【文章內(nèi)容簡介】 3。 14 14 15 18 19《虛擬現(xiàn)實技術(shù)》期中論文姓名：黃興旺學(xué)號：***62017年第一學(xué)期虛擬現(xiàn)實技術(shù)摘要虛擬現(xiàn)實(VirtualReality, VR)技術(shù)是近年來新興的借助計算機及最新傳感器技術(shù)創(chuàng)造的一種嶄新的人機交互手段,其核心是建模與仿真。概括介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念、特征及原理,涉及的關(guān)鍵技術(shù),研究狀況,VR,研究現(xiàn)狀,相關(guān)應(yīng)用,信息安全1989年，美國VPA（Virtual Programming Language）公司的創(chuàng)作者之一Lanier首先提出“VirtualReality”這個稱謂，引發(fā)了科學(xué)界對這一術(shù)語的關(guān)注和研究。首先從VR這個詞上進行分析，VirtualReality（VR）中的Virtual是形容詞，Reality是名詞，Virtual是修飾Reality的。雖然不存在，但效果感覺存在；盡管事實并非如此，但就某些效果而言，也可以感覺是這樣的。VirtualReality中Reality為名詞，Reality它更為復(fù)雜。很多書籍表明，Reality具有實質(zhì)的狀態(tài)或者性質(zhì)，是真實的實際存在著，而不是僅具有表象的事物（或衍生物）。Reality表達的是世界上存在的一切事物。我過學(xué)者和翻譯家對VirtualReality有很多種不同的認識，譯名也有多種多樣。有翻譯為“虛真實”、“臨境”、“靈境”、“電象”的，也有譯為“虛擬真實”、“虛擬鏡像”和“虛擬現(xiàn)實”的。隨著對VirtualReality的認識不斷加深入，以及VirtualReality研究的拓展和研究事業(yè)的轉(zhuǎn)換，國內(nèi)學(xué)者根據(jù)自己的理解對VirtualReality給予了不同的理解?！短摂M現(xiàn)實技術(shù)》期中論文姓名：黃興旺學(xué)號：***62017年第一學(xué)期有人認為世界的現(xiàn)象是現(xiàn)實，但不一定實在。“實在”在不同的條件和場合下將展開不同的現(xiàn)實，大至虛擬世界，虛擬城市，虛擬企業(yè)，虛擬圖書館等；小到虛擬分子，虛擬細胞等等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是仿真技術(shù)的一個重要方向是仿真技術(shù)與計算機圖形學(xué)人機接口技術(shù)多媒體技術(shù)傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。模擬環(huán)境是由計算機生成的、實時動態(tài)的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應(yīng)該具有一切人所具有的感知。除計算機圖形技術(shù)所生成的視覺感知外，還有聽覺、觸覺、力覺、運動等感知，甚至還包括嗅覺和味覺等，也稱為多感知。自然技能是指人的頭部轉(zhuǎn)動，眼睛、手勢、或其他人體行為動作，由計算機來處理與參與者的動作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對用戶的輸入作出實時響應(yīng)，并分別反饋到用戶的五官。傳感設(shè)備是指三維交互設(shè)備。1990年在美國達拉斯召開的SIGGRAPH國際會議上，明確了VR的上要技術(shù)構(gòu)成，即三維計算機圖形生成技術(shù)、多功能傳感式交互式接口技術(shù)及高分辨率的告訴顯示技術(shù)。VR技術(shù)系統(tǒng)主要包括，（1）輸入輸出設(shè)備，如頭盔式顯示器、立體耳機、頭部跟蹤系統(tǒng)以及數(shù)字手套；（2）虛擬環(huán)境及其軟件，用以描述具體的虛擬環(huán)境等動態(tài)特性、結(jié)構(gòu)以及交互式規(guī)則；（3）計算機系統(tǒng)以及圖形、聲音合成設(shè)備等外部設(shè)備三個主要部分。所謂廣義VR技術(shù)的定義，認為VR技術(shù)是對虛擬想象或真實的、多感官的三維虛擬世界模擬。換而言之，是計算機技術(shù)所創(chuàng)建的三維環(huán)境，這個環(huán)境可以是虛擬想象的三維環(huán)境（三維可視化的），也可以是對真實世界的三維模擬，是一個既是物理又是心里的空間，它的本質(zhì)應(yīng)該是“人類想象力付諸實施的想象空間”，是對人所處的自然真實環(huán)境的空間特性以及時間特性的一種擴展。VR不僅僅是一種人機接口，更主要的是對虛擬世界內(nèi)部的模擬。人機交互接口采用VR的方式，對某個特定環(huán)境真實再現(xiàn)后，用戶通過自然的方式接受或響應(yīng)模擬環(huán)境的各種感官刺激，與虛擬世界中的任何物體進行思想和行為等方面的交流，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺?！短摂M現(xiàn)實技術(shù)》期中論文姓名：黃興旺學(xué)號：***62017年第一學(xué)期有一些書上表明，VR是一種高端人機接口，包括通過聽覺、視覺、觸覺、嗅覺和味覺等多種感覺通道的實時模擬和實時交換。也有一些我國學(xué)者指出，VR技術(shù)使體驗者通過傳感器進入虛擬世界，讓體驗者發(fā)生感觸，沉浸其中。這個虛擬世界可以說是純粹虛構(gòu)空間，也可以是現(xiàn)實世界的虛擬再現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)又稱靈境技術(shù)是利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，或利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有以下五個主要特征：（1）沉浸性使之所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境能使學(xué)生產(chǎn)生“身臨其境”感覺，使其相信在虛擬環(huán)境中人也是確實存在的，而且在操作過程中它可以自始至終的發(fā)揮作用，就像真正的客觀世界一樣。（2）交互性是在虛擬環(huán)境中，學(xué)生如同在真實的環(huán)境中一樣與虛擬環(huán)境中的任務(wù)、事物發(fā)生交互關(guān)系，其中學(xué)生是交互的主體，虛擬對象是交互的客體，主體和客體之間的交互是全方位的。（3）構(gòu)想性是虛擬現(xiàn)實是要能啟發(fā)人的創(chuàng)造性的活動，不僅要能使沉浸于此環(huán)境中的學(xué)生獲取新的指示，提高感性和理性認識，而且要能使學(xué)生產(chǎn)生新的構(gòu)思。（4）動作性是指學(xué)生能以客觀世界的實際動作或以人類實際的方式來操作虛擬系統(tǒng)，讓學(xué)生感覺到他面對的是一個真實的環(huán)境。（5）自主性是虛擬世界中物體可按各自的模型和規(guī)則自主運動。虛擬現(xiàn)實技術(shù)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類，通常分為以下四類：桌面虛擬現(xiàn)實桌面虛擬現(xiàn)實利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶 《虛擬現(xiàn)實技術(shù)》期中論文姓名：黃興旺學(xué)號：***62017年第一學(xué)期觀察虛擬境界的一個窗口。通過各種輸入設(shè)備實現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實世界的充分交互，這些外部設(shè)備包括鼠標(biāo)，追蹤球，力矩球等。它要求參與者使用輸入設(shè)備，通過計算機屏幕觀察360度范圍內(nèi)的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時參與者缺少完全的沉浸，因為它仍然會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾。桌面虛擬現(xiàn)實最大特點是缺乏真實的現(xiàn)實體驗，但是成本也相對較低，因而，應(yīng)用比較廣泛。常見桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)有：基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實QuickTime VR、虛擬現(xiàn)實造型語言VRML、桌面三維虛擬現(xiàn)實、MUD等。沉浸的虛擬現(xiàn)實高級虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供完全沉浸的體驗，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。常見的沉浸式系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、遠程存在系統(tǒng)。增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實不僅是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬現(xiàn)實世界、仿真現(xiàn)實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環(huán)境的感受，也就是增強現(xiàn)實中無法感知或不方便的感受。典型的實例是戰(zhàn)機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數(shù)和武器瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而可集中精力盯著敵人的飛機或?qū)Ш狡?。分布式虛擬現(xiàn)實如果多個用戶通過計算機網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經(jīng)歷，那虛擬現(xiàn)實則提升到了一個更高的境界，這就是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。在分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，多個用戶可通過網(wǎng)絡(luò)對同一虛擬世界進行觀察和操作，以達到協(xié)同工作的目的。目前最典型的分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通過網(wǎng)絡(luò)連接而成，用于部隊的聯(lián)合訓(xùn)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(xí)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)，它包括實現(xiàn)環(huán)境三維數(shù)據(jù)獲取方法、非接觸式視覺建模技 《虛擬現(xiàn)實技術(shù)》期中論文姓名：黃興旺學(xué)號：***62017年第一學(xué)期術(shù)等等。實時、現(xiàn)實三維動畫技術(shù)，即實時三維動畫生成技術(shù)。立體現(xiàn)實和傳感技術(shù)，它包括頭盔式三維立體顯示器、數(shù)據(jù)手套、力覺和觸覺傳感器技術(shù)的研究。快速、高精度的三維跟蹤技術(shù)系統(tǒng)集成技術(shù)，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、語音識別與合成技術(shù)等等。(1)虛擬環(huán)境表示的準(zhǔn)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(gòu)形復(fù)雜的信息做出準(zhǔn)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(guān)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(jù)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(xiàn)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(shù)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(xiàn)在來講還達不到這樣的水平。這種技術(shù)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(chǎn)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(fù)雜度問題。(5)圖形生成。圖形生成是虛擬現(xiàn)實的重要瓶頸，虛擬現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)的圖形畫面。(6)智能技術(shù)(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(shù)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(lǐng)域的研究課題是VR技術(shù)的基礎(chǔ)，同時也是VR技術(shù)的難點。本質(zhì)上，上述6個問題的解決使得用戶能夠 《虛擬現(xiàn)實技術(shù)》期中論文姓名：黃興旺學(xué)號：***62017年第一學(xué)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(xiàn)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(shù)的發(fā)源地。美國VR研究技術(shù)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(lǐng)域的基礎(chǔ)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(shù)據(jù)手套工程化，使其成為可用性較高的產(chǎn)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(shù)。對哈勃太空望遠鏡的仿真?，F(xiàn)在正致力于一個叫“虛擬行星探索”（VPE）的試驗計劃?，F(xiàn)在NASA己經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護VR訓(xùn)練系統(tǒng)，空間站VR訓(xùn)練系統(tǒng)，并且已經(jīng)建立了可供全國使用的VR教育系統(tǒng)。北卡羅來納大學(xué)（UNC）的計算機系是進行VR研究最早最著名的大學(xué)。他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術(shù)仿真、建筑仿真等。Loma Linda大學(xué)醫(yī)學(xué)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(shè)備用于探討與神經(jīng)疾病相關(guān)的問題，首創(chuàng)了VR兒科治療法。麻省理工學(xué)院（MIT）是研究人工智能、機器人和計算機圖形學(xué)及動畫的先鋒，這些技術(shù)都是VR技術(shù)的基礎(chǔ)，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(xiàn)有VR技術(shù)的進一步發(fā)展。1991年后，SRI進行了利用VR技術(shù)對軍用飛機或車輛駕駛的訓(xùn)練研究，試圖通過仿真來減少飛行事故。華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心的人機界面技術(shù)實驗室（HIT Lab）將VR研究引入了教育、設(shè)計、娛樂和制造領(lǐng)域。伊利諾斯州立大學(xué)研制出在車輛設(shè)計中支持遠程協(xié)作的分布式VR系統(tǒng)?！短摂M現(xiàn)實技術(shù)》期中論文姓名：黃興旺學(xué)號：***62017年第一學(xué)期喬治梅森大學(xué)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(xiàn)實技術(shù)用于軍事領(lǐng)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(xùn)練。三是實施諸軍兵種聯(lián)合演習(xí)。四是進行指揮員訓(xùn)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(shè)備(包括觸覺反饋)設(shè)計和應(yīng)用研究方面，在歐洲來說是領(lǐng)先的。英國Bristol公司發(fā)現(xiàn)，VR應(yīng)用的交點應(yīng)集中在整體綜合技術(shù)上，他們在軟件和硬件的某些領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。英國ARRL公司關(guān)于遠地呈現(xiàn)的研究實驗，主要包括VR重構(gòu)問題。他們的產(chǎn)品還包括建筑和科學(xué)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(yīng)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(zhì)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(xùn)練和模擬系統(tǒng)，通過改進人機界面來改善現(xiàn)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(yīng)用方面取得了出乎意料的成果。在改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面，一是用于產(chǎn)品設(shè)計、降低成本，避免新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險；二是產(chǎn)品演示，吸引客戶爭取定單；三是用于培訓(xùn)，在新生產(chǎn)設(shè)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(xiàn)實技術(shù)的深入發(fā)展。在亞洲，日本虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實技術(shù)方面的研究工作。在當(dāng)前實用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與開發(fā)中日本是居于領(lǐng)先地位的國家之一，主要致