虚拟现实技术.docx

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虚拟现实技术

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摘要：

虚拟现实技术是门新兴的科学技术，是许多相关学科领域交叉、集成的产物，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感嚣技术等多个信息技术分支，并且其应用非常广泛。

本文介绍了虚拟现实技术的概念，特征以及发展历程和关键技术，并结合虚拟现实技术的应用展望了虚拟现实技术的前景。

关键词：

虚拟现实实时三维图形图像生成技术立体显示技术传感交互技术

目录

第1章：

虚拟现实技术简介····························3

第2章：

第二章虚拟现实技术的历史···················3

第3章：

国外虚拟现实技术的研究现状

3．1美国虚拟现实技术的研究动态·················5

3．2英国和日本虚拟现实技术的研究与开发·········5

第3章：

虚拟现实技术的发展趋势

4.1虚拟现实技术的几个瓶颈问题··················6

4.1.1虚拟环境表示的准确性····················6

4.1.2虚拟环境感知信息合成的真实性··············6

4.1.3与虚拟环境交互的自然性····················6

4.1.4实时显示问题·····························7

4.1.5图形生成··································7

4.1.6智能技术（ArtificialIntelligence，简称AI）··7

4.2虚拟现实技术的未来发展趋势··················7

4.2.1动态环境建模技术··························8

4.2.2时三维图形生成和显示技术·················8

4.2.3型交互设备的研制··························8

4.2.4智能化语音虚拟现实建模····················8

4.2.5布式虚拟现实技术的展望····················8

第5个人感想及总结

5.1个人感想·····································9

5.2总结·········································9

附录：

参考文献·····································10

第1章虚拟现实技术简介

虚拟现实，（VirtualReality，简称VR;又译作灵境、幻真）是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。

虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。

使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。

该技术集成了计算机图形（CG）技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统[1]。

概括地说，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。

第二章虚拟现实技术的历史

虚拟现实技术的发展[2]基本上可以分为三个阶段：

第一阶段是20世纪50年代到70年代，是属于准备阶段；第二阶段是80年代初到80年代中期，是虚拟现实技术走出实验室，进入实际应用阶段；第三阶段是从80年代末至今，是虚拟现实技术全面发展时期。

第一阶段是虚拟现实技术的探索阶段，才有了虚拟现实技术的基本思想，在1956年MortonHeileg开发

出了一个叫做Sensorama的摩托车仿真器，Sensorama具有三维显示及立体声效果，能产生振动和风吹的感觉。

在虚拟现实技术发展史上一个重要的里程碑就是在1968年美国计算机图形学之父IvanSutherlan在哈佛大学组织开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器HMD及头部位置跟踪系统。

第二阶开始形成了虚拟现实技术的基本概念。

这一时期出现了两个比较典型的虚拟现实系统，即vIDE0PLACE与VIEw系统。

VIDEOPLACE是由M．w.Krueger来设计的，它是一个计算机生成的图形环境,在该环境中参与者看到他本人的图像投影在一个屏幕上，通过协调计算机生成的静物属性及动体行为，可使它们实时地响应参与者的活动。

1985年在M．M.Greevy领导下完成的VIEW虚拟现实系统，装备了数据手套和头部跟踪器，提供了手势、语言等交互手段，使VIEW成为名副其实的虚拟现实系统，成为后来待发虚拟现实的体系结构。

其他如VPL公司开发了用于生成虚拟现实的RB2软件和DataG1OVa数据手套，为虚拟现实提供了开发工具。

第三阶段虚拟现实技术开始了全面的发展，在这一阶段虚拟现实技术从研究转向应用阶段，在医学，航空，教育，商业经营，工程设计等方面都有所应用。

国内许多高校及研究所开始了对虚拟现实技术的研究和应用。

例如，清华大学计算机系对虚拟现实和临场感方面进行了研究，在球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法；浙江大学心理学国家重点实验室开发的虚拟故宫、CAD&CG国家重点实验室开发出桌面虚拟建筑环境实时漫游系统；北京航空航天大学计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟环境。

还有许多单位对虚拟现实在不同领域进行了研究，并取得了一定的研究成果。

第三章国外虚拟现实技术的研究现状

VR技术最早在20世纪中期由美国VPL探索公司和它的创始人JamnIJaIlier提出这一概念，后来美国宇航局（NASA）的艾姆斯空间中心利用流行的液晶显示电视和其它设备，开始研制低成本的虚拟现实系统，推动了该技术硬件的进步。

目前，虚拟现实技术已获得了长足的发展。

在国内，20世纪80年代末开始进行研究，目前还处于初级阶段。

3．1美国虚拟现实技术的研究动态

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[3]。

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。

现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”（vPE）的试验计划。

现在NASA己经建立了航空、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，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。

LomalAnda大学医学中心的DavidWarner博士和他的研究小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，首创了VR儿科治疗法。

麻省理工学院（MIT）是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年M1T成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。

华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室（1ilTlab），将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。

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。

3．2英国和日本虚拟现实技术的研究与开发

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[4]，英国是领先的，尤其是在欧洲。

英国主要有四个从事VR技术研究的中心:

Windustries（工业集团公司），是国际VR界的著名开发机构，在工业设计和可视化等重要领域占有一席之地；BritishAerospace（英国航空公司BAe）的Brough分部，正在利用VR技术设计高级战斗机座舱；DimensionInternational，是桌面VR的先驱。

该公司生产了一系列的商业VR软件包，都命名为Superscape；DivisonLTD公司在开发VISION、ProVision和su—pervision系统／模块化高速图形引擎中，率先使用了Tmnsputer和i860技术。

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。

京都的先进电子通信研究所（ATR）正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入；富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与VR环境的相互作用，他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。

日本奈良尖端技术研究生院大学教授千原国宏领导的研究小组于2004年开发出一种嗅觉模拟器，只要把虚拟空间里的水果拉到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处放出水果的香味，这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破[5]。

第四章虚拟现实技术的发展趋势

4.1、虚拟现实技术的几个瓶颈问题

4.1.1虚拟环境表示的准确性

为使虚拟环境与客观世界相一致，需要对其中种类繁多、构形复杂的信息做出准确、完备的描述。

同时，需要研究高效的建模方法，重建其演化规律以及虚拟对象之间的各种相互关系与相互作用。

4.1.2虚拟环境感知信息合成的真实性

抽象的信息模型并不能直接为人类所直接感知，这就需要研究虚拟环境的视觉、听觉、力觉和触觉等感知信息的合成方法，重点解决合成信息的高保真性和实时性问题，以提高沉浸感。

4.1.3人与虚拟环境交互的自然性

合成的感知信息实时地通过界面传递给用户，用户根据感知到的信息对虚拟环境中事件和态势做出分析和判断，并以自然方式实现与虚拟环境的交互。

这就需要研究基于非精确信息的多通道人机交互模式和个性化的自然交互技术等，以提高人机交互效率。

4.1.4实时显示问题

尽管理论上讲能够建立起高度逼真的，实时漫游的VR，但至少现在来讲还达不到这样的水平。

这种技术需要强有力的硬件条件的支撑，例如速度极快的图形工作站和三维图形加速卡，但目前即使是最快的图形工作站也不能产生十分逼真，同时又是实时交互的VR。

其根本原因是因为引入了用户交互，需要动态生成新的图形时，就不能达到实时要求，从而不得不降低图形的逼真度以减少处理时间，这就是所谓的景物复杂度问题。

4.1.5图形生成

图形生成是虚拟现实的重要瓶颈，虚拟现实最重要的特性是人可以在随意变化的交互控制下感受到场景的动态特性，换句话说，虚拟现实系统要求随着人的活动（位置、方