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1、关键词： 虚拟现实；研究现状；发展趋势1虚拟现实的简介1.1虚拟现实的概念虚拟现实（Virtual Reality，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。关于虚拟现实的定义，可以从狭义和广义两个层面来理解。所谓狭义的，被认为是一种先进的人机界面，在这种情况下，虚拟现实技术被称为“基于自然的人工界面”，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

2、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。广义的，即对虚拟想象（三维可视化的）或真实三维世界的模拟。它不仅仅是一种界面，更重要的部分是内部的模拟，人机交互界面采用虚拟现实的方式界面，对某个特定环境真实再现后，用户通过自然的方

3、式接受和相应模拟环境的各种感官刺激，与虚拟世界中的人及物体进行思想和行为等方面的交流。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。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虚拟现实的特征虚拟现实系统提供了一中先进的人机界面，他通过为用户提供视觉、听觉、触觉等多种直观而自然的实时感知交互的方法和手段，最大程度地方便了用户的操作，从而减轻了用户的负担、提高了系统的工作

4、效率。其效率主要由系统的沉浸程度与交叉程度来决定。1.2.1沉浸性（Immersion）沉浸性又称进入性，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建的三维虚拟环境中。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。其中，沉浸包括好多种。除了视觉沉浸之外，还有听觉沉浸、力觉沉浸、触觉沉浸、运动沉浸，甚至包括味觉沉浸、嗅觉沉浸等。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沉浸功能仅限于视

5、觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。1.2.2交互性 （Interactivity）在虚拟现实系统中，交互性的现实与传统的多媒体技术有所不同。指用户对模拟环境内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。交互性具有以下特点：（1）虚拟环境中人的参与与反馈；（2）人机交互的有效性；（3）人机交互的实时性。1.2.3想象性（Imagination）想象性是指虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。它

6、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X围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构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、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。例如，在建设一座大楼之前，传统的方法就是要画各种图纸，而现在可以采用虚拟现实系统来进行设计与仿真。1.3虚拟现实的应用领域虚拟现实的应用领域非常广泛，重点研究心理学、控制学、计算机图形学、数据库

7、设计、实时分布系统、电子学和多媒体技术等多学科融合技术，研究医学、娱乐、艺术与教育、军事及工业制造管理等多个相关领域的虚拟现实技术和系统。2虚拟现实涉及的关键技术2.1自然交互与传感技术虚拟现实技术中强调自然交互性，即人处在虚拟世界中，与虚拟世界进行交互，甚至意识不到计算机的存在，即在计算机系统提供的虚拟现实空间在，人可以使用眼睛。耳朵、皮肤、手势和语音等各种感觉方式直接预支发生交互，这就是虚拟环境下的自然交互技术。目前，与虚拟现实技术中的其他技术相比。这种自然交互技术相对不太成熟。2.1.1自然交互人们研究“虚拟现实”的目标是实现“计算机应该适应人，而不是人适应计算机”，认为人机接口的改进应

8、该基于相对不变的人类特性。在虚拟现实技术中，人机交互可以不再借助键盘、鼠标、菜单，而是使用头盔、手套甚至向“无障碍”的方向发展，从而使最终的计算机能对人体有感觉，能聆听人的声音，通过人的所有感官进行沟通。2.1.2多通道多通道界面是在充分利用一个以上的感觉和运动通道的某特性来捕捉用户的意向，从而增进人机交互中的可靠性与自然性。现在，计算机操作时，人的眼和手十分累，效率也不高。虚拟现实技术可以将听、说、眼等协同工作，实现高效人机通信，还可以由人或机器选择最佳反应通道，从而不会是某一通道负担过重。2.1.3高“带宽”现在计算机输出的内容已经可以快速、连续地显示彩色图像，其信息量非常大。而人们的输入

9、却还是使用键盘一个又一个地敲击，虚拟现实技术则可以利用语言、图像及姿势等的输入和理解进行快速大批量地信息输入。2.1.4非精确交互技术这是指能用一种技术来完全说明用户交互的目的的交互方式，键盘和鼠标均需要用户的精确的输入。但是，人们的动作或思维往往并不是很准确，而计算机应该理解人的要求，甚至于纠正人的错误，因此虚拟现实系统智能化的界面将是一个重要的发展方向。通过交互作用表示事物的现实性传统的计算机应用方式中，人机交互的媒介是Ian果真是思维用符号表示，是对现实的抽象代替，而虚拟现实技术则可以是这种媒介成为这是事物的复现、模拟甚至想象和虚构。他能使用户感到比官方是在使用计算机，二是在直接与应用对

10、象打交道。2.2实施碰撞检测技术为了保证虚拟环境的真实性，用户不仅要能从视觉上如实看到虚拟环境中的虚拟物体以及它们的表现，而且能身临其境地与它们进行各种交互，这就首先要求虚拟环境中的固体物体是不可穿透的，当用户接触到物体并进行拉、推、抓取时，能真实碰撞的发生并实时做出相应的反应。这就需要虚拟现实系统能够及时检测出这些碰撞，产生相应的碰撞反应，并及时更新场景输出，否则就会发生穿透现象。正是有了碰撞检测，才可以避免诸如人穿墙而过等不真实情况的发生，虚拟的世界才有真实感。碰撞检测问题是计算机图形学等领域中有很长的研究历史。精确的碰撞检测对提高虚拟环境的真实性、增加虚拟环境的沉浸性有十分重要的作用，而

11、虚拟现实系统中高度的复杂性与实时性又对碰撞检测提出了更高的要求。在虚拟世界中通常包含有很多静止的环境对象与运动的活动物体，每一个虚拟物体的几何模型往往都是由成千上万个基本几何元素组成，虚拟环境的几何复杂度是碰撞检测的计算复杂度大大提高，同时由于虚拟现实系统中有较高实时性的要求，要求碰撞检测必须在很短的时间（3050ms）完成，因而碰撞检测成了虚拟现实系统与其他实时仿真系统的瓶颈，碰撞检测是虚拟现实系统研究的一个重要技术。2.2.1碰撞检测的要求在虚拟现实系统中，为了保证虚拟世界的真实性，碰撞检测须有较高的真实性和真确性。2.2.2碰撞检测的实现方法最原始最简单的碰撞检测方法是一种蛮力的计算方法

12、，即对两个几何模型中所有几何元素进行两两测试，尽管这种方法可以得到正确的结果，但当模型的复杂度增大时，它的计算量过大，这种相交测试将会变得十分缓慢，显得无法忍受。这样虚拟现实系统等的要求相差甚远。对两物体间的精确碰撞检测的加速实现，现有的碰撞检测算法主要可划分为两大类：层次包围盒法和空间分解法。这两种方法的目的都死为了尽可能的减少需要相交测试对象对或者基本几何元素对的数目。2.3环境建模技术在虚拟现实技术中，营造的虚拟环境是它的核心内容，要建立虚拟环境，首先建模，然后在其基础上再进行实时进行绘制、立体显示，形成一个虚拟的世界。虚拟环境建模的目的在于获取实际三维环境的三维数据，并根据其应用的需要

13、，利用或取得三维数据建立相应的虚拟模型。只有设计出反映研究对象的真实有效的模型，虚拟现实系统才有可信度。2.3.1虚拟现实技术系统中的虚拟环境2.3.1.1模仿真实世界中的环境。例如建筑物，武器系统或战场环境。这种真实环境可能是已经存在的，也可能是已经设计好但还没有建成的。这一类虚拟现实系统的功能实际是系统仿真。 2.3.1.2人类主管创造的环境.例如用于影视制作或电子游戏的三维动画。环境是虚构的，几何模型和物理模型就可以完全虚构。这时，系统的动画技术常用插值方法。2.3.1.3 模仿真是世界中人类不可见的环境例如分子的结构，空气中速度，温度，压力的分布等。这种真实环境是真实存在的，但是人类的

14、视觉和听觉不能被感觉到。对于分子机构这类微观环境，可以将其进行放大等，这一类虚拟现实系统的功能，实际是科学可视化。2.3.2环境建模包括方面包含视觉，听觉，触觉，力觉，味觉等多种感觉通道的建模。包含技术有几何建模技术，物理建模技术，行为建模技术，听觉建模技术等。2.4真实感实时绘制技术所谓真实感实时绘制技术是指在计算机中重现真实世界场景的过程。真实感绘制的主要任务是要模拟真是物体的物理属性，即物体的形状，光学性质，表面的文明里和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等。所谓实时绘制是指当用户试点发生变化时，他所看到的场景需要及时更新，这就要保证图形显示的速度必须跟上视点的改变速度，否则就会产

15、生迟滞现象，一般来说要消除迟滞现象，计算机每秒钟必须生成20帧以上的图像。此外，系统往往还要对场景进行光照明处理、反混淆处理及纹理处理等等。这就对实时显示提出了很高的要求。2.4.1采用以下方法提高显示逼真度，加强真实性。（1） 纹理映射：将纹理图像贴在简单的物体的几何物体，以近似描述物体表面的纹理细节，加强真实性。（2） 环境映射：在纹理映射的基础上出现了环境映射的方法，它是采用纹理图像来表示物体的镜面反射和规则投射效果。 （3）反走样：一两倍分辨率绘制图形，再计算正常分辨率的图形；或者计算每个邻接元素对一个像素点的影响，在加权求和得到最终像素值。2.4.2真实感实时绘制技术包含技术基于几何

16、图形的实时绘制技术（3D剪切、可见消隐、细节层次模型），基于图像的实时绘制技术。2.5三维虚拟声音的实现技术虚拟现实技术系统中的三维虚拟声音与人们熟悉的立体声音完全不同。我们日常听到的立体声录音虽然有所有声道之分，但就整体效果而言，我们能感到立体声音来自听着面前的某个平面。而虚拟现实系统中的三维虚拟声音，却能使听着感觉到声音是来自围绕听着双耳的一个球型中的任何地方，即声音可能出现在头的上方、后方或者前方。因而把在虚拟场景中能使用户准确的判断出声源的精确位置，符合人们在真实境界中听觉方式的声音系统成为三维虚拟声音。2.5.1三维虚拟声音的特征：2.5.1.1全向三维定位特征是指在三维虚拟空间中把

17、实际声音信号定位到特定和虚拟专用源的能力。它能使用户准确的判断出声源的精确位置，从而符合人们在真实世界中的听觉方式。2.5.1.2三维实时跟踪特征是指在三维虚拟空间中实时跟踪虚拟声源位置变化或竞相变化的能力。2.5.1.3沉浸感与交互性三维虚拟声音的沉浸感就是指加入三维虚拟声音后，能使用户产生身临其境的感觉，这可以使用户产生身临其境的感觉，这可以更进一步沉浸在虚拟环境中，有助于增强临场效果。三维声音的交互特性则是指追随用户的运动而产生的临场反应和实时相应能力。2.5.2三维虚拟声音的技术三维虚拟声音的技术包括技术语音识别技术、语音合成技术。2.6立体显示技术人类从看客观世界获得的信息的80%以

18、上来自视觉、视觉信息的获取是人类感知外部世界、获取信息的最重要传感通道，视觉通道成为多感知的虚拟现实系统中最重要的环节。在视觉显示技术中，实现立体显示技术是较为复杂与关键的，立体视觉显示技术是虚拟现实的重要支撑技术。其中包括彩色眼镜法，偏振光眼镜法，串行式立体显示法，裸眼立体显示技术。不过许多立体显示技术的产品存在一定的缺点，典型的就是对客观观察者的试点有一定的要求，不能在任意的视角去观察。这也期待着在以后的发展中得以解决。2.7其他相关技术虚拟现实技术是多种技术的综合，以上简单介绍了几种相关的关键技术，其实相关的技术还有很多，如系统集成技术，由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型，因此系

19、统集成技术起着重要的作用，集成技术包括有信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、识别与合成技术等。3虚拟现实在现实生活中较成熟的应用3.1基于虚拟现实技术的航空发动机机务训练系统虚拟现实技术具有独特的优点，采用这种技术可以产生逼真的虚拟世界。建立的发动机机务训练系统无论从视觉上、听觉上、操作上都能产生一种身临其境的感觉，可以进行相关的试车操作，解决了真实装备在培训中的制约问题，而且可以采用网络结构实现多用户操作，大大提高培训学习的效率，具有极大的经济效益和军事效益。由于采用了计算机虚拟技术，可以实现故障设置等功能，在实际操作中出现的发动机有关故障可以再现，这一点及其便利。对于试车的操作和

20、发动机的有关显示，可以进行回放，这也是实装无法实现的。其不足之处在于虚拟视景对计算机的性能要求比较高，还有操作过程中的力反馈等无法实现，若要实现，需要昂贵的外设作为支持。建立的发动机试车虚拟环境，是一个可以扩展的虚拟平台。如果辅以高精度的实时发动机模型，可以实现发动机的相关分析研究，成为数字化试车台。航空发动机是飞机的“心脏”，在实际使用过程中，机务培训、判别发动机的性能、各种飞行前检查等项工作的顺利开展是保证飞机飞行安全、提高战斗力的重要保障。目前，此类工作大多数是结合实装或是基于硬件形式的训练模拟器展开的，具有代价昂贵、维护复杂等限制。利用虚拟现实技术和仿真技术，建立数字化飞机和发动机，可

21、以创建出真实感和沉浸感较强的航空发动机试车环境，为各种机务工作提供模拟试车服务，提高保障人员的操作水平和操作技能，将产生较大的军事和经济效益。利用虚拟现实技术创某空发动机的试车环境，包括飞机、座舱、机场等的物理模型和机务操作逻辑、发动机的数学仿真模型。机务操作可以在虚拟的座舱内进行，操作响应和发动机的数学模型在后台运行，既能保障操作与视景上的沉浸感，又能保证发动机性能的准确性。虚拟现实技术的实现手段有很多。从底层的实现层面来讲，有OpenGL和DirectX技术。从高层的实现手段上讲，分两个方面：一是虚拟现实建模技术；二是虚拟现实驱动技术。虚拟现实的建模软件有：MAYA、3D MAX、Crea

22、tor等。虚拟现实驱动软件有：VEGA、OPENGVS、VTree、VRtools、EON等。这些高层的虚拟现实软件一般是将底层的实现方法封装，给用户提供了基于现实的对象的描述，使用起来方便快捷。3.2基于OpenGL的虚拟现实技术在工业设计中的应用研究3.2.1OpenGl简介OpenGL即开放性图形库（Open Graphic Library）是一个三维的计算机图形和模型库，也似该领域的工业标准。它是一种高性能的开放式且功能强大的3D图像库，具有几百个指令和函数。OpenGL灵活方便的实现了二维和三维的高级图形技术，在性能上表现得异常优越，它具有建模、变换、光线处理、色彩处理以及动画等能力

23、，在图形效果处理上增加了纹理映射、物体运动模糊效果和雾化效果等等。3.2.2使用专业建模软件建模并向OpenGL转化工业产品设计中的三维模型均是由3DS MAX等专业建模软件构造而成。但是由于3DS MAX交互性较差，而且3DS MAX模型的默认存储格式max，不易被交互性灵活的OpenGL所读取。因此，我们采用3DS MAX模型的另一种易于OpenGL读取的文件格式3ds作为三维模型的存储格式，然后将模型通过OpenGL导入三维场景并实现交互性操作。图2.1和图2.2所示的模型为在专业建模软件3D MAX中创建的两个模型。下面，具体介绍一下将3ds文件导入OpenGL的实现过程。图2.1 变

24、压器 图2.2 安全器材3.2.2.1 3ds模型的数据结构3DS格式文件是一种二进制数据文件，它由块（chunk）组成（见图2.3）。每个块包括块的索引（ID：Indentification）、块所包含的内容、块的组成以及下一个块的位置。在3DS文件中，判断1个块所存储的内容是由通过这个块的索引（ID）来实现的。不同类型的块具有不同的ID。3DS文件本身有1个主块（MainChunk），这个主块的ID为4D4D。主块始终出现在文件的开始处，通过对文件开始的两个字节内容进行判断，便可知道当前操作的文件是否为3DS文件，这样就可以避免打开不正确类型的文件。为保证文件结构的完整性以及可操作性，不同

25、的块在文件中是按一定的体系来存储的。在这个体系中，主块（Main Chunk）在最顶端，在主块之下嵌套了各个子块，并且子块之间也是相互嵌套的。这样，块与块之间的关系得到了体现，方便了读取。比如作为整个场景的环境设置（包括视点、光源、材质等）放在其他实体块的前面，对这些实体产生作用。在3DS文件中，每个实体都是由三角形面片组成的。这样，一个三维模型（3DModel）包括一个或多个三维实体（3DObject），一个三维实体又由一个或多个面片（CFace）组成。在记录数据的时候，三维实体的块当中记录了一系列的三维空间坐标和二维纹理坐标，而每个面片块中则通过对这些坐标的索引来表示面片在空间中的位置以及

26、对应的纹理。材质块中记录了用于检索该材质的名称，如果材质是由文件来创建的，则包括文件名，否则记录材质的颜色。在三维模型当中记录了一个或多个材质（CMaterialInfo），在实体当中则通过对材质的索引来决定当前实体引用了哪个材质。3.2.2.2 3ds数据模型的读取根据以上对3DS数据模型结构的分析，能够应用面向对象的方法设计一种能方便、快速、准确对3DS文件进行读取的方法。其中的CVector2类和CVector3类存储二维和三维数据，用于记录空间坐标以及纹理坐标。C3DModel类包含了整个三维模型，它由若干个三维实体（用C3Dobject存储）和若干个材质信息（用CmaterialIn

27、fo存储）组成。论文大全。C3Dobject中记录了组成这个实体的顶点数量、顶点坐标列表、面数量、纹理坐标列表以及这个实体的材质信息。CFace类记录了组成某个面的纹理坐标索引和地理坐标索引。根据3DS文件中各个块之间的嵌套关系，设计了一种递归读取的方法。函数ReadChunk用于读取每个块的开头所记录的块索引（ID）和块的长度。在读取文件的第1个块时，通过索引来判断当前打开的是否为合法3DS文件（索引为4D4D），如果是，则通过调用ReadNextChunk函数将程序带入递归过程。在ReadNextChunk函数中，同样首先需要调用ReadChunk来读取块索引和块的长度，由块索引来判断块的

28、类型，由块的类型来决定如何读取接下来的数据。在这个过程当中，ReadChunk和ReadNextChunk将会被反复调用。配合着OpenGL在计算机中生成的虚拟环境，程序将3ds文件读入虚拟环境。这样我们就可以很方便地将3D模型移植到其他的计算机平台当中，从而更好地对产品进行设计和分析。3.2.3基于虚拟现实技术的网络会展随着迅速发展的虚拟现实技术与计算机多媒体展示技术的结合，在展览方面也不断涌现出一些结合虚拟现实技术的网络会展。如今国外的虚拟会展业已经十分成熟，如著名的德国汉诺威展，在网络上运用虚拟现实技术建立三维立体的展示系统；国外一些城市宣传也开始采用虚拟现实技术，如网上新加坡、虚拟庞贝

29、古城、虚拟巴黎圣母院等，运用三维虚拟现实技术展示一些有价值的文物、展品和三维场景，使用户能够通过Internet远程连接去体验。国内的虚拟会展目前还基本属于界面包装，主要通过二维平面静态地网页展示，如中国茶叶博览会，采用虚拟现实技术对茶具和茶文化进行网上浏览，还有虚拟现实环球（v）利用虚拟现实技术进行网上展销；再如某国际机电博览会，采用网上虚拟武博会和武博会同期开幕，未到展会现场的客户通过点击该，就可像亲赴现场一样，可在场馆内每一个展位前流连，任意观看各种产品，了解它们的性能和用途，甚至突破实际参观过程中的限制，深入了解展品的内部结构，浏览武博会的即时信息。虚拟展览系统按其表现形式可分为三类：

30、运用图文声像以及环视图展示物品和场景。这类系统因表现形式的局限，不能更生动、更全面的展示。单纯的三维场景展示，用户可以随意漫游，但只提供展览会的表面形式，不提供展览内容与展览场景的关联。既提供三维场景，也提供实际展览内容，并与三维场景结合在一起3。3.2.4虚拟现实软件（Multigen Creator）在高架库场景建模中的应用Creator是美国MultiGen-Paradigm公司推出的一种建模软件系统，专门创建用于视景仿真的实时三维模型。它性能优越、系统可靠、稳定性好，具有其它建模软件无法比拟的优点，在可视化仿真领域具有广泛的应用，如图2所示。它具有强大的建模功能，可为众多的不同图像发生

31、器提供建模系统及工具；同时，它提供更灵活的Open Flight格式，该格式成为三维建模领域中流行的图像生成格式，并成为仿真领域的行业标准。Creator的特点主要体现在如下几个方面：（1）具有多种视图结构与开发工具，有类似于AutoCAD以及3Dmax的菜单及视图架构，使用方便。（2）数据存储层次结构清晰，便于快速建模与维护。作为一种层次性的数据结构，Creator使用几何层次结构和属性来描述三维物体，可以对几何层的数据进行直接操作。（3）采用LOD（Level of Detail）节点技术使创建、结构化、修改和优化模型数据库更容易，数据处理更加合理，高效，非常适用于大型的视景仿真建模。LOD是Creator数据处理的主要技术之一，它根据观察视点的位置，来确定模型的精细程度，距离视点近的模型精细度高，而距离