何“實時生成”。 在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是

16、今后重要的研究內(nèi)容。 此外，VR 還依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的虛擬設(shè)備還不能滿足系統(tǒng)的需要，有必要開發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術(shù)。（3）新型交互設(shè)備的研制。 虛擬現(xiàn)實能讓參與者用人類自然的技能與感知能力與虛擬世界中的對象進(jìn)行交互作用，使之身臨其境，借助的輸入輸出設(shè)備主要有：頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、三維位置傳感器和三維聲音產(chǎn)生器等。 因此，新型、便宜、魯棒性優(yōu)良的數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)服將成為未來研究的重要方向。（4）智能化的語音虛擬現(xiàn)實建模。VR 建模是一個比較繁復(fù)的過程，它的建立需要開發(fā)人員花費大量的時間和精力。 為了解決這個問題，可以考慮將 VR 技術(shù)與智能技術(shù)、語音識別技術(shù)

17、結(jié)合起來。任何模型都包含有模型的概念、模型的描述、模型的功能約束條件、模型的空間和模型的多種形態(tài)等基本特征說明。這些信息若用計算機(jī)語言來編寫說明有時會顯得不很方便甚至無法表達(dá)清楚，而且工作量也非常大。 而人類的語言可以容易地描述任何簡單或復(fù)雜的事物，因此，利用語音識別技術(shù)將人類對模型的屬性、方法和一般特點的描述轉(zhuǎn)化成建模所需的數(shù)據(jù)，然后利用計算機(jī)的圖形處理技術(shù)和人工智能技術(shù)進(jìn)行設(shè)計、導(dǎo)航和評價，即將基本模型用對象表示出來，并符合邏輯地將各種基本模型靜態(tài)或動態(tài)地連接起來， 最后形成系統(tǒng)模型，在各種模型形成后進(jìn)行評價并給出結(jié)果，最后由人直接通過語言來進(jìn)行編輯和確認(rèn)。（5） 大型網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實的

18、應(yīng)用。 網(wǎng)絡(luò)分布式 VR 將分布于多個地點的 VR 系統(tǒng)或仿真器通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)聯(lián)結(jié)起來， 采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫形成一個在時間和空間上互相耦合的虛擬 合成環(huán)境，參與者可自由地進(jìn)行交互作用。 目前，分布式虛擬交互仿真已成為國際上的研究熱點，是今后虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的重要方向。 隨著眾多 DVE 開發(fā)工具及其系統(tǒng)的出現(xiàn)，DVE 本身的應(yīng)用也滲透到各行各業(yè) ，包括醫(yī)療 、工程 、訓(xùn)練與教學(xué)以及協(xié)同設(shè)計。相繼推出了 DIS、HLA 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)分布式 VR 在航天中極具應(yīng)用價值，例如，國際空間站的參與國分布在世界不同區(qū)域，分布式 VR 訓(xùn)練環(huán)境不需要在各國重建仿真系統(tǒng)，這樣不僅減少了研制費設(shè)備費用，而且也減少了人員出差的費用和異