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虚拟现实及其应用虚拟环境研究系统工程研究所张建民1VE(VirtualEnvironment)技术简介科学技术的发展使得人们对信息的需求越来越多，人门对信息的接受和理解变得也愈重要，人门不再满足通过数字、图像的方式观察信息的处理结果，而迫切需要通过视觉、听觉、触觉、嗅觉、以及形体、手势或口令，并直接参与到信息的处理环境中，获得身临其境的感觉。1VE(VirtualEnvironment)技术简介虚拟环境是相对于实环境的，并有人的操作和参与而形成的一种虚构的、视觉上的、听觉上的、感觉上的存在，是一种物理意义上的人机交互和抽象组合，而这种存在是由计算机系统产生的。在实环境中，人们可以直接的感受到实际的物体和存在，并与其进行交互和远程操作。而虚拟环境是一种利用显示技术虚构的环境，只是在感觉上能够体验到的一种境界。1.1虚拟环境1.1虚拟环境虚拟环境实质上不在是建立在一维的数字化信息空间，而是建立在一个多维信息空间的集成化环境，而虚拟现实(VirtualRealityVR)技术是支撑这种集成环境的关键技术，是一种新的人—机界面形式，它为用户（参与者）提供了一种临境(immersive)和多感觉通道（multi-sensory）的体验，试图寻求一种最佳的人-机通讯方式。虚拟现实也被称为人工环境(artificalenvironments)、电脑空间(cyberspace)、人工合成环境(syntheticenvironments)、虚拟环境(VirtualEnvironment)。1.1虚拟环境虚拟现实技术近年来在技术研究领域十分活跃，它包容了计算机图形学、多媒体技术、人工智能技术、人机接口技术、传感器技术、并行实时计算技术和人的行为学等关键技术，是多媒体技术的一种发展境界。与传统计算机相比，VR系统有着三个重要的特点：临境(immersion)；交互性(interactivity)；想象(imagination)。这三者都与人密切相关。我们可以简单地说，VR是计算机图形学和人-机交互技术的发展产物。但从更广泛的意义上讲，VR是人与技术系统完美的结合，人在整个系统占有重要的地位。1.2虚拟现实技术的概念虚拟现实的景物可以是真实物体的模型，如还没有施工的房屋、正在设计中的工厂或产品的工程模型；可以是现实中看不到的抽象模型，如化学分子结构、飞机机翼的超音速气流模型；甚至可以是利率、股票等金融信息的三维模型表示。无论怎样，它们都利用了现实世界中存在的数据，将计算机产生的电子信号，通过多种输出设备转换成能够被人类感觉器官所感知的各种物理现象，如光波、声波、力等，使人感受到虚拟境界的存在。这种现实是计算机生成的，又是现实世界的反映，是真实现实的一种表现形式，因此，称之为虚拟现实。3D物体表示1.2虚拟现实技术的概念由于虚拟现实技术在不同领域应用时所要实现的功能各不相同，所以很难给出严格的定义，但是，任何VR系统都具有以下几个特点。1、参与者可“沉浸”在虚拟环境中VR的“沉浸”（immersion）特性是指暂时把参与者与现实环境相隔离，使其全身心置于计算机所创建的三维虚拟环境之中，感到虚拟环境的存在，这样，可以使参与者更自然、更直接地与虚拟环境中的各种对象进行交互。1.2虚拟现实技术的概念2、参与者在虚拟环境中具有主动性参与者在虚拟环境中不是被动地依据固定的程式去观看虚拟环境里的各种物体，而是可以根据自己的意愿主动地去观察、改变或影响场景中的对象。例如，当参与者在一个VR系统中随意转动头部或移动其中的物体时，他所看到的景物应该随之逼真地变化，还应该具有声音和触觉等形式的反馈。1.2虚拟现实技术的概念3、具有方便自然的交互手段交互性（interaction）是对VR系统最基本的要求之一。它是指参与者虚拟环境中所遇到的各种对象的相互作用能力。人可以抓取、释放或搬移虚拟世界中的物体，甚至与某些拟人化物体交谈。4、系统要具有实是性系统要实时地跟踪参与者的观察方、手部和身体的运动情况，实时产生相应的画面、声音等反馈，从而达到身临其境的切身感受。1.3虚拟系统组成•虚拟现实系统可分为三大类：桌面虚拟现实系统（DesktopVR）、临境虚拟现实系统(ImmersiveVR)和分布式虚拟现实系统(DistributedVR)。•1)桌面VR也称为窗口中的VR。这类系统由于采用标准的CRT显示器和立体(Stereoscopic)显示技术，其分辨率较高，价格较便宜。在使用时，桌面VR系统设定一个虚拟观察者的位置。桌面VR系统通常用于工程CAD、建筑设计以及某些医疗应用。1.3虚拟系统组成2）临境VR系统利用头盔显示器把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉。3）分布式VR则是在临境VR系统的基础上将不同的用户（参与者）联结在一起，共享同一个虚拟空间，使用户达到一个更高的境界。分布式VR的基础是分布交互模拟(DistributedInteractionSimulation)。1.4虚拟现实的关键技术虚拟现实技术是一项综合技术，它以计算机技术为核心，以显示技术为基础，把计算机图形图象处理、人机接口、显示技术、传感技术、控制技术、通信技术等一系列高科技领域的最新成果汇集于虚拟现实的实践中，成为一门很有前途的应用科学。在VR系统中起到关键性作用的技术主要有：1.4虚拟现实的关键技术1、三维真实感图象的实时生成对于三维真实感造型，大家一定不会陌生。只要有足够的时间，计算机图形学方法就可以产生具有高度真实感的物体图象。但是，VR的实是特性所限定的正是时间。VR系统要对参与者的行为反应灵敏，并保持内部的一致性和连贯性，因此，计算机系统必须具备强大的运算功能，才能在进行三维图形消隐、浓淡、阴影、纩理处理的同时，保证显示图象的“更新率”能满足目标的要求，否则就会出现严重的“滞后”（latency）问题。所谓“滞后”即动作开始与反映这一动作的画面在显示器上出现之间的时间间隔。1.4虚拟现实的关键技术2、大视野立体显示技术仅仅有一系列三维画面是不够的。VR试图给人身临其境的感觉，要求这些画面围绕着参与者，这样的效果是通过配戴头盔实现的。通常桌面显示器给人的画面视角仅为30度，而一个好的VR系统的画面将包容参与者的整个视野，这可能需要水平线40度角，垂直120度角。当前大多数头盔显示器的图象显示装置使用的液晶显示器（LCD），这种显示器的有效分辩率一般仅为140线。要将如此低分辩率的显示屏通过光学透镜子装置横向扩展到一个较大的视野内，其显示效果是可想而知的。1.4虚拟现实的关键技术3、位置跟踪器位置跟踪器可以检测到参与者的物理位置和取向，以便输入到计算机中去产生虚拟境界中相应的图象和声音。这一般是使用简单的电磁装置来实现的。几个很小的发射器固定在用户的身上，例如，头盔中放一个，每只手上放一个，通过固定在VR系统上的接收装置，可以跟踪参与者的位置和方向。还可以使用若干台数字化摄像机，通过图象处理的方法专门用来监测参与者头部、手部的位置和方向。1.4虚拟现实的关键技术4、立体声的产生声音效果是一个富有感染力的现场感因素。在虚拟环境中草药对象上附加由人或计算机生成的音响，至少可用于给VR的参与者提供一些起辅助作用的反馈信息。与图象信息一样，声音也必须是真实而且准确的。这要考虑声音的立体化、杂音、回音及由于声源运动或参与者运动所产生的“多普勒”效应等，特别要注意的是声音方向感。声源的位置是不随参与者头部的运动而变化的。1.4虚拟现实的关键技术5、虚拟世界建模这部分的主要任务是设计出参与者在一种虚拟境界中会遇到的景物。计算机辅助设计（CAD）程序包可用来对虚拟境界出现的物体建立几何模型，但还要充实一些虚拟世界所必须的附加信息。这些附加信息包括声音模型、物理模型和约束模型等。以上这些任务可以在一个分布式计算机平台上有效地进行，以便每个任务在分离的处理器上并行进进行。这个平台还可能有几种不同类型的主机，甚至可以通过通信网络共享数据，多用户进行交互。当然，目前VR技术的研究尚处于初始阶段，在上述技术要点的实现方面还存在着一定的困难，有待于进一步研究解决。