關於對虛擬現實發展及現狀的探析

論文摘要：介紹了虛擬現實技術的概念、基本特徵與類型，並從虛擬現實技術的特點和應用出發，論述虛擬現實技術在各個領域的應用，並針對虛擬現實技術的現狀和發展趨勢進行了簡單分析。 　　 　　隨著科學技術的迅猛發展，虛擬現實技術成為近幾年來國內外科技界關注的一個熱點，它的興起，為人機交互界面的發展開創了新的研究領域，為各類工程的大規模數據可視化提供了新的描述方法。目前，虛擬現實技術已廣泛應用於航空航天、醫學實習、軍事訓練、建築設計、教育培訓等眾多領域。 　　 　　一、虛擬現實分類 　　 　　根據用戶參與的形式的不同，通常把虛擬現實分成四大類。桌面虛擬現實，沉浸的虛擬現實，增強現實性的虛擬現實，分散式虛擬現實。 　　（一）桌面虛擬現實 　　桌面虛擬現實（PCVR）系統，基本上是一套基於普通PC平台的小型桌面虛擬現實系統。 其實就是使用個人計算機即PC機或PC工作站去產生模擬，桌面虛擬現實的參與者是不完全沉浸的，他要求參與者使用標準的CRT顯示器和立體顯示技CJFD2000以及位置跟蹤器和另外一個手控輸入設備，如數據手套和六個自由度的三維空間滑鼠器，戴上立體眼鏡坐在監視器前，在一些專業軟體的幫助下，但可以通過計算機屏幕觀察360度範圍內的虛擬境界。 　　（二）沉浸的虛擬現實 　　沉浸式虛擬現實系統是一種高級的虛擬現實系統，它提供一個完全沉浸的體驗，使用戶有一種置身於虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，並提供一個新的、虛擬的感覺空間，並利用位置跟蹤器、數據手套、其它手控輸入設備、聲音等使得參與者產生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。沉浸式虛擬系統是一套比較複雜的系統，它的優點是使用戶全身心地沉浸到虛擬世界中去，缺點是系統設備價格昂貴，難以普及推廣。 　　（三）增強現實性的虛擬現實 　　 增強式虛擬現實系統是把真實環境和虛擬環境組合在一起的一種系統，它既允許用戶看到真實世界，同時也可以看到疊加在真實世界的虛擬對象，這種系統既可減少對構成複雜真實環境的計算，又可對實際物體進行操作，真正達到亦真亦幻的境界。 　　（四）分散式虛擬現實 　　分散式虛擬現實系統是利用遠程網路，將異地的不同用戶聯結起來，多個用戶通過網路同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經歷，對同一虛擬世界進行觀察和操作，達到協同工作的目的，從而將虛擬現實的應用提升到了一個更高的境界。 　　 　　二、國內外虛擬現實的發展及其現狀 　　 　　（一）美國研究狀況 　　美國作為VR技術的發源地，其研究水平基本上就代表國際VR發展的水平。近年來,虛擬現實在美國航空航天和軍事領域的若干成功應用所獲得的巨大經濟效益和社會效益，促使美國政府進一步加大了對虛擬現實技術研究的支持力度。在美國虛擬現實在以下三個方面發揮重大作用：（1）武器系統性能評價；（2）武器操縱訓練；（3）指揮大規模軍事演習。虛擬現實的應用將大幅度降低以上三者所需的費用，極大地提高效益，並消除意外傷亡事故。美國政府所支持的虛擬現實研究也正是緊緊圍繞著提供這三種能力的系統和環境而展開的。 　　在軍事領域，美國的主要研究單位為：美國空軍技術研究所(Air Force Institute of Technology)主要研究人類因素的檢測、計算機圖形學以及與大規模分布綜合環境應用有關的人機交互問題，尤其對那些培養實際操作人員的環境感興趣。這些環境的特點是有明確的目的性、大規模、複雜及主動性。有目的性的含義是在環境中的活動者具有明確的目標，並主動採取行動來達到這些目標。海軍研究生院圖形和圖像實驗室(Naval Postgraduate School Graphics and Video laboratory)的研究目標是為基於網路化虛擬環境的交互模擬開發低價格模擬器。他們正在研製一種便宜的、實時網路化的飛行模擬器NPSNET4。它使用SIMNET和分散式交互模擬兩種協議進行主機之間的通信。NPSNET計劃注意虛擬世界的系統在現實世界問題中的應用。美國陸軍研究所(U.S.Army Research Institute)從事虛擬環境的行為科學和計算機科學兩方面的研究,並在美國陸軍委員會支持下的用於戰鬥訓練的模擬電子戰場的應用中發揮著重要作用。密西根大學(University of Michigan)承擔了SOAR項目，其目的是要通過提供改進了的空模擬兵力來擴充LORAL MODSAF。這一計劃將使美國國防部在虛擬戰役模擬中具有智能化的和難以戰勝的敵方戰機具備時態推理能力、多目標管理和感測能力，使管理和操縱敵方兵力的人減至最少。 　　在航天領域，現在NASA已經建立了航空、衛星維護VR訓練系統，空間站VR訓練系統，並且已經建立了可供全國使用的VR教育系統。北卡羅來納大學(UNC)的計算機系是進行VR研究最早的大學，他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術模擬、建築模擬等。 　　美國政府對虛擬現實技術非常重視，他們支持的虛擬現實研究計劃都是面向航空航天和軍事應用的。虛擬現實將在武器系統的性能評價和設計、操縱訓練和大規模軍事演習及戰役指揮方面發揮重要作用，併產生巨大的經濟效益。美國已初步建成了一些洲際範圍的分散式虛擬環境，並將有人操縱和半自主兵力引入虛擬的戰役空間，,在世界上處於領先地位。 　　（二）中國研究現狀 　　我國VR技術研究起步較晚，與國外發達國家還有一定的差距，但現在已引起國家有關部門和科學家們的高度重視，並根據我國的國情，制定了開展VR技術的研究計劃。九五規劃、國家自然科學基金委、國家高技術研究發展計劃等都把VR列入研究項目。 　　國內一些重點院校，已積極投入到了這一領域的研究工作。北京航空航天大學計算機系是國內最早進行VR研究、最有權威的單位之一，著重研究了虛擬環境中物體物理特性的表示與處理；實現了分散式虛擬環境網路設計，虛擬現實應用系統的開發平台等。浙江大學開發出了一套桌面型虛擬建築環境實時漫遊系統，還研製出了在虛擬環境中一種新的快速漫遊演算法和一種遞進網格的快速生成演算法；哈爾濱工業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。 　　虛擬現實技術在我國近些年發展極為迅速，被廣泛的應用在城市規劃、教育培訓、文物保護、醫療、房地產、互聯網、勘探測繪、生產製造、軍事航天等數十個重要的行業，全世界的目光都聚焦於虛擬現實技術在中國的蓬勃發展。流行一時的網路遊戲，實質上也是虛擬現實技術的一種簡單應用。 　　最近，中國首款虛擬現實遊戲射日精英也已經橫空出世。 　　 　　 　　縱觀多年來的發展歷程，VR技術的未來研究仍將遵循「低成本、高性能」這一原則，從軟體、硬體上展開，並將在以下主要方向發展： 　　動態環境建模技術。動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，並根據需要建立相應的虛擬環境模型。 　　實時三維圖形生成和顯示技術。在不降低圖形的質量和複雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是今後重要的研究內容。此外，現有的虛擬設備還不能滿足系統的需要，有必要開發新的三維圖形生成和顯示技術。 　　新型交互設備的研製。虛擬現實需要頭盔顯示器、數據手套、數據衣服、三維位置感測器和三維聲音產生器等。因此，新型、便宜、做工精良的數據手套和數據服將成為未來研究的重要方向。 　　智能化語音虛擬現實建模。虛擬現實建模如果將VR技術與智能技術、語音識別技術結合起來將會給虛擬現實的發展帶來巨大的意義。 　　大型網路分散式虛擬現實(Distributed Virtual Reality，DVR)的應用。目前，分散式虛擬交互模擬已成為國際上的研究熱點，相繼推出了DIS、MA等相關標準。網路分散式VR在航天中極具應用價值，例如，國際空間站的參與國分布在世界不同區域，分散式VR訓練環境不需要在各國重建模擬系統，這樣不僅減少了研製費設備費用，而且也減少了人員出差的費用和異地生活的不適。 　　 　　結語 　　 　　虛擬現實從其萌芽到今天的日漸成熟已經經歷了一段相當長的時間，伴隨著計算機圖像技術和計算機網路技術的不斷發展，我們的虛擬現實技術也將迎來一個快速發展的階段，使我們的虛擬現實中的場景更加真實，虛擬顯示中的人物也更加形象生動，成為一個真正意義上的「人」。

你的讚賞是我堅持原創的動力

讚賞共 0 人讚賞
推薦閱讀：