虚拟现实

1、虚虚 拟拟 现现 实实1.1 虚拟现实的概念虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与 传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟 现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它 可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指 用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过 使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的， 即人是这种环境的主宰。从本质上来说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它 通过给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段， 最大限度地方便用户的操作。根据虚拟现实技术所应用的对象不同，其作用可表现为不 同的形式，例如将某种概念设计或构思可视化和可操作化，实现逼真的遥控现场效果， 达到任意复杂环境下的廉价模拟训练目的等1.2 虚拟现实的特点1.2.1 多感知性（Multi-Sensory） 所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉

2、感知、力觉 感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术 应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚 拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。 1.2.2 浸没感（Immersion） 浸没感又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的 模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环 境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、 尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。 1.2.3 交互性（Interactivity） 用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性） 。 例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉， 并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。 1.2.4 构想性（Imagination） 强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现 真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能

3、发生的环境。 一般来 说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、 以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系 统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、 嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。 这里，虚拟环境处理器是 VR 系统的心脏，完成虚拟世界的产生和处理功能。输入设 备给 VR 系统提供来自用户的输入，并允许用户在虚拟环境中改变自己的位置、视线 方向和视野，也允许改变虚拟环境中虚拟物体的位置和方向。而输出设备是由 VR 系 统把虚拟环境综合产生的各种感官信息输出给用户，使用户产生一种身临其境的逼真 感。1.3 建立虚拟环境的图形软件包1.3.1WTK WTK 是美国 Engineering Animation 公司研制的虚拟现实系统应用工具箱。它是以 Windows 动态链接库的形式发布的 VR 程序库，是目前比较流行的虚拟环境应用工具 箱，其目的是为了便于开发 VR 应用程序。它不仅提供了对普通 VR 硬件的接口，而且 提供了绘制虚拟世界的命令。从底层看它是由 1000 多个 C

4、 语言函数组成的软件包。 WTK 具有完整的硬件支持，包括各种身体跟踪器、手套接口、鼠标之类的非 VR 桌面 设备和 6 自由度输入设备。WTK 的主要优点是它的跨平台能力：如果需要速度更快、 功能更加强大的图形引擎，为 PC 设计的应用程序可以快速地移植到 SGI 工作站上；反 之，在 SGI 工作站上开发的应用程序也可以移植到 PC 上。WTK 还支持多显示器和同 步合作体验。 1.3.2MultiGen MultiGen 公司的 VR 建模软件 MultiGen for WindowsNT 是目前最好的交互式图形 建模工具之一，具有强大的纹理贴图功能、LOD 现实功能、任意路径漫游功能，可以 用于虚拟碰撞实验，道路模拟实验，测试数字产品。 1.3.3Vega MultiGen-Paradigm 公司的 Vega 三维场景驱动软件功能强大，可用于实时视觉和 听觉仿真，其所带图形用户界面 Lynx，使开发者省去许多精力，有单 CPU 和多 CPU 两个版本，适用平台包括 UNIX、Windows98、WinNT，对硬件要求较高。Vega 由被 称作 Lynx 的图形化用户接口、Veg

5、a 库组成。Vega 的功能可以通过附加的特效模块来 扩展。这些模块扩展了用户接口，并为代码开发提供定制的函数库。Vega 用户也可以 开发与 Vega 的各个单元兼容的自定义模块。 1.3.4VRT(Virtual Reality Toolkit) VRT 是由英国 Dimension International 公司（即后来的 Superscape PLC 公司）推 出的超视景(Superscape)VR 工具包(VRT),是当今桌面 VR 系统的代表性产品，包括以下 3 个最主要的编辑器：形状编辑器(Shape Editor)、世界编辑器(World Editor)和可视化器 (Visualizer)。它可以在多种计算平台上运行，不需要昂贵的图形加速器。另外，WTK 是基于文本的，而 VRT3 采用了基于菜单和图标的图形编程模型，这就使人们更容易 学习编程，但由于可用函数菜单有限，支持的接口数目有限，VRT 在功能上有所减弱。1.3.5Distributed Virtual Environment System(DVS) Distributed Virtual Environme

6、nt System 是由英国 Division 公司开发的分布式虚拟 环境工具软件，它主要运行于 Pro Vision 和 Super Vision 等并行处理机上。DVS 的设计 适合于不同的并行体系结构并支持松耦合网络、对成多处理器和单处理器系统。 与其他 VR 系统不同的是，用户可以从底层（如 C/C+语言）编写 DVS 应用，但 也可以利用 DVS 提供的高级动画服务器，直接进行虚拟环境的模拟，从而避免程序编 写这一较为专业的环节。 1.3.6VRML（虚拟现实建模语言） VRML(Virtual reality modeling language,虚拟现实建模语言)也常用于 VR 系统的开 发，它是为了在 Internet 上共享 3D 图形虚拟世界而创造的，它提供一种用于网上的虚 拟世界的描述方法。VRML97 规范提供了对于声音和各种类型的行为描述的支持。 VRML 对虚拟世界的描述包括形状、与其它 Web 实体的连接、动画脚本和其它简单 的行为，还包括声音。 1.3.7OpenGL OpenGL 的英文全称是“Open Graphics Library”即“开放的图形程

7、序接口” ，它的前身是 SGI 公司开发的 IRIS GL，目前已经发展到 2.0。OpenGL 被严格定义为 “一种到图形硬件的软件接口” 。从本质上说，它是一个完全可移植并且速度很快的 3D 图形和建模库。它是开放的三维图形软件包，独立于窗口系统和操纵系统，在交 互式三维图形建模能力和编程方面具有无可比拟的优越性36。OpenGL 不但具有开放 性、独立性和兼容性三大特点。使用 OpenGL，可以创建出视觉质量接近射线跟踪程 序的精致漂亮的 3D 图形37。许多三维演示系统都用 OpenGL 作为三维图形生成和控 制的编程接口。1.4 虚拟现实的关键技术1.4.1 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。 三维数据的获取可以采用 CAD 技术（有规则的环境） ，而更多的环境则需要采用非接触 式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。 1.4.2 实时三维图形生成技术 三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到

8、实 时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于 15 桢/秒，最好是高于 30 桢/秒。在不降低 图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容 1.4.3 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。1.4.4 应用系统开发工具 虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选 择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为 了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布 式虚拟现实技术等。1.4.5 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。1.5 虚拟现实的国内外研究现状1.5.1 美国研究状况 美国作为 VR 技术的发源地，其研究水

9、平基本上就代表国际 VR 发展的水平。近年 来,虚拟现实在美国航空航天和军事领域的若干成功应用所获得的巨大经济效益和社会 效益，促使美国政府进一步加大了对虚拟现实技术研究的支持力度。在美国虚拟现实 在以下三个方面发挥重大作用：（1）武器系统性能评价；（2）武器操纵训练；（3） 指挥大规模军事演习。虚拟现实的应用将大幅度降低以上三者所需的费用，极大地提 高效益，并消除意外伤亡事故。美国政府所支持的虚拟现实研究也正是紧紧围绕着提 供这三种能力的系统和环境而展开的。 在军事领域，美国的主要研究单位为：美国空军技术研究所(Air Force Institute of Technology)主要研究人类因素的检测、计算机图形学以及与大规模分布综合环境应用有关的人机交互问题，尤其对那些培养实际操作人员的环境感兴趣。这些环境的特点 是有明确的目的性、大规模、复杂及主动性。有目的性的含义是在环境中的活动者具 有明确 的目标，并主动采取行动来达到这些目标。海军研究生院图形和图像实验室 (Naval Postgraduate School Graphics and Video laboratory)的研究目标是为基于网络化虚 拟环境的交互仿真开发低价格模拟器。他们正在研制一种便宜的、实时网络化的飞行 模拟器 NPSNET4。它使用 SIMNET 和分布式交互仿真两种协议进行主机之间的通信。 NPSNET 计划注意虚拟世界的系统在现实世界问题中的应用。美国陆军研究所 (U.S.Army Research Institute)从事虚拟环境的行为科学和计算机科学两方面的研究,并在 美国陆军委员会支持下的用于战斗训练的仿真电子战场的应用中发挥着重要作用。密 西根大学 (University of Michigan)承担了 SOAR 项目，其目的是要通过提供改进了的空 仿真兵力来扩充 LORAL MODSAF。这一计划将使美国国防部在虚拟战役仿真中具有 智能化的和难以战胜的敌方战机具备时态推理能力、多目标管理和传感能力，使管理 和操纵敌方兵力的人减至最少。 在航天领域，现在 NASA 已经建立了航空、卫星维护 VR 训练系统，空间站 VR 训练系统，并且已经建立了可供全国使用的 VR 教育系统。北卡罗来纳大学(UNC)的计 算机系是进行 VR 研究最早的大学，

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