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第8章虚拟现实技术基础主要内容：8.1虚拟现实技术概述8.2虚拟现实系统8.3虚拟现实系统的技术特点8.4虚拟现实技术的应用及展望8.1虚拟现实技术概述8.1.1虚拟现实技术基本概念8.1.2虚拟现实技术的发展8.1.3虚拟现实技术的发展现状8.1.4虚拟现实技术的基本特征8.1.5虚拟现实系统的分类8.1.1虚拟现实技术基本概念虚拟现实技术（VirtualReality，简称VR）是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术；VR技术可以让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作，同时提供视、听、摸等多种直观而又自然的实时感知。虚拟现实的概念包括：（1）虚拟环境：是由计算机生成的环境，它具有双视点的实时动态三维立体的逼真模型，并可通过听觉、触觉、嗅觉参与其中；模拟的环境可以是某一特定现实世界的虚拟实现，也可以是自由想象的虚拟世界。（2）感知：虚拟现实技术应具有人所具有的一切感知。（3）自然技能：包括人头部、眼睛、手势或其它的人体行为动作。计算机处理与用户动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时反应，反馈到用户的五官。（4）传感器：也就是三维交互设各。常用的有立体头盔、数据手套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置，以及许多置于环境中的装置。8.1.2虚拟现实技术的发展1929年，EdwinLink设计了一种竞赛乘坐器，它使得乘坐者有一种在飞机中飞行的感觉。Link飞行模拟器是虚拟现实几个先驱中的一个。1961年，美国Philoo公司首创了头盔立体显示器。1965年，美国人艾凡·萨瑟兰发表了一篇题为“终极的显示”的论文，后来被公认为在虚拟环境领域中起着里程碑的作用。1966年，艾凡·萨瑟兰在麻省理工学院开始了他的第一个头盔的研制工作。参观者戴上头盔看虚拟环境，可以如同身临其境—样。1967年，美国的北卡罗来纳大学的弗雷德里克·布鲁克斯研究了力反馈问题，使用户能感到虚拟环境中计算机仿真物体和环境中力的作用。1972年，诺兰·布什内尔开发出了第一种交互式电子游戏，称为Pong。它允许玩游戏的操作者在电视屏幕上操作一个弹跳的乒乓球。由于交互性是虚拟现实效术的一个关键，因而这个交互性游戏的开发具有重要的意义。8.1.2虚拟现实技术的发展20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，从而引起丁人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年，NASAAmes研究中心虚拟行星探测实验室的M．McGreevy和J．Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探侧器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站（VIEW）项目中，他们还开发了通用多传感个人仿真器以及遥控设备等。进入20世纪90年代，迅速发展的计算机软、硬件系统使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能，越来越多的新颖、实用的输入输出设备相继进入市场，而人机交互系统的设计也在不断创新，这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。其中，利用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来又一件引起科技界瞩目的伟大成果。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，使得人门对它广阔的发展前景充满了憧憬与兴趣。8.1.3虚拟现实技术的发展现状虚拟现实技术的发展基本上可分为三个阶段：从20世纪50年代到70年代为第一阶段，是虚拟现实的起源阶段；从80年代初到80年代中期为第二阶段，形成了虚拟现实的基本概念，并产生了一些实用系统；第三阶段从80年代末期至今，这一阶段中，虚拟现实技术得到了较广泛的应用。80年代初，美国的DWA开始为坦克的编队作战训练开发了一个实用的虚拟战场。DARP计划进一步扩大，逐步把不同国家的兵力“汇集入SIMNT而成为一个虚拟战场”，其目的是将分布于不同地点的地面车辆模拟器用计算机网络连接起来，进行攻防对抗演习。SIMNET计划最初是针对地面车辆等低速运动对象，后来在美国国防部的推动下，将飞机、水面舰艇和潜艇等作战对象也引进来，从而构成陆、海、空三军立体作战逼真环境下的大规模实战演习。该计划的实施最终导致系统仿真的前沿技术——分布式交互仿真（DIS）技术的产生。美国海军的反潜艇战系统中，使用了头盔显示器和三维立体声装置，操作员可以通过手势和声音控制这个仿真器。美国的NASA和ESA（欧洲空间局）都在积极地将VR技术应用在航天运载器外的空间活动的研究、空间站自由操纵研究和对哈勃空间维修的研究项目。8.1.3虚拟现实技术的发展现状虚拟现实设计波音777获得了成功，它不仅节省了经费，也缩短了研制周期，使最终的实际飞机与设计方案相比，偏差小于千分之一英寸，且实现了机翼和机身结合的一次成功，缩短了数千小时设计工作量。利用该系统还能自动产生设计文件，从图库取出部件模型并加以注释。欧洲在虚拟现实技术方面也做了相当多的工作。到1991年底，英国已有从事VR的六个主要中心，另外西班牙、荷兰、德国和瑞典等国家也都积极开展虚拟现实的研究。提出了许多三维图形标准和程序设计语音等，并且出现了数据手套、三维显示头盔、立体手控器、光学跟踪器、模拟人的感觉（视、听、触）的模拟器等许多支持虚拟现实的设备。同时将虚拟现实技术应用于更多领域内。当前虚拟现实技术的发展，是在网络技术前进基础上，融合多种技术的结果。随着网络时代宽带大规模应用的到来，市场对虚拟现实技术的应用越来越迫切。X3D、CULT3D、VIEWPOINT、360度环视等技术将逐步被广泛应用。虚拟现实技术在国际互联网的应用，必将推动虚拟现实更加广泛的应用。8.1.3虚拟现实技术的发展现状我国的仿真演示技术正处于起步和发展时期，取得了一些理论和软件成果。国防科技大学和航天工业等部门相继开展了有关的研究项目。国防科技大学研制的多媒体仿真环境SimStudiol.0，采用SGIIndy工作站，它采用MSP/AutoStudio建模仿真方法和对象Euler网建模方法，以图形化的建模工具支持用户建立多媒体仿真对象模型，并且支持将多媒体仿真表现脚本嵌入对象模型中，可以进行连续——离散事件混合系统的多媒体仿真。空军指挥学院进行的“空战可视化仿真系统”研究，为用户提供了一个从多视点、多角度、多层次观察空战进程的平台和机制，其画面造型逼真、形象生动，基本达到了实时性要求，取得了比良好的效果。北京航空航天大学虚拟现实与可视化新技术研究室研制开发的分布式虚拟环境DEVNET，以多兵种战术演练为背景，全面开展了VR技术的研究开发和综合应用，初步建成了一个可进行多兵种异地协同与对抗战术演练的分布式虚拟战场环境。8.1.4虚拟现实技术的基本特征从本质上说，虚拟现实系统就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。美国科学家BurdeaG．和PhilippeCoiffet曾在1993年世界电子年会上发表的“VirtualRealitySystemsandApplications”一文中，提出—个“虚拟现实技术的三角形”，它简明地表示了虚拟现实技术具有的3个最突出的特征：交互性（Interaction）、沉浸感（Immersion）和构想性（Imagination），也就是人们熟称的3个“I”特性，如图8-1所示。8.1.4虚拟现实技术的基本特征1．交互性（Interaction）交互性是指操作者与虚拟环境中所遇到的各种对象的相互作用的能力，它是人机和谐的关键性因素。交互性包括对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度、虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度（包括实时性）。这种交互的产生，主要借助于各种专用的三维交互设备（如头盔显示器、数据手套等），它们使人类能够利用自然技能，如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的对象发生交互关系。例如，在原杭州大学开发的虚拟故宫游玩系统中，用户可以体验到虚拟现实系统的交互性带来的全新感受：参观者配带着头盔显示器，由图像发生器把立体图像送到用户的视场中，并随着用户头都的运动，不断将更新后的新视点场景实时地显示给参观音。用户不但可以在虚拟故宫中任意行走，还可以用手（或虚拟手）去直接抓取虚拟环境中的物体。例如，当你“拿起”一件珍宝玉器时，手会有握着东西的感觉，并能感觉到物体的重量，而被抓取的物体也将随着手的移动、旋转等动作而产生实时地、相应地运动和改变，以便于用户从任意角度欣赏它们。另外，在系统中用户还可以直接控制对象的各种参数，如运动方向、速度等，而系统也可以向用户反馈信息。8.1.4虚拟现实技术的基本特征2．沉浸感（Immersion）沉浸感指计算机操作人员作为人机环境的主导者存在于虚拟环境中。多媒体技术虽然为人们提供丰富多彩的信息表示形式，人与计算机可以交往，但是在交往过程中，人们只能从计算机外部去观察这些表现形式，人十分清晰地感觉到，自己独立处于界面之外；对于虚拟现实，通过多维方式与计算机所创造的虚拟环境进行交互，能使参与者全身心地沉浸在计算机所生成的三维虚拟环境中，产生身临其境的感觉，将人与环境溶为一体，使操作人员相信在虚拟境界中人也是确实存在的，而且在操作过程中他可以自始至终地发挥作用，就像在真正的客观现实世界中一样。沉浸感被认为是VR系统的性能尺度，导致“沉浸感”的原因是用户对计算机环境中的虚拟物体产生了类似于对现实物体的存在意识或幻觉，它需要以下诸多方面的特性：8.1.4虚拟现实技术的基本特征（1）多感知性（Multi-Sensory）多感知性是指除了一般计算机所具有的视觉感知外，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。理想的虚拟现实就应该具有人所具有的多种感知功能。例如，虚拟场景应能随着人的视点作全方位的运动，有比现实更逼真的纹理、灯光、照明以及声音和视频等效果，用户在操纵虚拟物体时能感受到虚拟物体的反作用力等。（2）自主性（Automony）虚拟物体在独立活动、相互作用或与用户的交互作用中，其动态都要有一定的表现，这些表现应服从于自然规律或是设计者想象的规律。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、翻倒或从桌面落到地面等。自主性就是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。除了上面两点特性以外，影响沉浸感的主要因素还有图像中的深度信息（是否与用户的生活经验一致），画面的视野（是否足够大），实现跟踪的时间或空间响应（是否滞后或不准确），以及交互设备的约束程度（能否为用户适应）等。8.1.4虚拟现实技术的基本特征3．构想性（Imagination）构想性是虚拟现实通过与定性和定量的综合集成环境结合，引导人们去深化概念和萌发新意，抒发人们的创造力。所以虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。这种构思结果输入到系统中去，系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。这是一个学习——创造——再学习——再创造的过程。因而可以说，虚拟现实是启发人的创造性思维的活动。8.1.4虚拟现实技术的基本特征人类在许多领域面临着越来越多前所未有而又必须解决和突破的问题，例如，载人航天、核试验、核反应堆维护、包括新武器系统在内的大型产品的设计研究、气象及自然灾害预报、医疗手术的模拟与训练以及多兵种军事联合训练与演练等。如果按传统的方法解决这些问题，必然要花费巨额资金，投入巨大的人力，消耗过长的时间，甚至要承担人员伤亡的风险。而VR技术的产生和发展，为解决和处理这些问题提供了新方法和新途径。所以说，VR技术并不只是一种媒介或一个高层终端用户界面，它的应用能解决人类在工程、医学、军事等方面的很多需求。而我们所要考虑的关键问题是如何开发针对虚拟现实的应用并寻找合适的场合和对象，即如何发挥人类的创