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多媒体科技信息导论课程报告
多媒体科技信息导论报告
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虚拟现实技术的概述
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（中国地质大学机电学院武汉430074）
摘要：
随着科技的发展，虚拟现实技术作为一种计算机技术，通过网络载体，
对现代生活产生了巨大的影响，虚拟现实技术在各个方面都得到广泛的应用。
本文主要阐述对虚拟技术的简介及其在游戏和电影中的应用以及未来的发展，
关键词：
虚拟现实技术游戏电影化发展
引言
在现代生活中，随着科技的迅猛发展，虚拟现实技术也随着计算机普及也得到了飞跃的发展，正广泛运用于军事、建筑、工业仿真、考古、医学、文化化教育、农业和计算机技术等方面，该变了传统的人机交换模式。
对现代生活产生了很大的影响，特别是对游戏，电影的发展起到了巨大的推动作用，改变了人们对电影和游戏的认知，也是对未来人类发展方向的预测和美好的向往。
一．虚拟现实技术的简介
1．虚拟现实技术的定义
虚拟现实（简称VR），又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。
它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。
使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其他客观限制，感受到真实世界中无法亲身经历的体验。
虚拟具有超越现实的虚拟性，虚拟现实系统的核心设备仍然是计算机。
它的一个主要功能是生成虚拟境界的图形，故此又称为图形工作站。
虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义，把这两个词放在一起，似乎没有意义，但是科学技术的发展却赋予了它新的含义。
虚拟现实，又称假想现实，意味着“用电子计算机合成的人工世界”。
从此可以清楚地看到，这个领域与计算机有着不可分离的密切关系，信息科学是合成虚拟现实的基本前提。
2.虚拟显示技术的基本特征
2.1沉浸性
沉浸性是指用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。
理想的虚拟环境应该达到使用难以分辨真假的程度例如可视场景应随着视点的变化而变化甚至超越真实如生成比现实更逼真的照明和音响效果等。
2.2交互性
交互性是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度包括实时性。
例如用户可以用手直接取虚拟环境中的物体,这时手应该有触摸感,并可以感觉物体的重量,场景中被取的物体也立刻能够随着手的移动而移动。
2.3构想性
构想是指用户沉浸在多维信息空间中,依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识,发挥主观能动性,寻求解答方式,形成新的概念。
3．虚拟现实技术是多种技术的综合
3.1环境建模技术
即虚拟环境的建模，目的是获取实际三维环境的三维数据，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
3.2立体声合成和立体显示技术
在虚拟现实系统中消除声音的方向与用户头部运动的相关性，同时在复杂的场景中实时生成立体图形。
3.3触觉反馈技术
在虚拟现实系统中让用户能够直接操作虚拟物体并感觉到虚拟物体的反作用力，从而产生身临其境的感觉。
3.4交互技术
虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式，利用数字头盔、数字手套等复杂的传感器设备，三维交互技术与语音识别、语音输入技术成为重要的人机交互手段。
3.5系统集成技术
由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术为重中之重：
包括信息同步技术、模型标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等等。
4.虚拟现实技术有关设备
4.1输入设备
有关虚拟现实系统的输入设备主要分为两大类：
一类是基于自然的交互设备，用于对虚拟世界信息的输入；另一类是三维定位跟踪设备，主要用于对输入设备在三维空间中的位置进行判定，并送入虚拟现实系统中。
虚拟世界与人进行自然交互的实现形式很多，有基于语音的、基于手的等多种形式，如数据手套、数据衣、三维控制器、三维扫描仪等。
手是我们与外界进行物理接触及意识表达的最主要媒介，在人机交互设备中也是如此。
基于手的自然交互形式最为常见，相应的数字化设备很多，在这类产品中最为常用的就是数据手套。
数据手套是美国VPL公司在1987年推出的一种传感手套的专有名称。
现在，数据手套已成为一种被广泛使用的传感设备。
数据手套戴在用户手上，作为一只虚拟的手用于与虚拟现实系统进行交互，可以在虚拟世界中进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制等操作，并把手指和手掌伸屈时的各种姿势转换成数字信号传送给计算机，计算机通过应用程序识别出用户的手在虚拟世界中操作时的姿势，执行相应的操作。
在实际应用中，数据手套还必须配有空间位置跟踪器，检测手在空间中的实际方位及其运动方向。
4.2输出设备
人置身于虚拟世界中，要体会到沉浸的感觉，必须让虚拟世界能模拟人在现实世界中的多种感受，如视觉、听觉、触觉、力觉、痛感、味觉、嗅觉等。
基于目前的技术水平，成熟和相对成熟的感知信息的产生和检测技术仅有视觉、听觉和触觉（力觉）3种。
感知设备的作用是将虚拟世界中各种感知信号转变为人所能接受的多通道刺激信号，现在主要应用的有基于视觉、听觉和力觉感知的设备，基于味觉、嗅觉等的设备有待开发研究。
4.3生成设备
在虚拟现实系统中，计算机是虚拟世界的主要生成设备，所以有人称之为“虚拟现实引擎”，它首先创建出虚拟世界的场景，同时还必须实时响应用户各种方式的输入。
通常虚拟世界生成设备主要分为基于高性能个人计算机、基于高性能图形工作站、高度并行的计算机系统和基于分布式计算机的虚拟现实系统四大类。
（1）基于高性能个人计算机虚拟现实系统主要采用普通计算机配置图形加速卡，通常用于桌面式非沉浸型虚拟现实系统；
（2）基于高性能图形工作站虚拟现实系统一般配备有SUN或SGI公司可视化工作站；
（3）高度并行的计算机系统采用高性能并行体系；
（4）基于分布式计算机的虚拟现实系统则采用网络连接的分布式结构计算机系统。
5.虚拟现实技术的发展史
5.1虚拟现实技术在美国的发展
20世纪40年代初,作为虚拟现实前身的飞行仿真器在美国出现。
1966年,美国的MIT林肯实验室在海军科研办公室的资助下,研制出了第一个头盔式显示器（HMD）,随后又将模拟力和触觉的反馈装置加入到系统中。
1970年,研制出了第一个功能较齐全的HMD系统。
80年代初,美国的DARPA（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）为坦克编队作战训练开发了一个实用的虚拟战场系统SIMNET。
1981年,加州大学博士研究生MichaelMcCreevey得到了美国航空航天局（NASA）的资助,改进了头盔显示器,用液晶替代了笨重的阴极射线显示器,并使定位装置更精确。
今年而把改进的头盔显示器结合当时先进的计算机创建了一个飞机场虚拟环境系统,获得成功。
1985年,ScottFisher课题组研制成功称为VIEW的数据手套（DataGlove）,这种数据手套轻便柔软,可以测量手指关节动作、手掌的弯曲以及手指间的分合,从而可以编程实现各种手语。
1987年,Jaron.lanier的VPL公司率先发明了数据服装,成兑了比尔·盖茨的预言。
1988年,VPL公司建立了一套完整的虚拟现实系统,把虚拟现实系统当时研制出的软硬件基本都用上了。
1989年,Jaron.lanier给VirtualReality赋予了崭新的含义:
计算机产生的三维交互环境,用户参与到这个环境中,获得角色,从而得到体验。
1990年,重点讨论虚拟现实的Siggraph会议在美国达拉斯召开,规定了虚拟现实技术的研究方向是:
适时的三维图形生成技术,多传感器的交互技术,高分辨显示技术等。
1992年,第一次世界性的虚拟现实专门会议在法国召开,会议的名称即代表了它的宗旨:
真实世界与虚拟世界的接口。
5.2虚拟现实技术在欧洲的发展
西班牙在SG上做的多用户VR项目———虚拟奥运会,以奥运体育竞技作为其研究重点,目的是开发用于如下两方面的VR环境:
一是双人滑雪模拟器,二是以数字化虚拟方式制作1992年巴塞罗那奥运会足球赛的四人电影剧本。
德国的计算机图形研究所（IGD）的测试平台,用于评估VR对未来系统和界面的影响,以及向用户和生产者提供通向先进的可视化、模拟技术和VR技术的途径。
瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境,是一个基于Unix的异质分布式系统,易推广到新的硬件和图形库;DIVE又是全分布式的,不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作。
荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室（TNO-PEL）开发的训练和模拟系统,通过改进人机界面来改善现有模拟系统,以使用户完全介入模拟环境。
这些系统使用的基本技术是并行处理系统结构,应用的基本构件是通用处理器,从而形成了灵活可伸缩系统,无论从硬件还是软件上讲都易于适应特定应用。
由于使用了这些强有力的系统结构,现在的视景生成系统以相纹（Photo-Texture）实时可视化为特色。
二．虚拟现实技术的应用
1.在游戏上的应用
三维游戏既是虚拟现实技术重要的应用方向之一，也为虚拟现实技术的快速发展起了巨大的需求牵引作用。
三维游戏几乎可以涵盖虚拟现实的全部技术。
真实感游戏的首要解决问题是创造一个逼真的虚拟世界，一般包括三维模型、三维声音、三维人物和其他资源等。
为了能逼真且实时地绘制极其复杂的虚拟世界，就必须设计合理的模型组织结构，并对虚拟世界中的每个对象“精雕细琢”地搭建三维模型，这是三维游戏系统在构建过程中至关重要的工作。
虚拟现实不仅要求有实时的、逼真的、高解像度的3D场景，而且需要有一套复杂的交互感应设备，以此来实现人与环境的现实融合，并通过最自然的操作来完成输入输出。
换句话说，在虚拟现实里，你所能看到和听到的，只有计算机生成的三维场景，这需要一些特殊的显示设备，比如头盔式的液晶显示器，同时还要有强大的计算机以及图形系统来生成实时的3D画面，再伴以一些能够捕捉空间动作的传感器来进行输入输出操作。
人们通过在这个由各种现实世界的复制品或者是纯粹幻想构建起来的世界里，通过语环境产生的互动，获得酷似真实的体验。
由BungieStudios公司开发的基于XBOX平台的FPS（主视角射击游戏）《光环（HALO）》可以支持一款名为“Trimersion”的头戴虚拟现实显示设备。
戴上Trimersion可以让玩家置身于360度的环绕场景之中，并控制虚拟环境中的一些关键因素，如视角和位置。
控制方式不再是使用手指，而是依靠头部的转动。
玩家在游戏中射击的时候可以使用一个手枪形状的输入设备而无需按钮。
数字化科技成熟后，讲求光与速度，去物质化的虚拟影像透过媒体四处传播，复制已经不再是模仿、替代真实或是真实的幻觉，数字世界已然成为另外一种真实。
因为影像可被转换为数字语言，可被任意操弄，因而影像成为一种信息，于是创作者在庞杂的影像信息中，选择、过滤、重新组装，不只是利用技术来解决视觉问题，开发新的视觉经验，更利用新媒体去呈现人们生活中的种种处境，作品意义的产生存在于事件的脉络还有与观赏者的互动中。
观赏者从最早的被动接受，到目前已然成为参与者，甚而是展演内容的提供者。
虚拟现实技术为互动娱乐方式的突破提供新的机遇。
在先进、强大的虚拟现实硬件支持下，加之真实，互动，情节化，多人参与等特性的极大体现。
新一代的互动内容，将把人们体验虚拟世界的经历，带到一个崭新的，人类从未触及的境界。
尽管存在众多的技术难题，虚拟现实技术在竞争激烈的游戏市场中还是得到了越来越多的重视和应用。
可以说，电脑游戏自产生以来，一直都在朝着虚拟现实的方向发展，虚拟现实技术发展的最终目标已经成为三维游戏工作者的崇高追求。
从最初的文字MUD游戏，到二维游戏、三维游戏，再到网络三维游戏，游戏在保持其实时性和交互性的同时，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加强。
2.在电影上的应用
近年来，计算机技术的高速发展，和人们对影视娱乐市场需求的不断增，对影视娱乐方面的表现能力和真实性要求越来越高。
1.环幕电影
环幕电影是借助新的科技手段而产生的一种新的电影形式，其特点是电影画面特别大，银幕包围观众厅整整一圈，观众可以站在场地中央随意观看。
这种形式的电影是９台摄影机同步全景角拍摄的，再由９台放映放在环形银幕上进行同步放映，形成一个３６０度的全景式画面。
在观看环幕电影时，观众被３６０度的画面和多路立体声所包围，从而产生一种不同寻常的强烈感受。
他们会下意识地感到自己就是电影环境中的一员，随着电影画面的变化而产生不同的情绪反应。
2.球幕电影
球幕电影又称“圆穹电影”或“穹幕电影”，是２０世纪７０年代后期出现的一种新型大银幕电影。
该系统用６５毫米底片横向输片拍摄，用７０毫米拷贝以特制滚环气动机械横向输片放映，影片上画幅面积比标准３５毫米影片画幅面积大１０倍，因此放映影像大而清晰。
影院观众厅为圆顶式结构，银幕为半球形。
由于摄影和放映均采用鱼眼镜头，放映出的影像也呈半球形，观众坐在影院里，如同身处苍穹之下。
半球形银幕所展示的画面环境，从观众眼前移动着伸展向其身后，同时伴有奥姆尼麦克斯系统的立体声音，使观众产生出极其强烈的在场感。
3.４Ｄ电影
所谓４Ｄ电影，即是由三维立体电影和周围环境模拟而组成一个四维空间。
４Ｄ影院的座椅具有以气动为动力的喷水、喷气、振动、扫腿等功能，同时，影院内还安装有下雪、下雨、闪电、烟雾等特效设备，可以营造一种与影片内容相一致的环境。
作为２０世纪最具影响力的传播媒介，电影在近百年的与观众面对面交流历史中，本能地感受到观众在影院产生的欲望，是希冀电影媒介构造一个能够满足其潜意识梦幻的世界，因而，在这样一种动力驱使下，其技术发展呈现出超越自身技术体系能力的跳跃性探索，它几乎在互动、多感知、沉浸式体验几个空间向度上同时展开虚拟空间的构造，但是，由于其基本形态主要由机械与化学技术系统构成，这样的一种技术系统，由于其材料与控制系统无法把握自然形态极其复杂的变化，因而，其构造的媒介形态，都仅仅具有概念实验的意味而无法达到完整地模仿现实空间的效果，于是，它创造的种种新型媒介形态，也就成为了电影史上昙花一现的事件。
这似乎应验了电影理论家巴赞七十年前所说过的一段话：
“如果说，电影在自己的摇篮时期还没有未来‘完整电影’的一切特征，这也是出于无奈，只因为它的守护女神在技术上还力不从心。
三．虚拟现实技术面临的问题与未来的发展
3.1虚拟现实技术需要解决以下三个主要问题：
①以假乱真的存在技术。
即怎样合成对观察者的感官器官来说与实际存在相一致的输入信息，也就是如何可以产生与现实环境一样的视觉，触觉，嗅觉等。
②相互作用。
观察者怎样积极和能动地操作虚拟现实，以实现不同的视点景象和更高层次的感觉信息。
实际上也就是怎么可以看得更像，听得更真等等。
③自律性现实。
感觉者如何在不意识到自己动作、行为的条件下得到栩栩如生的现实感。
在这里，观察者、传感器、计算机仿真系统与显示系统构成了一个相互作用的闭环流程。
3.2虚拟现实技术未来的发展
虚拟现实技术依赖于计算机的高速运算和传输。
高速运算和传输能解决虚拟现实环境的复杂逼真的环境构造和海量数据处理的问题，从而解决因计算和传输滞后引起参与者的心理疾病。
虚拟体的基本属性是与几何、物理和生物行为融合的。
再好的真实感也离不开虚拟体的仿真行为。
虚拟现实技术的真实感主要体现在视觉和听觉上，“多感知交互”正在成为热点。
对力反馈系统的进一步研究、嗅觉、味觉和体表感受都是未来虚拟现实的内容。
基于互联网的虚拟现实伴随互联网的发展而成为热点。
我国的虚拟软件还处于起步的阶段，希望国内有更多的自主知识产权的开发平台。
广阔的应用领域又向虚拟现实技术提出了新的创意和难题，应进一步推动虚拟现实的发展，目前虚拟现实技术的发展仅限于人们的想象力。
四．学习小结
通过这门课的学习，让我对虚拟现实技术有了一定的了解，特别是其在电影和游戏中的运用，在视觉上给人一种真实的享受，让人对未来生活的发展有了一种美好的憧憬。
五．总结
虚拟现实技术是一个极具潜力的前沿研究方向，是面向21世纪的重要技术之一。
它在理论，软硬件环境的研究方面依赖于多种技术的综合，其中有很多技术有待完善。
可以预见，随着技术的发展，虚拟现实技术及其应用会越来越广泛。
【参考文献】
[1]梁国伟,聂伟，虚拟现实技术在媒体中的运用及意义,传播学研究,2006
[2]李湘德,彭 斌，虚拟现实技术发展综述，创新论坛，2004
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