虚拟现实技术现状及发展趋势

虚拟现实技术现状及发展趋势

虚拟现实技术是一门新兴边缘的技术, 研究内容涉及多个领域, 应用十分广泛, 被公认为是21世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。从虚拟现实的概念出发, 对虚拟现实技术的国内外研究现状进行了充分论述, 并展望了虚拟现实的发展趋势。

一、虚拟现实技术简介

虚拟现实(Virtual Reality, 简称VR), 又译为灵境技术，从应用上看它是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术及仿真技术等多种科学技术综合发展起来的计算机领域的最新技术, 也是力学、数学、光学、机构运动学等各种学科的综合应用。这种计算机领域最新技术的特点在于以模仿的方式为用户创造一种虚拟的环境, 通过视、听、触等感知行为使得用户产生一种沉浸于虚拟环境的感觉并与虚拟环境相互作用从而引起虚拟环境的实时变化。

二、虚拟现实发展现状

计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具, 并因此导致了许多解决问题的新方法的产生。虚拟现实技术的产生与发展也同样如此, 概括的国内外虚拟现实技术, 它主要涉及到三个研究领域:通过计算图形方式建立实时的三维视觉效果；建立对虚拟世界的观察界面; 使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。

1国外虚拟现实发展现状

1.1 VR技术在美国的研究现状

美国是虚拟现实技术研究的发源地，目前大部分研究机构都在美国 。NASA Ames 实验室一直是许多VRT 思想的发源地. 早在1981年, 他们就开始研究空间信息显示，1984年开始了虚拟视觉环境显示项目, 后来还开发了虚拟界面环境工作站。目前,Ames 实验室正在致力于一个叫“虚拟行星探索”的试验计划。这一项目能使“虚拟探索者”利用虚拟环境来考察遥远的行星。波音公司的波音777运输机采用全无纸化设计, 利用所开发的虚拟现实系统将虚拟环境叠加于真实环境之上, 把虚拟的模板显示在正在加工的工件上, 工人根据此模板控制待加工尺寸, 从而简化加工过程。

1.2 VR技术在欧洲的研究现状

在欧洲，英国的Bristol 公司开发的软件系统DVS 是一个领先于某些标准操作系统环境。公司还提供了领先于DVS 的环境编辑语言。在该语言中，VR 被分成3类:实际环境检测、虚拟环境控制、虚拟环境显示。每个类别里有门的操作符模型，DVS 软件则使每个操作符产生不同的功能。英国在VR 开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备(包括触觉反馈) 设计和应用研究方面, 在欧洲来说是领先的。

1.3 VR技术在欧洲的研究现状

日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中同样具有举足轻重的地位, 它在建立大规模VR 知识库和虚拟现实的游戏方面作出了很大的成就。东京大学的原岛研究室开展了3项研究：人类面部表情特征的提取、三维结构的判定

和三维形状的表示、动图像的提取。

在东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面, 称为SpmAR ；NEC 公司开发了一种虚拟现实系统, 用代用手来处理CAD 中的三维形体模—279—No.2,2009现代商贸工业Modern Business Trade Industry2009年第2期型, 通过数据手套把对模型的处理与操作者的手联系起来。

2 国内虚拟现实发展现状

VR 技术是一项投资大、难度高的科技领域。同一些发达国家相比, 我国在VR 技术上的研究起步较晚，和一些发达国家相比还有很大的一段距离, 随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展，虚拟现实技术已经得到了相当的重视, 引起我国各界人士的兴趣和关注，研究与应用VR, 建立虚拟环境, 虚拟场景模型分布式VR 系统的开发正朝着深度和广度发展。国家科委国防科工委部已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目，国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用并取得了一些不错的研究成果。北京航空航天大学计算机系也是国内最早进行VR 研究、最有权威的单位之一，其虚拟实现与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境，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, 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现方法。清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”, 采用了QuickTime 技术，实现大全景VR 制；浙江大学AD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统; 哈尔滨工业大学计算机系已经成功地合成了人的高级行为中的特定人脸图像, 解决了表情的合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等。

二、虚拟现实技术的发展趋势

随着虚拟现实技术在城市规划、军事等方面应用的不断深入, 在建模与绘制方法、交互方式和系统构建方法等方面, 对虚拟现实技术都提出来更高的需求。为了满足这些新的需求, 近年来, 虚拟现实相关技术研究遵循“低成本、高性能”原则取得了快速发展, 表现出一些新的特点和发展趋势。主要表现在以下方面:

(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, 并根据需要建立相应的虚拟环境模型。

(2)实时三维图形生成和显示技术

三维图形的生成技术已比较成熟, 而关键是如何“实时生成”, 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今后重要的研究内容。此外,VR 还依赖于立体显示和传感器技术的发展, 现有的虚拟设备还不能满足系统的需要, 有必要开发新的三维图形生成和显示技术。

（3）媒介与人的融合

可以设想，依仗于智能技术的发展，人们终将摆脱程序化的管理方式，使自己的心力和智力在更大的空间里得到“提升”, 创造乐趣和才能全面发展的要求得到满足。可以说, 虚拟现实技术，正是人类进入高度文明社会前的必然的也是必须的技术发展背景和条件。数字化时代，虚拟现实技术将越来越人性化。有一

天, 人们会发现所面对的计算机和网络, 将不再是一堆单调和呆板的硬件, 而是会说话、根据人的语言、表情和手势做出相应反映的智能化器件。同计算机和网络打交道, 将会如同和人打交道一样方便。对于普通大众而言, 虚拟现实这一数字媒介将不再是神秘的、不可琢磨的事物, 而是善解人意的精灵. 它了解人对信息的特殊需求, 在人需要它的时候, 适时为人们送来信息。借助于虚拟现实技术, 把电子途径直接与人们的生物神经网络连接起来, 人机界面不仅是由生硬到友好, 而且是向界面发展, 从而最终把其纳入人的本体。虚拟现实技术的人性化, 最终将体现出自然性, 达到“天人合一”的完美境界。

(4)大型网络分布式虚拟现实的研究与应用

网络虚拟现实是指多个用户在一个基于网络的计算机集合中, 利用新型的人机交互设备介入计算机产生多维的、适用于用户(即适人化) 应用的、相关的虚拟情景环境。分布式虚拟环境系统除了满足复杂虚拟环境计算的需求外, 还应满足分布式仿真与协同工作等应用对共享虚拟环境的自然需求。分布式虚拟现实系统必须支持系统中多个用户、信息对象(实体) 之间通过消息传递实现的交互。分布式虚拟现实可以看作是基于网络的虚拟现实系统, 是可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境, 处于不同地理位置的用户如同进入到同一个真实环境中。目前, 分布式虚拟现实系统已成为国际上的研究热点, 相继推出了相关标准, 在国家“八六三”计划的支持下, 由北京航空航天大学、

杭州大学、中国科学院计算所、中国科学院软件所和装甲兵工程学院等单位共同开发了一个分布虚拟环境基础信息平台, 为我国开展分布式虚拟现实的研究提供了必要额网络平台和软硬件基础环境。

毫无疑问, 技术还会在人们的不断创新中发展。虚拟现实技术将采用哪些具体的形式, 笔者难以准确地预测。然而, 正如以上所述, 它的发展必然是与自然界系统生态运动和谐一致, 与人自身的要求一致。有理由相信,21世纪将是VR 技术的时代, 随着它在越来越多的领域的应用与发展, 必将给人类带来巨大的经济和社会效益。