虚拟现实技术研究进展综述

虚拟现实技术最新研究进展综述

摘要虚拟现实技术是一门综合的技术，研究内容涉及多个领域，应用十分广泛，本文将

从虚拟现实的概念出发，对虚拟现实技术和应用进行了充分的阐述，并对虚拟现实的最新研究现状做出了详细的论述，预测了虚拟现实的发展趋势。

引言科学技术日新月异的发展，给当今世界的制造技术带来了一场空前的技术革命，虚

拟现实技术就这样应运而生了，相信“虚拟现实”对许多人来说都不陌生，虽然它出现在各种媒体上的时间不长。但它给人们展现的是一门神奇的技术，能把人类带入各种梦幻般的境界，因而引起人们的广泛关注。其实，虚拟现实是一种技术，是能应用到许多领域的一个十分严肃的研究课题。它正在飞速发展，但虚拟现实系统中还有大量的问题没有解决。还是一个很有吸引力的研究领域。本文将就虚拟现实技术的基本概念、应用、最新研究发展进行一系列的探讨。

1.虚拟现实技术的基本概念

虚拟现实技术（简称VR），又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间，具有广阔的应用前景。

目前工业上并没有把虚拟现实作为一个足够长期的发展战略，但实际上它在许多领域是十分需要的！世界科技发达国家特别是美日英法德等国政府都设立基金来资助虚拟现实技术及其应用系统的研究，并已用于军事医疗娱乐制造业教育航天通信机器人等领域！在我国虚拟现实技术近几年已经得到高度重视，国家WXP高技术计划已经将虚拟现实作为关键技术展开研究！目前的研究和应用主要分成两个大的分支，一是致力于发展和完善其技术本身，二是致力于一些特殊的专业领域的发展！

2.虚拟现实的关键技术及应用领域

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。

应用领域包括在汽车制造业，飞行仿真领域，虚拟实验方面，教育培训领域，医学领域以及在军事领域上的应用，在此不做详述。

3.虚拟现实技术的最新研究现状

3.1美国虚拟现实技术的研究现状

VR 技术最早在20 世纪中期由美国VPL 探索公司和它的创始人Jaron Lanier 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，推动了该技术硬件的进步。目前，虚拟现实技术已获得了足的发展。在国内，80 年代未开始进行研究，目前还处于初级阶段。美国虚拟现实技术的研究动态美国作为VR 技术的发源地，其研究水平基本上就代表国际VR 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。[2]美国宇航局(NASA) 的Ames 实验室研究主要集中在以下方面：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) 的试验计划。[3]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) 的计算机系是进行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。Loma Linda 大学医学中心的David Warner 博士和他的研究小组成功地将计算机图形及VR 的设备用于探讨与神经疾病相关的问题，首创了VR 儿科治疗法。麻省理工学院(MIT) 是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR 技术的基础，1985 年MIT 成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(HITLab)，将VR 研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。从90 年代初起，美国率先将虚拟现实技术用于军事领域，主要用于以下四个方面：虚拟战场环境；进行单兵模拟训练；实施诸军兵种联合演习；进行指挥员训练。

3.2英国和日本虚拟现实技术的研究与开发

在VR 开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备( 包括触觉反馈) 设计和应研究方面，英国是领先的，尤其是在欧洲。英国主要有四个从事VR 技术研究的中心：[4]Windustries( 工业集团公司)，是国际VR 界的著名开发机构，在工业设计和可视化等重要领域占有一席之地；British Aerospace( 英国航空公司BAe) 的Brough 分部，正在利用VR 技术设计高级战斗机座舱；Dimension International, 是桌面VR 的先驱。该公司生产了一系列的商业VR 软件包，都命名为Superscape; DivisonLTD 公司在开发VISION、Pro Vision Supervision 系统/模块化高速图形引擎中，率先使用了Transputer 和i860 技术。日本主要致力于建立大规模VR 知识库的研究，在虚拟现实的游戏方面的研究也处于领先地位。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，富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与VR 环境的相互作用,他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。[2]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拉到鼻尖上一闻，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。

3.3我国虚拟现实技术的研究现状

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