《虛擬現(xiàn)實技術(shù)》期末論文.docVIP

考試科目：虛擬現(xiàn)實技術(shù)（全校選修課）一、總體要求：撰寫論文作為期末考試成績，論文的Word排版要工整、規(guī)范、美觀，沒有錯別字。正文用小四號字體、宋體、1.5倍行距，題目用小二號字體、加粗，一級標(biāo)題用小三號字體、加粗，二級標(biāo)題四號字體、加粗，正文中的英文字符或者羅馬數(shù)字用Times New Roman字體。論文的封面填寫清楚相關(guān)個人信息，報告正文的頁眉中也要正確的填寫學(xué)號和姓名，正文頁腳中要填寫頁碼。封面不能填寫頁碼，正文第一頁的頁碼為1。Word排版嚴(yán)謹(jǐn)性占10分。二、論文內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)要求：自擬題目，獨立完成，不得抄襲，嚴(yán)禁從網(wǎng)上大段拷貝文字，圖文并茂，不少于6000字。包括但不限于如下方面（比如下內(nèi)容還豐富有意義會酌情加分）：1虛擬現(xiàn)實的概念、特征及應(yīng)用領(lǐng)域。（5分）2虛擬現(xiàn)實涉及的關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)，從多個技術(shù)方面分別闡述。（35分）3國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實研究的最新進展，搜索資料，完成調(diào)研綜述。（35分）提示：可搜索/頁面上的各個學(xué)術(shù)論文數(shù)據(jù)庫。4本門課程的主要收獲（學(xué)習(xí)心得）以及期望進一步學(xué)習(xí)的知識點。（5分）5論文小結(jié)及對本課程的建議。（5分）6參考文獻(xiàn)。（5分）注：參考文獻(xiàn)目錄按GB/T77142005的要求填寫，該要求可從網(wǎng)上搜索下載。7第一頁須寫明：題目、作者、作者單位、摘要、關(guān)鍵詞，示例：加分點：能結(jié)合自己專業(yè)提出應(yīng)用需求、應(yīng)用場景設(shè)想、虛擬現(xiàn)實與自己專業(yè)結(jié)合點的可加分，最高可加至總分100分。三、需提交的材料：2010-2011學(xué)年第2學(xué)期期末考試考試科目： 虛擬現(xiàn)實技術(shù) 學(xué) 院： 電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程類班 級： 2009211203 班內(nèi)序號： 06 學(xué) 號： 09210909 姓 名： 林?jǐn)⒊?任課教師： 黃 海 北京郵電大學(xué)時間：2011年6月9日虛擬現(xiàn)實技術(shù)期末論文 姓名： 林?jǐn)⒊?學(xué)號： 09210909 2010-2011學(xué)年第2學(xué)期虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述總結(jié)林?jǐn)⒊剑ū本┼]電大學(xué)電子工程學(xué)院 北京100876）摘 要 虛擬現(xiàn)實技術(shù)是目前在計算機領(lǐng)域中一項發(fā)展最快的多學(xué)科綜合技術(shù)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于許多領(lǐng)域。本文綜述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念，特征，原理和國內(nèi)外研究應(yīng)用進展。關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實技術(shù), 設(shè)備，研究，發(fā)展一，虛擬現(xiàn)實的概念內(nèi)涵及應(yīng)用領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實技術(shù)又稱“靈境技術(shù)”、“虛擬環(huán)境”、“賽伯空間”等，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機技術(shù)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，可借助傳感頭盔、數(shù)據(jù)手套等專業(yè)設(shè)備，讓用戶進入虛擬空間，實時感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而通過視覺、觸覺和聽覺等獲得身臨其境的真實感受。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)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的融合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)正在廣泛地應(yīng)用于軍事、建筑、工業(yè)仿真、考古、醫(yī)學(xué)、文化教育、農(nóng)業(yè)和計算機技術(shù)等方面，改變了傳統(tǒng)的人機交換模式。二，虛擬現(xiàn)實的基本特征虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征可以簡潔地表征為沉浸性、交互性和構(gòu)想性。沉浸性沉浸性是指用戶作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實程度。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用難以分辨真假的程度例如可視場景應(yīng)隨著視點的變化而變化甚至超越真實如生成比現(xiàn)實更逼真的照明和音響效果等。交互性交互性是指用戶對虛擬環(huán)境內(nèi)的物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度包括實時性。例如用戶可以用手直接取虛擬環(huán)境中的物體, 這時手應(yīng)該有觸摸感, 并可以感覺物體的重量, 場景中被取的物體也立刻能夠隨著手的移動而移動。構(gòu)想性構(gòu)想是指用戶沉浸在多維信息空間中, 依靠自己的感知和認(rèn)知能力全方位地獲取知識, 發(fā)揮主觀能動性, 尋求解答方式, 形成新的概念。三，虛擬現(xiàn)實的硬件設(shè)備與軟件技術(shù)在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，硬件設(shè)備主要由3個部分組成：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、虛擬世界生成設(shè)備。此外系統(tǒng)還需要虛擬現(xiàn)實的相關(guān)技術(shù)。1，虛擬現(xiàn)實的輸入設(shè)備有關(guān)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸入設(shè)備主要分為兩大類：一類是基于自然的交互設(shè)備，用于對虛擬世界信息的輸入；另一類是三維定位跟蹤設(shè)備，主要用于對輸入設(shè)備在三維空間中的位置進行判定，并送入虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中。虛擬世界與人進行自然交互的實現(xiàn)形式很多，有基于語音的、基于手的等多種形式，如數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、三維控制器、三維掃描儀等。手是我們與外界進行物理接觸及意識表達(dá)的最主要媒介，在人機交互設(shè)備中也是如此。基于手的自然交互形式最為常見，相應(yīng)的數(shù)字化設(shè)備很多，在這類產(chǎn)品中最為常用的就是數(shù)據(jù)手套。數(shù)據(jù)手套是美國VPL公司在1987年推出的一種傳感手套的專有名稱?，F(xiàn)在，數(shù)據(jù)手套已成為一種被廣泛使用的傳感設(shè)備。數(shù)據(jù)手套戴在用戶手上，作為一只虛擬的手用于與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行交互，可以在虛擬世界中進行物體抓取、移動、裝配、操縱、控制等操作，并把手指和手掌伸屈時的各種姿勢轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給計算機，計算機通過應(yīng)用程序識別出用戶的手在虛擬世界中操作時的姿勢，執(zhí)行相應(yīng)的操作。在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)手套還必須配有空間位置跟蹤器，檢測手在空間中的實際方位及其運動方向。2，虛擬現(xiàn)實的輸出設(shè)備人置身于虛擬世界中，要體會到沉浸的感覺，必須讓虛擬世界能模擬人在現(xiàn)實世界中的多種感受，如視覺、聽覺、觸覺、力覺、痛感、味覺、嗅覺等?；谀壳暗募夹g(shù)水平，成熟和相對成熟的感知信息的產(chǎn)生和檢測技術(shù)僅有視覺、聽覺和觸覺（力覺）3種。感知設(shè)備的作用是將虛擬世界中各種感知信號轉(zhuǎn)變?yōu)槿怂芙邮艿亩嗤ǖ来碳ば盘枺F(xiàn)在主要應(yīng)用的有基于視覺、聽覺和力覺感知的設(shè)備，基于味覺、嗅覺等的設(shè)備有待開發(fā)研究。3，虛擬現(xiàn)實的生成設(shè)備在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，計算機是虛擬世界的主要生成設(shè)備，所以有人稱之為“虛擬現(xiàn)實引擎”，它首先創(chuàng)建出虛擬世界的場景，同時還必須實時響應(yīng)用戶各種方式的輸入。通常虛擬世界生成設(shè)備主要分為基于高性能個人計算機、基于高性能圖形工作站、高度并行的計算機系統(tǒng)和基于分布式計算機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)四大類。1，基于高性能個人計算機虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要采用普通計算機配置圖形加速卡，通常用于桌面式非沉浸型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；2，基于高性能圖形工作站虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)一般配備有SUN或SGI公司可視化工作站；3，高度并行的計算機系統(tǒng)采用高性能并行體系；4，基于分布式計算機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)則采用網(wǎng)絡(luò)連接的分布式結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)。4，虛擬現(xiàn)實的相關(guān)技術(shù)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的目標(biāo)是由計算機生成虛擬世界，用戶可以與之進行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等全方位的交互，并且虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能進行實時響應(yīng)。要實現(xiàn)這種目標(biāo)，除了需要有一些專業(yè)的硬件設(shè)備外，還必須有較多的相關(guān)技術(shù)及軟件加以保證，特別是在現(xiàn)階段計算機的運行速度還達(dá)不到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所需要求的情況下，相關(guān)技術(shù)就顯得更加重要。虛擬現(xiàn)實的相關(guān)技術(shù)主要有立體視覺顯示技術(shù)，環(huán)境建模技術(shù)，真實感實時繪制技術(shù)，三維虛擬聲音的實現(xiàn)技術(shù)，自然交互與傳感技術(shù)等等。立體視覺顯示技術(shù)人類從客觀世界獲得的信息的80以上來自視覺，視覺信息的獲取是人類感知外部世界、獲取信息的最主要的傳感通道，視覺通道成為多感知的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。在視覺顯示技術(shù)中，實現(xiàn)立體顯示技術(shù)是較為復(fù)雜與關(guān)鍵的，立體視覺顯示技術(shù)是虛擬現(xiàn)實的重要支撐技術(shù)。環(huán)境建模技術(shù)在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，營造的虛擬環(huán)境是它的核心內(nèi)容，要建立虛擬環(huán)境，首先要建模，然后在其基礎(chǔ)上再進行實時繪制、立體顯示，形成一個虛擬的世界。虛擬環(huán)境建模的目的在于獲取實際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)其應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。只有設(shè)計出反映研究對象的真實有效的模型，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)才有可信度。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，環(huán)境建模應(yīng)該包括有基于視覺、聽覺、觸覺、力覺、味覺等多種感覺通道的建模。但基于目前的技術(shù)水平，常見的是三維視覺建模和三維聽覺建模。而在當(dāng)前應(yīng)用中，環(huán)境建模一般主要是三維視覺建模，這方面的理論也較為成熟。三維視覺建模又可細(xì)分為幾何建模、物理建模、行為建模等。1,幾何建模是基于幾何信息來描述物體模型的建模方法，它處理物體的幾何形狀的表示，研究圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本問題；2,物理建模涉及物體的物理屬性；3,行為建模反映研究對象的物理本質(zhì)及其內(nèi)在的工作機理。真實感實時繪制技術(shù)要實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的虛擬世界，僅有立體顯示技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，虛擬現(xiàn)實中還有真實感與實時性的要求，也就是說虛擬世界的產(chǎn)生不僅需要真實的立體感，而且虛擬世界還必須實時生成，這就必須要采用真實感實時繪制技術(shù)。所謂真實感繪制是指在計算機中重現(xiàn)真實世界場景的過程。真實感繪制的主要任務(wù)是要模擬真實物體的物理屬性，即物體的形狀、光學(xué)性質(zhì)、表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置、遮擋關(guān)系等等。三維虛擬聲音的實現(xiàn)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中加入與視覺并行的三維虛擬聲音，一方面可以在很大程度上增強用戶在虛擬世界中的沉浸感和交互性，另一方面也可以減弱大腦對于視覺的依賴性，降低沉浸感對視覺信息的要求，使用戶能從既有視覺感受又有聽覺感受的環(huán)境中獲得更多的信息。四，虛擬現(xiàn)實的發(fā)展歷程虛擬現(xiàn)實技術(shù)在美國的研究開發(fā)20 世紀(jì)40 年代初,作為虛擬現(xiàn)實前身的飛行仿真器在美國出現(xiàn)。1966 年,美國的MIT 林肯實驗室在海軍科研辦公室的資助下,研制出了第一個頭盔式顯示器(HMD) ,隨后又將模擬力和觸覺的反饋裝置加入到系統(tǒng)中。1970 年,研制出了第一個功能較齊全的HMD 系統(tǒng)。自80 年代后期起,美國VPL公司陸續(xù)研制出較實用的頭盔式三維顯示器、能提供六個自由度的數(shù)據(jù)手套、立體聲耳機及相應(yīng)的計算機軟硬件系統(tǒng)。80 年代初, 美國的DARPA (Defense AdvancedResearch Projects Agency) 為坦克編隊作戰(zhàn)訓(xùn)練開發(fā)了一個實用的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)SIMNET。SIMNET 系統(tǒng)中的每個獨立的模擬器都能單獨模擬M1 坦克的全部特性,包括導(dǎo)航、武器、傳感和顯示等性能,對坦克裝置上的武器、傳感器和發(fā)動機等的模擬是在特定的作戰(zhàn)環(huán)境下進行的。DPRPA 計劃進一步擴大仿真數(shù)據(jù)庫,從目前的1000 個對象擴大到100000 個。北大西洋公約組織(NATO) 計劃把各個不同國家的兵力逐步“匯集SIMNET 而成為一個虛擬戰(zhàn)場”,然后把空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)(AWSIMS -Air Warfare Simulation System) 和海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)( NWSIMS - Naval Warfare Simulation System) 與SIMNET相聯(lián)。另外,美國NASA 積極地將VR 技術(shù)應(yīng)用于對航天運載器外的空間活動研究、空間站自由操縱研究和對哈勃空間維修的研究等項目中。1981 年,加州大學(xué)博士研究生Michael McCreevey得到了美國航空航天局(NASA) 的資助,改進了頭盔顯示器,用液晶替代了笨重的陰極射線顯示器,并使定位裝置更精確。今年而把改進的頭盔顯示器結(jié)合當(dāng)時先進的計算機創(chuàng)建了一個飛機場虛擬環(huán)境系統(tǒng),獲得成功。最先用手去控制虛擬世界中的物體當(dāng)屬麻省理工學(xué)院的J . Zimmermn 和J aron. lanier ,他們合作發(fā)明了數(shù)據(jù)手套,與計算機相連,就使手的動作輸進了計算機。1989 年,兩人創(chuàng)建了VPL 公司,J aron. lanier 首先正式使用了Virtual Reality 詞匯,使虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品開始商業(yè)化。Nicholas Negroponte 被公認(rèn)為數(shù)字化的先鋒,于1979 年在麻省理工學(xué)院創(chuàng)立了媒體實驗室(MITs media laboratory) 。Negroponte 對虛擬現(xiàn)實有獨特的看法,他的理論對虛擬現(xiàn)實制造商,對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與推廣有著重要的意義。1985 年,Scott Fisher 課題組研制成功稱為VIEW的數(shù)據(jù)手套(Data Glove) ,這種數(shù)據(jù)手套輕便柔軟,可以測量手指關(guān)節(jié)動作、手掌的彎曲以及手指間的分合,從而可以編程實現(xiàn)各種手語。同年,研制成功的第一套商用虛擬現(xiàn)實硬件In2tel386 裝配了美國空軍,稱為Supercockpit 飛行器。1986 年,研制成功了第一套能夠充分利用HMD及數(shù)據(jù)手套的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),稱為VIEW。這是世界上首創(chuàng)的比較完整、多用途、感知能力較強的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),它使用了頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、甚至語言識別和較先進的跟蹤設(shè)備技術(shù),可以運用于諸多領(lǐng)域,如空間探索、數(shù)據(jù)可視化、遠(yuǎn)程醫(yī)療、探險等領(lǐng)域,盡管不盡完美。1987 年, J aron. lanier 的VPL 公司率先發(fā)明了數(shù)據(jù)服裝,成兌了比爾蓋茨的預(yù)言。比爾蓋茨在未來之路中首先提出“虛擬緊身衣”的設(shè)想,衣服里布滿細(xì)小的傳感器,還有與皮膚表層連接的彈性反饋裝置。典型的計算機監(jiān)視器每英寸有12 到120 個色點,即像素,監(jiān)視器上共有30 萬到100 萬個像素,全身緊身衣與小觸覺傳感器相連,每一點、或一族和人體特定部位接觸,這些觸覺因素比爾蓋茨稱它為觸元,如果緊身衣有足夠的觸元,并能夠很好的控制,那么就可以復(fù)制任何一種觸摸知覺。如果大量的觸元都準(zhǔn)確地在同一深度與各部位接觸,結(jié)果是表層感覺起來很光滑,如果他們以各種隨意分布的深度推進,感覺起來就像質(zhì)地粗糙的紡織品。虛擬緊身衣需要100 萬到1000 萬個觸元,具體數(shù)目由單個觸元能送傳的不同層次來定。人類的皮膚研究表明,一件全身緊身衣必須有100 個觸元,指尖、嘴唇等敏感部位則需要更多觸元,計算機為了把感覺輸入觸元衣所必須進行計算的信息數(shù)量是當(dāng)前個人計算機所須信息量的1 到10 倍,這并不需要很高的計算能力。1988 年,VPL 公司建立了一套完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),把虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)當(dāng)時研制出的軟硬件基本都用上了。1989 年,J aron. lanier 給Virtual Reality 賦予了嶄新的含義:計算機產(chǎn)生的三維交互環(huán)境,用戶參與到這個環(huán)境中,獲得角色,從而得到體驗。1990 年,重點討論虛擬現(xiàn)實的Siggraph 會議在美國達(dá)拉斯召開,規(guī)定了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究方向是:適時的三維圖形生成技術(shù),多傳感器的交互技術(shù),高分辨顯示技術(shù)等。1992 年,第一次世界性的虛擬現(xiàn)實專門會議在法國召開,會議的名稱即代表了它的宗旨:真實世界與虛擬世界的接口。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在歐洲國家的研究開發(fā)西班牙在SG上做的多用戶VR 項目虛擬奧運會,以奧運體育競技作為其研究重點,目的是開發(fā)用于如下兩方面的VR 環(huán)境:一是雙人滑雪模擬器,二是以數(shù)字化虛擬方式制作1992 年巴塞羅那奧運會足球賽的四人電影劇本。虛擬現(xiàn)實中的人機交互效應(yīng)主要由傳感技術(shù)來完成。如將數(shù)據(jù)手套、手勢等顯示及時地輸入到計算機中進行處理,達(dá)到在虛擬環(huán)境中人與虛擬物體的交互效果。德國的計算機圖形研究所( IGD) 的測試平臺,用于評估VR 對未來系統(tǒng)和界面的影響,以及向用戶和生產(chǎn)者提供通向先進的可視化、模擬技術(shù)和VR技術(shù)的途徑。瑞典的DIVE 分布式虛擬交互環(huán)境,是一個基于Unix 的異質(zhì)分布式系統(tǒng),易推廣到新的硬件和圖形庫;DIVE 又是全分布式的,不同節(jié)點上的多個進程可以在同一世界中工作。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。這些系統(tǒng)使用的基本技術(shù)是并行處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu),應(yīng)用的基本構(gòu)件是通用處理器,從而形成了靈活可伸縮系統(tǒng),無論從硬件還是軟件上講都易于適應(yīng)特定應(yīng)用。由于使用了這些強有力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),現(xiàn)在的視景生成系統(tǒng)以相紋(Photo - Texture)實時可視化為特色。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在我國的研究開發(fā)我國對VR 技術(shù)的研究起步于20 世紀(jì)90 年代初,發(fā)展到現(xiàn)在已初步取得了成果。國內(nèi)的一些科研單位如清華大學(xué)的臨場感應(yīng)技術(shù)重點實驗室、北京航空航天大學(xué)的三系、中國民航學(xué)院、浙大計算機仿真重點實驗室、空軍第二航空學(xué)院、空軍工程學(xué)院和解放軍信息工程大學(xué)等,對虛擬現(xiàn)實的研究取得了重要成果,在某些方面的研究已經(jīng)接近國際先進水平。五，虛擬現(xiàn)實技術(shù)展望虛擬現(xiàn)實技術(shù)依賴于計算機的高速運算和傳輸。高速運算和傳輸能解決虛擬現(xiàn)實環(huán)境的復(fù)雜逼真的環(huán)境構(gòu)造和海量數(shù)據(jù)處理的問題，從而解決因計算和傳輸滯后引起參與者的心理疾病。虛擬體的基本屬性是與幾何、物理和生物行為融合的。再好的真實感也離不開虛擬