虚拟现实技术综述_李敏

虚拟现实技术综述

李

敏，韩

丰

（河南科技大学电子信息工程学院，河南洛阳471039）

摘

要：介绍了虚拟现实技术的概念、特征、分类以及实现虚拟现实的关键技术，分析了我国虚拟现实技术的研究现

状及目前的应用领域，最后，探讨了虚拟现实技术的发展趋势。关键词：虚拟现实技术；特征；分类；研究现状；发展趋势中图分类号：TP393.01

文献标识码：A

文章编号：1672-7800（2010）06－0142－03

0引言

虚拟现实（Virtual Reality ，VR ）作为一种综合计算机图形

技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术而发展起来的计算机领域的新技术。

虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、用户难辨真假的程度。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。它主要涉及到三个研究领域：①通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果；②建立对虚拟世界的观察界面；③使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。

1主要特征

虚拟现实技术是利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾

驶舱、操作现场等），通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术，是一种可以创建和体验虚拟环境的计算机系统技术。虚拟现实技术有以下4种主要特征：①多感知性，它是指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的

感知功能；②存在感（Presence ），又称沉浸感（Immersive ），它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度，即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、甚至还包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的模拟环境应该具有一切人所具有的感知功能，达到使用户难以分辨真假的程度；③交互性（Interaction ），是指参与者对模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（包括实时性）。例如，他可以用手去直接抓取模拟环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中被抓住的物体也立刻随着手的移动而移动；④自主性（Imaginative ），是指虚拟环境中物体依据各自的模型和规则按操作者的要求进行自主运动的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动，或翻倒，或从桌面落到地面等。

2虚拟现实系统的分类

根据虚拟现实所倾向的特征的不同，目前的虚拟现实系统

可分为4种：桌面式、增强式、沉浸式和网络分布式虚拟现实系统。

桌面虚拟现实系统利用PC 机或中、低档工作站作虚拟环境产生器，计算机屏幕或单投影墙是参与者观察虚拟环境的窗口，由于受到周围真实环境的干扰，它的沉浸感较差，但是成本相对较低，仍然比较普及。

沉浸式虚拟现实系统主要利用各种高档工作站、高性能图形加速卡和交互设备，通过声音、力与触觉等方式，并且有效地屏蔽周围现实环境（如利用头盔显示器、3面或6面投影墙），使得被试完全沉浸在虚拟世界中。

软件导刊

Software Guide

第9卷%第6期

2010年6月Vol.9No.6Jun.2010

基金项目：国家自然科学基金（40771166）

作者简介：李敏（1962－），女，河南洛阳人，河南科技大学电子信息工程学院副教授，研究方向为计算机应用技术；韩丰（1979－），男，河南洛阳人，硕

士、河南科技大学电子信息工程学院助教，研究方向为计算机应用技术。

第6期

增强式虚拟现实系统允许参与者看见现实环境中的物体，同时又把虚拟环境的图形叠加在真实的物体上。穿透型头戴式显示器可将计算机产生的图形和参与者实际的即时环境重叠在一起。该系统主要依赖于虚拟现实位置跟踪技术，以达到精确的重叠。

网络分布式虚拟现实系统由上述几种类型组成的大型网络系统，用于更复杂任务的研究。它的基础是分布交互模拟。

3关键技术

实现虚拟现实的关键技术主要包括：①动态环境建模技术，它包括实际环境三维数据获取方法、非接触式视觉建模技术等；②实时、限时三维动画技术，即实时三维图形生成技术；

③立体显示和传感技术，包括头盔式三维立体显示器、数据手套、力觉和触觉传感器技术的研究；④快速、高精度的三维跟踪技术；⑤系统集成技术，包括数据转换技术、语音识别与合成技术等。

4我国虚拟现实技术的研究现状

VR技术最早20世纪中期由美国VPL探索公司和它的创始人JaronLanier提出这一概念，后来美国宇航局（NASA）的艾姆斯空间中心利用流行的液晶显示电视和其它设备开始研制低成本的虚拟现实系统，推动了其硬件的进步。目前，该技术已获得了长足的发展。

我国VR技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。

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，并在以下方面取得进展：着重研究了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；实现了分布式虚拟环境网络设计，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。

浙江大学CAD＆CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法；哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题；清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究；西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——

—立体显示技术进行了研究，提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度。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我国已经完成了2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，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、安徽大学电子工程与信息科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。

当前，我国专注于虚拟现实与仿真领域的软硬件研发与推广，已具备了国际上比较先进的虚拟现实技术解决方案和相关服务，产品有：虚拟现实编辑器（VRP－Builder）、数字城市仿真平台fvRP－Digieity）、物理模拟系统（VRP－Physics）、三维网络平台（VRPIE）、工业仿真平台ⅣRP－Indusim），三维仿真系统开发包rvRP－SDK），以及多通道环幕立体投影解决方案等，能够满足不同领域不同层次的客户对虚拟现实的需求。2002年和2007在国家级重点项目数字奥运仿真中发挥了重要的作用，为2008奥运虚拟现实提供了技术支持。

5应用领域

随着计算机及人—机交互手段的向前发展，VR技术的应用正逐步渗透到各个专业领域，涉及到航天、军事、通信、医疗、教育、艺术、娱乐、建筑和商业等各个领域。

（1）军事及航空航天上的应用。在军事与航空航天上的应用是VR技术发展的强有力催化剂。在航空上，利用CAD／CAM 与VR结合进行新型飞机设计，某些飞行模拟器中也采用头盔显示器模拟各种实战场景，让人感觉相当真实。载人航天研究中，训练时，航天员坐在一个模拟“载人操纵飞行器”功能、并带有传感器的椅子上。椅子上有用于在虚拟空间中作直线运动的位移控制器和用于绕航天员质心调节其姿态的姿态控制器。航天员头戴立体头盔显示器，用于显示望远镜、航天飞机以及太空的模型；并用数据手套作为与系统进行交互的手段。经过该虚拟系统的训练，航天员终于在1993年12月成功地完成了将哈勃太空望远镜上损坏的MRI并用从航天飞机上取出的备件进行更换这一复杂而又费时的任务。虚拟现实技术的应用，使得军事演习在概念上和方法上有了一个新的飞跃，即通过建立虚拟战场来检验和评估武器系统的性能。

（2）民用领域

虚拟现实技术在军事及航空航天上的成功应用推动了其民用研究的开发，加之相关软、硬件价格的下降，它的应用已延伸到生产过程中的操作训练、市场营销、医疗卫生、游戏、建筑及工业设计等诸多方面。例如：①操作训练：它不需要花费巨额的费用，利用VR技术就可进行一些操作训练。VR技术已在生产、医疗手术、系统安装／拆卸的操作训练中发挥了重要作用；

②建筑及工业设计：虚拟现实技术还可用来进行各种虚拟设计（汽车虚拟设计、飞机虚拟设计和建筑虚拟设计等），由于虚拟现实技术的投入性和交互性，它比传统的CAD技术能更好地

李敏，韩丰：虚拟现实技术综述143

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