虛擬現(xiàn)實技術及其應用

虛擬現(xiàn)實技術及其應用主講：劉賢梅2000年6月虛擬現(xiàn)實什么是虛擬現(xiàn)實（VR）？VR技術的發(fā)展過程人是多維信息空間和人機和諧仿真環(huán)境的主體VR技術的特性人與VR系統(tǒng)的關系VR系統(tǒng)分類VR技術國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀VR系統(tǒng)開發(fā)平臺各大公司VR軟件簡介研究VR技術的意義—VR技術在油田中的應用—其它應用實例VR系統(tǒng)的一般體系結構VR技術的應用人是多維信息空間的主體傳統(tǒng)信息處理環(huán)境〔1〕打印輸出、屏幕顯示，從外部觀察信息處理的結果?！?〕單維的數(shù)字化的信息空間?！?〕計算機是主體，人圍著計算機轉(zhuǎn)。和諧的人機環(huán)境〔1〕通過視、聽、觸、嗅覺、形體、手勢或口令，參與到信息處理的環(huán)境中，取得身臨其境的體驗?！?〕多維化的信息空間?！?〕人是主體，計算機圍著人轉(zhuǎn)。虛擬現(xiàn)實技術是支撐多維信息空間的關鍵技術虛擬現(xiàn)實技術多媒體科學可視化虛擬現(xiàn)實〔VirtualReality〕就是利用計算機和其它專用硬件和軟件去產(chǎn)生另一種境界的仿真，可以仿真各種環(huán)境，參與者通過感覺、視覺和聽覺與仿真的內(nèi)容交互對話。這種交互是直觀、自然的，就如同人們在日常生活中人與人交流一樣：如可見、可聽、可說、可拿等。什么是虛擬現(xiàn)實？IMAGINATION構想IMMERSION沉浸INTERACTION交互I3虛擬現(xiàn)實技術的特性這三個I強調(diào)了人的主導作用，使它同多媒體、模擬、電視等不同。虛擬現(xiàn)實有三個根本特性，即I3。虛擬現(xiàn)實與看電視有什么不同？電視只是不斷的給我們一些東西，卻不接受我們的回饋。無交互性，隨意性可言。虛擬現(xiàn)實與多媒體有什么關系呢？

如今有一些游戲做得實在很像虛擬實境，但它到底只是多媒體，因為所有的場景，機關或路徑都已經(jīng)預設好了，一個設計者，永遠知道下一秒會有什么東西出來，不過多媒體與虛擬現(xiàn)實確是一對好搭擋，因為虛擬現(xiàn)實中常需要有多媒體的展現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實與模擬的異同。模擬和虛擬現(xiàn)實其實已經(jīng)很接近了，甚至虛擬現(xiàn)實有些概念也衍生自模擬。通常模擬的交談性與自由度也不像虛擬現(xiàn)實這般高，所以一旦虛擬現(xiàn)實成熟了，反過來當作模擬的工具。沉浸功能：虛擬現(xiàn)實技術能使操作者“沉浸〞到數(shù)據(jù)空間中去，使用戶暫時與現(xiàn)實環(huán)境脫離，進入到了另一個境地，如同“身臨其境〞，更直接更真實地與數(shù)據(jù)交互，更快更全面地分析、理解及運用數(shù)據(jù)?！俺两暫汀皡⑴c〞是有區(qū)別的。哇！我已經(jīng)上太空了！??！廣闊的宇宙真奇妙??！人與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關系虛擬現(xiàn)實的發(fā)展過程1965年，計算機圖形學的創(chuàng)始人指出，人們可以把顯示屏當作一個窗口觀察一個虛擬世界，使觀察者有身臨其境的感覺。這一思想提出了虛擬現(xiàn)實概念的雛形。1961年，美國Philoo公司首創(chuàng)了頭盔式立體顯示器（HMD）。1929年，EdwinLink設計了一種競賽乘坐器。1962年美國攝影師MortonHeilig研制出了第一套多感知仿真體驗系統(tǒng)SensoramaSimulator。1975年，MyronKrueger提出“人工現(xiàn)實”（ArtificialReality)的思想，展示了稱之為Videoplace的“并非存在的一種概念化環(huán)境”。1968年，IvanSutherland使用兩個可以戴在眼睛上的陰極射線管（CRT）研制出了第一臺頭盔式立體顯示器（HMD）。1972年，NolanBushnell開發(fā)了第一個交互式電子游戲，稱為Pong。虛擬現(xiàn)實的發(fā)展過程1992年，在法國召開了VR的第一次國際會議——真實世界和虛擬世界的接口。1990年，在美國召開的Siggraph會議上，明確提出VR技術的主要內(nèi)容是：實時三維圖形生成技術、多傳感器交互技術，以及高分辨率顯示技術，為VR技術的發(fā)展確定了研究方向。1987年，美國VPL研究公司發(fā)明了數(shù)據(jù)服。1988年，VPL建立了一套完整的VR系統(tǒng)。1989年，VPL創(chuàng)始人JaronLanier提出了“VirtualReality”(虛擬現(xiàn)實）這個名詞。從1981年開始，MichaelMcGreeveyh和ScottFisher建立了基于液晶顯示技術的虛擬可視環(huán)境頭盔系統(tǒng)VIVEDHMD。1985年，研制了稱之為VIEW的數(shù)據(jù)手套、第一套商用虛擬現(xiàn)實硬件—Intel386、軟件—美國空軍的Supercockpit飛行模擬器。1986年，研制成功了第一套基于HMD和數(shù)據(jù)手套的VR系統(tǒng)VIEW。這是第一個較為完整的多用途、多感知的VR系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分布式虛擬現(xiàn)實(DVR)系統(tǒng)是指基于網(wǎng)絡的虛擬環(huán)境,在這個環(huán)境中,位于不同物理位置的多個用戶或多個虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡相聯(lián)結,并共享信息。沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是指利用頭盔顯示器或其它設備把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，使得參與者產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中、并能全身心投入和沉浸其中的感覺。（基于座艙空間、投影、遙在系統(tǒng)等）桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是指采用標準的顯示器和立體顯示、立體聲音技術，并可以用多種空間操縱設備如三維鼠標、空間球、數(shù)據(jù)手套等進行操縱。這種系統(tǒng)的分辨率較高，價格也較便宜。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成虛擬現(xiàn)實開發(fā)系統(tǒng)平臺虛擬藝術制作工具輸出設備輸出軟件輸入軟件形狀編輯器聲音編輯器用戶輸入設備虛擬世界編輯器虛擬世界計算機系統(tǒng)購物教育培訓工業(yè)控制建筑設計軍事作戰(zhàn)服裝設計旅游科學實驗航空航天醫(yī)療保健體育運動石油虛擬現(xiàn)實技術應用虛擬現(xiàn)實在油田中的應用虛擬現(xiàn)實地震數(shù)據(jù)模型和解釋油藏工程中的應用海洋石油工程特殊作業(yè)培訓海洋石油工程頭盔式立體映象雙目鏡〔Telcontrolledremotelyoperatedvehicle,TRV〕代替潛水員工作。操作員頭帶TRV，配備電子數(shù)據(jù)手套，操縱TROV抵達通常人工無法進入的極惡劣工況下的深水洋底去采集數(shù)據(jù)，同時根據(jù)TROV的攝像和接收到的數(shù)據(jù)，通過VR系統(tǒng)生成一個實時的“海底作業(yè)環(huán)境“，讓操作者〞沉浸“其中。特殊專業(yè)的培訓利用VR技術進行教育培訓，可使培訓更加生動逼真、內(nèi)容更加豐富，特別是特殊專業(yè)的培訓效果更為理想。如采用VR技術，可以“制造”出火災或爆炸的平臺現(xiàn)場，伴隨有火、熱、光、噪聲、維妙維肖，讓人如臨現(xiàn)場。虛擬聯(lián)合站培訓以下內(nèi)容：油罐區(qū)的消防生產(chǎn)流程安全報警的模擬違章操作的嚴重后果地震數(shù)據(jù)模型和解釋專家們描述未來解釋工作的情景是：地球科學家不再使用圖形工作站，而是戴上特殊的頭盔和手套，這時來自現(xiàn)場的地震時延〔Time-LapseSeismic〕數(shù)據(jù)，經(jīng)過VR系統(tǒng)的處理，顯示在地球科學家面前的是一個個所勘探對象地下構造或圈閉的三維透視圖像，隨著電子數(shù)據(jù)手套的動作，可以讓其旋轉(zhuǎn)，從不同側面觀察，還可變化透明度，調(diào)整光照，看到不同的內(nèi)幕。還可以選擇進入其中的不同方向和路線，到構造或圈閉內(nèi)部作深入的“游覽〞。油藏工業(yè)中的應用交互式的模型演示，如轉(zhuǎn)動、傾斜、跟蹤、快移放大等；在任一時間瞬間，顯示模型中油藏特征參數(shù)分布的立體圖像；模型次一級的結構圖像；模型任意剖面或切面圖像；油藏特征參數(shù)分布隨時間的變化演繹；井位置及完井視圖；模型中任意單元位置的特征參數(shù)“點測〞；井的綜合數(shù)據(jù)顯示及定位；井周圍局部“點測〞顯示流體流動及軌跡。虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實技術將地質(zhì)工作者從繁重的工作中解脫出來戴著頭盔和數(shù)據(jù)手套的工作人員其它應用實例化學家能看到復雜的分子情況以及顯現(xiàn)創(chuàng)造物質(zhì)的新方法。一個藝術家可以創(chuàng)造自己邏輯想象的世界而不用關心物理規(guī)律之類的麻煩事。學生能漫游計算機表現(xiàn)的太陽系以學習地球引力與量之類的知識。飛行員可以不離開地面進行訓練，或者測試昂貴的新型飛機的設計性能而不用冒機毀人亡之險。建筑師和客戶在第一鏟土動工之前就能“看到”一個新建筑，甚至可以在里面行走。美國電影《泰坦尼克號》采用幾百臺基于Linux的并行圖形工作站來合成虛擬的場景。

電子商務CompuServe的VRcade，是新一代的網(wǎng)絡在線購物服務，是世界上第一家虛擬現(xiàn)實購物中心。位于倫敦街心的這家購物中心由三部分虛擬購物世界組成：本地商場，外地商場和地下商場。網(wǎng)站的訪問者可以瀏覽不同的商場，并使用信用卡進行網(wǎng)上購買。使得：顧客購買輕松有趣。商家在3D環(huán)境下可以更真實的展示產(chǎn)品和服務。

員工培訓英特爾公司開發(fā)了基于VR的庫房員工培訓程序，預計每年僅培訓成本就可節(jié)省50萬美元。英特爾公司的一個項目部經(jīng)理講，交互性是VR技術的最大優(yōu)點，大大加強了培訓應用。使用二維圖形，用戶很被動，只是一旁觀看；使用普通的三維仿真，雖然他周圍的物體可能移動，但用戶停留在一個地點。而使用虛擬現(xiàn)實時，物體保持不動，而是用戶在動，所以更真實。培訓應用的意義重大。利用虛擬現(xiàn)實，用戶可以真實的模仿他們所做的工作。例如，培訓叉車司機，讓他們熟悉新的倉庫碼放，司機可駕駛著虛擬的卡車向前，轉(zhuǎn)彎，看到真實的新倉庫的樣子。結果是這樣的學習過程比傳統(tǒng)的教室和崗位培訓更好，更快捷。研究VR技術的意義二十一世紀初將是虛擬現(xiàn)實技術的時代。美國在2010年前要重點發(fā)展十項高新電子技術，而居十項技術之首的就是虛擬現(xiàn)實技術。虛擬現(xiàn)實技術可用于各個領域，特別是在石油工業(yè)中的應用前途光明。目前，國外的許多大石油公司，在石油勘探和開發(fā)中獲得了巨大的經(jīng)濟效益。我們要盡快研制自己的虛擬現(xiàn)實技術軟件，必將對石油工業(yè)的發(fā)展作出貢獻。就目前大慶市場來看，許多單位對利用VR技術在特殊專業(yè)的仿真培訓、房屋建設等方面有很大的需求，其應用前景極為廣闊。VR技術國內(nèi)外發(fā)展狀況1〕虛擬現(xiàn)實的概念提出已有二三十年歷史，只是近年開展很快。目前全世界有兩千多個研究單位、大學、公司正在從事此項研究與開發(fā)，而實際應用的領域，已普及到各個方面，幾乎是“無所不在，無所不能〞。二十一世紀初將是虛擬現(xiàn)實技術的時代。2〕美國是VR技術的發(fā)源地。美國VR研究技術的水平根本上就代表國際VR開展的水平。美國國家航天局和美國國防部高級研究方案所重點致力于航天和軍事上的VR應用，另外其它單位對太空訓練、哈勃望遠境控制、虛擬醫(yī)療、數(shù)據(jù)可視化和智能輔助培訓等方面進行了研究。IBM與英國Virtuality公司在聯(lián)合研究VR開發(fā)系統(tǒng)。德國、荷蘭、日本等國都對VR技術進行跟蹤研究。3〕國內(nèi)許多有識之士早就預見到虛擬現(xiàn)實技術的巨大潛力,并得到了政府的高度支持。九五規(guī)劃、國家自然科學基金會、國家技術研究開展方案等都把VR列入了研究工程。北京航空航天大學較早進行VR研究，中科院計算所CAD開放實驗室，清華大學、北京大學等許多單位也都高度重視VR技術，并有一批專家在著手研究，且取得了相當?shù)某晒?〕國外石油界人士已經(jīng)著手在作虛擬現(xiàn)實技術的實用性開發(fā)。當前這項新技術處于開始引進和起步的階段，作為重要應用部門的石油工業(yè)正是早期介入的極好時機，需要積極跟蹤其應用開發(fā)，使其在“科技興油〞事業(yè)中發(fā)揮作用。VR技術國內(nèi)外發(fā)展狀況各相關公司簡介

Sense8公司SGI公司SuperScape公司

Sense8公司Sense8公司開發(fā)了世界工具包WTK（WorldToolKitforWindows)，WTK是世界獲獎軟件，它以Windows動態(tài)鏈接庫的形式發(fā)布。WTK由400多個C函數(shù)構成。它提供了一個完整的合成虛擬環(huán)境的應用開發(fā)環(huán)境。WTK的用戶必須是一個合格的“C”編程語言。在國內(nèi)北京理工大學，清華，北航都在推廣和開發(fā)。有PC版和工作站版及網(wǎng)絡版。比較適合中國國情。SGI制造了一系列適于虛擬環(huán)境的圖形平臺，其圖形庫OpenGL成為一種事實圖形軟件接口標準。工作站版：Volumizer工具軟件，IRISPerformer〔高檔產(chǎn)品〕，必須配SGI工作站。PC版：CosmoWorldforWin95〔中低檔產(chǎn)品〕SGI公司SuperScape公司VRT是一個專供PC機使用的高水平專業(yè)級開發(fā)軟件，工作于Window95/98、WindowsNT平臺。允許較高程度上的交互性和網(wǎng)絡處理。VRT為一可視化制作軟件，不用編程即可制作復雜的三維交互模擬場景。利用SCL高級語言可以進行控制功能的編程，如邏輯預算與外部數(shù)據(jù)進行動態(tài)交換等。SDK開發(fā)包，它是基于C++的接口工具，有400多種DLL庫函數(shù)，支持多種C++編程。還有一種是：3DwebMast