虚拟现实技术概述.pdf

1、 c EC L/ 【本章导读】 目前虚拟现实技术已经成为计算机相关领域研究、开发与应用的热点。本章将介绍虚拟现实的定义、虚拟现实的本质特征、虚拟现实系统的组成、虚拟现实系统的分类及虚拟现实技术的发展应用等基础知识。学习本章时要多参阅其他书籍中的有关知识。 本章的重点难点： （1）虚拟现实的定义； （2）虚拟现实的本质特征； （3）虚拟现实系统的分类； （4）虚拟现实技术的应用。 随着计算技术、图形技术和网络技术的迅速发展，计算机的应用正在进入一个崭新的阶段。从表1.1所示的计算机应用发展的三个阶段可以看出，虚拟现实技术是未来计算机领域最重要的技术之一。 表1.1 计算机应用的发展阶段 第 一

2、阶 段 第 二 阶 段 第 三 阶 段 用户 技术人员 专业人员 消费者 体系结构 主机 个人计算机 网络 显示 文本2D图形 虚拟现实 元素 请求 报告 窗口 菜单 图标 场景 替身 控制 文本 键盘 光标 鼠标 发掘 交谈 虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）在20世纪80年代初提出的，但在20世纪末才兴起的综合性信息技术。作为一项尖端科技，虚拟现实融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术和网络并行处理等多个信息技术分支，是一种由计算机生成的高技术模拟系统，从而大大地推进了计

3、算机技术的发展。虚拟现实生成的视觉环境是立体的、音效是立体的、人机交互是和谐友好的，改变了人与计算机之间枯燥、生硬和被动地通过鼠标、键盘进行交互的现状。因此，目前虚拟现实技术已经成为计算机相关领域中继多媒体技术、网络技术及人工智能之后备受人们关注及研究、开发与应用的热点，也是目前发展最快的一项多学科综合技术。 1.1 虚拟现实的基本概念 1.1.1 EC Ll 虚拟现实是由英文名Virtual Reality翻译而来，它的另一个名称为Virtual Environment（虚虚拟现实技术 拟环境）。Virtual是虚假的意思，说明这个世界或环境是虚拟的，不真实的，人造的，是存在于计算机内部的。

4、Reality是真实的意思，意味着现实的世界或现实的环境。两个词合并起来就是虚拟现实。国内也有人译为“灵境”，灵境是虚幻之所在，也有人译为“幻真”、“临境”。这些译文都说明虚拟现实是人工创作的，由计算机生成的，存在于计算机内部的环境。用户可以通过自然的方式进入此环境，并与环境进行交互，从而产生置身于相应真实环境的虚幻感。 在虚拟现实系统中，环境主要是计算机生成的三维虚拟世界。这种人机交互的环境或者世界通常包括三种情况。 第一种情况是完全对真实世界中的环境进行再现。如虚拟小区对现实小区的虚拟再现、军队中的虚拟战场、虚拟实验室中的各种仪器等，这种真实环境可能已经存在，如图1.1所示，也可能是已经设

5、计好但是尚未建成，还可能是原来完好，现在被破坏的。 第二种情况是完全虚拟的，人类主观构造的环境。如影视制作或电子游戏中，三维动画展现的虚拟世界。此环境完全是虚构的，用户可以参与，并与之进行交互的非真实世界。但它的交互性和参与性不是很明显，如图1.2所示。 图1.1 虚拟小区 图1.2 虚拟人物 第三种情况是对真实世界中人类不可见的现象或环境进行仿真。如分子结构、各种物理现象等。这种环境是真实环境，客观存在的，但是受到人类视觉、听觉的限制不能感应到。一般情况是以特殊的方式（如放大尺度的形式）进行模仿和仿真，使人能够看到，听到或者感受到，体现科学可视化，如图1.3所示。 由此，虚拟现实定义为用计算

6、机技术生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉的感官世界，用户可借助一些专业传感设备，如传感头盔、数据手套等，完全融入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，实时感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感，身临其境的感觉。在某种角度上，可以把它看成一个更高层次的计算机用户接口技术，通过视觉、听觉、触觉等信息通道来感受设计者的思想。此概念包含三层含义： 图1.3 二氧化硅的分子示意图 1环境 虚拟现实强调环境，而不是数据和信息。简言之，虚拟现实不仅重视文本、图形、图像、声音、语言等多种媒体元素，更强调综合各种媒体元素形成的环境效果。它以环境为计算机第1章 虚拟现实技术概

7、述 处理的对象和人机交互的内容，开拓计算机应用的新思路。 2主动式交互 虚拟现实强调的交互方式是通过专业的传感设备来实现的，改进了传统的人机接口形式，即打破传统的键盘、鼠标、屏幕被动地与计算机交互的方式。用户可以由视觉、听觉、触觉通过头盔显示器，立体眼镜、耳机以及数据手套等来感知和参与。虚拟现实人机接口是完全面向用户来设计的，用户可以通过在真实世界中的行为参与到虚拟环境中。 3沉浸感 虚拟现实强调的效果是沉浸感，即使人产生身临其境的感觉。传统交互方式，人被动、间接、非直觉、有限地操作当前计算机，容易产生疲倦感。而虚拟现实系统通过相关的设备，采用逼真的感知和自然的动作，使人仿佛置身于真实世界，消

8、除了人的枯燥、生硬和被动的感觉，大大提高了工作效率。 1.1.2 EC L+ Grigore Burdea和Philippe Coiffet在著作Virtual Reality Technology一书中指出，虚拟现实具有三个最突出的特征：沉浸感（Immersion）、交互性（Interactivity）和构想性（Imagination），也是人们熟知的VR的3I特性，如图1.4所示。 图1.4 虚拟现实的3I特征 1沉浸感 沉浸感（Immersion）又称临场感，是虚拟现实最重要的技术特征，是指用户借助交互设备和自身感知觉系统，置身于虚拟环境中的真实程度。理想的虚拟环境应该使用户难以分辨真假

9、，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。 在现实世界中，人们通过眼睛、耳朵、手指等器官来实现感知。所以，在理想的状态下，虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。即虚拟的沉浸感不仅通过人的视觉和听觉感知，还可以通过嗅觉和触觉等多维地去感受。相应地提出了视觉沉浸、听觉沉浸、触觉沉浸和嗅觉沉浸等，也就对相关设备提出了更高的要求。例如视觉显示设备需具备分辨力高、画面刷新频率快的特点，并提供具有双目视差，覆盖人眼可视的整个视场的立体图像；听觉设备能够模拟自然声、碰撞声，并能根据人耳

10、的机理提供判别声音方位的立体声；触觉设备能够让用户体验抓、握等操作的感觉，并能够提供力反馈，让用户感受到力的大小、方向等。 2交互性 交互性（Interaction）是指用户通过使用专门的输入和输出设备，用人类的自然感知对虚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。虚拟现实系统强调人与虚拟世界之间以近乎自然的方式进行交互，即用户不仅通过传统设备（键盘和鼠标等）和传感设备（特殊头盔、数据手套等），使用自身的语言、身体的运动等自然技能也能对虚拟环境中的对象进行操作，而且计算机能够根据用户的头、手、眼、语言及身体的运动来调整系统呈现的图像及声音。例如，用户可以用手去直接抓取虚拟环境中虚拟的

11、物体，不仅有握着东西的感觉，并能感觉物体的重量，视场中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。 虚拟现实技术 3构想性 构想性（Imagination）又称创造性，是虚拟世界的起点。想象力使设计者构思和设计虚拟世界，并体现出设计者的创造思想。所以，虚拟现实系统是设计者借助虚拟现实技术，发挥其想象力和创造性而设计的。比如建造一座现代化的桥梁之前，设计师要对其结构做细致的构思。传统的方法是极少数内行人花费大量的时间和精力去设计许多量化的图纸。而现在采用虚拟现实技术进行仿真，设计者的思想以完整的桥梁呈现出来，简明生动，一目了然。所以有些学者称虚拟现实为放大或夸大人们心灵的工具，或人工现实（Artifi

12、cial Reality），即虚拟现实的想象性。 综上所述，虚拟现实的三个特性沉浸感、交互性、构想性，生动地说明虚拟现实对现实世界不仅是对三维空间和一维时间的仿真，而且是对自然交互方式的虚拟。具有3I特性的完整虚拟现实系统不仅让人达到身体上完全的沉浸，而且精神上也是完全地投入其中。 1.1.3 EC L“dF 根据虚拟现实的基本概念及相关特征可知，虚拟现实技术是融合计算机图形学、智能接口技术、传感器技术和网络技术等综合性的技术。虚拟现实系统应具备与用户交互、实时反映所交互的结果等功能。所以，一般的虚拟现实系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入输出设备和数据库来组成，如图1.5所示。

13、图1.5 虚拟现实系统的组成 1专业图形处理计算机 计算机在虚拟现实系统中处于核心的地位，是系统的心脏，是VR的引擎，主要负责从输入设备中读取数据、访问与任务相关的数据库，执行任务要求的实时计算，从而实时更新虚拟世界的状态，并把结果反馈给输出显示设备。由于虚拟世界是一个复杂的场景，系统很难预测所有用户的动作，也就很难在内存中存储所有相应状态，因此虚拟世界需要实时绘制和删除，以至于大大地增加了计算量，这对计算机的配置提出了极高的要求。 提示：目前，国内外的计算机或者SGI、SUN工作站，主要是面向通用的计算，而不是虚拟现实。通常各制造商通过采用高端的图形加速器卡来改造现有的模型，以满足虚拟现实的

14、实时绘制能力。 2应用软件系统 虚拟现实的应用软件系统是实现VR技术应用的关键，提供了工具包和场景图，主要完成虚拟世界中对象的几何模型、物理模型、行为模型的建立和管理；三维立体声的生成、三维场景的实时绘制；虚拟世界数据库的建立与管理等。目前这方面国外的软件较成熟，如MultiGen Creator、VEGA、EON Studio和Virtool等。国内的软件也有一些比较好用的软件，例如中视典公司的VRP软件等。 3数据库 数据库用来存放整个虚拟世界中所有对象模型的相关信息。在虚拟世界中，场景需要实时第1章 虚拟现实技术概述 绘制，大量的虚拟对象需要保存、调用和更新，所以需要数据库对对象模型进行

15、分类管理。 4输入设备 输入设备是虚拟现实系统的输入接口，其功能是检测用户的输入信号，并通过传感器输入计算机。基于不同的功能和目的，输入设备除了包括传统的鼠标、键盘外，还包括用于手姿输入的数据手套、身体姿态的数据衣、语音交互的麦克风等，以解决多个感觉通道的交互。 5输出设备 输出设备是虚拟现实系统的输出接口，是对输入的反馈，其功能是由计算机生成的信息通过传感器传给输出设备，输出设备以不同的感觉通道（视觉、听觉、触觉）反馈给用户。输出设备除了包括屏幕外，还包括声音反馈的立体声耳机、力反馈的数据手套以及大屏幕立体显示系统等。 1.2 虚拟现实系统的分类 根据用户参与和沉浸感的程度，通常把虚拟现实分

16、成4大类：桌面虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、增强虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。 1.2.1 EC L“d 桌面虚拟现实系统（Desktop VR）基本上是一套基于普通PC平台的小型桌面虚拟现实系统。使用个人计算机（PC）或初级图形PC工作站去产生仿真，计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的窗口。用户坐在PC显示器前，戴着立体眼镜，并利用位置跟踪器、数据手套或者6个自由度的三维空间鼠标等设备操作虚拟场景中的各种对象，并可以在360范围内浏览虚拟世界。然而用户是不完全投入的，因为即使戴上立体眼镜，屏幕的可视角也仅仅是2030之间，仍然会受到周围现实环境的干扰。如图1.6所示。有时为了增强桌面虚

17、拟现实系统的投入效果，在桌面虚拟现实系统中还会借助于专业的投影机（RGB），达到增大屏幕范围和多数人观看的目的。桌面虚拟现实系统的体系结构如图1.7所示。 图1.6 桌面虚拟现实系统 图1.7 桌面虚拟现实系统的体系结构 桌面虚拟现实系统虽然缺乏头盔显示器的投入效果，但已经具备了虚拟现实技术的技术要求，并且其成本相对低很多，所以目前应用较为广泛。例如，高考结束的学生在家里可以参观未来大学里的基础设施，如学校里的虚拟校园、虚拟教室和虚拟实验室等；虚拟小区、虚拟样板房不仅为买房者带来了便利，也为商家带来了利益。桌面虚拟显示系统主要用于计虚拟现实技术 算机辅助设计、计算机辅助制造、建筑设计、桌面游戏

18、、军事模拟、生物工程、航天航空、医学工程和科学可视化等领域，如图1.8图1.11所示。 图1.8 虚拟古建筑 图1.9 虚拟游戏 图1.10 生物研究 图1.11 地理研究 1.2.2 T EC L“d 沉浸式虚拟现实系统（Immersive VR）是一种高级的、较理想、较复杂的虚拟现实系统。它采用封闭的场景和音响系统将用户的视听觉与外界隔离，使用户完全置身于计算机生成的环境之中，用户通过利用空间位置跟踪器、数据手套和三维鼠标等输入设备输入相关数据和命令，计算机根据获取的数据测得用户的运动和姿态，并将其反馈到生成的视景中，使用户产生一种身临其境、完全投入和沉浸于其中的感觉。沉浸式虚拟现实系统的

19、体系结构如图1.12所示。 图1.12 沉浸式虚拟现实系统的体系结构 1沉浸式虚拟现实系统的特点 沉浸式虚拟现实系统与桌面虚拟现实系统相比，具有以下特点。 第1章 虚拟现实技术概述 （1）具有高度的实时性。即当用户转动头部改变观察点时，空间位置跟踪设备及时检测并输入计算机，由计算机计算，快速地输出相应的场景。为使场景快速平滑地连续显示，系统必须具有足够小的延迟，包括传感器的延迟，计算机计算延迟等。 （2）具有高度的沉浸感。沉浸式虚拟现实系统必须使用户与真实世界完全隔离，不受外界的干扰，依据相应的输入和输出设备，完全沉浸到环境中。 （3）具有先进的软硬件。为了提供“真实”的体验，尽量减少系统的延

20、迟，必须尽可能利用先进的、相容的硬件和软件。 （4）具有并行处理的功能。这是虚拟现实的基本特性，用户的每一个动作都涉及多个设备综合应用，例如手指指向一个方向并说：“那里！”，会同时激活三个设备：头部跟踪器，数据手套及语音识别器，产生三个同步事件。 （5）具有良好的系统整合性。在虚拟环境中，硬件设备互相兼容，并与软件系统很好地结合，相互作用，构造一个更加灵巧的虚拟现实系统。 沉浸式虚拟现实系统的优点是用户可完全沉浸到虚拟世界中。例如，在消防仿真演习系统中，消防员会沉浸于极度真实的火灾场景并做出不同反应。但有一个很大的缺点是系统设备尤其是硬件价格相对较高，难以大规模普及推广。 沉浸式虚拟现实主要依

21、赖于各种虚拟现实硬件设备，如头盔显示器、舱型模拟器、投影虚拟现实设备和其他的一些手控交互设备等。参与者戴上头盔显示器后，外部世界就被有效地屏蔽在视线以外，其仿真经历要比桌面虚拟现实更可信，更真实。 2沉浸式虚拟现实系统的类型 常见的沉浸式虚拟现实系统有头盔式虚拟现实系统、洞穴式虚拟现实系统、座舱式虚拟现实系统、投影式虚拟现实系统和远程存在系统等。 （1）头盔式虚拟现实系统。采用头盔显示器实现单用户的立体视觉、听觉的输出，使人完全沉浸其中，如图1.13所示。 （2）洞穴式虚拟现实系统（CAVE）。该系统是一种基于多通道视景同步技术和立体显示技术的房间式投影可视协同环境，可提供一个房间大小的四面（

22、或六面）立方体投影显示空间，供多人参与，所有参与者均完全沉浸在一个被立体投影画面包围的高级虚拟仿真环境中，借助相应虚拟现实交互设备（如数据手套、力反馈装置、位置跟踪器等），从而获得一种身临其境的高分辨率三维立体视听影像和6个自由度的交互感受，如图1.14所示。 图1.13 头盔显示器系统 图1.14 洞穴式虚拟现实系统 （3）座舱式虚拟现实系统。座舱是一种最为古老的虚拟现实模拟器。当用户进入座舱后，不用佩戴任何现实设备，就可以通过座舱的窗口观看一个虚拟境界。该窗口由一个或多个计虚拟现实技术 算机显示器或视频监视器组成，用来显示虚拟场景。 提示：这种座舱给参与者提供的投入程度类似于头盔显示器。

23、（4）投影式虚拟现实系统。该系统是采用一个或多个大屏幕投影来实现大画面的立体视觉和听觉效果，使多个用户同时具有完全投入的感觉，如图1.15和图1.16所示。 图1.15 环幕投影式虚拟现实系统 图1.16 球面体投影系统 （5）远程存在系统。远程存在是一种远程控制形式，用户虽然与某个真实现场相隔遥远，但可以通过计算机和电子装置获得足够的感觉现实和交互反馈，恰似身临其境，并可以介入对现场进行遥操作。此系统需要一个立体显示器和两台摄像机生成三维图像，这种图像使得操作员有一种深度的感觉，观看的虚拟境界更清晰、真实。 1.2.3 9 EC L“d 增强虚拟现实系统（Aggrandize VR）的产生得

24、益于20世纪60年代以来计算机图形学技术的迅速发展，是近年来国内外众多知名学府和研究机构的研究热点之一。它是借助计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，并呈现给使用者一个感官效果真实的新环境。因此增强虚拟现实系统具有虚实结合、实时交互和三维注册的新特点。即把真实环境和虚拟环境组合在一起的一种系统，它既允许用户看到真实世界，同时也可以看到叠加在真实世界的虚拟对象，这种系统既可减少对构成复杂真实环境的计算，又可对实际物体进行操作，真正达到亦真亦幻的境界。 在视觉化的增强现实系统中，用户利用

25、头盔显示器，把真实世界与计算机图形多重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。其实增强虚拟现实系统不仅仅局限在视觉上对真实场景进行增强，实际上任何不能被人的感官所察觉但却能被机器（各种传感器）检测到的信息，通过转化，以人可以感觉到的方式（图像、声音、触觉和嗅觉等）叠加到人所处的真实场景中，都能起到对现实的增强作用。 常见的增强虚拟现实系统主要包括基于台式图形显示器的系统；基于单眼显示器的系统；基于光学透视式头盔显示器的系统；基于视频透视式头盔显示器的系统。 增强虚拟现实系统的最大特点不是把用户与真实世界隔离，而是将真实世界和虚拟世界融为一体，用户可以与两个世界进行交互，方便工作。例如，工程技

26、术人员在进行机械安装、维修、调试时，通过头盔显示器，可以将原来不能呈现的机器内部结构以及它的相关信息、第1章 虚拟现实技术概述 数据完全呈现出来，并按照计算机（移动计算机）的提示进行工作，解决技术难题，使工作变得非常方便、快捷、准确。摒弃了以前需要带着大量、笨重的资料在身边，边工作，边查阅，一旦出现难题、紧急情况，不知所措的落后的方法和现象。 增强现实是在虚拟环境与真实世界之间的沟壑间架起的一座桥梁。因此，增强现实的应用潜力相当巨大，在尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用，而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，在医疗研究与解剖训

27、练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域具有比其他VR技术更加明显的优势。图1.17所示为增强现实手机导航，该手机用户通过晃动三下手机调出一个叫做“单眼镜”的视图，通过GPS和指南针在屏幕上显示饭馆、酒吧和附近其他商家的标签。通过手机还可以发现用户所在位置附近的公司，并且可以在相应网页上找到这些地方的点评。 图1.17 增强现实手机导航 1.2.4 s T EC L“d 分布式虚拟现实系统（Distributed VR）的研究开发工作可追溯到20世纪80年代初。1983年，美国国防部（DOD）制定了SIMENT的研究计划；1985年，SGI公司开发成功了网络VR游戏

28、DogFlight。到了20世纪90年代，一些著名大学和研究所的研究人员也开展了对分布式虚拟现实系统的研究工作，并陆续推出了多个实验性分布式虚拟现实系统或开发环境，典型的例子有1990年美国NPS开发的NPSNET，1992年美国斯坦福大学的PARADISE/Inverse系统，1993年瑞典计算机科学研究所的DIVE以及加拿大Albert大学的MR工具库，1994年新加坡国立大学的BrickNet以及英国Nottingham大学的AV I A RY。 分布式虚拟现实系统是一个基于网络的可供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境。在这个环境中，位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相

29、连接，使多个用户同时参加一个虚拟现实环境，通过计算机与其他用户进行交互，共享信息，并对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。 分布式虚拟现实系统具有以下特征。 （1）共享的虚拟工作空间； （2）伪实体的行为真实感； （3）支持实时交互，共享时钟； （4）多个用户以多种方式相互通信； （5）资源信息共享以及允许用户自然操作环境中的对象。 分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟环境，在这个环境中，位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相联结。根据分布式系统环境下所运行的共享应用系统的个数，可把DVR系统分为集中式结构和复制式结构两种。 集中式结构是只在中心服务器上运行一份共享

30、应用系统，该系统可以是会议代理或对话管理进程。中心服务器的作用是对多个参与者的输入输出操作进行管理，允许多个参与者信虚拟现实技术 息共享。它的特点是结构简单，容易实现，但对网络通信带宽有较高的要求，并且高度依赖于中心服务器。 复制式结构是在每个参与者所在的机器上复制中心服务器，这样每个参与者进程都有一份共享应用系统。服务器接收来自于其他工作站的输入信息，并把信息传送到运行在本地机上的应用系统中，由应用系统进行所需要的计算并产生必要的输出。它的优点是所需网络带宽较小。另外，由于每个参与者只与应用系统的局部备份进行交互，因此交互式响应效果好。但它比集中式结构复杂，在维护共享应用系统的多个备份的信息

31、或状态一致性方面比较困难。 分布式虚拟现实系统的设计与实现必须考虑以下因素。 （1）网络带宽的发展。网络带宽是虚拟世界大小和复杂度的一个决定因素。当用户增加时，网络的延迟就会明显，带宽的需求也随之增加。 （2）先进的硬件设备和软件技术。为了减少数据传输的延迟，实现实时操作，增强真实感，必须采用兼容的先进的硬件设备。例如改进路由器和交换技术、使用快速交换接口和对计算机进行硬件升级。 （3）分布机制。分布机制直接影响系统的可扩充性。常用的消息发布方法为广播、多播和单播。其中，多播机制允许任意大小的组在网上进行通信，它能为远程会议系统和分布式仿真应用系统提供一对多和多对多的消息发布服务。 （4）可靠

32、性。在增加通信带宽和减少通信延迟这两方面进行折中时，应考虑通信的可靠性问题。可靠性是能够顺利通信的保证之一，它由具体的应用需求来决定。有些协议有较高的可靠性，但传输速度慢，反之亦然。 分布式虚拟现实的典型实例是在军事训练中应用的SIMNET系统。此系统中军队被布置在与实际车辆和指挥中心相同的位置，它们可以看到一个有山、树、云彩、硝烟、道路以及由其他部队操纵的车辆的模拟现场。这些由实际人员操纵的车辆可以相互射击，系统利用无线电通信和声音效果来加强真实感。系统的每个用户可以通过环境视点来观察别人的举动。炮火的显示极为逼真，用户可以看到被攻击部队炸毁的情况。SIMNET系统可将多达1000个部队用网

33、络连接起来。因此，SIMNET被称为第一个廉价而又实用的模拟网络系统，它可以用来训练坦克、直升机以及战斗演习，并训练部队之间的协同作战能力。 目前，分布式虚拟现实系统在远程教育、科学计算可视化、工程技术、建筑、电子商务、交互式娱乐和艺术等领域都有着极其广泛的应用前景。利用它可以创建多媒体通信、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏和虚拟社区全新的应用系统。 1.3 虚拟现实的发展和现状 1.3.1 EC L?Z 计算机技术的发展促进了多种技术的飞速发展。虚拟现实技术跟其他技术一样，由于技术的要求和市场的需求也随即发展起来。在这个漫长的过程中，主要经历了以下三个阶段： 120世纪50年代70年代

34、，虚拟现实技术的探索阶段 1956年，在全息电影技术的启发下，美国电影摄影师Morton Heiling开发了Sensorama。Sensorama是一个多通道体验的显示系统。用户可以感知到事先录制好的体验，包括景观、声音和气味等。 第1章 虚拟现实技术概述 1960年，Morton Heiling研制的Sensorama的立体电影系统获得了美国专利，此设备与20世纪90年代的HMD非常相似，只能供一个人观看，具有多种感官刺激的立体显示设备。 1965年，计算机图形学的奠基者美国科学家Ivan Sutherland博士在国际信息处理联合会大会上提出了The Ultimate Display（终

35、极的显示）的概念，首次提出了全新的、富有挑战性的图形显示技术，即不通过计算机屏幕这个窗口来观看计算机生成的虚拟世界，而是使观察者直接沉浸在计算机生成的虚拟世界中，就像生活在客观世界中。随着观察者随意转动头部与身体，其所看到的场景就会随之发生变化，也可以用手、脚等部位以自然的方式与虚拟世界进行交互，虚拟世界会产生相应的反应，使观察者有一种身临其境的感觉。 1968年，Ivan Sutherland使用两个可以戴在眼睛上的阴极射线管研制出了第一个头盔式显示器。 20世纪70年代，Ivan Sutherland在原来的基础上把模拟力量和触觉的力反馈装置加入到系统中，研制出了一个功能较齐全的头盔式显示

36、器系统。该显示器使用类似于电视机显像管的微型阴极射线管（CRT）和光学器件，为每只眼镜显示独立的图像，并提供与机械或超声波跟踪器的接口。 1976年，Myron Kruger完成了Videoplace原型，它使用摄像机和其他输入设备创建了一个由参与者动作控制的虚拟世界。 220世纪80年代初期中期，虚拟现实技术系统化，从实验室走向实用阶段 20世纪80年代，美国的VPL公司创始人Jaron Lanier正式提出了Virtual Reality一词。当时，研究此项技术的目的是提供一种比传统计算机模拟更好的方法。 1984年，美国宇航局NASA研究中心虚拟行星探测实验室开发了用于火星探测的虚拟世界

37、视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造火星表面的三维虚拟世界。 320世纪80年代末期至今，虚拟现实技术高速发展的阶段 1996年10月31日，世界上第一个虚拟现实技术博览会在伦敦开幕。全世界的人们可以通过因特网坐在家中参观这个没有场地，没有工作人员，没有真实展品的虚拟博览会。 1996年12月，世界上第一个虚拟现实环球网在英国投入运行。这样，因特网用户便可以在一个由立体虚拟现实世界组成的网络中遨游，身临其境般地欣赏各地风光、参观博览会和在大学课堂听讲座等。 目前，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极大地推动了虚拟现实技术的发展，使基于大型数据集合的声

38、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，很多新颖、实用的输入输出设备不断地出现在市场上，为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。 1.3.2 S EC L/ C 美国是虚拟现实技术研究的发源地，其研究水平基本就代表国际虚拟现实发展的水平。近年来，虚拟现实在美国航空航天和军事领域的若干成功应用获得了巨大经济效益和社会效益，促使美国政府进一步加大对虚拟现实技术研究的支持力度。 在军事领域，虚拟现实在武器系统的性能评价和设计、操纵训练和大规模军事演习及战役指挥方面发挥了重要作用，并产生了巨大的经济效益。美国已初步建成一些洲际范围的分布式虚拟环境，并将有人操纵和半自主兵力引入虚拟的战

39、役空间，在世界上处于领先地位。虚拟现实技术 美国空军技术研究所（Air Force Institute of Technology）主要研究人类因素的检测、计算机图形学以及与大规模分布综合环境应用有关的人机交互问题，尤其是研究培养实际操作人员的环境。其目标是实现在大规模、复杂的环境中，活动者在明确的目标的驱动下，主动采取行动的过程。海军研究生院图形和图像实验室（Naval Postgraduate School Graphics and Video laboratory）主要研究基于网络化虚拟环境的交互仿真开发低价格模拟器。目前正在研制一种便宜、实时网络化的飞行模拟器NPSNET 4，它使用S

40、IMNET和分布式交互仿真两种协议进行主机之间的通信。美国陆军研究所（U.S.Army Research Institute）从事虚拟环境的行为科学和计算机科学两方面的研究，并在美国陆军委员会支持下用于战斗训练的仿真电子战场的应用中发挥着重要作用。密西根大学（University of Michigan）承担了SOAR项目，其目的是通过提供改进的空军仿真兵力来扩充LORAL MODSAF。这一计划将使美国国防部在虚拟战役仿真中具有智能化和难以战胜，同时具备时态推理能力、多目标管理和传感能力，使管理和操纵虚拟兵力的人减至最少。 在航天领域，美国宇航局（NASA）已经建立了航空、卫星维护VR训练系

41、统，空间站VR训练系统，并且建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学（UNC）是进行VR研究最早的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真和建筑仿真等。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。施乐公司研究中心在VR领域主要从事利用VRT建立未来办公室的研究，并努力设计一项基于VR使得数据存取更容易的窗口系统。波音公司的波音777运输机采用全无纸化设计，利用开发的虚拟现实系统将虚拟环境叠加于真实环境之上，把虚拟的模板显示在正在加工的工件上，工人根据此模板控制待加工尺寸，从而简化加工过程。 在欧洲，英国在VR开发的某些方面，特别是分布并行处理、辅助设备（包括触觉

42、反馈）设计和应用研究方面是领先的。英国Bristol公司发现，VR应用的交点应集中在整体综合技术上，在软件和硬件的某些领域处于领先地位。英国ARRL公司关于远地呈现的研究实验，主要包括VR重构问题，其产品还包括建筑和科学可视化计算。 欧洲其他一些较发达的国家如荷兰、德国和瑞典等也积极进行VR的研究与应用。 瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境是一个基于UNIX的，不同节点上的多个进程可以在同一个世界中工作的异质分布式系统。 荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室（TNO-PEL）开发的训练和模拟系统，通过改进人机界面来改善现有的模拟系统，以使用户完全介入模拟环境。 德国在VR的应用方面取得了出乎意料

43、的成果。在改造传统产业方面，一是用于产品设计、降低成本，避免新产品开发的风险；二是产品演示，吸引客户争取定单；三是用于培训，在新生产设备投入使用前，用虚拟工厂来提高工人的操作水平。 2008年10月2729日在法国举行的ACM Symposi-um on Virtual Reality Software and Technology大会，整体上促进了虚拟现实技术的深入发展。 日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中同样具有举足轻重的地位，它在建立大规模VR知识库和虚拟现实的游戏方面取得了很大的成就。 东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面，称为SpmAR。NE

44、C公司开发了一种虚拟现实系统，借助代用手来处理CAD中的三维形体模型，通过数据手套把对模型的处理与操作者的手联系起来；日本国际工业和商业部产品科学研究院开发了一种采用X、Y记录器的受力反馈装置；东京大学的高级科学研究中心的研究重点主要第1章 虚拟现实技术概述 集中在远程控制方面，最近的研究项目是可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂的主从系统；东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题，他们正在开发一种虚拟全息系统，用于克服当前显示和交互作用技术的局限性；日本奈良尖端技术研究生院大学教授千原国宏领导的研究小组于2004年开发出一种嗅觉模拟器，只要把虚拟空间里的水果放到鼻尖

45、上一闻，装置就会在鼻尖处放出水果的香味，这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破。 除了前面所提到的使用相关设备而实现的虚拟现实外，近几年流行的3D街画也是一种虚拟现实。3D街画是使用彩色粉笔或者蜡笔来作画，所以又称作粉笔画、3D街面粉质画。它是一种极具视觉冲击的变形艺术，利用特殊的透视原理，使用复杂的几何作画，通过彩笔勾擦揉抹，产生清新明丽、丰富细腻的色彩效果，在街头地面或墙面上创造出逼真虚拟的复杂的场景物体，也可以精细入微地刻画形象的质地肌理。站在特定的角度位置可以达到以假乱真、形象逼真的感官效果和身临其境的感受。3D街画被国家地理杂志誉为一种全新的艺术形式。图1.18和图1.19所示为3

46、D街画大师Kurt Wenner的作品。 图1.18 游乐场街画 图1.19 室内街画 1.3.3 S = EC L/ C 我国虚拟现实技术研究起步较晚，与发达国家还有一定的差距。随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展，虚拟现实已得到国家有关部门和科学家们的高度重视，引起我国各界人士的关注，研究与应用。根据我国的国情，九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划已将虚拟现实技术的研究列为重点研究项目。国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用并取得了一些不错的研究成果。目前，我国虚拟现实技术在城市规划、教育培训、文物保护、医疗、房地产、因特网、勘探测绘、生产制造和军

47、事航天等数十个重要的行业得到广泛的应用。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，其虚拟实现与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等，并着重研究虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法等。 清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”采用了QuickTime技术，实现大全景VR系统。 虚拟现实技术 浙江大学CADCG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出在虚拟环境中一种新的

48、快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。 哈尔滨工业大学计算机系已经成功地合成人的高级行为中的特定人脸图像，解决了表情的合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等。 武汉理工大学智能制造与控制研究所主要研究使用虚拟现实技术进行机械虚拟制造，包括虚拟布局、虚拟装配和产品原型快速生成等。 西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的立体显示技术这一关键技术进行了研究。在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且已经通过实验结果证明了这种方案的优越性。 中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉

49、接口技术，完成了虚拟现实中的体视图像的算法回显及软件接口。在硬件的开发上已经完成LCD红外立体眼镜，并且已经实现商品化。 北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片相似就出自该中心。关于虚拟现实的研究已经完成了两个“863”项目，完成了体视动画的自动生成部分算法与合成软件处理，完成了VR图像处理与演示系统的多媒体平台及相关的音频资料库，制作了一些相关的体视动画光盘。 另外，北京邮电大学自动化学院、西北工业大学CAD/CAM研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所、长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电