畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)331

畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展綜述畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]虛擬現(xiàn)實(shí)一、概念二、技術(shù)特征五、發(fā)展歷程簡(jiǎn)述三、技術(shù)分類(lèi)六、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀七、研究困境與發(fā)展方向四、應(yīng)用退出畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]虛擬現(xiàn)實(shí)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)，是一項(xiàng)綜合集成計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)以及人工智能技術(shù)等，利用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)等各種感覺(jué)，用戶可以通過(guò)適當(dāng)?shù)难b置，在虛擬現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行各項(xiàng)體驗(yàn)和交互。“靈境技術(shù)”、“虛擬環(huán)境”、“賽伯空間”、“模擬實(shí)境”、“虛擬實(shí)境”、“仿真技術(shù)”等詞都可以是虛擬現(xiàn)實(shí)的不同術(shù)語(yǔ)和形式。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)特征三個(gè)特征，即：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、想象性（Imagination）。

沉浸性是是指用戶借助各類(lèi)先進(jìn)的傳感器進(jìn)入虛擬環(huán)境，并產(chǎn)生“身歷其境”之感，即所看到的、聽(tīng)到的、嗅到的、觸摸到的，與真實(shí)環(huán)境中完全一樣。

交互性是是指用戶進(jìn)入虛擬環(huán)境后，以自然的方式與虛擬場(chǎng)景中各種對(duì)象進(jìn)行相互作用的能力。

想象性是是VR逼真性與實(shí)時(shí)交互性而使用戶產(chǎn)生的更豐富的聯(lián)想，擴(kuò)大用戶的認(rèn)知領(lǐng)域，提高認(rèn)知能力。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類(lèi)

一、桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

也稱(chēng)窗口中的虛擬現(xiàn)實(shí)。它可以通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示器或其它臺(tái)顯示器的屏幕為虛擬環(huán)境的顯示裝置，其特點(diǎn)是虛擬系統(tǒng)視野小，沉浸度差，是一種初級(jí)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。但它的成本與制作要求低，易于普及和實(shí)現(xiàn)。功能也最簡(jiǎn)單，主要用于CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、建筑設(shè)計(jì)、桌面游戲等領(lǐng)域。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]建筑設(shè)計(jì)畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]桌面游戲畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]

（二）沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一種高級(jí)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它提供一個(gè)完全沉浸的體驗(yàn)，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺(jué)。它利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其它感覺(jué)封閉起來(lái)，并提供一個(gè)新的、虛擬的感覺(jué)空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺(jué)。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]沉浸式虛擬系統(tǒng)是一套比較復(fù)雜的系統(tǒng)，它的優(yōu)點(diǎn)是使用戶全身心地沉浸到虛擬世界中去，缺點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格昂貴，難以普及推廣。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]

三、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

是指利用因特網(wǎng)將分布于各地的資源連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)參加一個(gè)虛擬空間，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷，對(duì)同一虛擬世界進(jìn)行觀察和操作，達(dá)到協(xié)同工作的目的，從而將虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用提升到了一個(gè)更高的境界。美國(guó)大型軍用交互仿真系統(tǒng)NPSNet以及因特網(wǎng)上多人游戲MUD便是這類(lèi)系統(tǒng)。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]

四、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)又稱(chēng)混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)它是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來(lái)的一種系統(tǒng)，既允許用戶看到真實(shí)世界，同時(shí)也可以看到疊加在真實(shí)世界的虛擬對(duì)象，這種系統(tǒng)可減少構(gòu)成復(fù)雜真實(shí)環(huán)境的開(kāi)銷(xiāo)又可對(duì)實(shí)際物體進(jìn)行操作，真正達(dá)到了亦真亦幻的境界。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]概括起來(lái)大致為三個(gè)階段：一、20世紀(jì)50年代到70年代——探索階段

1965年“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之父”LvanSuthedand博士首次提出了具有交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本思想，隨后幾年又展開(kāi)_『頭盔式顯示器(HMD)的研制工作，取得了顯著的成績(jī)，因此這一理論影響至今。在第一個(gè)HMD的樣機(jī)完成不久，研制者又把能模擬力量和觸覺(jué)的力反饋裝置加入到這個(gè)系統(tǒng)中。1970年，出現(xiàn)了第一個(gè)功能較齊全的HMD系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展概述畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]

二、80年代前中期——從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱玫碾A段

1980年，美國(guó)JaronLanier正式提出了“VirtualReality”一詞。美國(guó)宇航局(NASA)及美國(guó)國(guó)防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究,并取得了令人矚目的研究成果．從而引起了人們對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛關(guān)注。隨后開(kāi)發(fā)出用于火星探測(cè)的虛擬環(huán)境視覺(jué)顯示器，將火星探測(cè)器發(fā)同的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]

三、90年代初到21世紀(jì)初——快速發(fā)展時(shí)期

到了90年代．計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)與軟件系統(tǒng)極大的推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，加速了大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)制作的發(fā)展。1993年11月。宇航員利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)成功地完成了從航天飛機(jī)的運(yùn)輸艙內(nèi)取出新的望遠(yuǎn)鏡面板的工作，用VR技術(shù)設(shè)計(jì)出由300萬(wàn)個(gè)零件組成的波音777飛機(jī)；1996年10月31日，世界第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)博覽會(huì)在倫敦舉行；同年12月，世界第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)球網(wǎng)在英國(guó)投入運(yùn)行。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]國(guó)內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展及其現(xiàn)狀（一）美國(guó)研究狀況

美國(guó)作為VR技術(shù)的發(fā)源地，其研究水平基本上就代表國(guó)際VR發(fā)展的水平。近年來(lái),虛擬現(xiàn)實(shí)在美國(guó)航空航天和軍事領(lǐng)域的若干成功應(yīng)用所獲得的巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，促使美國(guó)政府進(jìn)一步加大了對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的支持力度。

畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]在軍事領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)在以下三個(gè)方面發(fā)揮重大作用：（1）武器系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)；（2）武器操縱訓(xùn)練；（3）指揮大規(guī)模軍事演習(xí)。因?yàn)檫@將大幅度降低以上三者所需的費(fèi)用，極大地提高效益，并消除意外傷亡事故。美國(guó)政府所支持的虛擬現(xiàn)實(shí)研究也正是緊緊圍繞著提供這三種能力的系統(tǒng)和環(huán)境而展開(kāi)的。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]

美國(guó)的主要研究單位為：美國(guó)空軍技術(shù)研究所(AirForceInstituteofTechnology)、海軍研究生院圖形和圖像實(shí)驗(yàn)室(NavalPostgraduateSchoolGraphicsandVideolaboratory)、美國(guó)陸軍研究所(U.S.ArmyResearchInstitute)。在航天領(lǐng)域，現(xiàn)在NASA已經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護(hù)VR訓(xùn)練系統(tǒng)，空間站VR訓(xùn)練系統(tǒng)，并且已經(jīng)建立了可供全國(guó)使用的VR教育系統(tǒng)。北卡羅來(lái)納大學(xué)(UNC)的計(jì)算機(jī)系是進(jìn)行VR研究最早的大學(xué)，他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術(shù)仿真、建筑仿真等。

畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]我國(guó)VR技術(shù)研究較晚，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在一定的差距，但現(xiàn)已引起國(guó)家有關(guān)部門(mén)和科學(xué)家們的高度重視，并根制定了開(kāi)展VR技術(shù)的研究計(jì)劃。例如：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列入研究項(xiàng)目。甚至國(guó)內(nèi)的一些重點(diǎn)院校，已積極投入到了這一領(lǐng)域的研究工作。（二）中國(guó)研究現(xiàn)狀畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系是國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行VR研究、最有權(quán)威的單位之一，著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)，還研制出了在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進(jìn)網(wǎng)格的快速生成算法。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng)成功地虛擬出了人的高級(jí)行為中特定人臉圖像的合成、表情的合成和唇動(dòng)的合成等技術(shù)問(wèn)題。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]

縱觀多年來(lái)的發(fā)展歷程，VR技術(shù)研究仍將遵循“低成本、高性能”的原則，從軟件、硬件上展開(kāi)，并將在以下主要方向發(fā)展：

一、動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

未來(lái)發(fā)展方向畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]二、實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示技術(shù)

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今后重要的研究?jī)?nèi)容。此外，現(xiàn)有的虛擬設(shè)備還不能滿足系統(tǒng)的需要，有必要開(kāi)發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術(shù)。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]

三、新型交互設(shè)備的研制

例如：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)生器等設(shè)備。因此，新型、便宜、做工精良的數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)服將成為未來(lái)研究的重要方向。四、智能化語(yǔ)音虛擬現(xiàn)實(shí)建模

虛擬現(xiàn)實(shí)建模如果將VR技術(shù)與智能技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)結(jié)合起來(lái)將會(huì)給虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展帶來(lái)巨大的意義。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的瓶頸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中遇到的問(wèn)題很多，可以歸結(jié)為3大難題：一、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的“貴族化”

要構(gòu)建一個(gè)高質(zhì)量的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，首先需要昂貴的外部設(shè)備，無(wú)論是高分辯率的頭盔顯示器HMD，還是立體投影顯示器，無(wú)論是空間定器，還是高精度的數(shù)據(jù)手套，都是價(jià)格不菲。其次，為完成復(fù)雜場(chǎng)景的實(shí)時(shí)渲染，還需要高性能的圖形工作站以及相應(yīng)的軟件。在一些專(zhuān)用領(lǐng)域，但普通的信息系統(tǒng)用戶可能會(huì)望而卻步。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]

2繁瑣的三維建模

基于圖形的虛擬環(huán)境首先要解決的問(wèn)題便是三維造型。在三維激光掃描技術(shù)上的進(jìn)步提供了簡(jiǎn)化模型構(gòu)造過(guò)程的想法。但是大部分的模型仍需人工繪制，而且需要聘請(qǐng)高水平的專(zhuān)業(yè)人士，所以費(fèi)用是相當(dāng)驚人的。如在電影《泰坦尼克號(hào)》中，為實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景三維建模及各種特技處理所花的人工費(fèi)用高達(dá)2500萬(wàn)美元，這筆錢(qián)足以制造一艘同樣規(guī)模的真船。繁瑣的三維建模也是制約虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的嚴(yán)重障礙。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]3數(shù)據(jù)量大

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)若要得到很大的發(fā)展，必須結(jié)合Internet。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量很大，在網(wǎng)速較慢的情況下，用戶必須等待較長(zhǎng)時(shí)間，所以應(yīng)該考慮數(shù)據(jù)壓縮問(wèn)題。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]（1）醫(yī)學(xué)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用大致上有兩類(lèi)。一是虛擬人體，這樣醫(yī)生更容易了解人體的構(gòu)造和功能。另一是虛擬手術(shù)系統(tǒng)，可用于指導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行。（2）娛樂(lè)、藝術(shù)與教育

由于在娛樂(lè)方面對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感要求不是太高，故近些年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在該方面發(fā)展最為迅猛。如Chicago（芝加哥）開(kāi)放了世界上第一臺(tái)大型可供多人使用的虛擬現(xiàn)實(shí)娛樂(lè)系統(tǒng)，其主題是關(guān)于3025年的一場(chǎng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]（3）軍事與航天工業(yè)

模擬與練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個(gè)重要課題，這為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱(chēng)為SIMNET的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)系統(tǒng)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬戰(zhàn)爭(zhēng)過(guò)程已成為最先進(jìn)的多快好省的研究戰(zhàn)爭(zhēng)、培訓(xùn)指揮員的方法。1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)開(kāi)始前，美軍便把海灣地區(qū)各種自然環(huán)境和伊拉克軍隊(duì)的各種數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)，進(jìn)行各種作戰(zhàn)方案模擬后才定下初步作戰(zhàn)方案。后來(lái)實(shí)際作戰(zhàn)的發(fā)展和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)一致。在航空航天方面，宇航員利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行各種訓(xùn)練，美國(guó)航空航天局計(jì)劃將虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)用于國(guó)際空間站組裝、訓(xùn)練等工作。模擬訓(xùn)練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個(gè)重要課題。畢雷虛擬現(xiàn)實(shí)33[1]（4）商業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)常被用于推銷(xiāo)。例如建筑工程投標(biāo)時(shí)，把設(shè)計(jì)的方案用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)出來(lái)，便可把業(yè)主帶入未來(lái)的建筑物里參觀，如門(mén)的高度、窗戶朝向、采光多少、屋內(nèi)裝飾等，都可以感同身受。它同樣可用于旅游景點(diǎn)以及功能眾多、用途多樣的商品推銷(xiāo)。因?yàn)橛锰摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)展現(xiàn)這類(lèi)