虚拟现实大作业

虚拟现实技术的发展

一.虚拟现实的概述

概括地说,虚拟现实(V R 一v ir t u al R e al ity )是一种探讨如何实现人与计算机之间理想交互方式的技术。计算机的使用离不开人与计算机之间的交互,而这种交互是通过人机接口来实现的。虚拟现实技术就是为了建立起方便自然的人与计算机的交互环境,顺从于人类的习惯,实现人们所熟悉的形象而直观的交互方式。有了虚拟现实技术之后,计算机图形接口的视窗就消失了,用户可以进入到计算机生成的环境中去与计算机进行直观自然的交互。

虚拟现实是一种先进的人机接口技术，利用虚拟现实技术,计算机可以产生一个三维的、基于感知信息的临场环境,该环境对用户的控制行为作出动态的交互反应,并为用户的行为所控制。定义的关键是基于感知信息的临场环境和交互性。虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境,通过多种传感设备使用户“进入”到该环境中,实现用户与该环境进行自然交互的技术。

虚拟现实技术具有以下4个重要特征：1.多感知性(M u lti一se n sa to n )；2.存在感(Pr e s e n c e )；3.实时交互性(R e

a 一T im e In te r a e tiv ity )；4.自主性(A u to n om y )

二、虚拟现实技术

(1 ) 动态环境建模技术

虚拟环境的建立是V R 技术的核心内容。动态环境建模技术的主要目的是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用 C A D技术(有规则的环境),而更多的情况则需采用非接触式的视觉建模技术,两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。建模内容还包括对象的物理属性、运动特性和行为特征。

(2 ) 快速三维图形生成技术

三维图形的生成技术已经较为成熟,而这里的关键是如何实现“快速”生成。为了达到实时目的,至少要保证图形的刷新频率不低于 1 5 帧/ 秒,最好是高于 3 0 帧/ 秒。在不降低图形的质量和复杂程度的前提下,如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。

(3 ) 立体显示和传感器技术

V R 的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展,现有的V R 设备还远远不能满足系统的需要,例如头盔式三维立体显示器有以下缺点:过重( l.5 一Zk g )、分辨率低〔L CD,图像质量差)、延迟大(刷新频率慢)、行动不便(有线)、跟踪精度低、视场不够宽、眼睛容易疲劳等,因此有必要开发新的三维显示技术。同样数据手套、数据衣等都有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点。另外,力觉和触觉传感装置的研究也有待进一步深入,V R 设备的跟踪精度

和跟踪范围也有待提高。

( 4 )人机交互技术

如三维手势识别与跟踪技术、语言识别与合成技术、用户视线跟踪技术、表情识别与合成技术等。

(5 ) 应用系统开发工具

V R 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地提高生产效率,减轻劳动强度,提高产品质量,为了达到这一目的,必须研究V R 的开发工具,例如V R 系统开发平台、分布式V R 技术等。

(6 ) 系统集成技术

由于V R 系统中包括大量的感知信息和模型,因此系统的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、数据管理模型等。

(7 ) 用户的适应性分析

研究在现有硬件技术的条件下,如何通过不同性能设备的组合来满足用户的要求,例如,在高分辨率和真彩色不能同时满足时,研究高分辨率与灰度级、低分辨率与真彩色的不同组合时用户的适应性,这种组合与应用类型又直接相关,该研究对于设计实际的应用系统至吴重要。总之,目前V R 的主要问题有两个方面,首先是现有的硬件技术难以达到实际

应用所要求的性能,例如,图形显示的刷新频率平均达不到每秒 1 0 帧,与要求的每秒 3 0 帧相差甚远;由于使用了液晶显示技术,图形分辨率低、时延较大;三维跟踪范围小、精度低等;其次是开发V R 应用系统时,由于对人的认知模型缺乏深入理解加之硬件的限制,界面设计、系统性能、模拟环境等满足不了用户的要求,例如分辨率和彩色显示的关系、跟踪精度和时延的关系、头部跟踪显示对提高系统性能的作用到底有多大等。硬件技术可以随研究的深入而得到提高,但用户的要求也在不断提高,因此,硬件技术的制约将会持续一个较长时期。但是,如果我们对用户的认知模型有了深入的理解,就可以针对不同类型的应用选择不同性能的硬件组合,达到局部最优,从而克服硬件技术的不足,设计出用户满意的应用系统。

三、虚拟现实技术的发展

现在的V R 技术还很不成熟,但是它已经显示出很强的生命力,在未来几年中,V R的硬件技术例如图形硬件等将会得到极大的改善,价格也会也会不断下降。商业和医疗应用系统将进入市场。三维交互技术将会有很木发展。随着网络技术的进步,联网V R 系统将会发展很快。但是,同时,V R 还会带来许多社会、心理、伦理、道德等方面的间题,因此,需要从包括法律的各个方面来综合研究V R 所带来的问题。V R 发展的主要限制来自于硬件技术。在应用方面,V R 的

困难主要来自对人自身习惯以及心理等方面的认识,即对人的因素的认识,V R 的发展对人本身、对社会文明等方面的影响也是一个很值得研究的问题。预计在未来的几十年中,V R 将象电话、电视等一样,成为一种广泛接受的公共服务行业,应用于人们的交流、娱乐、医疗健康和工作等方面。娱乐产业是将V R 推向大众的动力,V R 在广泛应用于娱乐以外的目的之前,必须在图形性能和H MD 的分辨率方面有较大的改进,并且价格必须降到可以接受的程度,随着高性能微处理芯片的出现和彩色液晶显示的快速改善,这一点可望在一两年内做到。到九十年代末,家庭V R 市场上将出现激烈的竞争,那时V R 的应用系统将供不应求,基于V R 的游艺中心将在几年以后取代现有的以二维为主的游艺中心。然而,V R 需要有巨大威力的计算机,现有的V R 系统一般使用价值为 1 万到 2 万美元(或更昂贵)的计算机,即使是最低配置的低端V R 系统也需要功能很强的桌面计算机(如高档微机或工作站),例如,如果使用lo oM H z 的奔腾微机和特殊的图形加速板,描绘 2 0 0 0 到 3 0 0 0 个带有纹理的多边形也仅能达到每秒 1 0 到加帧的刷新频率.在高端V R系统方面,S G I公司现在可以提供价值 1 0 万美元的R e al it yE n g in e 2 。S G I 称仅用一年的时间R e ali-t y E n g i n e Z 系统的年销售额就从 1 亿美元上升到了1 0 亿美元,R e al i t y E n g in eZ 系统的设计性能为