毕业论文：浅谈虚拟现实技术

论文虚拟现实技术

浅谈虚拟现实技术

摘要虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是近年来新兴的借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段，其核心是建模与仿真。概括介绍了虚拟现实技术的概念、特征及应用领域，涉及的关键技术，最新研究进展，应用与前景展望。

关键词虚拟现实技术，研究现状，相关应用，信息安全

一．虚拟现实的概念、特征及应用领域

虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境，通过多种传感设备，用户可根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作，参与其中的事件，同时提供视、听、触等直观而自然的实时感知，并使参与者“沉浸”于模拟环境中。虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是指借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段，其核心是建模与仿真。

虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设各等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。常用的有立体头盔、数据于套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置，如摄像机、地板压力传感器等。

（虚拟现实技术穿戴的装备）

GrigoreBurdea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，即人们称道的“3I”特性：交互性(interactivity) 、沉浸感(Illusion of Immersion) 和构想性(imagination)。交互性主要是指参与者通过使用专门输入和输出设备，用人类的自然技能实现对模拟环境的考察与操作的程度。沉浸感是虚拟现实最主要的技术特征，它是指参与者在纯自然的状态下，借助交互设备和自身的感知觉系统，对虚拟环境的投入程度。构想性是指借助虚拟现实技术，使抽象概念具像化的程度。另外还有多感知性(Multi-Sensory)。所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，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。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能，由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

所以，“3I＋M”就是虚拟现实系统的基本特征。

自1968年Ivan Sutherland发表一篇名为“The Ultimate Display”的论文至今，虚拟现实技术已经伴随着计算机技术的进步得到长足的发展。如今，众多的设备可被用于虚拟现实，包括头戴式显示器、数据手套、动作捕捉系统等[1]。虚拟现实技术已经在诸如建筑设计、军事仿真、虚拟制造、游戏娱乐、医学等领域得到广泛的应用。在教育、心理学、环保、文化艺术领域，虚拟现实技术也得到越来越多的关注[2]。

二．虚拟现实涉及的关键技术[3]

虚拟现实的关键技术主要包括：动态环境建模技术，实时三维图形生成技术，立体显示和传感器技术，应用系统开发工具，系统集成技术，实时三维计算机图形技术，广角立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，触觉、力觉反馈技术，立体声、语音输入输出技术。

动态环境建模技术：虚拟环境的建立是VR系统的核心内容，目的就是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要建立相应的虚拟环境模型。

实时三维图形生成技术：三维图形的生成技术已经较为成熟，那么关键就是“实时”生成。为了达到实时的目的，至少保证图形的刷新频率不低于15帧/秒，最好高于30帧/秒。

立体显示和传感器技术：虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术帝发展，现有的设备远远不能满足需要，力学和触觉传感装置的研究也有待进一步深入，虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高。

应用系统开发工具：虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造性。选择适当的应用对象可以大幅度提高生产效率，减轻劳动强度，提高产品质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具，例如VR系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。

系统集成技术：由于VR系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技术起着至关重要的作用，集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等。

实时三维计算机图形技术：如果有精准的模型和足够的时间，那么就能生出不同光照情况下各种物体的精确图像，但是因为重点是“实时”，所以图像的刷新成为关键，要求达到一定的频率才能实现“实时”显示。

广角立体显示技术：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，显示在不同显示器上。

对观察者头、眼和手的跟踪技术：利用头部跟踪来改变图像视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就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。

触觉、力觉反馈技术：在VR系统中，用户可以看见虚拟的物体，但是肢体并无实际触碰物体的感觉。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。

立体声、语音输入输出技术：要求虚拟环境能听懂人的语言，并能与人实时交互。使用人的自然语言作为计算机的输入有着效率问题和正确性问题。

（虚拟现实技术仿真的五星级酒店）

三．国内外虚拟现实研究的最新进展

国外虚拟现实技术以美国、日本发展的最为先进，下面分别介绍其详情。

1.美国

美国是虚拟现实技术的发源地。美国虚拟现实技术研究的水甲基本上就代表国际虚拟现实技术发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。

美国宇航局的Ames实验室：将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真。大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。对哈勃太空望远镜的仿真，现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”(VPE)计划。现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。

北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是VR研究最早最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。SRI研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有VR技术的进一步发展。1991年后，SRI进行了利用VR技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿真来减少飞行事故。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(HIT Lab)将VR研究引入了教育、娱乐和制造领域。

2.日本

日本是在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中居于领先地位的国家之一，主要致力于建立大规模VR知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。

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。NEC公司开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使用“代用手”去处理三维cAD 中的形体模型，该系统通过数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来。京都的先进电子通信研究所(ATR)正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入。

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将他们的研究重点放在远程控制方而，最近的研究项目是主从系统。该系统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。