【導(dǎo)讀】虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)的研究和探討。蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）。蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院06電子/信息/計算機(jī)張芳

　　

【正文】 造過程的一些承諾。然而，這些自動化模型獲取方法也驗證了真實世界的幾何是極端復(fù)雜的。大部分的模型仍需要人工繪制，而且需要聘請高水平的專業(yè)人士，所以其費用是相當(dāng)驚人的。比如在電影《坦克尼克號》中，為實現(xiàn)場景三維建 模及各種特技處理所花的人工費用高達(dá) 2500 萬美元，這筆錢足以制造一艘同樣規(guī)模的真船。繁瑣的三維建模也是制約虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的嚴(yán)重障礙。 3． 數(shù)據(jù)量大。虛擬現(xiàn)實技術(shù)要想得到很大的發(fā)展，需要與 Inter 結(jié)合，這恐怕已是不爭的事實。目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量仍然很大，在現(xiàn)有 網(wǎng)絡(luò) 整體速度較慢的情況下， Inter 用戶必須等待較長時間，這往往令人難以忍受。我們應(yīng)該在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中考慮數(shù)據(jù)壓縮問題，這個問題可能現(xiàn)在 還未引起人們的重視，但是隨著應(yīng)用的深入，這是一個不可回避的問題。 第 虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)的研究現(xiàn)狀 . 在國外的研究現(xiàn)狀 計算機(jī)的發(fā)展提供了一種計算工具和分析工具，并因此導(dǎo)致了許多解決問題的新方法的產(chǎn)生。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展也同樣如此，概括的國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它主要涉及到三個研究領(lǐng)域：通過計算圖形方式建立實時的三維視覺效果；建立對虛擬世界的觀察界面；使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)加強(qiáng)諸如科學(xué)計算技術(shù)等方面的應(yīng)用。 技術(shù)在美國的研究現(xiàn)狀 美國是虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究的發(fā)源地，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以追溯到上世紀(jì) 40 年代。最初蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 27 頁 共 31 頁 的研究應(yīng) 用主要集中在美國軍方對飛行駕駛員與宇航員的模擬訓(xùn)練。然而，隨著冷戰(zhàn)后美國軍費的削減，這些技術(shù)逐步轉(zhuǎn)為民用，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。 上世紀(jì) 80 年代，美國宇航局 (NASA)及美國國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，并取得了令人矚目的研究成果，美國宇航局 Ames 實驗室致力于一個叫 “ 虛擬行星探索 ”(VPE) 的實驗計劃?，F(xiàn) NASA 已經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護(hù) VR 訓(xùn)練系統(tǒng)，空間站 VR 訓(xùn)練系統(tǒng)，并已經(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)的計算機(jī)系是進(jìn)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。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)。施樂公司研究中心在 VR 領(lǐng)域主要從事利用 VRT 建立未來辦公室的研究，并努力設(shè)計一項基于 VR 使得數(shù)據(jù)存取更容易的窗口系統(tǒng)。波音公司的波音 777 運輸機(jī)采用全無紙化設(shè)計，利用所開發(fā)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)將虛擬環(huán)境疊加于真實環(huán)境之上，把虛擬的模板顯示在正在加工的工件上，工人根據(jù)此模板控制待加工尺寸，從而簡化加工過程。 圖形圖像處理技術(shù)和傳感器技術(shù)是以上 VR 項目的主要技術(shù)。就目前看，空間的 動態(tài)性和時間的實時性是這項技術(shù)的最主要焦點。 2. VR 技術(shù)在歐洲的研究現(xiàn)狀 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(yuǎn)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(dá)的國家如：荷蘭、德國、瑞典等也積極進(jìn)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(jìn)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 (TNO PEL)開發(fā)的訓(xùn)練和模擬系統(tǒng)，通過改進(jìn)人機(jī)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。 2020 年 10 月 2729 日在法國舉行的 ACM Symposi um on Virtual Reality Software and Technology 大會，整體上促進(jìn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的深入發(fā)展。 3． VR 技術(shù)在日本的研究現(xiàn)狀 日本的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展在世界相關(guān)領(lǐng)域的研究中同樣具有舉足輕重的地位，它在蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 28 頁 共 31 頁 建立大規(guī)模 VR 知識庫和虛擬現(xiàn)實的游戲方面 做出 了很大的成就。 在東京技術(shù)學(xué)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，稱為SpmAR NEC 公司開發(fā)了一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，用代用手來處理 CAD 中的三維形體模型。通過數(shù)據(jù)手套把對模型的處理與操作者的手聯(lián)系起來；日本國際工 業(yè)和商業(yè)部產(chǎn)品科學(xué)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(xué)的高級科學(xué)研究中心的研究重點主要集中在遠(yuǎn)程控制方面，他們最近的研究項目是可以使用戶控制遠(yuǎn)程攝像系統(tǒng)和一個模擬人手的隨動機(jī)械人手臂的主從系統(tǒng)；東京大學(xué)廣瀨研究室重點研究虛擬現(xiàn)實的可視化問題。他們正在開發(fā)一種虛擬全息系統(tǒng)，用于克服當(dāng)前顯示和交互作用技術(shù)的局限性；日本奈良尖端技術(shù)研究生院大學(xué)教授千原國宏領(lǐng)導(dǎo)的研究小組于 2020 年開發(fā)出一種嗅覺模擬器，只要把虛擬空間里的水果放到鼻尖上一聞，裝置就會在鼻尖處放出水果的香味，這是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在嗅覺 研究領(lǐng)域的一項突破。 . 在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 從某種意義上講，我國才是 VR 的發(fā)源地，早在戰(zhàn)國時期，《墨子 .魯問》篇中就記載著“公輸般竹木為鵲，成而飛之，三日不下”，其原材料是極薄的木片或竹片。后來人們在風(fēng)箏上系上竹哨，利用風(fēng)吹竹哨，聲如箏鳴，故稱“風(fēng)箏。模擬飛行動物發(fā)明的有聲風(fēng)箏，這是有關(guān)中國古代人試驗飛行器模型的最早記載。后來該技術(shù)傳到西方，利用風(fēng)箏的原理才發(fā)明了飛機(jī)。 但我國對 VR 技術(shù)的正式研究起步卻很晚，大概在 20 世紀(jì) 90 年代初，發(fā)展到現(xiàn)在已初步取得了成果 但與發(fā)達(dá)國家相比還有很大的差距。其研究概述如下。 國內(nèi)最早開展此項技術(shù)試驗的是西安虛擬現(xiàn)實工程技術(shù)研究中心；北京航空航天大學(xué)計算機(jī)系也是國內(nèi)最早研究 VR 的單位之一，它在 VR 視覺接口方面獲得了一部分研究成果；北京大學(xué)設(shè)計了基于 PC 機(jī)的 VR 系統(tǒng)；清華大學(xué)國家光盤工程研究中心所作的“布達(dá)拉宮”，采用了 QuickTime 技術(shù)，實現(xiàn)大全景 VR 制；浙江大學(xué) CADamp。CG 國家重點實驗室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機(jī)系已經(jīng)成功地合成了人的高級行為中的特定人臉圖像，解決了表情的合成和唇動合成技術(shù)問題，并正在研究人說話時手勢和頭勢的動作、語音和 語調(diào)的同步等；西安交大信息工程研究所對 VR 中的關(guān)鍵技術(shù) —立體顯示技術(shù)進(jìn)行了研究；中國科技開發(fā)院威海分院研究了視覺接口技術(shù)，完成了 VR 中的體視圖及軟件接口；北方工業(yè)大學(xué) CAD 中心是我國最早開展計算機(jī)動畫研究的單位之一，完成了通訊圖像顯示系統(tǒng)的多媒體平臺及相關(guān)音頻資料庫 , 并且中國第一部完全用計算機(jī)動畫技術(shù)制作的科教片《相似》就出自該中心；上海大學(xué) CIMS 中心開發(fā)了一套基于 IRIX的虛擬科技園區(qū)環(huán)境實時漫游系統(tǒng)；另外，上海交通大學(xué)圖像處理模式識別研究所，長沙國防科技大學(xué)計算機(jī)研究所、華東船舶工業(yè)學(xué)院計算機(jī)系、安 徽大學(xué)電子工程與住處科學(xué)蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 29 頁 共 31 頁 系等單位也進(jìn)行了一些研究工作和嘗試。 第 虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)未來發(fā)展趨勢 隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市規(guī)劃、軍事等方面應(yīng)用的不斷深入，在建模與繪制方法、交互方式和系統(tǒng)構(gòu)建方法等方面，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)都提出來更高的需求。為了滿足這些新的需求，近年來，虛擬現(xiàn)實相關(guān)技術(shù)研究遵循 “ 低成本、高性能 ” 原則取得了快速發(fā)展，表現(xiàn)出一些新的特點和發(fā)展趨勢。主要表現(xiàn)在以下方面： (1)動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。 虛擬環(huán)境的建立是 VR 技術(shù)的核心內(nèi)容，動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模 型。 (2)實時三維圖形生成和顯示技術(shù)。 三維圖形的生成技術(shù)已比較成熟，而關(guān)鍵是如何 “ 實時生成 ” ，在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是今后重要的研究內(nèi)容。此外， VR 還依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的虛擬設(shè)備還不能滿足系統(tǒng)的需要，有必要開發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術(shù)。 (3)適人化、智能化人機(jī)交互設(shè)備的研制。 雖然頭盔和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備能夠增強(qiáng)沉浸感，但在實際應(yīng)用中，它們的效果并不好，并未達(dá)到沉浸交互的目的。采用人類最為自然的視覺、聽覺、觸覺和自然語言等作為交互的方式，會有效地提高 虛擬現(xiàn)實的交互性效果。 (4)大型網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實的研究與應(yīng)用。 網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實是指多個用戶在一個基于網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)集合中，利用新型的人機(jī)交互設(shè)備介入計算機(jī)產(chǎn)生多維的、適用于用戶 (即適人化 )應(yīng)用的、相關(guān)的虛擬情景環(huán)境。分布式虛擬環(huán)境系統(tǒng)除了滿足復(fù)雜虛擬環(huán)境計算的需求外，還應(yīng)滿足分布式仿真與協(xié)同工作等應(yīng)用對共享虛擬環(huán)境的自然需求。分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)必須支持系統(tǒng)中多個用戶、信息對象(實體 )之間通過消息傳遞實現(xiàn)的交互。分布式虛擬現(xiàn)實可以看作是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，是可供多用戶同時異地參與的分布式虛擬環(huán)境，處于不同 地理位置的用戶如同進(jìn)入到同一個真實環(huán)境中。目前，分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)已成為國際上的研究熱點，相繼推出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在國家 “ 八六三 ” 計劃的支持下，由北京航空航天大學(xué)、杭州大學(xué)、中國科學(xué)院計算所、中國科學(xué)院軟件所和裝甲兵工程學(xué)院等單位共同開發(fā)了一個分布虛擬環(huán)境基礎(chǔ)信息平臺，為我國開展分布式虛擬現(xiàn)實的研究提供了必要 的 網(wǎng)絡(luò)平臺和軟硬件基礎(chǔ)環(huán)境。 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 30 頁 共 31 頁 參考文獻(xiàn) [1]. 徐艷 .虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用研究 [J].中國科技信息 .. [2]. 石教英 .虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)及實用方法 [M].科學(xué)出版社 .2020． [3]. 余軍 ,張璐瑩 .虛擬 現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用 [J].天中學(xué)刊 .. [4]. 卞鋒 ,江漫清 ,桑永英 .虛擬現(xiàn)實及其應(yīng)用進(jìn)展 [J].計算機(jī)仿真 .. [5]. 張茂軍 .虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) [M].北京 :科學(xué)出版社 .2020. [6]. 齊格勒 . ACM 荷蘭國際集團(tuán)的調(diào)查 .1996, 28 (1) [7]. 董士海 .計算機(jī)用戶界面及其工具 .北京 :科學(xué)出版社 .1994 [8]. 黃艷 ,耿衛(wèi)東 . 三維自然景觀場景的交互式生成 [J].計算機(jī)應(yīng)用與研究 . 2020, 17 (7) : 23 25. [9]. 汪成為等 .靈境 (虛擬現(xiàn)實 ) 技術(shù)的理論、實現(xiàn)及應(yīng)用 [M ].北京 :清華大學(xué)出版社 ,19961 [10]. 葉華喬 ,習(xí)海旭 ,黃純國 .虛擬現(xiàn)實技術(shù)在職業(yè)教育教學(xué)中的應(yīng)用 [J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 .2020,6(3). [11]. 張 輝 , 龔杰民 1 軟構(gòu)件與面向?qū)ο蠹夹g(shù) 1 計算機(jī)工程 , 1998, (5) [12]. 陳紅武 , 張 輝 , 彭海清 1OL E 控件定制技術(shù)探索 1 西安電子科技大學(xué)學(xué)報 , 1998, 25 (6) [13]. 周建武等 1 用戶界面評估系統(tǒng) U IEV P ro 的設(shè)計與實現(xiàn) 1 計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報 , 1998, 10 (2) [14]. 徐朝輝 , 張德賢 .VRML 教學(xué)方法的新探索 [J].河南教育：高校版 ,. [15]. 朱斌，曹漫祥 .VR 技術(shù)及其在現(xiàn)代教學(xué)中的應(yīng)用 [J].中國教育信息化 ,. [16]. 梁琨 ,黃小麗 . 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應(yīng)用探討 [J].軟件導(dǎo)刊：教育技術(shù) ,2020,7(3). [17]. 葉華喬 ,習(xí)海旭 ,黃純國 .虛擬現(xiàn)實技術(shù)在職業(yè)教育教學(xué)中的應(yīng)用 [J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 ,2020,6(3). 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 31 頁 共 31 頁 致謝 在臨近畢業(yè)之際，首先要感謝我的指導(dǎo)老師，丁建強(qiáng)老師給予我論文的悉心指導(dǎo)，從論文選題到論文中期檢查，最后到論文定稿，丁老師都給了許多指導(dǎo)意見，成為我最終完成論文的 主要動力與源泉。另外，也要感謝所有的同學(xué)，讓我的大學(xué)生活更加多姿多彩，并最終將成為我心中永恒的記憶。同時也要感謝父母對我的養(yǎng)育之恩。最后，對以上所有人都由衷地說一句：謝謝！