虚拟现实关键技术分析及其应用综述

文章编号:1006-7353(2000) 02-0052-03

Ξ

虚拟现实关键技术分析及其应用综述

万　　波

(武汉教育学院)

　　摘要:本文论述了虚拟现实技术的重要方面, 义, 简单的介绍了其在科研、教育培训、影视、艺术和娱乐及军事和航天领域的应用。

关键词:; ; 交互性; 特征; 关键技术; 应用文献标识码:A

1　前言

虚拟现实作为一门新兴的技术, 现从面

向游戏机和主题游乐园, 扩展为开拓工业、商业、医学和军事等领域的应用。可以预料, 今后的十年间这一处于青春期的活跃技术, 将在许多行业中找到用武之地。“虚拟现实”这一名词的真正含意是:把客观世界中的局部用电子方式仿造出来, 让你在进入这个局部世界时, 犹如身临其境; 当你在这局部世界中活动时, 这一“境”也会作出使你感受到的相应变化。

虚拟现实(Virtual Reality ) , 不是真实的世界, 也不是现实, 而是一种可交互的环境, 人们可通过计算机的各种媒体进入该环境, 并与之交互。超脱不同的应用背景看, VR 技术是把抽象、复杂的计算机数据空间表示为直观的、用户熟悉的事物。它的技术实质在于提供了一种高级的人机接口。利用VR 技术所产生的局部世界并非是真实的, 而是人造的, 是虚构的; 但当你进入这一局部世界时, 其感觉与现实世界是相同的。2　虚拟现实VR 的主要特征

虚拟现实(Virtual Reality VR ) , 是一种

最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术, 是综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、并行实时计算技术、人工智能、仿真技术等多种学科而发展起来的90年代计算机领域的最新技术。VR 以模拟方式为使用者创造一个实时反映

实体对象变化与相互作用的三维图像世界, 在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中, 使参与者可直接参与和探索虚拟对象所处环境中的作用和变化, 仿佛置身于一个虚拟的现实世界中, 产生沉浸感(immersive ) 、想象(imaginative ) 和实现交互性(interactive ) 。这就是虚拟现实的

3个最突出的特征。例如, 你进入一个仿造出来的飞机场, 看到一排排飞机, 也看到有的飞机正准备出动; 当你向这些飞机走近, 你就会看到这些飞机的体形变大, 甚至看出准备出动的飞机的机舱内就坐的驾驶员的脸容, 同时听到正要出动的飞机的气流声, 这些都使你犹如身临其境。

交互性是指参与者通过使用专用设备, 用人类的自然技能实现对模拟环境的考察和操作的程度。例如用户在机场可以扶梯登机, 抓扶模拟环境中的物体, 用户有抓扶的感

Ξ

收稿日期:2000-02-18

52

觉, 还可感觉到物体的形状等特性, 机场中的物体也应立刻随着人的移动而变化。另一方面, 由于VR 是多种媒介或多个高层终端用户接口, 它的应用能解决在工程、医学、军事等方面的一些问题, 这些应用是VR 与设计者并行操作, 充分发挥它们的创造性而设计出来的, 这极大地依赖于人类的想象力。这就是VR 的第二个特征:想象(Imagination ) 。

VR 最主要的技术特征是“沉浸感”或“临境感”。VR 一种“全身心投入”, 浸感”; 中, 。VR 的“沉浸感”特性使它与一般的交互式三维计算机图形有较大的不同:用户可沉浸于虚拟的现实环境———数据空间, 可从数据空间向外观察, 从而使用户能以更自然、更直接的方式与进行人机数据交互; 利用VR 的沉浸功能, 用户暂时与现实环境隔离, 投入到虚拟的现实环境中, 从而能真实地观察数据, 处理数据。3　虚拟现实VR 的关键技术

由于虚拟现实(Virtual RealityVR ) 是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术, 它依托于计算机科学、数学、力学、声学、光学、机械学、生物学乃至美学和社会科学等多种学科, 在计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等信息技术的基础上迅速发展起来。它涉及到计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、并行实时计算技术及仿真技术等多种高科技技术领域, 是这些技术更高层次的集成和渗透。被专家学者们公认为是21世纪可能促使社会发生巨大变化的几大技术之一。虚拟现实涉及的关键技术和研究内容主要包括:

(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建模技术, 二者有机。

(2) :三维图形的, “实时生, 。, 至少要保证图形的刷新频率不低于15帧/秒, 最好高于30帧/秒

。在不降低图形的质量和复杂程度的前提下, 如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。同时, 计算机图形技术, 仿真技术的提高对其发展都会产生重要影响。这里, 图形生成的硬件体系结构以及在虚拟现实的真实感图形生成中用于加速的各种有效技术是关键。

(3) 立体显示和传感器技术:VR依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的VR 设备还不能满足系统的需要, 例如头盔式三维立体显示器有以下缺点:过重(15～20kg ) 、分辨率低、刷新频率慢、跟踪精度低、视场不够宽、眼睛容易疲劳等; 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。

(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性。选择适当的应用对象可大幅度地提高效率, 减轻劳动强度, 提高产品质量。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

53

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。集成技术包括信息的同步、模型的标定、数据转换、数据管理模型、模式识别与合成等技术。4　虚拟现实VR 的主要应用领域

VR 是关于人与计算机通信的技术, 其应用极其广泛。目前, 它已涉及科研、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、硬件价格的下降,VR 的应用将更加丰富。

:

(1) 教育和培训当的逼真度, 操作虚拟环境中的对象。教育从虚拟环境技术中的获益是显而易见的。

(2) 遥感操作VR 技术可用于对人类有害或危险的场合, 人无须进入现场而只需在现场安装适当的遥感器或机器人。例如, 对沉没的泰坦尼克号的探测就是利用遥感操作来完成的。

(3) 娱乐场合。由于公众和媒体对VR 技术颇感兴趣, 因此, 凡是采用了某些“虚拟现实技术”的娱乐方式都有着潜在的经济效益。

(4) 医疗场合。VR 可用于解剖教学、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, 预测手术结果以及远程医疗等。

(5) 虚拟现实技术在军事指挥、训练和航天领域的应用。例如, 虚拟现实的军事训练, 演习。航天实验等。

5　虚拟现实VR 的发展及应用前景

验室进入实际应用阶段; 第三个阶段从80年代末期之后, 是虚拟环境技术全面发展的时

期。

自1990年第一家专门为VR 提供软件的公司成立以来, 研究、应用虚拟现实系统的热潮席卷美国及整个西方世界, 一大批新公司、。由于计算, 一些主要的VR 的潜在价值, 。, 极待克服的障碍是商品化成本仍十分昂贵的问题。如Division 公司生产的Vision -VR 工作站售价为＄70000, 最好的头盔显示器会卖到＄70000,SGI 公司生产的最快的图形引擎要价＄100000。这些昂贵的价格只有大公司、政府以及大学能够买得起。VR 技术是一项投资大、难度高的科技领域, 根据我国国情“, 九五”计划、国家自然科学基金会等都把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, 如清华大学、上海交通大学、浙江大学等已积极投入这一领域的研究。VR 技术的应用将大大拓宽人类对现实世界、尤其是未知的现实世界的感觉和认识, 从而也将引起人的感知和认识的一次飞跃。

参考文献

1　曾建超、俞志和编著. 虚拟现实的技术及其应用.

北京:清华大学出版社,1996. 10～19

2　李锦涛、刘国香等. 虚拟环境技术. 北京:中国铁

道出版社,1996. 18～154

3　(美) Joe Gradecki 著、何定、华宏等译. 虚拟现实

系统制作指南. 北京:电子工业出版社,1996. 80～98

4　

Ron Wodaski ,Donna Brown 著、蔡智明译. 多媒体

虚拟环境技术并非最近才出现的, 其发

展大致可分为三个阶段:第一个阶段从本世纪50年代到70年代, 是虚拟环境技术的准备阶段; 第二个阶段从80年代初到80年代中期, 是虚拟环境技术系统化, 并开始走出实54

电脑虚拟现实技巧. 北京:机械工业出版社,

1996. 40～58

5　刘学慧、吴恩华. 虚拟现实的图形生成技术. 中国

图象图形学报, 1997,2(4) :205～212