虚拟现实技术的发展
第20卷第3期Vol.20No.3湖 北 工 业 大 学 学 报 JournalofHubeiUniversityofTechnology2005年03月
Jun.2005
[文章编号]1003-4684(2005)0620186204
虚拟现实技术的发展
刘耀林,孔建益,蒋国璋,孙亮波
(武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081)
[摘 要]综合介绍了虚拟现实的特征与类型,国内外VR技术的研究现状,以及VR技术的发展方向,为我
国VR技术的应用与发展提供借鉴与参考.
[关键词]虚拟现实技术;研究现状;应用与发展[中图分类号]TF391.9
[文献标识码]:A
当代科学技术的发展以及人们为了适应未来信息社会的需要,必须提高人与信息社会的接口能力,提高人对信息的理解能力.人们不仅要求通过打印输出在外部去观察信息处理的结果,人的视觉、听觉、触觉以及形体,验[1].的数字化信息空间上,而是建立在一个多维化的信息空间之中,建立在一个定性与定量相结合,感性认识与理性认识相结合的综合集成环境中.虚拟现实技术就是支撑这个多维信息空间的关键技术.人们过去只能从计算机系统外部去观察处理的结果,现在已能够沉浸到计算机系统所创造的环境中;过去只能通过键盘、鼠标、麦克风与计算机环境中的单维数字信息交互,现在已能够利用多种传感器与多维化的信息空间发生交互;过去只能以定量计算为主,现在是以定性和定量综合集成的环境为主,从中得到感性和理性认识,从而深化概念和萌发新意.
虚拟现实技术(VirtualReality,简称VR)是近年来十分活跃的技术研究领域,它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、高度并行的实时计算技术以及人的行为学研究等多项关键技术.虚拟现实就是这些技术更高层次的集成与渗透;是多媒体技术发展的更高环境,它能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以及由于种种原因不便于直接观察的事物运动变化规律提供了极大的便利.由于它的诱人前景,一经问世就
立即受到高度重视[2].,天,.并且只是一些最,远未达到所设想的那种理想状.界,尤其是未知的现实世界的感觉和认识,从而将引起人类感知认识的一次重大飞跃[3].
1 虚拟现实的特征与构成
1.1 虚拟现实的特征
美国伯第亚(G.Burdea)在《VirtualRealityTechnology》一文中提出,虚拟现实具有最重要的3个特征:Interaction(交互)、Immersion(沉浸)和I2magination(想象).这就是人们熟称的3个“I”特性.如图1所示,用“虚拟现实技术三角形”说明虚拟现实系统的基本特征.交互性是指参与者通过使用专业设备,用人类的自然技能实现对模拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度(包括实时性);沉浸感是VR最主要的技术特征,它力图使用户在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种身临其境的感觉,觉得自己是虚拟环境的一部分,而不是旁观者;VR技术并不只是一种媒介或一个高层终端用户见面,它的应用能解决在工程、医学、军事等方面的很多问题.而这些应用系统的设计与开发就极大的依赖于人类的想象能力,即VR的第3个特征想象[4]
.
[收稿日期]2005-03-05
[作者简介]刘耀林(1976-),男,湖北荆州人,武汉科技大学硕士研究生,研究方向:智能机器与受控机构.
第20卷第3期 刘耀林等
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是使人“生活在理想世界,把不可能的东西当作仿佛
是可能的东西来对待.”
总之,虚拟现实己成为目前用途最为广泛、影响最为深远的多媒体应用.它使人们能想象一个曾见过的现实世界,也能想象一个未曾见过的虚幻世界.
1.2 虚拟现实的分类
从目前来看,虚拟现实可分为仿真性、超越性、幻想性3类[5].
1.2.1 仿真性的虚拟现实 它根据现实世界的真
人们在虚拟现实中体验和认识到的,可能是真实世
界的仿真,也可能是一个抽象概念的形象,也可能是一些并不符合真实物理规律,有悖人们常识的某种稀奇古怪的幻想.虚拟现实作为一种前景广阔的网络文化现象,它也给人们提出了许多新的值得探讨的课题.
实物理法则,由计算机将其模拟出来.它虽然是一种模拟环境,但一切都是符合客观规律的.作为仿真性的虚拟,虚拟现实类似于人的思维通过虚拟现实技术实现的观念再造,并使之形象化.通过具备一定的物质手段和条件,可以把看到的一切转变为物质现实.基本等同于传统的模拟.
1.2.2 超越性的虚拟现实 它虽然也是根据真实
2 虚拟现实技术的国内外研究现状
2.1 美国的研究现状[6]
的物理法则进行模拟,但所模拟的对象或者用人的五官无法感觉到,或者在日常生活中无法接触到.为超越性的虚拟,识和探索能力,务.景.例如,,可以模拟宇宙太空和原子世界发生的情况,把人带入浩瀚无比或纤细入微的世界里,对那里发生的一切取得感性认识.这是用其他方法难以做到的.又如,美国宇航局把火星探测器发回的大量数据,经过整理制成火星模型,可以使人从感性上了解火星上的各种情况,宛如置身于火星上一样.如将抽象的微观世界的规律形象化,化学家和生物学家可以从三维空间中各个不同的角度观察分子的性状及其变化.也可将宇宙黑洞的巨大的引力效应形象地加以展示,使人们获得某种程度的体验和认识.
1.2.3 幻想性的虚拟现实 它可以根本无视客观
美国是VRT,目前大多数研究
.2.实验室一直是.早在1981年,他们就开,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.2.1.2 北卡罗来纳大学(UNC) UNC大学计算机系是进行VR研究最早、最著名的大学,其领导人是FrederickP.Books博士.目前,他们的研究主要是在四个方面:分子建模、航空驾驶问题、外科手术仿真、建筑仿真.2.1.3 LomaLinda大学医学中心 这是一所经常从事高难度或有争议医学项目研究的单位.DavidWamer博士和他的研究组成功地将计算机图形及VR的设备用于探讨与神经疾病相关的问题,如帕金森症、舞蹈症等.Wamer博士还成功地将VR技术应用于受虐待儿童的心理康复之中,并首创了VR儿科治疗方法.
2.1.4 施乐公司(Xerox)研究中心 PARC在VR
的物理法则,完全把凭空想象出来的东西,用计算机图像、音响等功能,将其变成可以看到、听见的多媒体作品.因此,作为幻想性的虚拟,它给人们带来广阔的想象时空,尽管有时是荒诞不经的,但也促进了人类想象和创造力的发展.它可以完全是子虚乌有的事物,但是它却可以供人消遣娱乐,拥有巨大的市场潜力.例如,模拟海底龙宫世界,可以使人置身于虾兵蟹将之中,看到各种珍奇异宝.感受逼真,使人宛如真正置身于龙宫之中,并且最重要的,它是交互式的,也就是说随着人的反应不同,将出现不同的情景.这一点是目前现实生活中的娱乐手段所做不到的.“虚拟现实”的这一特点,正如大诗人歌德所说,
领域主要从事利用VRT建立“未来办公室”的研究.目前,Xerox公司已将虚拟世界的某些概念应用于桌面系统中,并努力设计一项基于VR使得数据存取更容易的窗口系统.2.1.5 SRI研究中心 SRIInternational是一个国际知名的思想库,它最近建立了“视觉感知计划”来研究VR技术的进一步发展.SRI主要从事定位光标、视觉显示器、光学部件、触觉与力反馈、三维输入装置及语言交互研究等.它与NASAAmes研究中
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心及VPL公司都保持着良好的合作关系.
2.1.6 人机界面技术实验室(HITLab) 它是美国华盛顿大学Washington技术中心的一部分,于1989年由TomFurness创办的.HIT的研究范围非常广泛,不仅发展VR的新技术,还关心可能带来的技术与社会影响.2.2 欧洲的研究现状2.2.1 英国 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.每个类别里有专门的操作符模型,DVS软件则使每个操作符产生不同的功能.该公司已表明今后将重点开发软件工程,向众多拥有自己的工作站的VR用户提供各类沉浸式三维编辑界面所需要的高级编辑工具的开发软件.2.2.2 芬兰 Esprit公司的科研项目是为在人工现实环境中进行手工控制及过程控制研制一种操作虚拟物体的手套式外部骨骼接口系统.器.手的弯曲、产生20骨骼也被连接起来,、重复地感知作用在其上的各种内力和外力.2.3 亚洲的研究现状2.3.1 日本 日本在虚拟现实方面的研究工作,除
划、国家自然科学基金会等都把VR列入了重点研
究项目,同时,国内一些重点院校也积极投入这一领
域的研究之中[7].清华大学、浙江大学等对虚拟现实和临场感的方面进行了研究,有不少方案和方法独具特色,比如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施以及深度感试验测试等;北京科技大学虚拟现实实验室近20年来从事VR研究,成功开发出了纯交互式汽车模拟驾驶培训系统,可以让你坐在家里学习驾驶;北航虚拟现实与多媒体研究室致力于为我国军事模拟训练与演习提供一个多武器协同作战的战术演练系统,目前,他们已经在DVENET上开发了直升机虚拟仿真器、坦克虚拟仿真器、虚拟战场环境观察器、计算机兵力生成器等;中国科学技术大学通过试验证实了基于网络数据结构对存在于计算机中任意形状模型进行直接变形操作的方法的有效性,.此外,国内越VR技术的研究)也加入VR技术的研究队伍之中,通过建立虚拟演播室,使得制作出的节目感染力大大加强.可以预言,不久的将来,我国在VR技术的研究领域将会做出更大的贡献.
3 虚拟现实技术的发展与展望
虚拟现实技术是20世纪末才兴起来的一门崭新综合性的信息技术,尚处于初创时期,远未达到成熟阶段.在虚拟现实的理论、算法和技术实现等各方面都有很多待解决的课题和待发展的领域,它的发展创新的余地很大.虽然目前世界各国都已成功地开发出一些虚拟现实的典型应用项目,但与其它高新技术的应用相比,尚处于应用开发的初始阶段.虽然人们也许不能清楚地设想出,新世纪里虚拟现实出现并普及的新形式,但人们能通过应用媒介形态变化原则和延伸媒介领域的主要传播特性,构想出合理的未来情境[8].3.1 个性化服务盛行
麦克卢汉提出了“媒介即信息”这个著名论点,还提出了一个重要论点.享受媒介即享受按摩.以往的媒介,人们在享受按摩的过程中,失去一样最宝贵的东西个人自我,即个人性.而虚拟现实作为一种新媒介,使用者戴着数据手套与虚拟现实进行真正意义上的“交往”,由于虚拟现实技术提供了良好的交互性,在与虚拟现实的这种交往过程中,用户获得了自我,重新找到了失去的
了在游戏领域以外,一般集中于有潜力的能加强人机接口能力的研究项目上.其中,SegaEntertain2ment和Niniendo公司的游戏产品居于市场的领导地位.京都的先进电子通信研究所系统研究室的开发者们正着手开发一套系统,能用图像处理来识别手势和面部表情,并把他们作为系统输入.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.2.3.2 印度 印度电子部(DOE)成立了一个特别兴趣小组(SIG)以提高印度IT行业对VR技术的认识.目前他们研发了将简单台式虚拟现实应用于结构与建筑的应用程序,使得建筑设计师可以让客户在设计之初就可以看到楼房完工的样子,并能直观、方便地了解工程的详细计划.2.4 我国的研究现状
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,但近年来,由于政府有关部门和科学家们的重视,VR技术已在中国取得了较大的进步.九五规
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个性.3.2 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.最终将体现出自然性,达到界
[9]
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.
[ 参 考 文 献 ]
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[3] 李 畅.虚拟现实技术的研究与工程设计中的应用
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大学学报,2002(1):7-8.
[6] M].[s.l.]:Addison
蔚.、实现及应用[J].首都经
,2001(3):34-35.
[8] 汪成为.人类认识世界的好帮手
.
虚拟现实[M].
北京:清华大学出版社,2000.
[9] 周 飞.虚拟现实技术及其应用[J].多媒体世界杂志,
1999(11):40-41.
毫无疑问,.
,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
DevelopmentofVirtualRealityTechnology
LIUYao2lin,KONGJian2yi,JIANGGuo2zhang,SUNLiang2bo
(CollegeofMachinery&Automation,WuhanUniv.ofSci.andTechnology,Wuhan430081,China)
Abstract:ThispapersummarizesthecharacteristicsandtypesofVirtualRealityandreviewsthepresentstatusoftheresearchesdoneontheVRtechnologyathomeandabroad.ItalsopredictstheprospectoftheVRtechnologyforthepurposeofprovidingsomereferencetotheapplicationanddevelopmentofVRtech2nologyinChina.
Keywords:virtualrealitytechnology;presentstatusofresearch;applicationanddevelopment
[责任编辑:张培炼]