虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用

1、品弟暇 努供應(yīng)商rsouvR.cc mi際貿(mào)易有限公司虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用自從計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，傳統(tǒng)的信息處理環(huán)境一直是以計(jì)算機(jī)為中心，是人適應(yīng) 計(jì)算機(jī)”。要實(shí)現(xiàn)以人為本，讓計(jì)算機(jī)適應(yīng)人”，必須解決一系列技術(shù)問(wèn)題， 形成和諧的人機(jī)環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是解決這一類問(wèn)題的方法之一。本文著重 從實(shí)物虛化、虛物實(shí)化、高性能計(jì)算處理技術(shù)等四個(gè)方面闡述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā) 展及其應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)狀。概念與特征虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，簡(jiǎn)稱VR），是一種基于可計(jì)算信息的沉浸式 交互環(huán)境，具體地說(shuō)，就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、 聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自

2、然的方式與虛 擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生沉浸”于等同真實(shí)環(huán)境的 感受和體驗(yàn)。VR帶來(lái)了人機(jī)交互的新概念、新內(nèi)容、新方式和新方法，使得人 機(jī)交互的內(nèi)容更加豐富、形象，方式更加自然、和諧。虛擬現(xiàn)實(shí)是高度發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)在各種領(lǐng)域的應(yīng)用過(guò)程中的結(jié)晶和反映， 它具有以下主要特征：（1）依托學(xué)科的高度綜合化；（2）人的臨場(chǎng)化；（3）系統(tǒng)或環(huán)境的大規(guī)模集成化；（4）數(shù)據(jù)表示的多樣化和標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的大容量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚倩?與數(shù)據(jù)處理的分布式和并行化。亞洲粉大mDWRF尚曲整模岬5QUVR.COM際貿(mào)易有限公司關(guān)鍵技術(shù)實(shí)物虛化、虛物實(shí)化和高性能的計(jì)算處理技術(shù)是VR技術(shù)的三個(gè)主要方面。

3、實(shí)物虛化是將現(xiàn)實(shí)世界的多維信息映射到計(jì)算機(jī)的數(shù)字空間生成相應(yīng)的虛擬世 界，為高性能的計(jì)算處理提供必要的信息數(shù)據(jù)。虛物實(shí)化通過(guò)各種計(jì)算和仿真技 術(shù)使計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界中的事物所產(chǎn)生的各種刺激以盡可能自然的方式反 饋給用戶。實(shí)物虛化實(shí)物虛化主要包括基本模型構(gòu)建、空間跟蹤、聲音定位、視覺(jué)跟蹤和視點(diǎn)感 應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)使得真實(shí)感虛擬世界的生成、虛擬環(huán)境對(duì)用戶操作的檢 測(cè)和操作數(shù)據(jù)的獲取成為可能。（1）基本模型構(gòu)建技術(shù) 基本模型的構(gòu)建是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成虛擬世界的基礎(chǔ)，它將真實(shí)世界的對(duì)象物 體在相應(yīng)的三維虛擬世界中重構(gòu)，并根據(jù)系統(tǒng)需求保存部分物理屬性。模型構(gòu)建首先要建立對(duì)象物體的幾何模型，確定其

4、空間位置和幾何元素的屬性。例如，通過(guò)CAD/CAM或二維圖紙構(gòu)建產(chǎn)品或建筑的三維幾何模型；通過(guò)GIS數(shù)據(jù)和衛(wèi)星、遙感或航拍照片構(gòu)造大型虛擬戰(zhàn)場(chǎng)。為了增強(qiáng)虛擬環(huán)境的真實(shí)感，物理特性和行為規(guī)則建模要表現(xiàn)出對(duì)象物體的質(zhì)量、動(dòng)量、材料等物理特性，并在虛擬環(huán)境中遵循一定的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律。當(dāng)幾何模型和物理模型很難準(zhǔn)確地刻畫(huà)出真實(shí)世界中存在的某些特別對(duì)象或現(xiàn)象時(shí)，可根據(jù)具體的需要采用一些特別的模型構(gòu)建方法。例如，可以對(duì)氣象品弟暇 努供應(yīng)商rsouvR.cc mi數(shù)據(jù)進(jìn)行建模生成虛擬環(huán)境的氣象情況（陰天、晴天、雨、霧）。（2）空間跟蹤技術(shù)虛擬環(huán)境的空間跟蹤主要是通過(guò)頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套（DATAGLOVE）

5、，立體眼 鏡，數(shù)據(jù)衣等交互設(shè)備上的空間傳感器，確定用戶的頭、手、軀體或其他操作物 在三維虛擬環(huán)境中的位置和方向。跟蹤系統(tǒng)一般由發(fā)射器、接收器和電子部件組成。目前的跟蹤系統(tǒng)有電磁、 機(jī)械、光學(xué)、超聲等幾類。數(shù)據(jù)手套是VR系統(tǒng)常用的人機(jī)交互設(shè)備，它可測(cè)量出手的位置和形狀從而 實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的虛擬手及其對(duì)虛擬物體的操縱。CyberGlove通過(guò)手指上的彎曲、 扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關(guān)節(jié)的位置和方向。（3）聲音跟蹤技術(shù)利用不同聲源的聲音到達(dá)某一特定地點(diǎn)的時(shí)間差、相位差、聲壓差等進(jìn)行虛擬環(huán) 境的聲音跟蹤是實(shí)物虛化的重要組成部分。聲波飛行時(shí)間測(cè)量法和相位相干測(cè)量 法是兩種可以實(shí)現(xiàn)聲音位

6、置跟蹤的基本算法。在小的操作范圍內(nèi)，聲波飛行時(shí)間 法能表現(xiàn)出較好的精確度和相應(yīng)性。隨操作范圍的擴(kuò)大，聲波飛行時(shí)間法的數(shù)據(jù) 傳輸率降低，易受偽聲音的脈沖干擾。相位相干法本質(zhì)上不易受到噪聲干擾，并 允許過(guò)濾冗余數(shù)據(jù)存在且不會(huì)引起滯留。但相位相干法不能直接測(cè)量距離而只能 測(cè)量位置的變化，易受累計(jì)誤差的干擾。聲音跟蹤一般包括若干個(gè)發(fā)射器、接受器和控制單元。它可以與頭盔顯示器 相連，也可以與數(shù)據(jù)衣、數(shù)據(jù)手套等其他設(shè)備相連。亞洲留bHOWRF品彳Offi努供應(yīng)商:5QUVR.COM（4）視覺(jué)跟蹤與視點(diǎn)感應(yīng)技術(shù)實(shí)物虛化的視覺(jué)跟蹤技術(shù)使用從視頻攝像機(jī)到X-Y平面陣列，周?chē)饣蛘?跟蹤光在圖像投影平面不同時(shí)刻和

7、不同位置上的投影，計(jì)算被跟蹤對(duì)象的位置和 方向。視覺(jué)跟蹤的實(shí)現(xiàn)必須考慮精度和操作范圍間的折衷選擇，采用多發(fā)射器和 多傳感器的設(shè)計(jì)能增強(qiáng)視覺(jué)跟蹤的準(zhǔn)確性，但使系統(tǒng)變得復(fù)雜并且昂貴。視點(diǎn)感應(yīng)必須與顯示技術(shù)相結(jié)合，采用多種定位方法（眼罩定位、頭盔顯示、 遙視技術(shù)和基于眼肌的感應(yīng)技術(shù)）可確定用戶在某一時(shí)刻的視線。例如將視點(diǎn)檢 測(cè)和感應(yīng)技術(shù)集成到頭盔顯示系統(tǒng)中，飛行員僅靠“注視”就可在某些非常時(shí)期 操縱虛擬開(kāi)關(guān)或進(jìn)行飛行控制。虛物實(shí)化確保用戶在虛擬環(huán)境中獲取視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力覺(jué)和觸覺(jué)等感官認(rèn)知的關(guān)鍵技術(shù)， 是虛物實(shí)化的主要研究?jī)?nèi)容。（1）視覺(jué)感知虛擬環(huán)境中大部分具有一定形狀的物體或現(xiàn)象，可以通過(guò)多種途徑使用

8、戶產(chǎn)生真實(shí)感很強(qiáng)的 視覺(jué)感知。CRT顯示器、大屏幕投影、多方位電子墻、立體眼鏡、頭盔顯示器（HMD）等是VR系統(tǒng)中常見(jiàn)的顯示設(shè)備。不同的頭盔顯示器具有不同的顯示 技術(shù)，根據(jù)光學(xué)圖像被提供的方式，頭盔顯示設(shè)備可分為投影式和直視式。能增強(qiáng)虛擬環(huán)境真實(shí)感的立體顯示技術(shù)，可以使用戶的左、右眼看到有視差 的兩幅平面圖像，并在大腦中將它們合成并產(chǎn)生立體視覺(jué)感知。頭盔顯示器、立3D/VR產(chǎn)顯和困努供應(yīng)商（SOUVR.CC： M際貿(mào)易有限公司體眼鏡是兩種常見(jiàn)的立體顯示設(shè)備。目前，基于激光全息計(jì)算的立體顯示技術(shù)、 用激光束直接在視網(wǎng)膜上成像的顯示技術(shù)正在研究之中。（2）聽(tīng)覺(jué)感知聽(tīng)覺(jué)是僅次于視覺(jué)的感知途徑，虛擬環(huán)

9、境的聲音效果，可以彌補(bǔ)視覺(jué)效果的 不足，增強(qiáng)環(huán)境逼真度。用戶所感受的三維立體聲音，有助于用戶在操作中對(duì)聲音定位。傳統(tǒng)聲音模 型的定位是根據(jù)聲源到達(dá)聽(tīng)者兩耳的時(shí)間差I(lǐng)TD和聲源對(duì)左、右兩耳的壓力差 IID來(lái)定位的，但它無(wú)法解釋單耳定位?，F(xiàn)代聲音模型側(cè)重于用頭部相關(guān)傳遞函 數(shù)HRTF描述聲音從聲源到外耳道的傳播過(guò)程，并可以支持單耳定位。HRTF主 要用濾波的方法來(lái)模擬頭部效應(yīng)、耳廓效應(yīng)和頭部遮掩效應(yīng)。NASA空軍研究中 心曾經(jīng)在人工耳道中放入很小的麥克風(fēng)，記錄許多不同聲源對(duì)頭部的脈沖響應(yīng)， 然后根據(jù)HRTF與脈沖結(jié)果，產(chǎn)生虛擬環(huán)境的位置感。（3）力覺(jué)和觸覺(jué)感知能否讓參與者產(chǎn)生沉浸”感的關(guān)鍵因素之一

10、是用戶能否在操縱虛擬物體 的同時(shí)，感受到虛擬物體的反作用力，從而產(chǎn)生觸覺(jué)和力覺(jué)感知。例如，當(dāng)你用 手扳動(dòng)虛擬駕駛系統(tǒng)的汽車(chē)檔位桿時(shí)，你的手能感覺(jué)到檔位桿的震動(dòng)和松緊。力覺(jué)感知主要由計(jì)算機(jī)通過(guò)力反饋手套、力反饋操縱桿對(duì)手指產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)阻尼 從而使用戶感受到作用力的方向和大小。由于人的力覺(jué)感知非常敏感，一般精度 的裝置根本無(wú)法滿足要求，而研制高精度力反饋裝置又相當(dāng)困難和昂貴，這是人 們面臨的難題之一。g/VR產(chǎn)顯和羽努供應(yīng)商5QUVR.CC： M際貿(mào)易有限公司如果沒(méi)有觸覺(jué)反饋，當(dāng)用戶接觸到虛擬世界的某一物體時(shí)容易使手穿過(guò)物體。解決這種問(wèn)題的有效方法是在用戶的交互設(shè)備中增加觸覺(jué)反饋。觸覺(jué)反饋主要是 基于

11、視覺(jué)、氣壓感、振動(dòng)觸感、電子觸感和神經(jīng)肌肉模擬等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。向皮 膚反饋可變電脈沖的電子觸感反饋和直接刺激皮層的神經(jīng)肌肉模擬反饋都不太 安全，相對(duì)而言，氣壓式和振動(dòng)觸感式是較為安全的觸覺(jué)反饋方法。高性能計(jì)算處理技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高新科技，高性能的計(jì)算處理技術(shù)是直接 影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。具有高計(jì)算速度，強(qiáng)處理能力，大存儲(chǔ)容量和強(qiáng)聯(lián)網(wǎng) 特性等特征的高性能計(jì)算處理技術(shù)主要包括以下研究?jī)?nèi)容：（1）服務(wù)于實(shí)物虛化和虛物實(shí)化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處理；（2）實(shí)時(shí)、逼真圖形圖像生成與顯示技術(shù)；（3）多種聲音的合成與聲音空間化技術(shù)；（4）多維信息數(shù)據(jù)的融合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

12、以及數(shù)據(jù)庫(kù) 的生成；（5）模式識(shí)別。如命令識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別，以及手勢(shì)和人的面部表情信息的檢測(cè)、合成和識(shí)別；（6）高級(jí)計(jì)算模型的研究。如專家系統(tǒng)、自組織神經(jīng)網(wǎng)、遺傳算法等；（7）分布式與并行計(jì)算，以及高速、大規(guī)模的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的研究目標(biāo)是建立一個(gè)可供多用戶同時(shí)異地參與的分布式3D/VR產(chǎn)顯和困努供應(yīng)商（SOUVR.CC： M際貿(mào)易有限公司虛擬環(huán)境，處于不同地理位置的用戶如同進(jìn)入到一個(gè)真實(shí)世界，不受物理時(shí)空的 限制，通過(guò)姿勢(shì)、聲音或文字等“在一起”進(jìn)行交流、學(xué)習(xí)、研討、訓(xùn)練、娛樂(lè)， 甚至協(xié)同完成同一件比較復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)或進(jìn)行同一艱難任務(wù)的演練。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的研究有兩大

13、陣營(yíng)。一個(gè)是國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)， 如基于VRML標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程虛擬購(gòu)物。另一個(gè)是在由軍方投資的高速專用網(wǎng)，如 采用ATM技術(shù)的美國(guó)軍方國(guó)防仿真互聯(lián)網(wǎng)DSI。應(yīng)用領(lǐng)域VR技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，為解決和處理要巨額資金和巨大人力投入，或者不 得不承擔(dān)人員傷亡危險(xiǎn)的各種問(wèn)題提供了新方法，目前VR技術(shù)的應(yīng)用主要集中 在以下幾個(gè)方面：產(chǎn)品設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)是虛擬原型機(jī)的應(yīng)用典型實(shí)例，它由300萬(wàn)個(gè)零件組 成，所有的設(shè)計(jì)在一個(gè)由數(shù)百臺(tái)工作站組成的虛擬環(huán)境中進(jìn)行。1996年，加州伯克利分校在SGI工作站上實(shí)現(xiàn)了本校新樓SodaHall的實(shí)時(shí)漫 游。我國(guó)北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化新技術(shù)研

14、究室，也完成了恒昌花園 及其房?jī)?nèi)裝修、虛擬北航等漫游系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，目前正在為國(guó)家科技館建造一個(gè)珠 穆朗瑪峰及其周邊環(huán)境的漫游系統(tǒng)。教育與娛樂(lè)將VR技術(shù)應(yīng)用于教育可以使學(xué)生能夠游覽海底、遨游太空、觀摩歷史城堡， 甚至深入原子內(nèi)部觀察電子的運(yùn)動(dòng)軌跡。分布式虛擬圖書(shū)館突破了物理時(shí)空的限3D/VR產(chǎn)顯和困努供應(yīng)商（SOUVR.CC： M 際貿(mào)易有限公司制并有效地利用了共享資源，基于國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的分布式虛擬圖書(shū)館具有巨大的前 景。VR技術(shù)在娛樂(lè)業(yè)有著極其廣泛的應(yīng)用。第一個(gè)大規(guī)模的VR娛樂(lè)系統(tǒng) “BattleTech”，將每個(gè)“座艙”仿真器聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行組之間的對(duì)抗，三維逼真視景、游戲桿、油門(mén)、剎車(chē)和受到打擊時(shí)的晃

15、動(dòng)給用戶很強(qiáng)的感官刺激。高難度和危險(xiǎn)環(huán)境下的訓(xùn)練服務(wù)于醫(yī)療手術(shù)訓(xùn)練的VR系統(tǒng)，用CT或MRI數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中重構(gòu)人體或 某一器官的幾何模型，并賦予一定的物理特征（例如密度、韌度、組織比例等）， 并通過(guò)機(jī)械手或數(shù)據(jù)手套等高精度的交互工具在計(jì)算機(jī)中模擬手術(shù)過(guò)程，以達(dá)到 訓(xùn)練、研究的目的。美國(guó)的NASA和ESA（歐洲空間局）曾成功地將VR技術(shù)應(yīng)用于航天運(yùn)載器的空間 活動(dòng)、空間站的自由操作和對(duì)哈勃空間的維修。分布式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境軍事領(lǐng)域是VR技術(shù)最早研究和應(yīng)用的領(lǐng)域。最早的分布式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境應(yīng) 該是1983年DARPA和美國(guó)陸軍共同制定的SIMNET研究計(jì)劃。從1994年開(kāi) 始，美國(guó)DARPA與USACOM聯(lián)合開(kāi)展了戰(zhàn)爭(zhēng)綜合演練場(chǎng)STOW的研究，形成 了一個(gè)包