（机械电子工程专业论文）面向虚拟现实的三维测量技术研究.pdf

abs tract abstract v i r tu a l r e a l i ty ( v r ) e m e r g e d f o l l o w i n g t h e i n t e r d i s c ip l i n a ry d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r g r a p h i c s , c o m p u t e r s i m u l a t i o n , h u m a n - m a c h i n e in t e r f a c e t e c h n o l o g y , m u l t i m e d ia t e c h n o lo g y a n d s e n s o r t e c h n o l o g y . f r o m 1 9 9 0 s , v r h a s b e e n a n in t e g r i ty s y s t e m a n d m o r e a n d m o r e p e o p l e p a y a tt e n t i o n t o i t . i t s p r u n g u p r a p i d l y a n d n o w i s w i d e l y u s e d i n m a n y f i e l d s . t h e e s t a b l i s h m e n t o f v ir tu a l e n v i r o n m e n t i s a k e y p o i n t o f v r t e c h n o l o g y , a p p l y i n g d y n a m i c e n v i r o n m e n t m o d e l i n g t e c h n o l o g y c a n a c q u i r e 3 d d a t a , c o n s e q u e n t l y , w e c a n g e t v i r t u a l e n v i r o n m e n t s m o d e l . t h i s p a p e r a i m s a t 3 d m o d e l i n g i n v r , t h e m a i n c o n t e n t s o f o u r r e s e a r c h a r e a s f o l l o w s : f i rs t l y , v r t e c h n o l o gy is d e e p l y d i s c u s s e d , t h e n a n a l y z e s 3 d m o d e l i n g m e t h o d i n v r , c o m p a r e s s e v e r a l v r e x p lo i t u r e t o o l s a n d s e l e c t s v r m l a s 3 d m o d e l i n g t o o l . s e c o n d ly , c o n c e p t o f v r m l , a 3 d m o d e l i n g l a n g u a g e w h i c h i s a p p l i c a b l e t o i n t e r n e t i s i n t r o d u c e d ; s e v e r a l k e y t e c h n i q u e s a r e s t u d i e d ; s u i t a b l e v r m l b r o w s e r a n d e d i t o r a r e s e l e c t e d ; t h e n 3 d m o d e l a r e c o n s t r u c t e d b y p r o g r a m m i n g . t h i r d ly , t w o k i n d s o f l i g h t c i r c u i t ry s t r u c t u re i n f t p , w h i c h a r e i n t e r s e c t a n d p a r a l l e l , a r e d e s c r ib e d , t h e b a s i c t h e o r i e s o f f t p a c c o r d i n g t o t h e i n t e r s e c t l i g h t c i r c u i t a r e i n t r o d u c e d , fr o m w h i c h t h e re l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e p h a s e a n d t h e d e p t h i s d e r i v e d b y f o r m u l a s , a t l a s t t h e m e a s u re d r e s u l t s a r e p r e s e n t e d . f o u r t h l y , p h a s e u n w r a p p i n g i s d i s c u s s e d , t h e c a u s a t i o n o f w r a p p e d p h a s e is a n a l y z e d , p r o c e s s o f p h a s e u n w r a p p i n g i s d e s c r i b e d , t h e n a n e w re g i o n - g ro w i n g a l g o r i t h m b a s e d o n p r e d i c t i o n s a n d g u i d e d 妙t h e r e l i a b i l it y i s d e s c r i b e d , t h e r e s u lt s h o w s t h e a l g o r it h m is f e a s i b l e . f i f th l y , t h e p r o c e s s o f 3 - d d i s c r e t e d a t u m a n d t h e v i s u a l i z a t i o n t e c h n i q u e a r e d i s c u s s e d , t h e m e t h o d o f c l o u d p o i n t d a t a p r o c e s s i s p r o b e d , a n d 3 - d s h a p e i n t e g r a t i o n i s i n t r o d u c e d . f i n a l l y , t h e p a p e r s u m m a r i z e s t h e p a s t r e s e a r c h a n d p r o s p e c t s t h e f u t u r e w o r k f o r t h e f u r t h e r s t u d y o f t h e p r o j e c t . k e y wo r d s : v i r tu a l r e a l i ty ( v r ) ; v r ml ( v i r t u a l r e a l i ty mo d e l i n g l a n g u a g e ) ; 3 d m o d e l i n g ; f o u r i e r t r a n s f o r m p r o f i lo m e t ry ; p h a s e u n w r a p p i n g 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。 据我所知，除了 文中 特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已 经发表或撰写过的 研究 成果， 也不包含为获得 南昌大学 或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 “ (手 写 ):娜 签 字 日 2-0 07 年 z 月 / 日 学位论文版权使用授权书 本学 位论文 作 者完 全了 解 南昌大学 有关 保留、 使用学 位论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本 人授权南昌大学可以 将学 位论文的 全部或部 分内 容编入 有关数 据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 储 签 名 、手 写 ):赫 签 字 日 期 :砷年 d ” ” 日 导师签名( 手写 签字日期: 年 ” 丫 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 第 i 章 绪论 第 1 章 绪论 虚拟现实技术不同于传统的模拟技术和二维仿真技术等， 但目 前虚拟现实 技术中的虚拟视景生成方法普遍都是基于电脑设计及二维图象实现的，这是重 大的不足。虚拟现实技术的重要应用平台之一是基于模型的应用，没有三维可 视化的视景模型，就不能真正实现虚拟化仿真应用。因此，作为动态环境建模 技术的一个重要组成部分，三维可视化研究在虚拟现实中具有重要的意义。三 维可视化技术，也就是三维曲面重建技术，将拓展虚拟视景生成的技术实现手 段， 进而使虚拟现实技术产生跨越式的发展。因此，在虚拟现实中引入三维可 视化技术的意义在于:它可以从真实世界中真实的、直接的、高精度的、数字 矢量化的采集到三维视景的三维实测数据，进而使以往虚拟现实技术中的模拟 视景跨越到三维精确数字化的仿真视景中，真正解决了面向目 标的三维可视化 重建及逆向工程的双性职能，这必将为虚拟现实技术的更广泛应用开辟全新的 应用领域。 物体表面轮廓的三维尺寸和形状的测量，简称三维测量，是测量技术的一 个重要分支。物体三维型面测量技术的一个主要的应用方向是实物仿形加工， 因此检测技术与先进制造技术的集成是检测技术发展的必然趋势。从目 前制造 技术的发展来看，先进的成型技术主要有数控加工和快速成型.而将检测技术 获得的离散数据点进行曲面重建与造型是联接检测技术和成型技术的桥梁。 虚拟现实环境下的产品设计、制造和评价，首先是进行产品的立体建模， 然后将这个模型置于虚拟环境中实施控制和分析。由于虚拟现实技术正在发展 中， 虚拟现实的环境软件相对较成熟，如wt k , d v i s e , v r t等，而用于机械 设计、制造的仿真和控制的软件功能比较分散，两者之间的连接尚不成熟，是 研究和开发的热点。如机械运动仿真、 薄板冲压成型分析与仿真、 零件加工和 装配仿真等。目 前，基于特征的3 d建模技术正逐渐进入实用并开始推广应用， 为我们提供了坚实的基础。但这些建模软件不支持虚拟现实环境，必须进行转 换和数据处理。 充分利用现代信息技术的 成果来加速、高效、低成本、高质量、更精准的 实现不同应用领域的相关任务，这是目前国际上虚拟现实应用的重要特征。如 第 i 章 绪论 果说传统虚拟现实技术还仅仅是初期信息工具描述现实活动的新生事物，那么 三维测量技术的引入将使虚拟现实技术变得更精准，更贴近具体的期望。 1 . 1三维测量技术简介 物体表面轮廓的三维尺寸和形状的测量，简称三维测量，是测量技术的一 个重要分支。随着现代科学技术的发展，人们对物体轮廓面测量提出了越来越 高的要求。 几十年来，激光技术、精密计量光栅制造技术、计算机软硬件、计 算机图象处理技术等高新技术的发展，使得三维测量技术迅速发展，并在塑性 加工、实物仿形、机器人视觉、生物医学、三维动画、服装 c a d 、人体检测以 及逆向工程等许多领域有着广泛的应用。三维测量己成为一门以现代光学为基 础、融光电子学、计算机图形学、信息处理、计算机视觉、数值分析等科学技 术为一体的新兴学科。随着现代化工业生产的迅速发展和人们对产品质量要求 的逐步提高，在许多行业为了缩短生产周期，需要由己知的产品模型快速地进 行原型产品的设计和复制加工，即反求工程，或者利用原型产品对损耗产品进 行修复。另外在生产中为了很好的控制产品质量，也需要一套完善的三维尺寸 检 测 技 术 ， 进 行 产 品 的 在 线 质 量 控 制 1-a 。 三维测量技术经历了原始手工测绘、机械式传感器测量，今天的三维面形 图像测量已 经有数十年历史.七十年代到九十年代末是三维测量技术飞速发展 时期。三维测量技术的分类如图 1 . 1 所表示。 结构光法 激光法 莫尔法 彩色结构光法 相位法 遥 图1 . 1三维测量技术分类 第 i 章 绪论 接触式测量法是指测量仪器的传感器部分与被测物体表面相接触，依靠力 学传感来获取物体表面三维数据。最有代表性的就是目 前工业中最常见的三坐 标测量机，它的优点是精度较高，缺点是测量速度慢、需要补偿测量头半径， 另外这种方法要求测头与实物接触，不可避免地会造成被测试件变形，因此只 适用于简单面形和不易变形的坚硬物体的测量。测量仪的机械结构复杂，对工 作环境要求较高，因此应用范围也很狭窄。 激光法是三角法中的一种，它采用激光作为光源，由于激光具有良好的相 干性，人们对其在三维测量中的应用研究较早，这方面也取得了相当的成功， 目 前先进的三维测量仪大都采用激光法。 其原理是:点状或线状激光投射在测 试件表面， 由光学摄像系统摄取其反射光点。 试件表面每个点的x . y坐标由试 件图 像每一像素的位置确定， z坐标值则根据三角学原理算出。 激光法的优点是 精度较高、对物体表面反射率不敏感。激光扫描系统的局限性在于其扫描速度， 尤其对于点光状激光光源，甚至扫描一个普通小物件也往往要半个小时甚至几 个小时。另外激光扫描系统价格昂贵。 立体视觉法也是三角法中的一种，它是根据人双眼视觉系统的仿生学原理 建立起来的，主要应用于机器人的视觉系统中。它的原理较复杂，算法中引入 的经验参数较多，在软件的实现中往往要求人工干预。 结构光法属于图像法。结构光是指具有一定结构特性的白光，一般有两种， 一种是黑白密栅条纹光，另一种是彩色条纹光。结构光法是指用结构光源照射 被测物体，由于物体表面形状对结构光的调制作用，导致结构光的结构发生改 变，对调制后的图像进行处理，即通过对图像各像素点的颜色信息反求出物体 的表面信息。使用彩色条纹光的结构光法就是彩色结构光编码法。 光学非接触测量是现代三维测量技术的发展方向，其中结构光三维检测技 术是近年来的研究热点之一，它包括面外云纹法和投影栅相位法。 最 早 提出 面 外 云 纹 法的 是 美 国 的d .m e a d o w s 和日 本 的h .t a k a s a k i 4 - 5 3 ， 他 们 早在 1 9 7 0年就发明了 影像云纹法。1 9 7 1 年日本的学者 m. s u z u k i 和 t . y a s h i z a u 又提出了投影云纹法。正是这些工作奠定了面外云纹法的理论研究基础。在此 之后， 面外云纹法得到迅速发展。 七十年代中期， 人们对各种面外云纹法进行 了较为深入的原理性研究，并且开发了一些实用的技术。但此时对云纹图像的 处理分析都是靠人工进行的， 处理起来比 较繁琐， 耗费大量的时间，而且精度 较差。八十年代，随着科学技术的发展，计算机在各行业的普及和图像处理技 第 1 章 绪论 术的日 趋完善，使得云纹图像的自 动处理成为可能，而且处理的速度和精度均 大为提高. 投 影 栅 相 位 法 是日 本 学 者m .t a k e d a 在1 9 8 2 年 提出 的 s 7 。 他 首 次 将 傅 立 叶 频 谱分析技术运用到调制栅线的解相处理上。1 9 8 3年，他又将此技术应用到三维 曲面形体检测上。由 于这种方法可自 动地判断出被测物体表面的凹凸性，不需 要进行条纹中心线的跟踪，测量精度高， 提供的信息量大，因而倍受重视。近 十年来，多种相位处理法不断出现，它们有各自 的特点和应用范围，在不同的 研究领域内都得到一定程度的应用。投影栅相位法是一种具有代表性的光学全 场非接触检测方法。1 9 8 9年，美国纽约光学研究中心详细报道了相位法三维检 测原理，并初步应用于飞机翼型检测。为了弥补相位法三维检测技术需要摄入 多幅图像的不足，美国奥克兰大学于9 0 年代初采用卷积处理技术检测表面较平 缓且边界无高度突变， 大小为1 8 0 m m x 6 0 m m的小型试件， 测量精度达到0 .0 5 m m o 但该方法并没有考虑被测曲面曲率较大，且边界存在陡坡的情况，即没有研究 相位法三维检测的边界处理与曲面最大可测梯度的问 题。日 本东京电子通信大 学将傅立叶频谱分析技术运用于调制图像的解相研究，但没有将此解相技术运 用于三维非接触检测领域。国内的相位法三维检测技术研究起步较晚，有一些 应用于低精度测量中的实例，但远未达到工业应用的水平。因此，研究与开发 相位法三维检测系统使其用于飞机蒙皮、 模具及机体外形等的检测，具有重要 意义。 目前，有些专门 研发三维扫描技术的公司将上述技术中的两种或几种结合 在一起，形成了独特的复合式三维扫描仪，这种复合式三维扫描仪有的同时具 备测量三维数据的功能又具有测量工件的二维轮廓的功能，巧妙的将不同扫描 技术的优点结合到了一起，较好的避免了 单一测量扫描方式所带来的缺点，其 应 用 潜 力 巨 大 ， 也 是 以 后 三 维 扫 描 技 术的 发 展 方向 7 1 1 . 2三维测量技术与虚拟现实的整合前景 1 . 2 . 1三维测量技术将使得虚拟现实更接近真实现实 由于三维测量技术能够直接将真实现实从三维到三维的量化到虚拟现实 中，而且是基于全面测绘数据支撑的高精度转化，因此，虚拟内容更加接近真 第 t 章 绪论 实内容，所描述及操作的虚拟模型更象是直接操作真实目 标本身，其区别仅仅 是微小的误差，这是三维低端数据采集技术的一次革命。三维测量技术的高精 度三维测量数据的支撑，将使得虚拟现实技术的应用得到广泛延伸及精确化， 同时也扩大了的虚拟现实的应用深度及增值。 例如如果希望了解竞争产品及用于改造改进改型等设计，那么通常的虚拟 现实技术仅仅能够构造一个三维可视化的规划仿真，而采用三维测量技术的虚 拟现实技术则可以进一步从事大量的逆向工程及反求工作，特别是将旧设备的 三维建模与外来设备建模进行比较分析、装配设计、布局规划、反复测试、精 确仿真等.此外，如果希望面向虚拟制造领域的各项科目，那么普通虚拟现实 手段仅仅能够通过定性模型及动态模拟来描述生产工艺过程的概念分析及仿 真，而采用三维测量技术构成虚拟现实技术则能够进一步分析真实物体及工艺 环境的精确过程，同时所有目 标模型还能够用于仿制、检测、翻新、加工、复 制、测量、计量、误差校准、设备维护及维修管理、模具加工制造改造、 装配 分析及计算、虚拟测试及试验等。 1 . 2 . 2三维测蛋技术真正强化了三维可视化的且化内容 普通的虚拟现实技术实现了利用虚拟模型仿真真实物体及环境的概念模拟 及三维可视化的过程描述。这是一个里程碑式的技术飞跃，而三维测量技术则 将大大扩展虚拟现实技术的数据源头内容、仿真的精准度、及末端的应用深度 及广度，总体来说，由于采集真实目 标的数字矢量化水平及精度的提高，必然 导致仿真内容更加逼近事物原形及本质，事实上，描述现实本质的运动规律， 才是现代虚拟现实技术及仿真科学的追求目 标，正因为现实世界的复杂性、胶 着性、操作局限性、重复局限性及成本关联性， 才促使人们在有限资源、有限 投入、 有限时间等因素当中寻找到利用现代信息技术成果实现低成本、高效率、 低风险、高可靠性的技术方法，但虚拟现实技术的终极目 标仍然是为了解释及 描述真实现实，因此，逼近现实原形及本质规律的描述方法，无疑将是最有价 值的。 虚拟现实技术也可以理解为是基于模型的技术，过去是利用数字模型来仿 真目 标及过程，再后来可以利用三维可视化技术及其他人类感知的 传感技术来 仿真客观世界，随着现代科技进步，虚拟现实将更加追求仿真的更象、更精准、 第 i 章 绪论 量化的更真实、更逼近客观本质. 所有技术进步都有赖于对现代信息工具及资 源的提升及扩展，如果没有高速度、高容量、多处理、多功能的软硬件平台， 那么技术应用也将总局限于各种瓶颈之中。 1 . 2 . 3三维测量技术提高了虚拟世界的可信度及可逆性 虚拟现实技术能够给人们带来的重要意义是:能够 “ 感受” “ 真实” ，并加 深对现实的认识及理解，而由三维测量技术构成的虚拟现实技术将能够使人们 确信: 就是操作 “ 真实” 。因为所有对象模型就是实物的原形数据，误差精度很 小，这是人们从定性感受现实到定量操作现实的技术飞跃，也使虚拟现实技术 中的所有仿真活动更具可信度，基于这种可信度，必将为由此拓展的各种分析 活动及模拟活动更能够体现现实本质。所谓可逆性就是有由三维测量技术构成 的虚拟内容将能够直接还原各种设计及分析数据，并具有广泛的增值意义。如: 逆向工程、改造改进工程、改装修复工程、维护翻新工程、检测监测工作、测 试校准工作、二维还原工作、逆向分析及设计工作、试验测试工作、仿制仿研 工作等。 1 . 3主要研究内 容 论文针对虚拟现实中的三维建模问题，重点研究了三维测量技术，主要包 括以下几方面的内容: ( 1 )概括了 虚拟现实中三维建模的意义和几种主要方法: ( 2 )着重 研究了v r m l ， 分析了 其中的 几项关键技术， 利用v r m l 构建了 三维模型，探讨了v r ml的运用前景; ( 3 )以 傅立叶 变 换轮廓术为 代表， 对三 维测量技 术进行了 研究， 探 讨了 傅 立叶变换轮廓术的测量原理; ( 4 )相 位去 包裹问 题是 近年来 研究的 一 大热点， 说明了 包裹相 位 产生的 原 因，介绍了 相位去包裹的一般算法，在此基础上提出了一种新算法; 对三维数据的可视化处理进行了简单的探讨，给出了一些实例; 进行了总结和展望。 (5)(6) 第z 章 虚拟现实技术 第2 章 虚拟现实技术 2 . 1虚拟现实技术简介 2 . 1 . 1虚拟现实的概念 虚拟现实( v i r tu a l r e a l i ty ， 简称v r ) 是在计算机图 形学、 计算机仿真技术、 人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科。对该 技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代，上世纪8 0 年代提出虚拟现实技术的概念，随 着计算机技术的迅速发展和互联网的兴起，从00年代初开始，虚拟现实技术作 为一门较完整的体系而受到人们极大的关注，从而获得迅速发展，并很快进入 实用阶段。目 前主要应用在工程设计、计算机辅助设计 ( c a d) 、数据可视化、 飞 行 模 拟、 多 媒体 远 程 教 育、 远 程医 疗、 艺 术 创 作、 游戏、 娱 乐 等 领 域ca- io 虚拟现实有很多种定义，一种比较有概括性的定义是:虚拟现实是一种非 常强大的高端人机接口，包括通过视觉、听觉、嗅觉和味觉等多种感觉通道的 实时模拟和实时交互。和其它新兴技术一样，虚拟现实是一门综合技术，它以 计算机技术为主，综合利用了计算机三维图形技术、模拟技术、传感技术、人 机界面技术、显示技术、伺服技术等，来生成一个逼真的三维视觉、触觉以及 嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自身的功能和一些设备， 对所产生的虚拟世界这一客体进行浏览和交互式的考察。 2 . 1 . 2虚拟现实的关键特征 确切地讲， 一个真正意义上的虚拟现实系统应具备以 下几个要素: ( 1 ) 首先应该能给用户三维立体的虚拟境界。 ( 2 ) 应该能 给用户的 第一 人称的 感觉和实时 任意活 动的自 由 。 ( 3 ) 用户能 通过 一 些控 制装置和手段实时 操 纵和改 变 所处的 虚拟境 界。 从功能的角度描述虚拟现实，虚拟现实是用计算机图形学构造出的酷似真 实世界的一种仿真模拟。但这个世界不是静态的，它能对用户的各种输入例如 第2 章 虚拟现实技术 手势、动作命令等作出响应。这样就定义了虚拟现实的关键特征实时的交 互性( i n t e r a c t io n ) ， 实时指计算机能 探测到用户的 输入并同时 修改 虚拟世界。 交 互性有助于产生沉浸感 ( i m m e r s i o n ) ， 即让用户感觉到置身于屏幕所显示的情节 中。虚拟现实的发展目标之一，就是能够调动人类的所有感觉通道，使用户不 仅能看到和操纵屏幕上的图形对象，还能触摸和感觉到它们，甚至可以使用味 觉和嗅觉。要实现虚拟现实的交互性和沉浸感，以 及要在实际应用中更好地解 决问 题， 在 很大 程 度上 取 决 于 研究 者 和设 计 者的 想 象 力( i m a g in a t io n ) 。 因 此， 交 互 性 、 沉 浸 感 和 想 象 力 够 成了 虚 拟 现实 的 基 本 特 征 ， 也 就 是“ 3 1 特 性 u u 如图 1 . 1 所示。 虚拟现实 3 1 图2 . 1虚拟现实的3 1 特性 2 . 1 . 3虚拟现实的发展历程 虚拟现实技术可以追溯到 4 0年代。当时为了 在训练飞行员时节约时间和 减少费 用，美国的专家研究了 一台飞行模拟器。以 后逐渐发展到计算机控制的 大屏幕全景式显示模拟器， 操作者有了 直观的感觉。 但是， 显示器还不能随着 操作者位置的变动而显示不同的景观。 1 9 “ 年， 美国a r p a信息处理技术办公室主任伊凡 .苏泽兰 o v a n 第2 章 虚拟现实技术 s u t h e r l a n d ) ， 在篇名为 终极的 显示的 论文中 首次提出 了 包 括具有交互图 形 显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想。从此，人们正式 开始了对虚拟现实系统的研究探索历程，他本人也被尊称为虚拟现实之父。 1 9 6 8年， i v a n s u t h e r l a n d建立了“ 达摩克里斯之剑” 头盔显示器， 它被认 为 是 世 界 上 第 一 个头 盔 显 示 器h m d ( h e a d m o u n t e d d i s p la y ) ， 它 能 显 现 二 维图 像， 但是没有沉浸感，用户只能看到的线框图叠加在真实环境之上。 基于 6 0年代以来所取得的一系列成就，美国的 a r o n l a n i e r 在 1 9 8 9年 正式提出了“ v ir t u a l r e a l i ty ” 一词。 意指“ 计算机产生的三维环境， 在使用中 让 用户 投入到这个环境中去。 ” 他明确指出研究虚拟现实技术的目的是为了提 供一 种比 传 统计算机模拟更 好的 方法. 从 此， v i r t u a l r e a l i ty ” 便引 起了 人们极 大的关注和丰富的想象。 8 0 年代， 美国宇航局( n a s a ) 及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术 的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广 泛关 注。 1 9 8 4年， n a s a a m e s 研究中 心 虚拟 行星探测实 验室的m . m c g r e e v y和 j .h u m p h r i e s 博士组织开发了 用于火星探测的虚拟环境视觉显示器， 将火星探测 器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。 进入9 0 年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相 匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能。人机交 互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场，也为虚 拟现实系统的发展打下了良 好的基础。1 9 9 3年的 1 1月，宇航员利用虚拟现实 系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，使用虚 拟现实技术设计波音 7 7 7也获得成功，使虚拟现实技术更加引人瞩目。 1 9 9 4年1 0 月在芝加哥召开的第二 次 www 会议上诞生了 v r m l ( v i r tu a l r e a l ity m o d e lin g l a n g u a g e ) ， 它 是基于， je b的 虚 拟 现实 建 模 语 言。1 9 9 6年 r m l 2 .0公布，并于 1 9 9 7年被国际标准化组织 i s o批准为网络 三维图形标准， 简称 v r ml 9 7 a v r ml的诞生开创了虚拟现实的新纪元， 使虚 拟 现 实 技 术 开 始向 网 络 化 发 展 12 1 第2 章 虚拟现实技术 2 . 2虚拟现实系统 2 . 2 . 1虚拟现实系统概述 根据具体的应用利用虚拟现实技术能够开发不同的虚拟现实系统，虚拟现 实系统的构成主要由四部分组成: 1 ) 虚拟 场景， 即 一 个可 交互的 虚 拟环境， 可以 从 任意角 度 连续地 观看 和观 察，它是一个包含三维模型或环境定义的数据库，是通过软件实现的; 2 ) 装有虚拟现实软件的计算机， 为系统提供实时观察和参与虚拟世界的能 力; 3 ) 1 / 0接口 设备， 提供人机接口以 便用户实现交互。 包括输入设备和输出 设 备。输入设备用于观察和构造虚拟世界，如:数据手套、浮动鼠标、力矩球等; 输出设备用于显示虚拟世界的图像，如:头盔显示器，c r t终端等。 4 ) 用户，即 虚拟场景的操纵者。 图2 .2 是虚拟现实系统的基本框架。 图2 .2虚拟现实系统的基本框架 v o接口 设备提供了用户与计算机对话的接口， 虚拟场景由专用软件结合数 据库技术生成。当用户接到任务时，通过 v 0接口设备访问计算机，这时计算 机将提取虚拟场景，通过虚拟现实软件进行解释，再提供给用户，这是用户就 能够访问 虚拟场景了。利用输入输出设备，用户还能与场景进行交互从而引起 场景的实时变化，就像在现实中的交互方式一样。 第2 章 虚拟现实技术 2 . 2 . 2虚拟现实系统的分类 虚拟现实的的分类方法很多，通常按以下几种方式对v p :进行分类: 1 ) 根 据生 成 方 式 分 类 : 基 于 几何 模 型的 图 形 构 造 虚 拟 现实 系 统 ; 基 于 实景图象的虚拟现实系统。 2 ) 根据虚拟现实生成器的 性能和组成分类: 基于p c 机的 v r系统; 基 于工作站的 v r系统; 高度平行的 v r 系统; 分布式v r系统。 通 常 按 功 能 高 低 将 虚 拟 现 实 系 统 分 为 四 类 13 1 一是桌面虚拟现实系统， 也称窗口中的v r 。 桌面型虚拟现实系统是通过计 算机编程技术实现虚拟仪器和实验过程仿真模拟的虚拟现实系统。它仅仅利用 个人计算机和工作站去进行仿真，计算机的屏幕作为参与者观察虚拟境界的窗 口，用户通过键盘、鼠标便可与虚拟环境进行交互。用户在普通的电脑上通过 计算机屏幕可以观察 3 6 0度范围内的虚拟境界，真实地感受到所虚拟的情景。 利用鼠标和键盘，就能操纵其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉浸，因为 参与者坐在监视器前观察虚拟境界时会受到周围现实环境的干扰.但它结构简 单、成本较低，易于普及推广，是一套经济实用的系统。常见桌面虚拟现实技 术有: 基于静态图像的虚拟现实q u i c k t i m e v r 、 虚拟现实建模语言 v r m l等。 二是沉浸虚拟现实系统。沉浸型虚拟系统是一套比 较复杂的系统。虚拟现 实系统创建的沉浸感主要依赖于各种硬件所提供的感觉输入 ( 主要包括视觉、 听觉、触觉等) ，它们使得参与者完全投入到一个虚拟境界中去而看不到现实世 界。使用者必须头戴头盔、手戴数据手套等传感跟踪装置，才能与虚拟世界进 行交互。由于这种系统可以将使用者的视觉、听觉与外界隔离，因此，用户周 围的现实环境就被有效如各种用途的体验器，使人有身临其境的感觉，各种培 训、演示以及高级游戏等用途均可用这种系统，使得参与者有一种被虚拟境界 包围的感觉，能够全身心地投入到虚拟世界中去。这种系统的优点是用户可完 全沉浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备价格昂贵，难以普及推广。 三是分布式虚拟现实系统，它在因特网环境下，充分利用分布于各地的资 源，协同开发各种虚拟现实的利用.它通常是浸沉虚拟现实系统的发展，也就 是把分布于不同地方的沉浸虚拟现实系统，通过因特网连接起来，共同实现某 种用途。 美国大型军用交互仿真系统n p s n e t 以 及因特网上多人游戏m u d便 是这类系统。 第2 章 虚拟现实技术 四是增强现实又称混合现实系统。 增强现实技术允许参与者看见现实环境 中的物体，同时又把虚拟环境的图形叠加在真实的物体上。穿透型头戴式显示 器可将计算机产生的图形和参与者实际的即时环境重叠在一起. 例如一个维修 工程师戴上一个穿透型头戴式显示器后，可以通过观察与一台激光打印机重叠 的图形去维修该打印机。这些图形可能提供各种图形化箭头、插图和说明，甚 至可以指导他的维修。增强现实性系统依赖于虚拟现实位置跟踪技术，达到精 确的重叠，但目前的技术还不能完全做到这一点。 2 . 2 . 3虚拟现实的概念体系 虚拟现实的概念体系如图2 . 3 所示 图2 . 3虚拟现实的概念体系 第z 章 虚拟现实技术 2 . 3虚拟现实的关键技术 从概念上说，虚拟现实技术可以较好地实现通过人机交互而真实仿真人们 工作及社会活动的很多复杂内容及预期结果。作为一门新兴科学技术，虚拟现 实技术也是许多相关学科领域交叉、 集成的产物。它的研究内容涉及到人工智 能 计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等。虚 拟现实技术的产生和发展具体可划分为以下三个领域:通过计算机图形方式 建立实时的三维视觉效果:建立对虚拟世界的观察界面;使用虚拟现实技 术加强诸如科学计算技术等方面的应用。相应地，当前国际上虚拟现实技术的 研究大致也可以分为三类。第一类是研究虚拟人机交互界面， 这一类研究人员 大多是由图形学、行为学或是心理学的专家;第二类是研究虚拟现实系统的构 造技术，主要研究内容包括实时生成有真实感的图形画面的算法和硬件体系结 构;第三类着重于研究虚拟现实的应用。概括起来，虚拟现实的主要几种关键 技 术 如 下 14 - 1 5 1 )动态环境建模。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，应用动态 环境建模技术能获取实际环境的三维数据，并根据需要，利用获取的三维数据 建立相应的虚拟环境模型。 2 )实时三维图形生成技术。目 前， 三维图形的生成技术己 经比 较成熟，关 键是如何满足实时性的要求。为了达到实时的目 的，至少要保证图形的刷新频 率不低于 1 5 帧/ 秒，较理想的情况是高于3 0 帧/ 秒。在不降低图形质量和复杂 程度的前提下，尽可能提高刷新频率。这里图形生成的硬件体系结构以及在虚 拟现实的真实感图形生成中用于加速的各种有效技术是关键。 3 )立体显示和传感器技术。虚拟现实依赖于立体显示和传感器技术的发展， 立体显示技术涉及人眼的生理原理及在计算机上如何产生深度线索的技术。现 有的硬件系统如头盔显示器、单目 镜及可移动视觉显示器有待进一步研究，光 学显示还存在许多局限性;传感器技术中需解决设备的可靠性、可重复性、精 确性及安全性等问题，各种类型传感器的性能急需提高。 4 ) 应用系统开发工具。 技术最终要面向 应用， 通用平台的开发可缩短与应 用结合的时间，为此，必须研究虚拟现实的开发工具。目 前，常用的虚拟现实 系统开发工具主要有s u p e r s c a p e 公司的v r t ， 它是一个可视化平台， 允许较高 程度的交互和网络处理: s e n c e 8公司的 w t k 3 是一个 c函数库，提供了一个 第2 章 虚拟现实技术 完整的合成虚拟环境的应用开发环境; m u l t i g e n 公司的m u l t i g e n 系列软件是一 个交互式的图形建模系统; m u l t i g e n - p a r a d i g m公司的v e g a 可用于实时视觉 和听觉仿真，使用简单; s g i 公司的i r i s p e r f o r m e r 是一种强有力的a p i ，用 于生成实时可视仿真和其它交互式三维图形应用; c g 2 公司的v t r e e 是实时三 维图形开发软 件包， 可以实现视觉仿真、实时 场景生成等应用。 5 )多种系统集成技术。虚拟现实系统的最终集成是必然的，它应该包含大 量表达信息的型，必须根据设计意图合理组合。 集成技术包括信息的同步、模 型的标定、数据转换、数据管理模型、模式识别与合成等技术。 2 . 4虚拟现实的应用和研究状况 2 . 4 . 1虚拟现实的应用 虚拟现实技术的应用范围十分广泛， 它正在逐步地渗入到各个专业领域中 去 6- ” 。 虚拟现实技术最早应用于军事模拟。最初的模拟是用来训练飞行员，飞行 模拟器可以让人感到和在真的飞机上一样，各种仪器设备如同在真实环境下一 样地工作。它既不会危及人的生命，也不会损坏 “ 飞机” ，是一种最理想的训 练方式。 虚拟现实技术已开始对医学领域产生重大影响，目 前正处于应用虚拟现 实技术的初级阶段。它可用于各种医学模拟。 虚拟现实技术还可用来进行各种虚拟设计。例如汽车虚拟设计、飞机虚拟 设计和建筑虚拟设计等. 由 于 虚拟现实 技术的 投入性和交互性， 它比 传统的c a d 技术能更好地满足设计要求。 虚拟现实技术在商业领域的应用，让原本单调的商业展示方式变得活力十 足. 通过这种技术，可以把商业产品或产业形象逼真地在网络中表现出来，尊 重顾客的浏览习惯，成功地刺激顾客的购买欲。 虚拟现实技术在娱乐游戏上的应用也十分广泛，包括家庭中的桌面游戏， 公共场所的各种仿真等。基于虚拟现实技术的游戏主要有驾驶型游戏、作战型 游戏和智力型游戏三类。 由于虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，学生能够成为 第z 章 虚拟现实技术 虚拟环境的一名参与者， 在虚拟环境中扮演一个角色，这对调动学生的学习积 极性， 突破教学的重点、 难点，培养学生的技能都将起到积极的作用。 虚拟现实技术非常适合远程教学中的应用， 主要是在知识学习、 探索学习、 虚拟实验以及技能训练四个方面。 虚拟现实技术目 前仍然处于初级发展阶段.随着新技术的发展，未来的虚 拟现实技术将会对各个领域的发展产生重大的作用。 2 . 4 . 2虚拟现实的研究状况 虚拟现实技术提出以来，世界上一些发达国家都很重视对虚拟现实技术的 研究。美国作为虚拟现实技术的发源地，其技术水平代表了国际虚拟现实的发 展水平，美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬 件四个方面;在实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领先位置的国家 之一，主要致力于建立大规模虚拟现实知识库的研究，另外在虚拟现实的游戏 产业方面也做了很多工作;和一些发达国家相比，我国的虚拟现实技术还有一 定的差距，但已引起政府有关部门和研究人员的高度重视，并根据我国的国情， 制定了开展虚拟现实技术的研究，在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院 校和研究机构如清华大学、浙江大学、北京航空航天大学、上海大学、中科院 计 算 所 等 已 积 极 投 入 到 这 一 领 域 的 研 究 工 作 ie - s 1 虚拟现实技术的发展尚处于起步阶段。它的提出，对于推动科学技术的进 步及人类文明将产生深远影响。目前虚拟现实的发展趋势是:一方面，其软、 硬件技术的发展日 新月异;另一方面，其软、硬件价格极为昂贵，而价格下跌 之快也十分惊人，还有些技术尚处于初级阶段，并不能令人满意，软件功能也 不能满足需要。我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力巨大，应用 前景也很广阔，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。 同时，我们还应该认识到:这些既是挑战，更是自 主创新的机遇。 2 . 5虚拟现实的三维视觉建模 虚拟现实三维视觉建模同其他图形建模系统相比有自己的特点，主要表现 在以 下三个方面:1 ) 虚拟现实中可以 有非常广泛的物体， 往往需要构建大量完 第2 章 虚拟现实技术 全 不同 类 型的 物体 ; 2 ) 虚 拟 现 实中 有 些 物体 必 须 有 其自 己 的 行 为， 其 他图 形 建 模系统往往只是构建静态的 物体，即使有运动， 也往往是比 较简单的固定形式: 3 ) 虚拟现实中的 物体必须能 够对观察者作出 反应。 当 观察者与物体进行交互时， 物体必须以 某种适当的方式做出 反应。 上述虚拟现实建模的要求，使得虚拟现实的三维视觉建模过程基本分为三 步:第一步是几何建模， 几何建模主要包括用多边形或三角形拼构成对象的立 体外形;第二步是物理建模，主要包括对几何建模的结果进行材质、质量、重 量、 硬度、形状改 变模式等处理; 第三步是行为建模的 程序实现，即场景交互 控制的实现。 所 谓 几 何 建 模 20 1 ， 是 指 虚 拟 环 境 中 可 见 的3 d 物 体 空 间 形 状 以 及 各 种 附 属 性 质的描述。几何建模技术的 研究对象是物体几何信息的表示与处理，它涉及表 示几何信息的数据结构，以及相关的构造与操纵该数据结构的算法。几何建模 描述了虚拟环境的三维造型。对象的几何建模是生成高质量视景图像的先决条 件，它是用来描述对象内部固有性质的抽象模型，所表达的内容包括:对象各 组成元素的轮廓和形状:各组成元素间的连接性，即结构或对象的拓扑特性。 连接性的描述可以用矩阵、树、网络等方式。 一般几何建模的方法有三种: 1 ) 采用 三维 建模软 件手工绘制三维 模型。 这 种方 法是最 常用的， 建出 的 模 型也最能符合实际的应用要求。但使用者必须掌握三维建模软件的使用方法与 技巧.一般的 v r工具软件都具有几何建模功能，利用现有的 c a d建模工具 也是常用的方法。 2 ) 从