三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的演變發(fā)展及在軍事地形學(xué)研究的影響三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究報(bào)告（姓名：劉棟學(xué)號:2009202140087）一前言隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已滲透進(jìn)入了軍事、工程、醫(yī)學(xué)、教育等各個(gè)方面，并且在這些領(lǐng)域中起著重要的作用。如海灣戰(zhàn)爭的美國士兵對周邊的環(huán)境不覺得陌生，是由于虛擬現(xiàn)實(shí)已把他們帶入那漫無邊際的風(fēng)塵黃沙讓他們身臨其境感受到大漠的荒涼。三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中去。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

2、、人機(jī)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。三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有以下四個(gè)重要特征多感知性。指除一般計(jì)算機(jī)所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知，甚至還包括味覺、嗅覺、感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。存在感。指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難辨真假的程度。交互性。指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。自主性。指虛擬環(huán)境中的物體依據(jù)現(xiàn)實(shí)世界物理運(yùn)動(dòng)定律動(dòng)作的程度。虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)，實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)，

3、立體顯示和傳感器技術(shù)，應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具，系統(tǒng)集成技術(shù)。二三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的演變發(fā)展及我國研究現(xiàn)狀2.1演變發(fā)展史虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)演變發(fā)展史大體上可以分為四個(gè)階段:有聲、形、動(dòng)態(tài)的模擬是蘊(yùn)涵虛擬現(xiàn)實(shí)思想的第一階段（1963年以前）、虛擬現(xiàn)實(shí)萌芽為第二階段（1963年1972年）、虛擬現(xiàn)實(shí)概念的產(chǎn)生和理論初步形成為第三階段（1973年1989年）、虛擬現(xiàn)實(shí)理論進(jìn)一步的完善和應(yīng)用為第四階段（19902004年）。2.1.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的前身虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種有效地模擬生物在自然環(huán)境中的視、聽、動(dòng)等行為的交互技術(shù)，其概念是發(fā)展的和變化的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與仿真技術(shù)的發(fā)展是息息相關(guān)的，它可追溯到中國古代（公元前

4、468年前376年）的戰(zhàn)國時(shí)期，據(jù)墨子.魯問篇記載，“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(dòng)物發(fā)明的有聲風(fēng)箏，這是有關(guān)中國古代人試驗(yàn)飛行器模型的最早記載。當(dāng)人們在放風(fēng)箏時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去栩栩如生的模擬飛行動(dòng)物和人之間互動(dòng)的大自然場景與其發(fā)出悅耳清新的箏鳴。風(fēng)箏的擬真、擬聲、互動(dòng)的行為是仿真技術(shù)從古至今在人們生活中的應(yīng)用，這一階段歷經(jīng)了漫長的歷史。后來該技術(shù)傳到西方，西方人稱風(fēng)箏為飛行器。利用風(fēng)箏的原理發(fā)明了飛機(jī)。人們由動(dòng)物飛的行為得到了啟發(fā)，產(chǎn)生了豐富的想象力，它推動(dòng)了仿真技術(shù)的發(fā)展，也是虛擬現(xiàn)實(shí)技

5、術(shù)的前身，蘊(yùn)涵了虛擬現(xiàn)實(shí)的思想。仿真和計(jì)算機(jī)的發(fā)展促使了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的萌芽。2.1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的萌芽階段60年代到70年代初是虛擬現(xiàn)實(shí)思想萌芽階段。60年代初IvanSutherland教授在他的博士論文對有關(guān)計(jì)算機(jī)圖形交互系統(tǒng)方面作了論述。65年他發(fā)表的論文“theultimatedisplay”提出了感覺真實(shí)、交互真實(shí)的人機(jī)協(xié)作新理論。1968年他開發(fā)了頭盔式立體顯示器，后來他開發(fā)了一個(gè)虛擬系統(tǒng)，可稱得上是第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。它是基于傳統(tǒng)習(xí)慣、花費(fèi)又大、模型又過分簡化了的一個(gè)虛擬世界。IvanSutherland的論文和一個(gè)過于簡單的虛擬世界是具有初始意義的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，也正是虛擬現(xiàn)實(shí)

6、技術(shù)的萌芽。由于在圖形方面的顯示和交互，因此人們稱他為圖形學(xué)之父。2.1.3虛擬現(xiàn)實(shí)概念和理論的初步形成1973年到1989年為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的第三階段。1973年MyronKrurger提出了“ArtificialReality”這是早期出現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)的詞。從字面上來看，它具有虛擬現(xiàn)實(shí)的含義。80年代初到中期，美國國家航空和宇宙航行局(NASA)及美國國防部開始研究外層空間環(huán)境o1984年NASAAmes研究中心虛擬行星探測實(shí)驗(yàn)室的M.McGreevy和J.Humphries博士開發(fā)了虛擬環(huán)境視覺顯示器用于火星探測，將探測器發(fā)回地面的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。之后NASA又

7、投入了資金對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)，像非接觸式的跟蹤器。85年以后(89年)，由Fisher的加盟在JaronLanier的接口程序的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的研究。隨后在虛擬交互環(huán)境工作站(VIEW)項(xiàng)目中，他們又開發(fā)了通用多傳感個(gè)人仿真器等設(shè)備。參加該項(xiàng)目的WarrenRobinett是一個(gè)交互式計(jì)算機(jī)圖形軟件的設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)了虛擬工作站，可以稱得上是NASAs虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的先驅(qū)。很快由美國的Stone和Hennequin共同發(fā)明了數(shù)據(jù)手套。第一個(gè)數(shù)據(jù)手套被NASA用于虛擬現(xiàn)實(shí)，由WarrenRobinett構(gòu)思和實(shí)現(xiàn)手套與虛擬世界的交互技術(shù)?？梢哉f手套、頭盔是實(shí)現(xiàn)VR的硬件，交互式接口技術(shù)是實(shí)現(xiàn)

8、VR的軟件。2.1.4虛擬現(xiàn)實(shí)理論的完善和全面應(yīng)用1990年到2004年為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的第四階段BurdeaG和Coiffet在1994年出版的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一書中描述了VR的三個(gè)基本特征引(Imagination、Interaction、Immersion)，這是在James.D.Foley教授1987年提出的的三個(gè)關(guān)鍵元素(2I+B)的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步完善，Burden認(rèn)為在2I的基礎(chǔ)上增加I(Immersion)能更好地表示任何VR系統(tǒng)的屬性。因此，他用3I精辟地概括VR的特征。這是對VR技術(shù)和理論的進(jìn)一步完善。1992年Sense8公司開發(fā)了“WTK”開發(fā)包，為VR技術(shù)提供更高層次上的應(yīng)

9、用。1994年3月在日內(nèi)瓦召開的第一屆WWW大會(huì)上，首次正式提出了VRML這個(gè)名字。后來又出現(xiàn)了大量的VR建模語言，女口：X3D，Java3D等。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AugmentedReality)技術(shù)成為VR的一個(gè)分支，北京理工大學(xué)王涌天教授在這方面的研究取得了一些成果。大容量顯示器的開發(fā)是VR發(fā)展的結(jié)果。美國的JesseEichenlaub于1986年提出開發(fā)一個(gè)全新的三維可視系統(tǒng)，其目標(biāo)是使觀察者不要那些立體眼鏡、頭跟蹤系統(tǒng)、頭盔等笨重的輔助東西也能達(dá)到同樣效果的三維逼真的VR世界。經(jīng)過十年以后,2D/3D轉(zhuǎn)換立體顯示器(DTI3Ddisplay)問世，用肉眼直接從虛擬窗口看到的小轎車好像從屏幕

10、中開了出來。虛擬窗口的顯示器原理是根據(jù)左右眼視差，采用一個(gè)棱鏡(prism)及面罩置于平面顯示裝置的象素柱前、一個(gè)眼跟蹤器、一個(gè)置于平面顯示后面的立體照相機(jī)、一個(gè)眼跟蹤單元等裝置組成虛擬窗口立體顯示器。這種三維顯示器還有用全息光衍原理來實(shí)現(xiàn)的。人機(jī)交互技術(shù)是VR早期研究的關(guān)鍵，也是熱點(diǎn)，為了構(gòu)造VR世界，實(shí)現(xiàn)VR的三個(gè)基本元素和特征。人們在鼠標(biāo)和鍵盤的基礎(chǔ)上發(fā)明了數(shù)據(jù)手套、立體眼鏡、頭盔式顯示器、語音識別器等，直至現(xiàn)在虛擬窗口立體顯示器、多屏立體顯示器等。另外，多通道同步立體投影虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用、多管道圖形加速卡的問世為VR技術(shù)的應(yīng)用提供了更好的硬件技術(shù)和低的成本。我國中科院戴國忠研究員、北

11、京大學(xué)董士海教授等學(xué)者在人機(jī)交互方面作了研究，從不同的角度論述了無所不在的計(jì)算對人類的挑戰(zhàn)，并在這方面取得了成果。2.2國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和一些發(fā)達(dá)國家相比，我國vR技術(shù)還有一定的差距，但已引起政府有關(guān)部門和科學(xué)家們的高度重視。根據(jù)我國的國情，制定了開展vR技術(shù)的研究。九五規(guī)劃、國家自然科學(xué)基金委、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃等都把vR列入了研究項(xiàng)目。在緊跟國際新技術(shù)的同時(shí)，國內(nèi)一些重點(diǎn)院校，已積極投入到了這一領(lǐng)域的研究工作。國內(nèi)最早開展此項(xiàng)技術(shù)試驗(yàn)的是掛靠在西北工業(yè)大學(xué)電子工程系的西安虛擬現(xiàn)實(shí)工程技術(shù)研究中心。該中心的成立，對發(fā)揮學(xué)校電子信息工程學(xué)院等其他院系和研究所在虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬仿真與虛

12、擬制造等方面的研究優(yōu)勢將具有積極作用。北京航宇航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系也是國內(nèi)最早進(jìn)行vR研究、最有權(quán)威的單位之一，他們首先進(jìn)行了一些基礎(chǔ)知識方面的研究，并著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現(xiàn)實(shí)中的視覺接口方面開發(fā)出部分硬件，并提出有關(guān)算法及實(shí)現(xiàn)方法；實(shí)現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，建立了網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí)研究論壇，可以提供實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，提供虛擬現(xiàn)實(shí)演示環(huán)境提供用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，提供開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺，并將要實(shí)現(xiàn)與有關(guān)單位的遠(yuǎn)程連接。浙江大學(xué)CAD&CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)，采用了層面迭加繪制技術(shù)和預(yù)消隱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了立體視覺，

13、同時(shí)還提供了方便的交互工具，使整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和畫面的真實(shí)感都達(dá)到了較高的水平。另外，他們還研制出，在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進(jìn)剛格的快速生成算法。哈爾濱工業(yè)大學(xué)已輕成功地虛擬出了人的高級行為巾特定人臉圖像的合成，表情的合成和唇動(dòng)的合成等技術(shù)問題，井正在研究人說話時(shí)頭勢和手勢動(dòng)作，話音和語調(diào)的同步等。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)系對虛擬現(xiàn)實(shí)和臨場感的方面進(jìn)行了研究，例如球面屏幕顯示和圖像隨動(dòng)、克服立體圖閃爍的措施和深度感實(shí)驗(yàn)等方面都具有不少獨(dú)特的方法。他們還針對室內(nèi)環(huán)境水平特征豐富的特點(diǎn)，提出借助圖像變換，使立體視覺圖像中對應(yīng)水平特征呈現(xiàn)形狀一致性，以利于實(shí)現(xiàn)特征匹配，并獲取物體三堆

14、結(jié)構(gòu)的新穎算法。三、虛擬技術(shù)在軍事地形學(xué)研究中的應(yīng)用3.1軍事地形學(xué)的重要作用軍事地形學(xué)是軍事科學(xué)的重要分支，是專門研究作戰(zhàn)活動(dòng)與地形之間的依存、制約關(guān)系，揭示作戰(zhàn)與地形之間規(guī)律的一門應(yīng)用性學(xué)科，是軍隊(duì)學(xué)歷教育院校各專業(yè)學(xué)員的必修課。良好的軍事地形學(xué)綜合應(yīng)用能力在部隊(duì)任職工作中發(fā)揮著非常重要的作用。軍事斗爭準(zhǔn)備對軍事地形學(xué)的現(xiàn)實(shí)需求也日益清晰，集中體現(xiàn)在指揮人員對戰(zhàn)場環(huán)境的認(rèn)知能力培養(yǎng)、運(yùn)用測繪導(dǎo)航信息系統(tǒng)提高分析和利用地形的能力等方面，要貫穿到指揮機(jī)關(guān)籌備謀劃和指揮作戰(zhàn)的全過程。3.2虛擬技術(shù)研究的意義隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是數(shù)字地球概念的提出和各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的廣泛普及，使各國都加強(qiáng)了國

15、家信息基礎(chǔ)設(shè)施在提高包括軍事在內(nèi)的綜合國力中的作用的研究。在我國許多省、市把它作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要戰(zhàn)略，以虛擬現(xiàn)實(shí)為核心的空間信息技術(shù)是建設(shè)數(shù)字城市的基礎(chǔ)技術(shù)，它與無線通信、寬帶網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的融合，將為作戰(zhàn)和訓(xùn)練提供立體的、多層面的信息服務(wù)。此項(xiàng)技術(shù)在上世紀(jì)90年代在我國起步，經(jīng)過十余年的發(fā)展，已經(jīng)成為整合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、海量數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的信息化終端。在軍事上，也成為指揮自動(dòng)化系統(tǒng)中對戰(zhàn)場關(guān)鍵因素地形顯示和利用的有效平臺。是我軍信息化發(fā)展的重要發(fā)展基礎(chǔ)。軍內(nèi)多項(xiàng)重大科研改革都與其息息相關(guān)。但在軍事教育方面，其發(fā)揮的作用還不甚明顯。3.3與軍事地形研究的

16、聯(lián)系軍事地形學(xué)對學(xué)員的實(shí)際動(dòng)手能力要求較高，需要學(xué)員進(jìn)行實(shí)際的操作和不斷的將地形與手中地圖進(jìn)行對照，使學(xué)員加強(qiáng)對地圖的社會(huì)與自然要素認(rèn)知的能力。虛擬技術(shù)可使學(xué)員野外用圖訓(xùn)練的效率增加，直觀性增強(qiáng)，能力形成周期縮短。部分代替野外訓(xùn)練，增加訓(xùn)練效益。構(gòu)建信息化條件下與作戰(zhàn)需求相適應(yīng)的軍事地形學(xué)訓(xùn)練內(nèi)容體系，通過深化訓(xùn)練內(nèi)容改革，解決信息化條件下軍事地形學(xué)“訓(xùn)什么、怎么訓(xùn)”的問題。將逐步運(yùn)用于地形分析和輔助決策的測繪導(dǎo)航信息系統(tǒng)和具備導(dǎo)航定位功能的測繪裝備應(yīng)用性訓(xùn)練納入軍事地形學(xué)教學(xué)內(nèi)容體系之中。紙質(zhì)地圖，這是學(xué)員訓(xùn)練的基礎(chǔ)，建設(shè)地圖+虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的教學(xué)新方法，能實(shí)現(xiàn)多視角、形象、直觀的對地圖的理

17、解和地形信息的把握，高質(zhì)量地完成各種圖上量測、標(biāo)圖的作業(yè)，能有效解決直觀感受和空間想象的距離問題，促進(jìn)課堂的師生互動(dòng)環(huán)節(jié)，能夠直觀的完成某一地域的地域分析和局部地形分析。同時(shí)，在訓(xùn)練中引入衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的使用，能迅速確定站立點(diǎn)，實(shí)時(shí)驗(yàn)證學(xué)員判斷結(jié)果，減少盲目性。四虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步展望虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交義、集成的產(chǎn)物。它的研究內(nèi)容涉及到人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、傳感器、計(jì)算機(jī)圖彤學(xué)、智能控制、心理學(xué)等。雖然這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)潛刀是巨大的，應(yīng)用前景也是很廣闊的，但仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術(shù)障礙。客觀而論，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所取得的成就，絕大部分還僅僅限于擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)的接口能力，僅僅是剛剛開始涉及到人的感知系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)結(jié)合作用問題，還根本未涉及“人在實(shí)踐中得到的感覺信息是怎樣在人的大腦中存儲加工處理成為人對客觀世界的認(rèn)識”這一重要過程。只有當(dāng)真正開始涉及并找到對這些問題的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑時(shí)，人和信息處理系統(tǒng)間