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虚拟现实理论与技术28
【摘要】：
21世纪的人类社会是信息化社会，以信息技术为主要标志的高新技术产业在整个经济中的比重不断增加，多媒体技术及产品是计算机产业开展的活泼领域。
虚拟现实理论与技术的应用，使设计思路和设计表达如虎添翼。
它是随着科学和技术的进步、军事和经济的开展而兴起的一门由多学科支撑的新理论技术，可以很好地面对市场全球化的要求，并且有助于人们更好地去解决资源问题、环境问题与需求多样性问题。
与传统开发设计的产品相比，大大减少了投放市场的风险性，也为企业决策人寻找商机、判断概念产品能否进一步开发生产，提供更好的依据，也为人类的生活和工作提供全新的信息效劳。
本文将从虚拟现实定义及原理、特征、应用、未来开展方向及研究重点方面介绍虚拟现实理论与技术。
【关键词】：
虚拟现实理论技术研究状况开展方向
【Abstract】：
Modularfixtureconfigurationdesignisacomplicatedtaskrequiringstrongprofessionalbackgroundandpracticalexperience.However,automatedorsemi-automatedcomputeraidedmodularfixturesystemsbasedonCADpackagesstillarenotwellacceptedbythemanufacturingindustryduetothelackofintuitiveinteractionandimmediatefeedbackcomparedwithtraditionalmodelssuchaspaperandphysicalmodels.Inthispaper,anovelVirtualReality-basedsystemforinteractivemodularfixtureconfigurationdesignispresented.Weuseamulti-viewbasedmodularfixtureassemblymodeltoassistinformationrepresentationandmanagement.Inaddition,thesuggestedstrategyiscompatiblewiththeprinciplesofvirtualenvironmentanditiseasytoreutilizetheelementmodel.Basedongeometricconstraints,weproposeaprecise3Dmanipulationapproachtoimproveintuitiveinteractionandaccurate3Dpositioningoffixturecomponentsinvirtualspace.Thus,themodularfixtureconfigurationdesigntaskcanpreciselybeperformedinvirtualspace.【1】
【Keywords】：
virtualreality,theory,technology,researchstatus，developmentdirection.
第一章：
虚拟现实理论与技术
1.1、虚拟现实的定义及原理
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，是一种可以创立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开展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统【2】。
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。
1.2、虚拟现实特征
1.2.1、多感知性（Multi-Sensory）
所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等【3】。
理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。
由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。
1.2.2、浸没感（Immersion）
又称临场感或存在感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。
理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创立的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。
1.2.3、交互性（Interactivity）
指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反应的自然程度（包括实时性）。
例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。
1.2.4、设想性（Imagination）
又称为自主性——强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意设想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反应系统等功能单元构成。
1.3、虚拟现实的开展历程
虚拟技术〔以下简称VR技术〕的开展大致可分为三个阶段：
20世纪50年代至70年代，是VR技术的准备阶段；80年代初至80年代中期，是VR技术系统化、开始走出实验室进入实际应用的阶段；80年代末至90年代初，是VR技术迅猛开展的阶段。
第一阶段，50～70年代，为虚拟现实的探索阶段【4】。
1965年，由美国的MortonHeileg开发了一个称做Sensorama的摩托车仿真器，不仅具有三维视频及立体声效果，还能产生风吹的感觉和街道气味。
1968年，美国计算机科学家I1E1Sutherland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及头部位跟踪系统〔〕，成为VR技术开展史上的一个重要里程碑，为虚拟现实的开展奠定了根底。
图1.3a：
头部位跟踪系统
第二阶段，80年代初至80年代中期，开始形成VR技术的根本概念，开始由实验进入实用阶段，其重要标志是：
1985年在MichaelMcGreevy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，成为后来开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DataGlove数据手套，为虚拟现实提供了开发工具。
图1.3b：
VIEW虚拟现实系统
第三阶段，80年代末至90年代初，为虚拟现实全面开展阶段。
虚拟现实技术已经从实验室的试验阶段走向了市场的实用阶段，对虚拟现实技术的研究也从根本理论和系统构成的研究转向应用中所遇到的具体问题的探讨。
在虚拟现实系统中只有各种交互设备还不够，还必须提供根本的软件支撑环境，用户能方便地构造虚拟环境并与虚拟环境进行高级交互。
为了使VR技术得到广泛应用，很有必要分析虚拟现实系统软件支撑环境体系结构，例如Dialogue系统，提出了一种通过基于事件驱动的中驱用户接口管理系统〔UMIS〕，能进行多进程通讯的软件体系结构，解决了虚拟现实的动态灵活性问题，推进了软件支撑环境的开展。
为了满足虚拟现实对计算复杂性的几乎是无限的要求，虚拟现实系统必须提供足够强的灵活性及可扩充性。
要做到这一点，可以从软件与硬件来考虑，在硬件体系结构方面，DIVISON公司在SuperVision系统〔〕中提出了一种根本的并行模型，开发了并行处理器件和DVS操作系统，使虚拟现实得以全面开展。
图1.3c：
SuperVision系统
1.4、国内外虚拟现实的研究现状
1.4.1、虚拟现实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，美国VR技术的研究水平根本上代表了国际VR开展的水平。
最初的研究应用主要集中在美国军方对飞行驾驶员与宇航员的模拟训练。
然而,随着冷战后美国军费的削减,这些技术逐步转为民用。
目前美国在该领域的根底研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面【5】。
上世纪80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，美国宇航局Ames实验室致力于一个叫“虚拟行星探索〞（VPE）的实验方案。
现NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统,空间站VR训练系统，并已经建立了可供全国使用的VR教育系统。
北卡罗来纳大学的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学，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。
乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统〔〕。
施乐公司研究中心在VR领域主要从事利用VRT建立未来办公室的研究，并努力设计一项基于VR使得数据存取更容易的窗口系统。
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。
图1.4.1：
流体实时仿真系统
1.4.2、虚拟现实技术在欧洲的研究现状
在欧洲，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（包括触觉反应）设计和应用研究方面【6】，在欧洲来说是领先的。
英国Bristol公司发现，VR应用的交点应集中在整体综合技术上，他们在软件和硬件的某些领域处于领先地位。
英国ARRL公司关于远地呈现的研究实验，主要包括VR重构问题。
他们的产品还包括建筑和科学可视化计算。
欧洲其它一些较兴旺的国家如：
瑞典、荷兰、德国等也积极进行了VR的研究与应用。
瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境，是一个基于Unix的，不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。
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，通过改良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。
德国在VR的应用方面取得了出乎意料的成果。
在改造传统产业方面，一是用于产品设计、降低本钱，防止新产品开发的风险；二是产品演示，吸引客户争取定单；三是用于培训，在新生产设备投入使用前用虚拟工厂来提高工人的操作水平。
1.4.3、虚拟现实技术在日本的研究现状
日本的虚拟现实技术【7】的开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。
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中的三维形体模型，通过数据手套把对模型的处理与操作者的手联系起来；日本国际工业和商业部产品科学研究院开发了一种采用X、Y记录器的受力反应装置；东京大学的高级科学研究中心的研究重点主要集中在远程控制方面，他们最近的研究工程是可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂的主从系统；东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。
他们正在开发一种虚拟全息系统，用于克服当前显示和交互作用技术的局限性。
图1.4.3：
SpmAR搜索界面
1.4.4、国内虚拟现实技术研究现状
在我国虚拟现实技术的研究和一些兴旺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开展，虚拟现实技术已经得到了相当的重视，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开展。
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工程，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【8】。
浙江大学CAD&CG国家重点实验室在基于图像的虚拟实现、分布式虚拟环境的建立、多细节层次模型、真实感三维重建、基于几何和图像的混合式图形实时绘制算法〔〕等领域开展了深入的研究，在国内外产生了广泛的影响。
图1.4.4：
虚拟现实技术制作的国内最大的数字城市仿真工程——数字兴义
第二章：
虚拟现实理论与技术应用举例
2.1、虚拟现实技术在美军模拟训练中的应用现状及开展
2、构建虚拟战场环境
通过相应的三维战场环境图形图像库，包括作战背景、战地场景、各种武器装备和作战人员等，为使用者创造一种险象环生、逼近真实的立体战场环境，以增强其临场感觉，提高训练质量。
在阿富汗和伊拉克战争中【9】，美军采用综合了航空照片、卫星影像和数字高层地形数据来生成高分辨率的作战区域三维地形环境，以几乎一致的三维环境来训练执行任务的战斗机飞行员。
很多飞行员都感慨在执行任务的过程中，见到的环境都在模拟器中见到过，因此大大减少了执行任务的难度和伤亡率。
2、进行单兵模拟训练
基于VR的军事模拟训练最初就是针对单兵操作武器装备的，因此在单兵训练系统中的应用也最为广泛和成熟。
美国的“F－16〞【10】战斗机虚拟训练模拟器采用了三维图形可视化生成系统、全封闭立体头盔显示器、三维交互式声音合成技术、Provision高性能图形工作站、六自由度的运动平台等先进的技术手段，并制造了与实物同样大小的战斗座舱。
其三维图形生成系统不仅能够生成逼真的大范围虚拟地形环境，模拟不同自然环境下如雾天、雨天、暴风雪等各种飞行条件，而且其三维的声音合成系统还能够合成出逼真的三维空间声音的效果，能处理虚拟现实中飞机以外的各种情况，如气球的威胁、导弹的发射轨迹等。
据调查，从未参加过实战的飞行员在首次执行任务时的生存概率只有60%，而经过模拟对抗训练后，此概率可以提高到90%。
来自佛罗里达州Raydon公司的虚拟勇士互动（VWI）训练机能够帮助步兵师在虚拟的战场进行训练，与仿真的坦克、装甲车和直升机进行互动。
自伊拉克战争爆发至今，美国已发动近20万人次的军人前往当地作战，其中接受过模拟训练系统培训的达八成以上。
图2.1.2TheF－16virtualtrainingsimulator
2、通过网络进行异地同环境作战训练
运用虚拟现实技术分布式交互仿真并结合现代网络通信技术，通过作战模拟训练中心控制设置在不同地域的作战单位及各级指挥官处的模拟系统终端来实现不同地域、相同环境的模拟作战训练。
美陆军的“近战战术训练系统〞【11】（CloseCombatTacticalTrainer，CCTT）采用先进的主干光纤系统网络并结合分布式交互仿真，建立一个虚拟作战环境，能够仿真包括“艾布拉莫斯〞坦克、“布雷德利〞战车、HUMVEES武器系统在内的多种武器装备，供作战人员在人工合成环境中完成作战训练任务。
该系统通过局域网和广域网联结着从韩国到欧洲的大约65个工作站，各站之间可迅速传递装备模型和训练数据，使参演人员能在虚拟环境的动态形式中进行近战战术训练。
在美国肯塔基州克斯堡的乘车作战实验室里，坦克驾驶员不必离开房间，就可操纵“艾布拉莫斯〞坦克模拟器穿森林，过雪地。
使用这种模拟器，可使受训者在1h内获得比6个月实车驾驶还要多的经验。
该系统被美国国会列为“绝对禁止出口〞的工程。
2、进行军事指挥人员训练
利用VR技术，根据侦察情况资料合成出战场全景图，让受训指挥员通过传感器装置观察双方兵力部署和战场情况，以便判断敌情，定下正确决心。
美军曾经使用过许多作战模拟系统来培训军事人员，并取得了显著的效果。
如美国海军开发的“虚拟舰艇作战指挥中心〞【12】就能逼真地模拟与真实的舰艇作战指挥中心几乎完全相似的环境，生动的视觉、听觉和触觉效果，使受训军官沉浸在“真实的〞战场之中。
目前，美军更进一步采取措施，通过设置“军官虚拟现实教程〞来强化人员培训。
这种“军官虚拟现实教程〞的训练效果大大超过以往陆军联合训练中心所实施的作战模拟训练和实战演习的方法，仅需5个月左右时间就能培训出既具备战术专家素质，又能指挥与控制所属部队进行作战的军官。
为了统一建模方法和数据格式，美陆军部推行了“作战模型改良方案〞，设想在一个统一的管理机构下建立一个具有层次结构的陆军作战模拟系列，将陆军各兵种的作战模型全部纳入这个体系中，以培养适应未来战争需要的陆军军官。
图2.1.4“Virtualwarshipcommandcenterinbattle〞ofU．S．Navy
2、提高指挥决策能力
在作战指挥决策领域，VR技术的应用主要包括两个方面:
1）通过对获取的情报数据在三维战场环境上合成逼真的三维战场态势场景，有利于指挥人员更加形象直观地把握整个战场态势，辅助指挥人员进行决策;2）采用基于VR技术的作战方案分析系统对指挥决策人员提出的决策方案进行仿真分析，以便更好地为决策人员效劳。
美国海军实验室（NRL）自主开发的Dragon系统可以提供72h内90km×90km范围内的DTED（数字地形数据）5级（1m分辨率）特征数据和图像特征，在作战之前就能够快速将复杂战场态势可视化，使指挥员及其参谋人员能灵活使用二维或三维动态显示系统，更有效地制定任务方案和演练，评估行动路线，保持对战场态势的认知。
2、缩短武器装备的研制周期
众所周知，在高新技术武器开发的过程中大量地采用VR技术，设计者可方便自如地介入系统建模和仿真实验全过程，让研制者和用户同时进入虚拟的作战环境中操作武器系统，充分利用分布交互式网络提供的各种虚拟环境，检验武器系统的设计方案和战技术性能指标及其操作的合理性，缩短了武器系统的研制周期，并能对武器系统的作战效能进行合理评估，从而使武器的性能指标更接近实战要求。
美国第四代战斗机F－22和JSF在研制的全过程中由于采用了VR技术，实现了三维数字化设计和制造一体化，使研制周期缩短50%，节省的研制费用超过93%。
由于采用VR技术，在系统设计的初期，就能够向飞行员提供直接体验新设计优点的“虚拟〞系统，并能随时按照订货方要求现场修改设计，美军利用这一技术成功设计了“阿帕奇〞和“科曼奇〞武装直升机的电子座舱等【13】。
最近，美国诺斯罗普·格鲁曼造船公司正在使用VR技术设计下一代航空母舰“吉拉德·R·福特〞号。
这是美国海军40多年以来第一次全程采用基于VR技术的计算机软件而非图纸进行设计的航空母舰。
图2.1.6Thesimulationtrainingsystemforproductdesign
2、信息网络虚拟战
信息网络虚拟战是以计算机成像、电子显示、话音识别和合成、传感等技术为根底实施的信息欺骗。
它通过信息网络某一节点，把己方计算机与对方联网，或战前通过各种途径将VR技术植入敌方的指挥控制信息系统中，把己方的虚拟信息即假情报、假决心、假部署传输给敌方，迷惑敌人，诱敌判断失误;向敌指挥官和士兵发布敌方军官假命令，使敌军事行动陷入混乱。
这种战法，能使敌方在三维声像环境中，看到酷似实物的立体交战图像，使敌方不会产生错觉，增大了欺骗的真实性。
由于VR技术在军事上能把接受者投放到一种逼真的、为作战而设置的现实中，可以模拟未来战场各种复杂情况，从而使敌改变决心和部署。
1994年4月，随着美军第一支数字化部队的建立，美军就开始着手运用VR技术进行模拟对抗性演习，并专门成立了“VR技术欺骗战〞研究小组，由其具体负责技术研制和实验。
美国国防科技委员会认为:
美国在沙漠风暴、巴尔干半岛、阿富汗和伊拉克战争的低伤亡率，很大程度上是源于平时的作战模拟训练，在这种模拟训练系统中充分运用了VR等一系列技术，全方位、多层次、多角度实现战场态势的综合表现。
在美国国防科技委员会2000年度的报告“TrainingSuperiorityandTrainingSurprise〞中总结到“这个20年前的新创造不用流一滴血就把我们的单兵和团队训练成了战场上的王牌〞【14】。
2.2、虚拟现实技术在化学教学中的应用现状分析
2、ChemLab
ChemLab由美国Corel公司于1996年推出。
它是一个交互式的化学实验模拟工具，通用的实验装置和步骤用于模拟一步一步执行化学实验，如图3.2.1所示。
该软件以任务为主线，首先，由教师制定一系列学习任务和学习目标，学生在领会学习任务和目标的前提下，通过引导而最大程度地独立完成实验。
ChemLab的功能比拟突出，但实验器具和试剂偏少，实验模块之间的自由构建功能表达缺乏，扩展功能也很有限并且不具备味觉和触觉功能【15】。
图2
2、IrYdiumChemistryLab
IrYdiumChemistryLab软件由美国CarnegieMellon大学基于Java开发，有很好的跨平台性，但运行速度不是很快。
它的优点在于学生通过网络来查看学习进度，充分利用空闲时间进行自主学习；将化学药品的属性直接展现在屏幕上，方便学生直接使用，如图3.2.2所示。
但是该软件只设置了局部实验，实验药品和装置都不是很充足，在实验范围的广度上有待提升；针对学习者在实验中可能产生的错误没有做出预测，缺乏错误的提示和纠正功能。
图2.2.2lrydiumchemistrylad的试验界面
2、浙江大学有机化学虚拟实验室
浙江大学有机化学虚拟实验室，是基于Web的虚拟实验，如图3.2.3所示，该系统的实验内容主要从根本操作、制备实验和别离实验三个方面，实现对有机化学实验的虚拟操作。
整个实验系统内容全面、界面清晰、操作步骤明晰并伴有操作提示，能够让学习者在提示作用下快速完成实验内容。
但对于错误的实验完全屏蔽并且每一步都有提示，缺乏对学习者能力的检测与监测。
图2.2.3减压蒸馏试验
2、金华科仿真化学实验室
金华科仿真化学实验室，软件界面设计灵活，实验内容较丰富，实验过程具有严谨的科学性和开放的交互性，既是化学课堂中的教学平台，也是化学教师的课件制作平台和学生的交互式学习平台。
该虚拟实验系统由仿真化学实验室、三维分子展示〔〕、中学化学小百科三局部组成。
仿真化学实验室的设计界面是二维结构，用户可以按照自己的需要搭建实验器材，单独进行实验。
在实验整体性上有自己的优势，并且能够清晰地看到发光、气泡等现象，缺乏之处在于它没有对实验过程中可能存在的错误进行分析，并给出错误提示和更正处理。
图2
2、东师理想初中化学虚拟仿真实验室软件
东师理想初中化学虚拟
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