現有虛擬現實系統的關鍵技術有哪些？

請問現有虛擬現實系統的關鍵技術有哪些？

虛擬現實技術簡介

虛擬現實技術（Virtual Reality），又稱靈境技術，是90年代為科學界和工程界所關注的技術。它的興起，為人機交互界面的發展開創了新的研究領域；為智能工程的應用提供了新的界面工具；為各類工程的大規模的數據可視化提供了新的描述方法。這種技術的特點在於，計算機產生一種人為虛擬的環境，這種虛擬的環境是通過計算機圖形構成的三度空間，或是把其它現實環境編製到計算機中去產生逼真的「虛擬環境」，從而使得用戶在視覺上產生一種沉浸於虛擬環境的感覺。這種技術的應用，改進了人們利用計算機進行多工程數據處理的方式，尤其在需要對大量抽象數據進行處理時；同時，它在許多不同領域的應用，可以帶來巨大的經濟效益。

虛擬現實技術的發展概述

1965年，Sutherland在篇名為&<&<終極的顯示&>&>的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現實系統的基本思想，從此，人們正式開始了對虛擬現實系統的研究探索歷程。

隨後的1966年，美國MIT的林肯實驗室正式開始了頭盔式顯示器的研製工作。在這第一個HMD的樣機完成不久，研製者又把能模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個系統中。1970年，出現了第一個功能較齊全的HMD系統。基於從60年代以來所取得的一系列成就，美國的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了「Virtual Reality」一詞。

80年代，美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關虛擬現實技術的研究，並取得了令人矚目的研究成果，從而引起了人們對虛擬現實技術的廣泛關注。1984年，NASA Ames研究中心虛擬行星探測實驗室的M.McGreevy 和J.Humphries博士組織開發了用於火星探測的虛擬環境視覺顯示器，將火星探測器發回的數據輸入計算機，為地面研究人員構造了火星表面的三維虛擬環境。在隨後的虛擬交互環境工作站（VIEW）項目中，他們又開發了通用多感測個人模擬器和遙現設備。

進入90年代，迅速發展的計算機硬體技術與不斷改進的計算機軟體系統相匹配，使得基於大型數據集合的聲音和圖象的實時動畫製作成為可能；人機交互系統的設計不斷創新，新穎、實用的輸入輸出設備不斷地進入市場。而這些都為虛擬現實系統的發展打下了良好的基礎。例如1993年的11月，宇航員利用虛擬現實系統成功地完成了從太空梭的運輸艙內取出新的望遠鏡面板的工作，而用虛擬現實技術設計波音777獲得成功，是近年來引起科技界矚目的又一件工作。可以看出，正是因為虛擬現實系統極其廣泛的應用領域，如娛樂、軍事、航天、設計、生產製造、信息管理、商貿、建築、醫療保險、危險及惡劣環境下的遙操作、教育與培訓、信息可視化以及遠程通訊等，人們對迅速發展中的虛擬現實系統的廣闊應用前景充滿了憧憬與興趣。

虛擬現實系統的研究現狀

計算機的發展提供了一種計算工具和分析工具，並因此導致了許多解決問題的新方法的產生。虛擬現實技術的產生與發展也同樣如此，就虛擬現實本身而言，它主要涉及到三個研究領域：

• 通過計算機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；
• 使用虛擬現實技術加強諸如科學計算技術等方面的應用。

虛擬現實的有關技術特徵及構成

從本質上說，虛擬現實就是一種先進的計算機用戶介面，它通過給用戶同時提供諸如視、聽、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段、最大限度地方便用戶的操作，從而減輕用戶的負擔、提高整個系統的工作效率。

虛擬現實技術的重要技術特徵

虛擬現實的定義可以歸納如下：虛擬現實是利用計算機生成一種模擬環境（如飛機駕駛艙、操作現場等），通過多種感測設備使用戶「投入」到該環境中，實現用戶與該環境直接進行自然交互的技術。虛擬現實技術因此具有以下四個重要特徵：

I．多感知性

所謂多感知性就是說除了一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知、甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現實就是應該具有人所具有的感知功能。

II．存在感

又稱臨場感，它是指用戶感到作為主角存在於模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該達到使用戶難以分辨真假的程度。

III交互性

交互性是指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，用戶可以用手去直接抓取環境中的物體，這時手有握著東西的感覺，並可以感覺物體的重量，視場中的物體也隨著手的移動而移動。

IV．自主性

是指虛擬環境中物體依據物理定律動作的程度。例如，當受到力的推動時，物體會向力的方向移動、或翻倒、或從桌面落到地面等。

虛擬現實系統的構成

用戶通過感測裝置直接對虛擬環境進行操作，並得到實時三維顯示和其它 反饋信息（如觸覺、力覺反饋等）。當系統與外部世界通過感測裝置構成反饋閉環時，在用戶的控制下，用戶與虛擬環境間的交互可以對外部世界產生作用（如遙操作等）。

1. 檢測模塊：檢測用戶的操作命令，並通過感測器模塊作用於虛擬環境。
2. 反饋模塊：接受來自感測器模塊信息，為用戶提供實時反饋。
3. 感測器模塊：一方面接受來自用戶的操作命令，並將其作用於虛擬環境；另一方面

將操作後產生的結果以各種反饋的形式提供給用戶。

1. 控制模塊：對感測器進行控制，使其對用戶、虛擬環境和現實世界產生作用。
2. 建模模塊：獲取現實世界組成部分的三維表示，並由此構成對應的虛擬環境。

現有虛擬現實系統的關鍵技術

虛擬現實的關鍵技術可以包括以下幾個方面：

（1）動態環境建模技術

虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容。動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，並根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。三維數據的獲取可以採用CAD技術（有規則的環境），而更多的環境則需要採用非接觸式的視覺建模技術，兩者的有機結合可以有效地提高數據獲取的效率。

（2）實時三維圖形生成技術

三維圖形的生成技術已經較為成熟，其關鍵是如何實現「實時」生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低於15楨/秒，最好是高於30楨/秒。在不降低圖形的質量和複雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術的研究內容。

（3）立體顯示和感測器技術

虛擬現實的交互能力依賴於立體顯示和感測器技術的發展。現有的虛擬現實還遠遠不能滿足系統的需要，例如，數據手套有延遲大、解析度低、作用範圍小、使用不便等缺點；虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤範圍也有待提高，因此有必要開發新的三維顯示技術。

（4）應用系統開發工具

虛擬現實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發揮想像力和創造力。選擇適當的應用對象可以大幅度地提高生產效率、減輕勞動強度、提高產品開發質量。為了達到這一目的，必須研究虛擬現實的開發工具。例如，虛擬現實系統開發平台、分散式虛擬現實技術等。

（5）系統集成技術

由於虛擬現實中包括大量的感知信息和模型，因此系統的集成技術起著至關重要的

作用。集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別和合成技術等等。

虛擬現實技術的應用領域

虛擬現實技術的應用前景是很廣闊的，雲舞科技Cloudwave已逐步形成橫跨虛擬現實旅遊、古迹復原、遊戲、購物、醫療、移動互聯網、閑暇體驗中心、新聞影視、大數據分析等行業模塊，逐步推動形成相互支持、相互推動的VR高科技大產業生態環境。

虛擬現實的關鍵技術主要包括以下幾個方面：

（1）動態環境建模技術

虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容。動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，並根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。三維數據的獲取可以採用CAD技術（有規則的環境），而更多的環境則需要採用非接觸式的視覺建模技術，兩者的有機結合可以有效地提高數據獲取的效率。

（2）實時三維圖形生成技術

三維圖形的生成技術已經較為成熟，其關鍵是如何實現「實時」生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低於15楨/秒，最好是高於30楨/秒。在不降低圖形的質量和複雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術的研究內容。

（3）立體顯示和感測器技術

虛擬現實的交互能力依賴於立體顯示和感測器技術的發展。現有的虛擬現實還遠遠不能滿足系統的需要，例如，數據手套有延遲大、解析度低、作用範圍小、使用不便等缺點；虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤範圍也有待提高，因此有必要開發新的三維顯示技術。

（4）應用系統開發工具

虛擬現實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發揮想像力和創造力。選擇適當的應用對象可以大幅度地提高生產效率、減輕勞動強度、提高產品開發質量。為了達到這一目的，必須研究虛擬現實的開發工具。例如，虛擬現實系統開發平台、分散式虛擬現實技術等。

（5）系統集成技術

由於虛擬現實中包括大量的感知信息和模型，因此系統的集成技術起著至關重要的作用。集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別和合成技術等等。

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