虚拟现实探究

摘要:虚拟现实技术是由计算机产生,通过视、听、触觉等作用,使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真,具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特征。文章介绍虚拟现实技术的原理、关键技术及分类,阐述了虚拟现实系统的前景。

关键词:虚拟现实技术;关键技术;前景

中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)24-6815-03

The Study of the Virtual Reality

HU Feng-hua, GUO Dan-feng, LIU Bin

(Collage of Computer and Information Technology, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China)

Abstract: Virtual reality is a result of computer development,it may create some scenery that includes senses of sight,hearing and touch.Its characteristics are multi-sensation, existent sense,interaction an d independence.

Key words: virtual reality; key technology; prosperity

虚拟现实是近年来十分活跃的技术研究领域,是一系列高新技术的汇集,这些技术包括计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术以及高度并行的实时计算技术,还包括人的行为学研究等多项关键技术。虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界,是这些技术的更高层次的集成和渗透。它能给用户以更逼真的体验,为人们探索宏观世界和微观世界以及那些由于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律提供了极大的便利。由于它前景诱人,一经问世就立即受到了人们的高度重视。有专家认为,80年代是个人计算机的年代,90年代是多媒体计算机的年代,21世纪初将是虚拟现实技术的时代。

1 虚拟现实技术的概念

虚拟现实技术(Virtual Reality ),又称灵境技术,是90年代为科学界和工程界所关注的技术。这种技术的特点在于,计算机产生一种人为虚拟的环境,这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间,或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”,从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。狭义的说它是一种人机交互方式,以最终消除人、机之间的隔阂,达到人机交融为目的。

2 虚拟现实的发展历程

虚拟现实的发展从 1962年,Morton Heilig发明了实感全景仿真机开始。l965年,27岁的美国高级研究规划署 (ARPA)信息处理技术处主任伊凡・苏泽兰 ( IvanSuthefland )在其论文《终极显示》“The Ultimate Display”中首次提出包括具有力反馈设备、交互图形显示以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想,提出使计算机显示屏成为观察客观世界窗口的设想,伊凡・苏泽兰研制了头盔式图形显示器。这是目前大家公认的虚拟现实技术研究的开端。 20世纪80年代美国VPL(“Virtual Programming Languages”) 研发公司的创始人计算机科学家、作曲家、艺术家兼作家加隆・雷尼尔 (Jaron Lanier)创造了“Virtual Reality”一词。原意指计算机构建的三维空间。1992年,在法国召开了与VR技术相关的名为“真实与虚拟世界的界面”的国际会议。 1993年,美国科学家 Grigore C.Burdea 和法国科学家 Philippe Coitfet在世界电子国际年会上发表了“Virtual Reality System and Application”一文,第二年两人在纽约合作出版了《模拟识实技术》一书,提出了虚拟现实的三“I”特征:Immersion(沉浸)、Interaction(交互)、Imagination(构想),即所谓的虚拟现实三角形。

3 虚拟现实的特征

3.1 沉浸感

沉浸感,是指计算机生成的虚拟世界能给人一种身临其境的感觉,如同进入一个真实的客观世界。在现实生活中,我们观察到的都是有景深、有立体感的三维世界,因此要做到完全模拟现实,仅仅靠简单的平面二维图形是不够的,只有用三维系统才能真正意义地模拟三维世界,才能给用户一种身临其境的感觉。

3.2 交互性

交互性,是指人能够很自然地跟虚拟世界中的对象进行交互操作或者交流。进入三维场景之后,用户要有第一人称感觉,就是说是以用户为主而不是计算机图片或场景,用户要体会到一种与现实生活一样的感觉。这就要求我们必须把时点移到所构造的三维场景中的任何一点,就像在真实世界中您可以随意前进、后退、转弯、蹲下、跳起以得到不同的视角,不同的视角才会造成不同的场景。

3.3 构想

构想,是指虚拟环境可使人沉浸其中,并且获取新的知识,提高感性和理性认识,从而深化概念并萌发新意。任何系统都需要人都参与,这其中主要用到三维交互设备,常用的有立体头盔、数据手套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置,如摄像机、地板压力传感器等。

任何系统,只要满足了以上三个特征,我们就可以称其为一个虚拟现实系统。

4 虚拟现实的实现

4.1 虚拟现实技术的原理

虚拟现实技术是综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术,模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能,使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中,并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互,创建了一种适人化的多维信息空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性,而且能够突破空间、时间以及其他客观限制,感受到真实世界中无法亲身经历的体验。

4.2 虚拟现实的关键技术

4.2.1 动态环境建模技术

虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。

4.2.2 交互技术

虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式,利用数字头盔、数字手套等复杂的传感器设备,三维交互技术与语音识别、语音输入技术成为重要的人机交互手段。

4.2.3 立体显示和传感器技术

虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要,例如,数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点;虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高,因此有必要开发新的三维显示技术。

4.2.4 系统集成技术

由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型,因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。

4.3 虚拟系统的硬件

由于虚拟世界本身的复杂性及计算实时性的要求,对系统的硬件配置提出了极高的要求。虚拟现实系统的硬件包括虚拟现实发生器以及输入输出设备。虚拟现实发生器用来处理和产生虚拟境界,是任何虚拟系统的核心。它一般由计算机加图形生成器或加速卡组成。虚拟现实系统的输入设备可以帮助参与者在虚拟现实仿真中改变自己的位置、观察点和视野,并能对虚拟境界中的问题进行一定的操作性作用。

4.4 虚拟系统的软件

虚拟环境的开发者是在已有的虚拟环境系统开发工具的基础上进行工作。虚拟现实软件必须充分管理和利用各种计算资源、接口设备和系统资源,提供应用开发者高性能的接口。通常的接口方式有编译库、描述语言和图形化。虚拟现实软件可分为工具包和创作工具。工具包即程序库,一般用c或c料等编制,VRML就是这样一个程序库。创作工具是带有图形用户界面的完整软件,通过创作工具只需简单编程就可生成虚拟境界。

4.5 虚拟现实系统的分类

随着科学技术的飞速发展,自1965年Ivan Sutherland提出虚拟现实的概念以来,虚拟现实技术出现了多样化的发展趋势。随着数据结构、各种实体建摸技术趋于成熟,以及一切与之相关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法的发展,为虚拟现实技术的广泛应用提供了技术支持。到20世纪80年代出现了交互式手套控制和头盔显示的虚拟现实系统,使得虚拟现实在应用技术上有了新的飞跃。根据对虚拟环境的不同要求和对于使用目的和应用对象的不同要求,虚拟现实系统可以分为以下几类:桌面式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、叠加式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统和增强型虚拟现实系统。

4.5.1 桌面式虚拟现实系统

桌面式虚拟现实系统又称为非沉浸式虚拟现实系统,这种系统通过投影屏幕、计算机屏幕作为用户观察虚拟环境的一个窗口,参与者仅使用一些简单外部设备来控制虚拟环境和操纵虚拟场景中的物体。在桌面式虚拟现实系统中,用户可以通过事先设置的交互操作或者浏览器已附带的功能来实现虚拟环境的物体旋转和平移,以便从各个角度观看三维模型;也可以利用浏览器中的“walk”功能在虚拟环境中浏览。如飞机模拟器、汽车模拟器、电子会议等都属于桌面式虚拟现实系统。桌面式虚拟现实系统投资比较低,适宜推广应用,而且通过附加一些低成本的辅助设备,如液晶显示光闸眼镜、立体观察器等就能达到比较理想的模拟现实的效果。

4.5.2 沉浸式虚拟现实系统

沉浸型虚拟现实系统比较复杂,为了使用户能够全身心地投入到虚拟环境之中,它将用户与外界隔离,排除了外界的干扰。通过头盔显示器、数据衣服、数据手套等传感器设备用户可以与虚拟环境进行交互。这种系统由于价格昂贵,虽然能够为用户创造一个完备的虚拟世界,但难以普及。

4.5.3 叠加式虚拟现实系统

叠加式虚拟现实系统又称为补充现实系统,是用户一边对现实世界进行观察,一边通过穿透型头戴式显示器计算生成的虚拟图像叠加在现实世界上,为操作员提供存储在计算机中的和他所看到的现实环境有关的信息,从而增强操作员对真实世界的感受。因为叠加式虚拟现实系统不仅能模拟现实世界,而且能增强现实中无法感知或者不方便的感受,所以这种系统在我们的现实生活中有广泛的应用前景,如外科医生应用该系统进行外科手术,为了提高手术的成功率,可以让医生用另外来源得到的3D虚拟图像与病人患病部位的实际图像进行对比、判断。叠加式虚拟现实系统中应用到的传感器技术在精确性方面有限制,所以这种技术在目前实际应用中还有一定的局限性。

4.5.4 分布式虚拟现实系统

分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟环境,是在沉浸式虚拟现实系统的基础上,将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接,并共享信息,从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。分布式虚拟现实系统充分利用网络功能和计算机系统强大的计算能力,使在共同领域的专家学者,进行信息共享,达到使处于不同地域的设计人员进行协同设计的目的。分布式虚拟现实系统的操作系统要求能在不同计算机上处理不相似的虚拟世界,因此必须用专门的操作系统――分布式操作系统。目前,分布式虚拟现实系统主要应用于虚拟战争模拟、远程虚拟会议、虚拟医学会诊等领域。

4.5.5 增强型虚拟现实系统

增强型虚拟现实系统又称为混合现实系统。它将真实环境与虚拟环境进行交汇融合,以虚拟环境取代部分真实环境,既可以对某些真实物体进行操作,又可以降低构成真实环境的开销,真正达到了虚拟与现实有机结合的境界。增强型虚拟现实系统是今后的发展方向。

5 我国虚拟现实技术的研究现状

我国的VR技术和一些发达国家相比,还有一定的差距,但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。我国根据具体的国情,已经制定了开展VR技术的研究。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。在紧跟国际新技术的同时,国内一些重点院校,已积极投入到了这一领域的研究工作。

国内最早开展此项技术试验的是挂靠在西北工业大学电子工程系的西安虚拟现实工程技术研究中心。该中心的成立,对发挥学校电子信息工程学院等其他院系和研究所在虚拟现实、虚拟仿真与虚拟制造等方面的研究优势将具有积极作用。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行虚拟现实技术研究的单位之一。在虚拟环境中物体物理特性的表示与处理、视觉接口部分软硬件的研制、分布式虚拟环境网络设计、实时三维动态数据库开发等方面都取得了很多有意义的成果。浙江大学CAD&CG 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统。哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为定人脸图像的合成,表情的合成和唇动的合成等技术问题,并正在研究人说话时头势和手势动作,话音和语调的同步等。中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术,完成了虚拟现实中的视体图像对算法回显及软件接口。他们在硬件开发上已经完成了LCD红外立体眼镜,并且已经实现商品化。北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一,中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心。

参考文献:

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