【文章內容簡介】 個更高的境界，這就是分布式虛擬現實系統(tǒng)。在分布式虛擬現實系統(tǒng)中，多個用戶可通過網絡對同一虛擬世界進行觀察和操作，以達到協同工作的目的。目前最典型的分布式虛擬現實系統(tǒng)是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通過網絡連接而成，用于部隊的聯合訓練。通過SIMNET，位于德國的仿真器可以和位于美國的仿真器一樣運行在同一個虛擬世界，參與同一場作戰(zhàn)演習。虛擬現實技術的關鍵技術主要包括：動態(tài)環(huán)境建模技術，它包括實現環(huán)境三維數據獲取方法、非接觸式視覺建模技 《虛擬現實技術》期中論文姓名：黃興旺學號：***62017年第一學期術等等。實時、現實三維動畫技術，即實時三維動畫生成技術。立體現實和傳感技術，它包括頭盔式三維立體顯示器、數據手套、力覺和觸覺傳感器技術的研究?？焖?、高精度的三維跟蹤技術系統(tǒng)集成技術，包括數據轉換技術、語音識別與合成技術等等。(1)虛擬環(huán)境表示的準確性。為使虛擬環(huán)境與客觀世界相一致，需要對其中種類繁多、構形復雜的信息做出準確、完備的描述。同時，需要研究高效的建模方法，重建其演化規(guī)律以及虛擬對象之間的各種相互關系與相互作用。(2)虛擬環(huán)境感知信息合成的真實性。抽象的信息模型并不能直接為人類所直接感知，這就需要研究虛擬環(huán)境的視覺、聽覺、力覺和觸覺等感知信息的合成方法，重點解決合成信息的高保真性和實時性問題，以提高沉浸感。(3)人與虛擬環(huán)境交互的自然性。合成的感知信息實時地通過界面?zhèn)鬟f給用戶，用戶根據感知到的信息對虛擬環(huán)境中事件和態(tài)勢做出分析和判斷，并以自然方式實現與虛擬環(huán)境的交互。這就需要研究基于非精確信息的多通道人機交互模式和個性化的自然交互技術等，以提高人機交互效率。(4)實時顯示問題。盡管理論上講能夠建立起高度逼真的，實時漫游的VR，但至少現在來講還達不到這樣的水平。這種技術需要強有力的硬件條件的支撐，例如速度極快的圖形工作站和三維圖形加速卡，但目前即使是最快的圖形工作站也不能產生十分逼真，同時又是實時交互的VR。其根本原因是因為引入了用戶交互，需要動態(tài)生成新的圖形時，就不能達到實時要求，從而不得不降低圖形的逼真度以減少處理時間，這就是所謂的景物復雜度問題。(5)圖形生成。圖形生成是虛擬現實的重要瓶頸，虛擬現實最重要的特性是人可以在隨意變化的交互控制下感受到場景的動態(tài)特性，換句話說，虛擬現實系統(tǒng)要求隨著人的活動(位置、方向的變化)即時生成相應的圖形畫面。(6)智能技術(Artificial Intelligence，簡稱AI)。在VR中，計算機是從人的各種動作，語言等變化中獲得信息，要正確理解這些信息，需要借助于AI技術來解決，如語音識別、圖像識別、自然語言理解等，這些智能接口領域的研究課題是VR技術的基礎，同時也是VR技術的難點。本質上，上述6個問題的解決使得用戶能夠 《虛擬現實技術》期中論文姓名：黃興旺學號：***62017年第一學期身臨其境地感知虛擬環(huán)境，從而達到探索、認識客觀事物的目的。概括地說，圍繞著虛擬現實展開的研究都是圍繞著這6個基本問題的。美國是VR技術的發(fā)源地。美國VR研究技術的水平基本上就代表國際VR發(fā)展的水平。目前美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。美國宇航局的Ames實驗室：將數據手套工程化，使其成為可用性較高的產品。在約翰遜空間中心完成空間站操縱的實時仿真。大量運用了面向座艙的飛行模擬技術。對哈勃太空望遠鏡的仿真?，F在正致力于一個叫“虛擬行星探索”（VPE）的試驗計劃。現在NASA己經建立了航空、衛(wèi)星維護VR訓練系統(tǒng)，空間站VR訓練系統(tǒng)，并且已經建立了可供全國使用的VR教育系統(tǒng)。北卡羅來納大學（UNC）的計算機系是進行VR研究最早最著名的大學。他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術仿真、建筑仿真等。Loma Linda大學醫(yī)學中心的David Warner博士和他的研究小組成功地將計算機圖形及VR的設備用于探討與神經疾病相關的問題，首創(chuàng)了VR兒科治療法。麻省理工學院（MIT）是研究人工智能、機器人和計算機圖形學及動畫的先鋒，這些技術都是VR技術的基礎，1985年MIT成立了媒體實驗室，進行虛擬環(huán)境的正規(guī)研究。SRI研究中心建立了“視覺感知計劃”，研究現有VR技術的進一步發(fā)展。1991年后，SRI進行了利用VR技術對軍用飛機或車輛駕駛的訓練研究，試圖通過仿真來減少飛行事故。華盛頓大學華盛頓技術中心的人機界面技術實驗室（HIT Lab）將VR研究引入了教育、設計、娛樂和制造領域。伊利諾斯州立大學研制出在車輛設計中支持遠程協作的分布式VR系統(tǒng)?！短摂M現實技術》期中論文姓名：黃興旺學號：***62017年第一學期喬治梅森大學研制出一套在動態(tài)虛擬環(huán)境中的流體實時仿真系統(tǒng)。從90年代初起，美國率先將虛擬現實技術用于軍事領域，主要用于以下四個方面：一是虛擬戰(zhàn)場環(huán)境。二是進行單兵模擬訓練。三是實施諸軍兵種聯合演習。四是進行指揮員訓練。在歐洲，英國在VR開發(fā)的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設備(包括觸覺反饋)設計和應用研究方面，在歐洲來說是領先的。英國Bristol公司發(fā)現，VR應用的交點應集中在整體綜合技術上，他們在軟件和硬件的某些領域處于領先地位。英國ARRL公司關于遠地呈現的研究實驗，主要包括VR重構問題。他們的產品還包括建筑和科學可視化計算。歐洲其它一些較發(fā)達的國家如：荷蘭、德國、瑞典等也積極進行了VR的研究與應用。瑞典的DIVE分布式虛擬交互環(huán)境，是一個基于Unix的，不同節(jié)點上的多個進程可以在同一世界中工作的異質分布式系統(tǒng)。荷蘭海牙TNO研究所的物理電子實驗室(TNOPEL)開發(fā)的訓練和模擬系統(tǒng)，通過改進人機界面來改善現有模擬系統(tǒng)，以使用戶完全介入模擬環(huán)境。德國在VR的應用方面取得了出乎意料的成果。在改造傳統(tǒng)產業(yè)方面，一是用于產品設計、降低成本，避免新產品開發(fā)的風險；二是產品演示，吸引客戶爭取定單；三是用于培訓，在新生產設備投入使用前用虛擬工廠來提高工人的操作水平。2008年10月2729日在法國舉行的ACM Symposium on Virtual Reality Software and Technology大會，整體上促進了虛擬現實技術的深入發(fā)展。在亞洲，日本虛擬現實技術研究發(fā)展十分迅速，同時韓國、新加坡等國家也在積極開展虛擬現實技術方面的研究工作。在當前實用虛擬現實技術的研究與開發(fā)中日本是居于領先地位的國家之一，主要致力于建立大規(guī)模VR知識庫的研究。另外在虛擬現實的游戲方面的研究也做了很多工作。東京技術學院精密和智能實驗室研究了一個用于建立三維模型的人性化界面?！短摂M現實技術》期中論文姓名：黃興旺學號：***62017年第一學期NEC公司開發(fā)了一種虛擬現實系統(tǒng)，它能讓操作者都使用“代用手”去處理三維CAD中的形體模型，該系統(tǒng)通過數據手套把對模型的處理與操作者手的運動聯系起來。京都的先進電子通信研究所（ATR）正在開發(fā)一套系統(tǒng)，它能用圖像處理來識別手勢和面部表情，并把它們作為系統(tǒng)輸入。日本國際工業(yè)和商業(yè)部產品科學研究院開發(fā)了一種采用X、Y記錄器的受力反饋裝置。東京大學的高級科學研究中心將他們的研究重點放在遠程控制方面，最近的研究項目是主從系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以使用戶控制遠程攝像系統(tǒng)和一個模擬人手的隨動機械人手臂。東京大學原島研究室開展了3項研究：人類面都表情特征的提取、三維結構的判定和三維形狀的表示、動態(tài)圖像的提取。東京大學廣瀨研究室重點研究虛擬現實的可視化問題。為了克服當前顯示和交互作用技術的局限性，他們正在開發(fā)一種虛擬全息系統(tǒng)。筑波大學研究一些力反饋顯示方法，開發(fā)了九自由度的觸覺輸入器，虛擬行走原型系統(tǒng)。富士通實驗室有限公司正在研究虛擬生物與VR環(huán)境的相互作用。他們還在研究虛擬現實中的手勢識別，已經開發(fā)了一套神經網絡姿勢識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以識別姿勢，也可以識別表示詞的信號語言。和一些發(fā)達國家相比，我國VR技術還有一定的差距，但已引起政府有關部門和科學家們的高度重視。根據我國的國情，制定了開展VR技術的研究。九五規(guī)劃、國家自然科學基金委、國家高技術研究發(fā)展計劃等都把VR列入了研究項目。在緊跟國際新技術的同時，國內一些重點院校，已積極投入到了這一領域的研究工作。國內最早開展此項技術試驗的是掛靠在西北工業(yè)大學電子工程系的西安虛擬現實工程技術研究中心。該中心的成立，對發(fā)揮學校電子信息工程學院等其他院系和研究所在虛擬現實、虛擬仿真與虛擬制造等方面的研究優(yōu)勢將具有積極作用。北京科技大學虛擬現實實驗室成功開發(fā)出了純交互式汽車模擬駕駛培訓系統(tǒng)。由于開發(fā)出的三維圖形非常逼真,虛擬環(huán)境與真實的駕駛環(huán)境幾乎沒有什么差別,因此投入使用后效果良好。到目前為止,已經有150余人通過這個系統(tǒng)的學習取得駕駛執(zhí)照,路考通過率達到98％?！短摂M現實技術》期中論文姓名：黃興旺學號：***62017年第一學期國防科技大學研制的虛擬空間會議系統(tǒng)1999年12月在長沙通過專家鑒定。虛擬空間會議系統(tǒng)隨著虛擬現實技術的發(fā)展而被提出，是國際上公認的前沿性高難度課題，具有“終極會議系統(tǒng)” 之稱。國防科技大學于1995年開始進行前期研究，1997年正式立項，研究人員經過5年的艱苦探索，大膽創(chuàng)新，終于解決了對象提取、三維虛擬對象、會場合成、場景感知、視音頻壓縮與傳輸及高分辨率顯示等一系列關鍵技術，使中國虛擬現實技術獲得突破性進展。虛擬會議空間通過多個大屏幕投影機無縫組成虛擬會場顯示環(huán)境，采用視頻合成技術構造一個超高分辨率、寬視角、一體化的虛擬會議空間，實現了與會者之間相互關注及對會場虛擬場景的感知等普通多媒體會議系統(tǒng)無法實現的功能。在虛擬會議空間系統(tǒng)中，所有與會者仿佛在同一個會議室開會，每個與會者所處的空間位置、行為動作及面部表情都能相互感知，并能通過多種形式進行信息交流。發(fā)言人也可通過對每個與會者的反應和提出的問題，調整講話內容、回答有關問題。北京航空航天大學計算機系也是國內最早進行VR研究、最有權威的單位之一，他們首先進行了一些基礎知識方面的研究，并著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現實中的視覺接口方面開發(fā)出部分硬件，并提出有關算法及實現方法；實現了分布式虛擬環(huán)境網絡設計，建立了網上虛擬現實研究論壇，可以提供實時三維動態(tài)數據庫，提供虛擬現實演示環(huán)境，提供用于飛行員訓練的虛擬現實系統(tǒng)，提供開發(fā)虛擬現實應用系統(tǒng)的開發(fā)平臺，并將要實現與有關單位的遠程連接。浙江大學CADamp。CG國家重點實驗室開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)，采用了層面迭加繪制技術和預消隱技術，實現了立體視覺，同時還提供了方便的交互工具，使整個系統(tǒng)的實時性和畫面的真實感都達到了較高的水平。另外，他們還研制出了在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進網格的快速生成算法。哈爾濱工業(yè)大學已經成功地虛擬出了人的高級行為中特定人臉圖像的合成，表情的合成和唇動的合成等技術問題，并正在研究人說話時頭勢和手勢動作，話音和語調的同步等。清華大學計算機科學和技術系對虛擬現實和臨場感的方面進行了研究，例如球面屏幕顯示和圖像隨動、克服立體圖閃爍的措施和深度感實驗等方面都具有不少獨特的方法。他們還針對室內環(huán)境水平特征豐富的特點，提出借助圖像變換，使立體視覺圖像中對應水平特征呈現形狀一致性，以利于實現特征匹配，并獲取物體三堆結構的新穎算法。西安交通大學信息工程研究所對虛擬現實中的關鍵技術——立體顯示技術進行了研究。他們在借鑒人類視覺特性的基礎上提出了一種基于JPEG標準壓縮編碼新方 《虛擬現實技術》期中論文姓名：黃興旺學號：***62017年第一學期案，并獲得了較高的壓縮比、信噪比以及解壓速度，并且己經通過實驗結果證明了這種方案的優(yōu)越性。中國科技開發(fā)院威海分院主要研究虛擬現實中視覺接口技術，完成了虛擬現實中的體視圖像對算法回顯及軟件接口。他們在硬件的開發(fā)上己經完成了LCD紅外立體眼鏡，并且已經實現商品化。北方工業(yè)大學CAD研究中心是我國最早開展計算機動畫研究的單位之一，中國第一部完全用計算機動畫技術制作的科教片《相似》就出自該中心。關于虛擬現實的研究已經完成了2個“863”項目，完成了體視動畫的自動生成部分算法與合成軟件處理，完成了VR圖像處理與演示系統(tǒng)的多媒體平臺及相關的音頻資料庫，制作了一些相關的體視動畫光盤。另外，北京郵電大學自動化學院、西北工業(yè)大學CAD/CAM研究中心、上海交通大學圖像處理模式識別研究所，長沙國防科技大學計算機研究所、華東船舶工業(yè)學院計算機系、安徽大學電子工程與住處科學系等單位也進行了一些研究工作和嘗試。虛擬現實技術應用非常廣泛,它可以用于軍事、教育訓練、設計規(guī)劃、產品建模、心理學治療及藝術與娛樂等多方面。虛擬現實技術已成為軍事和航天領域的先鋒技術虛擬技術最初是美國航空航天局與軍事部門為了模擬訓練而開發(fā)的?，F在廣泛用于各兵種部隊的戰(zhàn)術研究、演習、模擬訓練和培訓等,戰(zhàn)斗實驗室已成為數控戰(zhàn)士的戰(zhàn)場?！八玖畈寇娛卵萘暋币惨殉蔀橐环N軍事演習的重要形式,這類演習可用于為未來戰(zhàn)爭組織裝備、主導原則和綜合訓練等決策提供參考數據。美國航空航天局埃姆斯研究中心還建立了一座虛擬實驗室,它所擁有的飛機模型器無論從規(guī)模上還是從逼真程度來看都處于世界之最,主要用于研究現在的或擬議中的飛機飛行控制、制導、座艙顯示、自動化和操縱的品質,它能夠獲得有關飛機性能的實時數據和視圖,并且航空研究人員和設計師坐在家里就可以“進入”該實驗室進行操作,其靈敏度遠遠高于現在的任何其他此類研究手段。《虛擬現實技術》期中論文姓名：黃興旺學號：***62017年第一學期虛擬現實技術在軍事領域中發(fā)揮著重要的作用,被廣泛的應用于軍事訓練、武裝裝備的研究和生產以及軍事教育等各個方面。目前的軍事模擬訓練大多是虛擬現實系統(tǒng)。在海灣戰(zhàn)爭中,美國士兵原本對周邊環(huán)境非常陌生,是虛擬現實技術把他們帶到那漫無邊際的風塵黃沙中,讓他們“身臨其境”感受到大漠的荒涼。英國國防部向外界公開了全世界最大和最精確地模擬作戰(zhàn)訓練系統(tǒng)“合成兵戰(zhàn)術訓練師”,由170輛全面聯網的高技術戰(zhàn)車模擬器組成,全面革新了裝甲戰(zhàn)斗集群的戰(zhàn)術仿真訓練。NASA虛擬工作站是美國航空航天局與軍事部門為了模擬訓練而開發(fā)的。美國陸軍的自動虛擬實驗室CAVE是一個典型的虛擬現實系統(tǒng)。至2000年,美國陸軍已擁有一個包括綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)環(huán)境所用作戰(zhàn)單元CCTT的模擬仿真器。目前美國正在開發(fā)空軍的任務支援系統(tǒng)(AFMSS)和海軍的特種作戰(zhàn)部隊計劃和演習系統(tǒng)(SOFPARS)。我國趙沁平教授從1996年開始研究“分布式虛擬環(huán)境”,在863計劃的資助下,以北京航空航天大學計算機系為系統(tǒng)集成單位,中科院軟件所、國防科技大學等單位為關鍵技術單位,包括合成環(huán)境、虛擬士兵、武器等研究,目前已達到美國同類產品的水平。2003年年初,我國第一軍醫(yī)大學宣布完成了國內首例女虛擬人的數據采集,獲得了8556個切片, mm,而美國人公布的切片間距為男性1 mm、 mm。切片精度對于獲取數據的整體質量至關重要,因為切片建模是數字化虛擬人研究的基礎,但又不是全部。國家863計劃“數字化虛擬人體若干關鍵技術”課題組組長李華博士解釋說“目前我們所完成的還不是真正意義上的虛擬人,準確的提法是可視人,而且現階段還是在探索數字化虛擬人的關鍵技術,還不可能完成虛擬人”。從1989年美國國立醫(yī)院圖書館發(fā)起的可視人計劃,到1996年美國橡樹林國家實驗室牽頭醞釀的虛擬人創(chuàng)新計劃,1999年美國橡樹林國家實驗室向國會提出的虛擬人計劃,再到我國的數字化虛擬人計劃,其真正的目的是設想構建能對外界有反應的“物理人”,即會像真人一樣對外界有反應。骨頭會斷、血管會出血。比如說,在作汽車碰撞試驗時,“虛擬人”可以提供人體意外創(chuàng)傷的數據,幫助改進汽車的安全防護體系等。虛擬技術在醫(yī)學教學、臨床診斷和手術等方面的應用前景極為廣闊。對于第一次走上手術臺的醫(yī)生來說,難免會感到緊張和恐慌,而在虛擬技術的幫助下,他們就可以非常輕松地在顯示器上一遍又一遍地作模擬手術,移動人體器官等,以尋找最佳手術方案。醫(yī)生們憑借虛擬技術所產生的圖像可以“步行”到人體內部去查看腫瘤,以便制定有效的治療方案并檢查治療效果。利用這一技術手段還可以確保放射治療的輻射只聚集到腫瘤部位,而不致傷害周虛擬現實技術在醫(yī)學領域可以用于教學及復雜手術的規(guī)劃。并且可以提供操作和對手術結果進行預測,進行人體解剖仿真、外科手術仿真等,利用虛擬的醫(yī)療手術治療 《虛擬現實技術》期中論文姓名：黃興旺學號：***62017年第一學期系統(tǒng),對患者進行遠程的救治。2003年,我國第一軍醫(yī)大學宣布完成了首例女虛擬人的數據采集。首都醫(yī)科大學對虛擬中國女性數據集的高分辨率可視化和上海交通大學對虛擬人體運動建模的研究各有特色。1985年美國國立醫(yī)學圖書館(NLM)就開始人體解剖圖像數字化研究和利用,目前已經有虛擬人體模型可供下載。虛擬現實技術可以遙感外科手術。在偏遠的山區(qū),通過遠程的醫(yī)療虛擬現實系統(tǒng),醫(yī)生只需要對虛擬病人模型進行手術,通過網絡將醫(yī)生動作傳送到另一端的手術機器人,由機器人對病人實施遠程手術。手術實時進展的情況也可以通過機器人攝像機實時傳給醫(yī)生的頭盔立體顯示器,以便醫(yī)生實時的掌握手術情況。虛擬現實技術應用于教育是教育發(fā)展的一個飛躍。它使傳統(tǒng)的“以教促學”的學習方式被取而代之為學習者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識。國內利用虛擬現實技術開發(fā)了多媒體教學軟件,如鄒湘軍、周榮安等人開發(fā)的機械制造工程學多媒體教學軟件,效果逼真。該軟件已在南華大學和國防科技大學指揮專業(yè)的教學中使用。利用虛擬現實技術進行仿真教學和實驗,可以模擬顯現那些在現實中存在的、但在課堂教學環(huán)境下不容易做到或要花費很大代價才能顯現的各種事物,供學生學習和探索。美國一個“虛擬物理實驗室”系統(tǒng)的設計就使得學生可以通過親身的做、看、聽來學習的方式成為可能。“身臨其境”和“可視化”是虛擬現實技術的兩個最基本特征。他借助于計算機圖形學等技術手段,被譽為科學技術之眼,因而在工程技術設計方面顯示出無可比擬的優(yōu)越性。設計人員可以在交互式虛擬空間中精心設計,并對所涉及的產品加以觀察、操作和反復試驗。虛擬現實技術在工程領域的應用有很多方面,如城市建設、機械制造等。在機械制造中,利用它的直觀性和交互性可以幫助設計人員進行產品的設計和制造。虛擬現實技術在我國工業(yè)產品開發(fā)中也有非常廣泛的應用,如嚴雋琪教授開發(fā)的“虛擬產品開發(fā)技術的理論體系研究”、孫健教授的“虛擬環(huán)境下啤酒灌裝生產線”的研究等均取得了一定的成果。在現代城市建設中,設計人員更關心的是建筑的整體設計效果。利用虛擬現實技術在設計階段就可以動態(tài)的、可視的、多方位的展現建筑物的外貌、地理環(huán)境 和輔助