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论虚拟现实技术的发展与应用姓名：黄文韬学号：150401011053年级：2015级专业：经济学摘要：关键词：虚拟现实技术，是一种通过对人的视觉、听觉以及触觉等行为进行模拟的高度仿真人机交互技术。这是一门交叉性的学科，涉及到了包括计算机图形学、计算机仿真技术、人机交互技术、人工智能技术、多媒体技术以及传感技术等领域的学科。无论是其生成的视觉环境，还是音效，都是立体的，所以这种技术改善了人和计算机之间原本单调、生硬以及被动的状态，让人在身临其境般的感受中恋恋不舍。一、虚拟现实技术简介（一）虚拟现实技术的概念及分类虚拟现实技术也叫做vr技术，它所指的是借助于三维图形生成技术、多传感交互技术、多媒体技术、人工智能技术以及人机接口技术等新兴技术，营造成三维逼真的虚拟环境。该技术是通过创设文字图形、图像、动画、声音以及视频等各种信息为一体的人机交互环境，建设内容丰富、图文并茂且动静结合的虚拟环境。置于此环境中，能够极大的刺激着人们的大脑、眼睛、手、口等器官，让人在身临其境中体会到近乎真实的感受。按照支持设备来分类，可以分成沉浸式和非沉浸式。沉浸式主要是除了计算机的标准设备以外，还应该加入那些比较特殊的外部设备，从而为体验者提供更多可以感知的视觉、触觉以及嗅觉等信息。这些外部设备可以是三维立体显示器，也可以是数字手套等。非沉浸式主要指除了计算机的标准设备以外，不加入其他的外部设备，只为用户提供视觉和听觉的感受，尽可能的通过计算机软件，为用户营造出虚拟现实的环境。按照漫游的方式来进行分类，可以分成自动漫游以及交互式漫游。自动漫游主要指制作者需要先将漫游的路径设定好，再由计算机按照预先设定好的路径将虚拟的场景展现出来。交互式漫游和自动漫游存在的一个最大不同之处便是其漫游路径，前者是由体验者借助于鼠标、键盘以及其他的特殊设备来进行操作的，不会受到角度和方位的限制便能够看到虚拟的场景。（二）虚拟现实技术的特征第一，沉浸感。主要指虚拟现实技术能够使得使用者和计算机之间实现完全的自然交互，从而陶醉于所创设的虚拟环境中。第二，交互性。主要指虚拟现实技术能够使得使用者不再被动的接受信息，而是借助于交互输入设备，实现对虚拟物体的操作，从而将虚拟的环境改变。第三，想象。主要指虚拟现实技术能够使得使用者站在定性和定量有机结合的环境里，实现理性和感性的双重认知，从而更深入的了解，并产生新的创意。二、虚拟现实技术的发展虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段：1963年以前，蕴含虚拟现实技术思想的第一阶段；1963～1972年，虚拟现实技术的萌芽阶段；1973年～1989年，虚拟现实技术概念和理论产生的初步阶段；1990年至今，虚拟现实技术理论的完善和应用阶段。（一）虚拟现实技术的前身：虚拟现实技术是对生物在自然环境中的感官和动作等行为的一种模拟交互技术,它与仿真技术的发展是息息相关的。中国古代战国时期的风筝,就是模拟飞行动物和人之间互动的大自然场景,风筝的拟声、拟真、互动的行为是仿真技术在中国的早期应用,它也是中国古代人试验飞行器模型的最早发明。西方人利用中国古代风筝原理发明了飞机,发明家EdwinA.Link发明了飞行模拟器,让操作者能有乘坐真正飞机的感觉。1962年,MortonHeilig的“全传感仿真器”的发明,就蕴涵了虚拟现实技术的思想理论。这三个较典型的发明,都蕴涵了虚拟现实技术的思想,是虚拟现实技术的前身（二）虚拟现实技术的萌芽阶段：1968年美国计算机图形学之父IvanSutherlan开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器HMD及头部位置跟踪系统,是虚拟现实技术发展史上一个重要的里程碑。此阶段也是虚拟现实技术的探索阶段,为虚拟现实技术的基本思想产生和理论发展奠定了基础。（三）虚拟现实技术概念和理论产生的初步阶段：这一时期出现了VIDEOPLACE与VIEW两个比较典型的虚拟现实系统。由M.W.Krueger设计的VIDEOPLACE系统,将产生一个虚拟图形环境,使参与者的图像投影能实时地响应参与者的活动。由M.MGreevy领导完成的VIEW系统,在装备了数据手套和头部跟踪器后,通过语言、手势等交互方式,形成虚拟现实系统。（四）虚拟现实技术理论的完善和应用阶段：在这一阶段虚拟现实技术从研究型阶段转向为应用型阶段,广泛运用到了科研、航空、医学、军事等人类生活的各个领域中,如美军开发的空军任务支援系统和海军特种作战部队计划和演习系统,对虚拟的军事演习也能达到真实军事演习的效果,浙江大学开发的虚拟故宫虚拟建筑环境系统和CAD&CG国家重点实验室开发出桌面虚拟建筑环境实时漫游系统,北京航空航天大学开发的虚拟现实与可视化新技术研究室的虚拟环境系统。三、虚拟现实技术的应用领域VR已不仅仅被关注于计算机图象领域，它已涉及更广的领域，如电视会议、网络技术和分布计算技术，并向分布式虚拟现实发展。虚拟现实技术已成为新产品设计开发的重要手段。其中，协同工作虚拟现实是VR技术新的研究和应用的热点，它引入了新的技术问题，包括人的因素和网络、数据库技术等。如人的因素，已需要考虑多个参与者在一个共享的空间中如何相互交互，虚拟空间中的虚拟对象在多名参与者的共同作用下的行为等。在VR环境下的进行协同设计，团队成员可同步或异步地在虚拟环境中从事构造和操作虚拟对象的活动，并可对虚拟对象进行评估、讨论以及重新设计等活动。分布式虚拟环境可使地理位置上分布不同的设计人员面对相同的虚拟设计对象，通过在共享的虚拟环境中协同地使用声音和视频工具，可在设计的初期就能够消除设计缺陷，减少产品上市时间，提高产品质量。此外，VR已成为构造虚拟样机，支持虚拟样机技术的重要工具。VE――虚拟环境技术可使工程师在三维空间中实时地与他们的设计样机（虚拟样机）进行交互。（一）教育培训中的应用首先，通过vr技术可以用来演示设备的工作过程。我们知道不管是机械设备，还是电子设备，或者是其他的很多设备，其工作的过程我们是无法看到的。如果借助于挂图教学，必然是无法将其立体且连续的展现在我们眼前，但是，如果通过vr技术，则可以将设备的工作过程展现在我们眼前，使学生能够更加直观的看到设备的工作过程，从而明白工作原理，提升教学效果。其次，通过vr技术能够将工程中难以展示的损坏现象展现出来。它主要应用于施工工程教学，由于这些教学中会涉及到设计以及施工不当而造成的事故现象，但是这些现象要想在现实中模拟出来，肯定是不太可能的，而借助于vr技术，则可以把各种不同事故的原因，以及各种事故形象的展现给我们。当然，在教育领域中，vr技术的也应用还有很多，比如医学教学，可以通过构建虚拟人体，使学生能够更清楚的知道人体的构造和功能。总的来讲，vr技术通过生动且逼真的将教学内容展现在学生的面前，来促使学生更好地掌握知识，提升学生的积极性，最终提升教学效果。（二）在医学中的应用Vr技术在医学中的应用也是极富意义的。具体来讲，通过对vr技术的应用，能够帮助我们在虚拟的环境当中，构建虚拟的人体模型，并结合跟踪球以及感觉手套等，又能够帮助学生更好的了解和明白人体的结构，这种方式显然要比教科书来的有效。另外，借助于vr技术，能够更好地为医疗手术训练服务，比如可以通过CT以及MRI数据，在计算机中建立人体的模型，或者专门建立某一个器官的模型，通过为其赋予物理特征，加之数据手套等高精度交互工具，便能够为学生模拟一个手术过程，从而更深刻的帮助学生记忆。此外，vr技术在医学领域的应用还能够应用于解剖教学以及复杂手术过程的规划等等，还可以在手术中，给予操作上的辅助，并对手术的结果做出预测。（三）在建筑中的应用和上面两种应用不同的是，在建筑处理上的应用，主要可以分为两个方面，第一，建筑物面很多的处理中；第二，建筑每一个面材质比较复杂的处理中。具体来讲：Vr技术在规划设计中的应用，主要是通过构建建筑动画的方式，来把规划的区域展示出来，从而可以站在各个角度上全方位的进行审视，并站在更高决策层进行完善。Vr技术在建筑设计中的应用，主要是通过构建建筑动画的方式，不但能够对建筑物的外观进行观察，从而判断其有没有满足业主要求。而其还能够判断建筑和周围环境的和谐与否，避免了建造完成之后才发现和所在区域原本风格不协调的问题。Vr技术在装饰设计中的应用，通过构建建筑动画的方式，设计师可以把设计的方案展现给客户，客户能够从中观察，从而发现问题提出要求，和设计师进行交流，表达他们的想法，更好地完善方案，从而更符合客户要求。四、虚拟现实技术的行业前景首先，硬件技术的局限。目前设备使用不便、效果不佳等问题仍然突出，硬件的处理速度远不能满足在虚拟世界中实时处理大量数据的需求。相关设备的价格也十分高昂，一个头盔式显示器加上主机的成本动辄上万元。其次，软件可用性差。受硬件局限性的影响，虚拟现实软件开发花费巨大且效果有限，相关的算法和理论也尚不成熟。在新型传感机理、集合与物理建模方法、高速图形图像处理、人工智能等领域，都有很多问题亟待解决。三维建模技术也需进一步完善。第三，应用领域有限。目前，虚拟现实技术主要应用于军事和高校科研，在教育、工业领域应用还远远不足，未来应努力在民用领域的不同行业发挥作用。第四，效果不够理想。在虚拟现实的感知方面，有关视觉合成方面的研究较多，对听觉、触觉关注较少，真实性、实时性不足，基于嗅觉、味觉的设备还没有实现商品化。此外，在交互效果方面，虚拟现实技术与人的自然交互不足，在语音识别、人工智能方面的效果尚不能令人满意。五、虚拟现实中的关键技术虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。下面对这些技术分别加以说明。（一）实时三维计算机图形相比较而言，利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模型，又有足够的时间，我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像，但是这里的关键是实时。例如在飞行模拟系统中，图像的刷新相当重要，同时对图像质量的要求也很高，再加上非常复杂的虚拟环境，问题就变得相当困难。（二）显示人看周围的世界时，由于两只眼睛的位置不同，得到的图像略有不同，这些图像在脑子里融合起来，就形成了一个关于周围世界的整体景象，这个景象中包括了距离远近的信息。当然，距离信息也可以通过其他方法获得，例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等。在VR系统中，双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。用户（头、眼）的跟踪：在人造环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态，而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头（眼）的方向来确定的。跟踪头部运动的虚拟现实头套：在传统的计算机图形技术中，视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的，用户的视觉系统和运动感知系统是分离的，而利用头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来，感觉更逼真。另一个优点是，用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动去观察环境。在用户与计算机的交互中，键盘和鼠标是目前最常用的工具，但对于三维空间来说，它们都不太适合。在三维空间中因为有六个自由度，我们很难找出比较直观的办法把鼠标的平面运动映射成三维空间的任意运动。现在，已经有一些设备可以提供六个自由度，如3Space数字化仪和SpaceBall空间球等。另外一些性能比较优异的设备是数据手套和数据衣。（三）声音人能够很好地判定声源的方向。在水平方向上，我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向，因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的，所以会有一种方向感。现实生活里，当头部转动时，听到的声音的方向就会改变。但目前在VR系统中，声音的方向与用户头部的运动无关。（四）感觉反馈在一个VR系统中，用户