虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)——張晨暉第一頁(yè)，共二十五頁(yè)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義：虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，簡(jiǎn)稱VR，又譯作靈境、幻真)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。概括地說，虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。第二頁(yè)，共二十五頁(yè)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展：早在60年代初，隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，人們就開始研究立體聲與三維立體顯示相結(jié)合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。80年代，JaronLanier提出了“虛擬現(xiàn)實(shí)”VR（VirtualReality）的觀點(diǎn)，目的在于建立一種新的用戶界面，使用戶可以置身于計(jì)算機(jī)所表示的三維空間資料庫(kù)環(huán)境中，并可以通過眼、手、耳或特殊的空間三維裝置在這個(gè)環(huán)境中“環(huán)游“，創(chuàng)造出一種”親臨其境“的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化、操作以及實(shí)時(shí)交互的環(huán)境。與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)人――機(jī)界面（如鍵盤、鼠標(biāo)器、圖形用戶界面以及流行的Windows等）相比，虛擬現(xiàn)實(shí)無論在技術(shù)上還是思想上都有質(zhì)的飛躍。傳統(tǒng)的人――機(jī)界面將用戶和計(jì)算機(jī)視為兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，而將界面視為信息交換的媒介，由用戶把要求或指令輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)信息或受控對(duì)象作出動(dòng)作反饋。虛擬現(xiàn)實(shí)則將用戶和計(jì)算機(jī)視為一個(gè)整體，通過各種直觀的工具將信息進(jìn)行可視化，形成一個(gè)逼真的環(huán)境，用戶直接置身于這種三維信息空間中自由地使用各種信息，并由此控制計(jì)算機(jī)。第三頁(yè)，共二十五頁(yè)。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)用以下3種基本技術(shù)進(jìn)行了概括：1、三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)；2、采用多種功能傳感器的交互式接口技術(shù)；3、高清晰度顯示技術(shù)。二、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)

1、虛擬現(xiàn)實(shí)首先是一種可視化界面技術(shù)，可以有效地建立虛擬環(huán)境，這主要集中在兩個(gè)方面，一是虛擬環(huán)境能夠精確表示物體的狀態(tài)模型，二是環(huán)境的可視化及渲染。2、虛擬現(xiàn)實(shí)僅是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)置的一個(gè)近似客觀存在的環(huán)境，為用戶提供逼真的三維視感、聽感、觸感和嗅感的感受。它是硬件、軟件和外圍設(shè)備的有機(jī)組合。3、用戶可通過自身的技能以6個(gè)自由度在這個(gè)仿真環(huán)境里進(jìn)行交互操作。4、虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵是傳感技術(shù)。5、虛擬現(xiàn)實(shí)離不開視覺和聽覺的新型可感知?jiǎng)討B(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)?？筛兄?jiǎng)討B(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與文字識(shí)別、圖像理解、語音識(shí)別和匹配技術(shù)關(guān)系密切，并需結(jié)合高速的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索技術(shù)。6、虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)或計(jì)算機(jī)成像生成的一幅畫面，更重要的是人們可以通過計(jì)算機(jī)和各種人機(jī)界面與機(jī)交互，并在精神感覺上進(jìn)入環(huán)境。它需要結(jié)合人工智能，模糊邏輯和神經(jīng)元技術(shù)第四頁(yè)，共二十五頁(yè)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)：1、多感知性2、浸沒感3、交互性4、構(gòu)象性（虛擬現(xiàn)實(shí)圖片）第五頁(yè)，共二十五頁(yè)。1、多感知性：所謂多感知是指除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)等幾種。第六頁(yè)，共二十五頁(yè)。2、浸沒感：又稱臨場(chǎng)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)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動(dòng)起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)實(shí)世界中的感覺一樣。第七頁(yè)，共二十五頁(yè)。3、交互性：

指用戶對(duì)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（包括實(shí)時(shí)性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時(shí)手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。第八頁(yè)，共二十五頁(yè)。4、構(gòu)想性：強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。由于浸沒感、交互性和構(gòu)想性三個(gè)特性的英文單詞的第一個(gè)字母均為I，所以這三個(gè)特性又通常被統(tǒng)稱為3I特性。一般來說，一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計(jì)算機(jī)為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統(tǒng)、以語音識(shí)別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)、以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。第九頁(yè)，共二十五頁(yè)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)面臨的問題：生成虛擬現(xiàn)實(shí)需要解決以下三個(gè)主要問題：

①以假亂真的存在技術(shù)。即怎樣合成對(duì)觀察者的感官器官來說與實(shí)際存在相一致的輸入信息，也就是如何可以產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)環(huán)境一樣的視覺，觸覺，嗅覺等。

②相互作用。觀察者怎樣積極和能動(dòng)地操作虛擬現(xiàn)實(shí)，以實(shí)現(xiàn)不同的視點(diǎn)景象和更高層次的感覺信息。實(shí)際上也就是怎么可以看得更像，聽得更真等等。③自律性現(xiàn)實(shí)。感覺者如何在不意識(shí)到自己動(dòng)作、行為的條件下得到栩栩如生的現(xiàn)實(shí)感。在這里，觀察者、傳感器、計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)相互作用的閉環(huán)流程。第十頁(yè)，共二十五頁(yè)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)：1、環(huán)境建模技術(shù)即虛擬環(huán)境的建模，目的是獲取實(shí)際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)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。

2、立體聲合成和立體顯示技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中消除聲音的方向與用戶頭部運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性，同時(shí)在復(fù)雜的場(chǎng)景中實(shí)時(shí)生成立體圖形。3、觸覺反饋技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中讓用戶能夠直接操作虛擬物體并感覺到虛擬物體的反作用力，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺。

4、交互技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)交互遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鍵盤和鼠標(biāo)的傳統(tǒng)模式，利用數(shù)字頭盔、數(shù)字手套等復(fù)雜的傳感器設(shè)備，三維交互技術(shù)與語音識(shí)別、語音輸入技術(shù)成為重要的人機(jī)交互手段。

5、系統(tǒng)集成技術(shù)由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)為重中之重：包括信息同步技術(shù)、模型標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、識(shí)別和合成技術(shù)等等。第十一頁(yè)，共二十五頁(yè)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用：1、科技開發(fā)上2、商業(yè)上3、醫(yī)療上4、娛樂上5、教育上6、工業(yè)上7、軍事上

第十二頁(yè)，共二十五頁(yè)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的前景：虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展前景十分誘人，而與網(wǎng)絡(luò)通信特性的結(jié)合，更是人們所夢(mèng)寐以求的。在某種意義上說它將改變?nèi)藗兊乃季S方式，甚至?xí)淖內(nèi)藗儗?duì)世界、自己、空間和時(shí)間的看法。它是一項(xiàng)發(fā)展中的、具有深遠(yuǎn)的潛在應(yīng)用方向的新技術(shù)。利用它，我們可以建立真正的遠(yuǎn)程教室，在這間教室中我們可以和來自五湖四海的朋友們一同學(xué)習(xí)、討論、游戲，就像在現(xiàn)實(shí)生活中一樣。使用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)及其相關(guān)的三維設(shè)備，我們的工作、生活、娛樂將更加有情趣。虛擬現(xiàn)實(shí)向人們描繪了未來的生活片段，很美妙。由此用戶也可以發(fā)揮自己豐富的想象力，在我們的電腦前就可以實(shí)現(xiàn)與大西洋底的鯊魚嬉戲；參觀非洲大陸的天然動(dòng)物園；感受古戰(zhàn)場(chǎng)的硝煙與刀光劍影；發(fā)幽古思今之情；還可以體驗(yàn)開國(guó)大典的莊嚴(yán)和東方巨人站立起來的壯志豪情……

第十三頁(yè)，共二十五頁(yè)。1.在科技開發(fā)上虛擬現(xiàn)實(shí)可縮短開發(fā)周期，減少費(fèi)用。例如克萊斯勒公司1998年初便利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在設(shè)計(jì)某兩種新型車上取得突破，首次使設(shè)計(jì)的新車直接從計(jì)算機(jī)屏幕投入生產(chǎn)線，也就是說完全省略了中間的試生產(chǎn)。由于利用了卓越的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使克萊斯勒避免了1500項(xiàng)設(shè)計(jì)差錯(cuò)，節(jié)約了8個(gè)月的開發(fā)時(shí)間和8000萬美元費(fèi)用。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以進(jìn)行汽車沖撞試驗(yàn)，不必使用真的汽車便可顯示出不同條件下的沖撞后果。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)和理論分析、科學(xué)實(shí)驗(yàn)一起，成為人類探索客觀世界規(guī)律的三大手段。用它來設(shè)計(jì)新材料，可以預(yù)先了解改變成分對(duì)材料性能的影響。在材料還沒有制造出來之前便知道用這種材料制造出來的零件在不同受力情況下是如何損壞的。第十四頁(yè)，共二十五頁(yè)。2.商業(yè)上虛擬現(xiàn)實(shí)常被用于推銷。例如建筑工程投標(biāo)時(shí)，把設(shè)計(jì)的方案用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)出來，便可把業(yè)主帶入未來的建筑物里參觀，如門的高度、窗戶朝向、采光多少、屋內(nèi)裝飾等，都可以感同身受。它同樣可用于旅游景點(diǎn)以及功能眾多、用途多樣的商品推銷。因?yàn)橛锰摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)展現(xiàn)這類商品的魅力，比單用文字或圖片宣傳更加有吸引力。（虛擬房產(chǎn)）第十五頁(yè)，共二十五頁(yè)。3.醫(yī)療上虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用大致上有兩類。一是虛擬人體，也就是數(shù)字化人體，這樣的人體模型醫(yī)生更容易了解人體的構(gòu)造和功能。另一是虛擬手術(shù)系統(tǒng)，可用于指導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行。第十六頁(yè)，共二十五頁(yè)。CathSim血管內(nèi)導(dǎo)管插入技術(shù)仿真器。用以提高護(hù)士的靜脈注射水平。第十七頁(yè)，共二十五頁(yè)。4.娛樂上應(yīng)用是虛擬現(xiàn)實(shí)最廣闊的用途。英國(guó)出售的一種滑雪模擬器。使用者身穿滑雪服、腳踩滑雪板、手拄滑雪棍、頭上載著頭盔顯示器，手腳上都裝著傳感器。雖然在斗室里，只要做著各種各樣的滑雪動(dòng)作，便可通過頭盔式顯示器，看到堆滿皚皚白雪的高山、峽谷、懸崖陡壁，一一從身邊掠過，其情景就和在滑雪場(chǎng)里進(jìn)行真的滑雪所感覺的一樣。如今，VR娛樂應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了從PC游戲到多人網(wǎng)絡(luò)游戲，再到基于場(chǎng)所的VR體驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域。第十八頁(yè)，共二十五頁(yè)。5.教育上（1）虛擬校園虛擬校園是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域最早的具體應(yīng)用，雖然大多數(shù)虛擬校園僅僅實(shí)現(xiàn)校園場(chǎng)景的瀏覽功能，但虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供的活的瀏覽方式，全新的媒體表現(xiàn)形式都具有非常鮮明的特點(diǎn)。（2）虛擬教學(xué)在虛擬教學(xué)方面，可以應(yīng)用教學(xué)模擬進(jìn)行演示、探索、游戲教學(xué)。利用簡(jiǎn)易型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)某些系統(tǒng)（自然的、物理的、社會(huì)的）的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)，為學(xué)生提供一種可供他們體驗(yàn)和觀測(cè)的環(huán)境。（3）虛擬培訓(xùn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)在虛擬培訓(xùn)方面表現(xiàn)得比較突出。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個(gè)角色，全身心地投入學(xué)習(xí)，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。利用沉浸型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以做各種各樣的技能訓(xùn)練，對(duì)高職技能性教學(xué)有著無比強(qiáng)大的推動(dòng)作用。西南交通大學(xué)開發(fā)的TDS-JD機(jī)車駕駛模擬裝置可摸擬列車起動(dòng)、運(yùn)行、調(diào)速及停車全過程，可向司機(jī)反饋列車運(yùn)行過程中的重要信息第十九頁(yè)，共二十五頁(yè)。6.工業(yè)上工業(yè)仿真、安全生產(chǎn)應(yīng)急演練、三維工廠設(shè)備管理、虛擬培訓(xùn)等都是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)方面的應(yīng)用。下面針對(duì)幾個(gè)比較典型的實(shí)例來表述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)方面的應(yīng)用情況。（1）石油行業(yè)石油行業(yè)三維數(shù)字化系統(tǒng)是近幾年來隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,石油需求的急劇增加和經(jīng)濟(jì)信息全球化的逐步加深而出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)。它在能源行業(yè)的信息交流和管理決策中發(fā)揮著越來越重要的作用。（2）航天行業(yè)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)環(huán)境模擬、機(jī)場(chǎng)運(yùn)維以及卸油站、油庫(kù)、航加站一體化信息管理及安全應(yīng)急演練。（3）電力行業(yè)三維電力輸電網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)采用3DGIS融合VR的思路，利用數(shù)字地形模型、高分辨率遙感影像構(gòu)建基礎(chǔ)三維場(chǎng)景能夠真實(shí)再現(xiàn)地形、地貌，采用創(chuàng)建三維模型再現(xiàn)輸電網(wǎng)絡(luò)、變電站、輸電線路周邊環(huán)境、地物的空間模型。電力設(shè)備可通過傳感器將現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)再現(xiàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維查詢功能，二維網(wǎng)頁(yè)和三維場(chǎng)景進(jìn)行無縫連接，實(shí)現(xiàn)二、三維一體化管理，為領(lǐng)導(dǎo)及工作人員提供全方位、多維、立體化的輔助決策支持，從而減少處理事故所需時(shí)間，減少經(jīng)濟(jì)損失。第二十頁(yè)，共二十五頁(yè)。7.軍事上

在軍事上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬戰(zhàn)爭(zhēng)過程已成為最先進(jìn)的多快好省的研究戰(zhàn)爭(zhēng)、培訓(xùn)指揮員的方法。也是由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)達(dá)到很高水平，所以盡管不進(jìn)行核試驗(yàn)，也能不斷改進(jìn)核武器。戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)室在檢驗(yàn)預(yù)定方案用于實(shí)戰(zhàn)方面也能起巨大作用。1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)開始前，美軍便把海灣地區(qū)各種自然環(huán)境和伊拉克軍隊(duì)的各種數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)，進(jìn)行各種作戰(zhàn)方案模擬后才定下初步作戰(zhàn)方案。后來實(shí)際作戰(zhàn)的發(fā)展和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)一致。第二十一頁(yè)，共二十五頁(yè)。1991年美軍與南加利福尼亞大學(xué)聯(lián)合創(chuàng)辦了InstituteforCreativeTechnologies，投資讓一個(gè)由藝術(shù)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家組成的隊(duì)伍開發(fā)逼真的高度情緒化的訓(xùn)練，稱為MRE（MissionRehearsalExercise）。以上的MRE模擬的是發(fā)生在波斯尼亞的一次維和事故。第二十二頁(yè)，共二十五頁(yè)。這個(gè)視頻是VESUB(VirtualEnvironmentforSubmarineShipHandlingTraining)仿真器，主要用于甲板長(zhǎng)訓(xùn)練。第二十三頁(yè)，共二十五頁(yè)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)和理論分析、科學(xué)實(shí)驗(yàn)一起，成為人類探索客觀世界規(guī)律三大手段。

第二十四頁(yè)，共二十五頁(yè)。內(nèi)容總結(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。理