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虚拟现实技术发展及应用

摘要：

本文首先综述了虚拟现实技术的概念、特征和关键技术，然后分析了虚拟现实技术国内外发展现状，最后着重介绍了虚拟现实在军事、医学、数字展陈等方面的应用。

关键词：

虚拟现实技术；特征；关键技术；发展现状；应用领域中国分类号：

文献标识码：

文章编号：

0引言

虚拟现实技术（VritualReality，VR）是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感器技术的基础上发展起来的一门新兴的交叉学科，它实时的三维空间表现能力、自然的人机交互式操作环境以及给人带来的身临其境的感受，从根本上改变了人与计算机之间枯燥、生硬和被动的交互现状，为人机交互技术的发展翻开了新的篇章，为智能工程的应用提供了新的界面工具。

虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术高层次的集成和渗透；它给用户以更逼真的体验，它为人们探索宏观世界和微观世界中由于种种原因不便于直接观察事物以得知运动变化规律的情况下，提供了极大的便利。

由于它的诱人前景，一经问世就立即受到人们的高度重视。

1虚拟现实的特征【1】

虚拟现实技术就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户创造一个逼真的三维场景，提供诸如视、听、触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，让用户有身临其境的感觉，从而减轻用户的负担，提高整个系统的工作效率。

它具有四个突出特征：

①交互性（Interactivity）是指用户对虚拟环境中对象的可操作成度和从虚拟环境中得到反馈的自然成度，这种交互主要借助于各种专用设备的产生，从而使用户以自然方式如手势、语言等操作虚拟现实中的对象。

②沉浸感（Immersion）VR的沉浸感又临场感，是VR的主要特征，是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度，即让用户由观察者变为参与者，感觉自己是计算机系统的一部分，并能全身心的沉浸于虚拟现实中。

③想象力（Imagination）。

VR的想象力是指用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未来进行想象的能力。

④多感知性（Multi-sensation）所谓多感知就是说除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至应该包括味觉感知、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，无论从感知范围还是从感知的精确程度都无法与人相比拟。

2虚拟现实的关键技术[2]

（1）动态环境建模技术。

虚拟环境的建立是VR技术的核心内容。

动态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。

三维数据的获取可采用CAD技术（有规则的环境），而更多的情况则需采用非接触式的视觉模技术，二者有机结合可有效地提高数据获取的效率。

（2）实时三维图形生成技术。

目前，三维图形的生成技术虽然已比较成熟，但如何“实时生成”仍然是实现虚拟现实技术的重要瓶颈。

为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧／s，最好高于30帧／s。

在不降低图形品质和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率是该技术的一项重要研究内容。

同时计算机图形技术、仿真技术的提高对其发展也会产生重要影响，尤其图形生成的硬件体系结构在虚拟现实的真实感以及图形生成中用于加速的各种有效技术。

（3）立体显示和传感器技术。

VR是在三维空间中完成人机交流，为了准确及时地获取人的动作信息，需要各类精度高、可靠的三维人机交互设备和传感设备，即VR的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。

现有的VR设备还远不能满足系统的需要，例如头盔式三维立体显示器存在过重（15~20Kg）、分辨率低、刷新频率慢、跟踪精度低、视场不够宽、眼睛易疲劳等缺点；同样，数据手套、数据衣等都有延迟大、分辨率低、使用不便等缺点。

因此，有必要开发新的三维显示技术。

而各种传感器则是有效进行视、听、动等高级人机交互技术的关键。

比如人抓取物体时，机器应感应其动作，并对虚拟环境作相应的变化。

所以，传感装置的研究以及设备的跟踪精度和跟踪范围都有待进一步深入研究。

（4）应用系统开发工具。

VR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大幅度地提高效率，减轻劳动强度，提高产品品质。

为了达到这一目的，必须研究VR的开发工具。

例如，VR系统开发平台、分布式VR技术等，这些都直接与计算机技术、多媒体技术的快速发展密切相关。

（5）多种系统集成技术。

由于VR系统中包含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。

系统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、模式识别与合成技术等。

（6）用户的适用性。

VR技术的发展离不开对用户适应性的分析与研究，即研究在现有硬件技术的条件下，如何通过不同性能设备的组合来满足用户的要求。

这项研究不仅涉及到计

算机硬件和软件，还涉及心理学、医学等范畴，它对于设计实际的应用系统具有重要意义。

（7）智能技术（ArtificialIntelligence，简称AI.）。

在VR中，计算机是从人的各种动作、语言等变化中获得信息。

要正确理解这些信息，需要借助于VR.技术来解决，如：

语音识别、图像识别、自然语言理解等，这些智能接口领域的研究课题是VR技术的基础。

4虚拟现实技术的国内外发展现状

（1）国外虚拟现实技术的研究现状[3]

就目前虚拟现实的发展情况来看，美国作为VR技术的发源地，其研究水平基本上就代表国际VR发展的水平。

目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。

美国宇航局（NASA）的Ames实验室研究主要集中在以下方面：

将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品；在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真；大量运用了面向座舱的飞行模拟技术；对哈勃太空望远镜的仿真。

从90年代初起，美国率先将虚拟现实技术用于军事领域，主要用于以下四个方面：

虚拟战场环境；进行单兵模拟训练；实施诸军兵种联合演习；进行指挥员训练。

此外，英国和日本也是虚拟现实技术发展比较先进的国家。

英国在在分布并行处理、辅助设备（包括触觉反馈）设计和应用研究方面遥遥领先，日本主要致力于建立大规模VR知识库的研究，在虚拟现实的游戏方面的研究也处于领先地位。

（2）我国的虚拟现实技术的研究现状

我国VR技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。

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。

国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。

北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，并在以下方面取得进展：

着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。

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，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法；哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题；清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究。

西安交大信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——立体显示技术进行了研究，提出了一种基于JPEG标准压

缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度；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。

5主要应用领域

在现实世界中，有些环境人们难以身临现场或者实现条件过高、费用过大，而虚拟现实却能超越时间和空间、现实与抽象，将无法进入的环境再现于人们面前，为人类发展提供了一个新的途径。

虽然目前VR技术还不够成熟，但VR技术已经可以满足部分应用的要求。

国内外已出现了一些较为成功的应用系统，如日本松下公司的“虚拟厨房设计系统”VIVA、美国NASA的“虚拟风洞系统”、美军的SIMENT训练系统以及英国的Virtuality游戏系统等。

目前，它已扩展到科研、教育培训、工程设计、商业、军事、航天、医学、影视、艺术和娱乐等众多领域。

随着软件、硬件价格的下降及技术的进步，VR的应用将会更加普遍。

下面列出一些VR技术的应用领域

（1）飞行模拟。

它是VR技术应用的先驱。

现代飞机具有高性能的动力装置、精确的导航系统、可靠的自动飞行和自动着陆系统以及复杂的航空电子系统。

飞行员应具备精湛的驾驶技术，但在真实的飞机上训练驾驶技术耗资太大，受到空域和场地的限制，而且有些特殊情况（如发动机停车、大仰角失速等）难以在真实飞机上实现，因此，通过模拟器训练飞行员是一条有效的途径。

（2）空间技术。

最为成功的例子就是“哈勃望远镜的修复和维护。

”在训练中，宇航员坐在一个模拟“载人操纵飞行器”功能并带有传感器的椅子上。

椅子上有用于虚拟空间中作直线运动的位移控制器和绕宇航员重力中心调节宇航员朝向的旋转控制器。

宇航员头戴立体头盔显示器，用于显示望远镜、航天飞机以及太空的模型，并用数据手套作为与系统进行交互的手段。

这样，训练时，宇航员就可以在望远镜周围进行操作，并且可以通过虚拟手接触黄色的操纵杆来抓住需要更换的“模拟更换仪MRI”。

抓住MRI.之后，宇航员可以利用座椅的控制器在空中飞行。

座椅上还有三个按钮，分别用于望远镜外盖的开／闭、望远镜天线的开／闭以及望远镜太阳能面板朝向的调节。

经过这个虚拟系统的训练，宇航员于1993:

年12月，成功地完成了从航天飞机上取出备件更换哈勃太空望远镜上损坏的MRI.这一复杂而又费时的任务。

93）科学计算可视化。

引起科技界注目的是设计波音747获得成功。

波音747飞机有300多万个零件组成，这些零件以及飞机的整体设计是在一个由数百台工作站的VR环境系统上进行的。

当设计师戴上头盔显示器后，就能穿行于这个虚拟的“飞机”中，去审视“飞机”的各项设计。

过去为设计一架新型的飞机必须先建造两个实体模型，每个造价约为60万美

元。

应用VR技术后，不仅节约了研制经费，也缩短了研制时间，且保证了机翼和机身结合的一次成功。

绿色制造是21世纪实现生态工业和社会可持续发展的关键，它要求产品全生命周期对环境的负面影响最小，资源利用率最高，因此在考虑绿色制造思想的基础上，对某些成熟的关键部分进行可拆卸设计，以实现木工机床产品的回收利用，延长产品的生命周期。

94）降落伞飞行模拟器。

2003年一种由系统科技公司（加州霍索恩）首席专家杰夫•豪格研发的虚拟降落伞飞行模拟器吸引了公众眼球。

它原是为扑灭森林火灾而空降到偏远地区的消防人员定制的，后来被应用于军队中用来训练专业跳伞员和机组人员。

受训人员系上降落伞背带，悬挂在引伞上，并戴上头盔式显示器。

训练就这样开始了。

在这样的环境中，受训人员向上能看到虚拟天空，向下能看到虚拟着陆场。

同时在飞行中，用户还可以练习基本操作程序，如通过拉动引伞控制降落。

虚拟现实降落伞飞行模拟器用户可以对实际地点的数字地形数据进行编程。

利用OpenFlight格式——飞行仿真行业主流的视觉图像格式，生成具有多层次细节的三维对象。

虽然用户在模拟器内感觉不到实际的风，但可以将风的元素和条件编程到计算机，使虚拟现实显示看起来真的像有风一样。

虚拟降落伞飞行器为训练者创造了逼真的虚拟飞行环境，使受训者通过训练战胜恐慌等心理因素，避免的实训中因恐慌带来的不必要的伤亡，降低了训练的受伤率。

95）数字博物馆[4]。

传统的博物馆采用实物展示方式，以满足参观者对遥远过去的好奇心；

相关历史知识或则以图片、文字等形式介绍给参观者。

这种真实的实物展示方式在时间、空间、展示对象、用户等各个方面均有局限性。

而数字展陈利用计算机技术和网络技术，对展示对象进行数字化，可以从时间、空间、内容上对实物展品进行延伸。

基于网络的数字展陈技术不仅可以让观众足不出户、不受时间限制地观看展柜中的展品，更重要的是是博物馆库房中那些不宜展出、难得一见的珍贵藏品走到寻常人中间，而且借助三维、全景摄影、摄像、3D图形等现代化手段，观众还可随心所欲地从不同角度欣赏观察展品，仿佛展品就在眼前。

数字展陈还增加了观众的选择性，变“给你看什么就看什么”为“我想看什么就看什么，”

从而最大限度地满足个性需求。

数字展陈采用数字模拟物品及真实场景的三维模型展示历史画面，是传统展示方法与先进计算机虚拟技术的结合。

由于虚拟物展品和场景全部存在于计算机中，因此，对其尺寸的大小没有任何限制，物体的三维模型可以无限期展示，没有物品被毁坏、被偷窃的危险。

在数字展陈系统里，人们不仅可以看到物品的三维模型，而且可以在计算机虚拟环境中进行观赏。

例如在虚拟恐龙博物馆中，当参观者戴上显示头盔时，通过数字手套对所看到的地球影像进行不断的放大与漫游，可以看到侏罗纪年代地球上的自然景观，以及各种各样的恐龙及其他动植物。

通过虚拟声音装置，参观者还可以听到恐龙和其他

动物的叫声等等。

（6）医学方面。

VR可以用于教学、复杂手术过程的规划、在手术过程中提供操作和信息上的辅助、预测手术结果等。

此外，远程医疗服务也是一个很有潜力的应用领域，例如，在偏远山区，通过远程医疗VR系统，人们可以不用进城就能够接受名医的治疗，对于危急病人还可以实施远程手术；在战场上，可以通过VR系统对前线的危急伤员进行远程手术，使他们得到及时的抢救；也可以用于医学心理学，尤其是在与心理失调有关的恐惧和忧虑疾病方面。

6小结

虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。

客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题，还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。

只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。

我们期待这有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。

[1]申蔚,曾文琪.虚拟现实技术[M].北京:

清华大学出版社,2005.[2]曾建超,徐光佑.虚拟现实技术及其发展战略[J],电子学报,1995.

[3]胡丽彬,陈子一.虚拟现实技术及其军事模拟环境初探[J].中外教育研究,2010.[4]潘志庚.虚拟现实及应用[J].国际学术动态,2009.