虚拟现实技术概述

第一章虚拟现实技术概述1．什么是虚拟现实技术虚拟现实（VirtualReality，简称VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，它与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。它以计算机技术为主，利用并综合三维图形动技术、多媒体技术、仿真技术、传感技术、显示技术、伺服技术等多种高科技的最新发展成果，利用计算机等设备来产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多种感官体验的虚拟世界，从而使处于虚拟世界中的人产生一种身临其境的感觉。在这个虚拟世界中，人们可直接观察周围世界及物体的内在变化，与其中的物体之间进行自然的交互，并能实时产生与真实世界相同的感觉，使人与计算机融为一体。与传统的模拟技术相比，VR技术的主要特征是：用户能够进入到一个由计算机系统生成的交互式的三维虚拟环境中，可以与之进行交互。通过参与者与仿真环境的相互作用，并利用人类本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，全方位地获取事物的各种空间信息和逻辑信息。2．虚拟现实技术与三维动画技术的异同VR技术和三维动画技术有本质的区别：三维动画技术是依靠计算机预先处理好的路径上所能看见的静止照片连续播放而形成的，不具有任何交互性，即不是用户想看什么地方就能看到什么地方，用户只能按照设计师预先固定好的一条线路去看某些场景，它给用户提供的信息很少或不是所需的，用户是被动的；而VR技术则截然不同，它通过计算机实时计算场景，根据用户的需要把整个空间中所有的信息真实地提供给用户，用户可依自己的路线行走，计算机会产生相应的场景，真正做到“想得到，就看得到”。所以说交互性是两者最大的不同。下面来看一个应用的实例。房地产展示是这两个技术最常用的领域。在现在的应用中，很多房地产公司采用三维动画技术来展示楼盘，其设计周期长，模式固定，制作费用高；而同时在国内也已经有多家公司采用VR技术来进行设计，其展示效果好，设计周期短，更重要的是，它是基于真实数据的科学仿真，不仅可达到一般展示的功能，而且还可以把业主带入到未来的建筑物里参观，还可展示如门的高度、窗户朝向、某时间的日照、采光的多少、样板房的自我设计、与周围环境的相互影响等。这些都是三维动画技术所无法比拟的。有关VR技术与三维动画技术的比较见表1-1。表1-1比较项目VR技术三维动画技术科学性及场景的选择性虚拟世界基于真实数据建立的模型组合而成，属于科学仿真系统。操纵者亲身体验三维空间，可自由选择观察路径，有身临其境的感觉场景画面根据材料或想像直接绘制而与真实的世界和数据有较大的差距，属于演示类艺术作品。只能按预先假定的观察路径观看。实时交互性操纵者可以实时感受到运动带来的场景变化，具有双向互动的功能只能单向演示，场景变化的画面需要事先制作生成空间立体感支持立体显示和三维立体声，具有三维空间真实感不支持演示时间没有时间限制，可真实详尽的展示，性价比高受动画制作时间限制，无法详尽展示，性价比低方案应用的灵活性支持方案调整、评估、管理、信息查询等功能，同时又具有更真实直观的演示功能只具有简单的演示功能3．虚拟现实技术的发展简史VR技术的发展大致分为3个阶段：20世纪50年代到70年代末，是VR技术的探索阶段；20世纪80年代初期到80年代中期，是VR技术系统化、从实验室走向实用的阶段；20世纪80年代末期到达21世纪初，是VR技术高速发展的阶段。第一套具有VR思想的装置是莫顿。海利希在1962年研制的称为Senorama的具有多种感官刺激的立体电影系统，它是一套只能供个人观看立体的设备，采用模拟电子技术与娱乐技术相结合的全新技术，能产生立体声音效果，并能有不同的气味，座位也能根据剧情的变化摇摆或振动，观看时还能感觉到有风在吹动。在随后几年中，艾凡.萨瑟兰在麻省理工学院开始头盔式显示器的研制工作，人们戴上这个头盔式显示器，就会产生身临其境的感觉。研制者们于1970年研制出了第一个功能较齐全的HMD系统。美国的JaronLanier在20世纪律80年代初正式提出了VirtualReality一词。20世纪80年代,美国国家航空航天局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关VR技术的研究,并取得了令人瞩目的研究成果。进入20世纪90年代后,迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，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，人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地涌入市场。4．虚拟现实系统的构成典型的VR系统主要由计算机、应用软件系统、输入输出设备、用户和数据库等组成，如图1-1所示。图1-1虚拟现实系统的一般构成1.计算机在VR系统中，计算机负责虚拟世界的生成和人机交互的实现。由于虚拟世界本身具有高度复杂性，尤其在某些应用中，如航空航天世界的模拟、大型建筑物的立体显示、复杂场景的建模等，使得生成虚拟世界所需的计算量极为巨大，因此对VR系统中计算机的配置提出了极高的要求。2.输入输出设备在VR系统中，为了实现人与虚拟世界的自然交互，必须采用特殊的输入输出设备，以识别用户各种形式的输入，并实时生成相应的反馈信息。3.VR的应用软件系统及数据库VR的应用软件系统可完成的功能包括：虚拟世界中物体的几何模型、物理模型、行为模型的建立，三维虚拟立体声的生成，模型管理技术及实时显示技术，虚拟世界数据库的建立与管理等几部分。虚拟世界数据库主要用于存放整个虚拟世界中所有物体的各个方面的信息。图1-2典型虚拟现实系统的结构框图5．虚拟现实技术的特征VR技术有3个主要特征：沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和想像性（Imagination），如图1-3所示。图1-3（1）沉浸性沉浸性（Immersion）是指用户感受到被虚拟世界所包围，好像完全置身于虚拟世界中一样。VR技术最主要的技术特征是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由观察者变成参与者，沉浸其中并参与虚拟世界的活动。理想的虚拟世界应该达到使用户难以分辨真假的程度，甚至超越真实，实现比现实更逼真的照明和音响效果。（2）交互性交互性（Interactivity）的产生，主要借助于VR系统中的特殊硬件设备（如数据手套、力反馈装置等），使用户能通过自然的方式，产生同在真实世界中一样的感觉。（3）想像性想像性（Imagination）指虚拟的环境是人想像出来的，同时这种想像体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。所以说VR技术不仅仅是一个媒体或一个高级用户界面，同时它还是为解决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件。6．VR技术的意义正是由于VR技术的广泛应用，并能够实现人与自然之间的和谐交互，扩大对信息空间的感知通道，提高人类对跨越时空事物和复杂动态事件的感知能力，把计算机应用提高到一个崭新的水平，其作用和意义是十分重要的。首先是在观念上的转变，它使人们对计算机的应用从“以计算机为主体”变成“以人为主体”。传统的信息处理环境一直强调的是“人适应计算机”，人与计算机通常通过键盘与鼠标进行交互，这种交互是间接的，非直觉的和有限的。而VR技术的目标或理念是要逐步使“计算机适应人”，人们要通过视觉、听觉、触觉、嗅觉以及形体、手势或语言，参与到信息处理的环境中去，并获得身临其境的体验。人们不必意识到自己在同计算机打交道，而可以像在现实世界中处理事情一样同计算机交流，这就把人从操作计算机的复杂工作中解放出来，使用计算机无需学习，操作也异常简单而方便。第二个转变发生在哲学中人们对“虚”和“实”之间的辩证关系的理解上。虚和实的关系是一个古老的哲学话题。我们是处于真实的客观世界中，还是只处于自己的感知世界中，一直是唯物论和唯心论争论的焦点。以视觉为例，我们所看到的世界，不过是视网膜上的影像。过去，视网膜上的影像都是真实世界的反映，因此客观的真实世界同主观的感知世界是一致的。现在，VR导致了二重性，VR的景物对人的感官来说是实实在在存在的，但它又的的确确是虚构的东西，而且按照虚构的东西行事，往往又会得出正确的结果。因此这就引发了哲学上要重新认识“虚”和“实”之间的关系的研究。7．虚拟现实系统的分类在实际应用中，根据VR技术对沉浸程度的高低和交互程度的不同，将VR系统划分了解4种类型：沉浸式VR系统、桌面式VR系统、增强式VR系统、分布式VR系统。其中桌面式VR系统因其技术非常简单，需投入的成本也不高，在实际应用中较广泛。（1）桌面式VR系统桌面式VR系统也称窗口VR，见图1-4所示，它是利用个人计算机或图形工作站等设备，采用立体图形、自然交互等技术，产生三维立体空间的交互场景，利用计算机的屏幕作为观察虚拟世界的一个窗口，通过各种输入设备实现与虚拟世界的交互。桌面式VR系统一般要求参与者使用空间位置跟踪定位设备和其他输入设备，如数据手套和6个自由度的三维空间鼠标，使用户虽然坐在监视器前，却可以通过计算机屏幕观察360°范围内的虚拟世界。在桌面式VR系统中，计算机的屏幕是用户观察虚拟世界的一个窗口，在一些VR工具软件的帮助下，参与者可以在仿真过程中进行各种设计。使用的硬件设备主要是立体眼镜和一些交互设备（如数据手套、空间位置跟踪定位设备等）。立体眼镜观看计算机屏幕中虚拟三维场景的立体效果，它所带来的立体视觉能使用户产生一定程度的沉浸感。有时为了增强桌面式VR系统的效果，在桌面式VR系统中还可以加入专业的投影设备，以达到增大屏幕观看范围的目的。桌面式VR系统具有以下主要特点：①对硬件要求极低，有时只需要计算机或是增加数据手套、空间位置跟踪定位设备等。②缺少完全沉浸感，参与者不完全沉浸，因为即使戴上立体眼镜，仍然会受到周围现实世界的干扰。③应用比较普遍，因为它的成本相对较低，而且它也具备了沉浸式VR系统的一些技术要求。作为开发者和应用者来说，从成本角度考虑，采用桌面式VR技术往往被认为是从事VR研究工作的必经阶段。图1-4桌面式VR系统（2）沉浸式VR系统沉浸式VR系统利用头盔显示器和数据手套等各种交互设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，而使用户真正成为VR系统内部的一个参与者，并能利用这些交互设备操作和驾驭虚拟环境，产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉（见图1-5）。沉浸式VR系统的基本组成如图1-6所示。图1-5沉浸式VR系统演示实例沉浸式VR系统的特点①高度的沉浸感。沉浸式VR系统采用多种输入与输出设备来营造一个虚拟的世界，并使用户沉浸于其中，同时还可以使用户与真实世界完全隔离，不受外面真实世界的影响。②高度实时性。在虚拟世界中要达到与真实世界相同的感觉，如当人运动时，空间位置跟踪定位设备需及时检测到，并且经过计算机运算，输出相应的场景变化，并且这个变化必需是及时的，延迟时间要很小。图1-6沉浸式VR系统的基本组成沉浸式VR系统的分类常见的沉浸式VR系统有：基于头盔式显示器的VR系统、投影式VR系统、遥在系统。基于头盔式显示器采用头盔式显示器或投影式VR系统是或投影式显示系统来实现完全投入。它把现实世界与之隔离，使参与者从听觉到视觉都能投入到虚拟环境中去。遥在系统是一种远程控制形式，常用于VR系统与机器人技术相结合的系统。（3）增强式VR系统增强式VR系统简称增强现实（AR），它既允许用户看到真实世界，同时也能看到叠加在真实世界上的虚拟对象，它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，既可减少构成复杂场景的开销（因为部分虚拟环境由真实环境构成），又可对实际物体进行操作（因为部分物体是真实环境）。增强式VR系统有以下3个特点：①真实世界和虚拟世界融为一体。②具有实时人机交互功能。③真实世界和虚拟世界是在三维空间中整合的。（4）分布式VR系统分布式VR系统是VR技术的网络技术发展和结合的产物，是一个在网络的虚拟世界中，位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟世界，通过网络连接成共享信息的系统。DVR系统的目标是在沉浸式VR系统的基础上，将地理上分布的多个用户或多个虚拟世界通过网络连接在一起，使每个用户同时加入到一个虚拟空间里（真实感三维立体图形、立体声），通过联网的计算