（机械设计及理论专业论文）基于虚拟现实的叉车运程操作及仿真应用研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文 第 日 页 法:对叉车行驶中的避碰模型做了 进一步简化，并提出了专门用于叉车行驶仿 真的一种快速碰撞检测算法，给出了具体的算法。 ( 7 )总结了本文的研究成果、存在的不足以及还需要深入开展的工作。 通过对以上内 容的研究和探索，初步建立了虚拟远程物料搬运仿真系统， 并解决了系统的一些技术难题，为开发实际的系统奠定了理论基础。但是由于 本人水平及客观条件的限制，本文的研究内容可能存在某些缺陷和不足，敬请 各 位 专 家 和 同 行 批 评 指 正 。乡 关键词虚拟现实;物料搬运;叉车:远程操作;计算机仿真;三维建模 西南交通大学博士研究生学位论文 第 . 日 页 a b s t r a c t v i r tu a l r e a l i t y ( v r ) i s a n e w i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y . i t i s s t u d i e d i n m a n y a p p l i e d fi e l d s a t p r e s e n t . v r - b a s e d r e m o t e l y o p e r a t i o n a n d s i m u l a t i o n i s a m a i n l y a p p l i c a t i o n f o r v i r t u a l r e a l ity t e c h n o l o g y i n m o d e m m a t e r i a l h a n d l i n g f i e l d . a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c o f m a t e r i a l h a n d l i n g m a c h i n e ry , t h i s t h e s i s s t u d i e s t h e s y s t e m s t r u c t u r e a n d r e l a t i v e t e c h n o l o g y o f a v r - b a s e d re m o t e l y o p e r a t i n g s i m u l a t i o n s y s t e m ( v r - r o s s ) , s e t s t h e f o r k l i ft t r u c k a s a o b j e c t f o r s t u d y i n g . v r - r o s s i s a c o m p l i c a t e d s y s t e m a n d r e l a t e s t o m u c h n e w t e c h n o l o g y . t h i s t h e s i s s t u d i e s d e e p i n t o t h e v i r tu a l r e a l i ty s y s t e m s t r u c t u r e , s y s t e m d e s i g n m e t h o d o l o g y , s t e r e o v i s i o n t h e o ry , v i r t u a l s c e n e s m o d e l i n g , f o r k l i ft k i n e m a t i c s s i m u l a t i o n , s o ft w a r e d e v e l o p i n g p l a t f o r m , c o l l i s i o n d e t e c t i o n a l g o r i t h m , e t c . c o n t e n t o f m a i n w o r k a n d re s e a r c h a r e a s f o l l o w s : ( 1 ) t h e d e fi n i t i o n , c h a r a c t e r i s t i c a n d s y s t e m s t r u c t u r e o f v i r t u a l r e a l i ty t e c h n o l o g y i s i n t r o d u c e d a n d t h e f e a s i b i l i ty f o r v r a p p l i e d i n m a t e r i a l h a n d l i n g f i e l d i s d i s c u s s e d a s a w h o le . t h e t h e o ry , c o n t e n t a n d m e t h o d o f v r - b as e d f o r k l i ft r e m o t e l y o p e r a t i n g a n d s i m u l a t i n g a r e p u t f o r w a r d . ( 2 ) t h e s y s t e m s t r u c t u r e a n d d e s i g n in g m e th o d o f v r - b as e d m a t e r i a l h a n d l i n g r e m o t e l y o p e r a t i n g a n d s i m u l a t i n g s y s t e m a r e a n a l y z e d . o n t h e b as i s o f o b j e c t - o r i e n t e d t e c h n o l o g y , t h e s y s t e m s t r u c t u r e a n d s i m u l a t i o n s k e t c h m a p s o f v r - b a s e d m a t e r i a l h a n d l i n g s y s t e m a r e p re s e n t e d . f u r t h e r m o r e , c o n c e p t o f i n t e l l i g e n t a g e n t i s i n t r o d u c e d i n t o t h e s y s t e m a n d t h e a g e n t m o d e l s t r u c t u re o f v r s y s t e m i s e s t a b l i s h e d . ( 3 ) s t e r e o v i s i o n t h e o ry i s in t r o d u c e d s u m m a r i ly . b a s e d o n s t e r e o p e r s p e c t i v e p r o j e c t i o n , t h e c a l c u l a t i n g f o r m u l a o f s t e re o p a i r i s d e d u c e d . t h e s t e re o d i s p l a y t e c h n i q u e a n d t r a n s f o r m a t i o n o f d i ff e re n t c o o r d i n a t e s y s t e m i n v i r tu a l e n v i r o n m e n t a r e s t u d i e d . g e o m e t ry - b as e d a n d i m a g e - b as e d m o d e l i n g m e t h o d s f o r v i r tu a l e n v i r o n m e n t a r e c o m p a r e d a s e x a m p l e s o f a p p l i c a t i o n , p a r a l l a x a n d v i s i o n r e c o n s t r u c t i o n p a r a m e t e r o f d o u b l e v i d e o c a m e r a m o d e l , w h i c h i s b a s e d o n i m a g e , a r e a n a l y z e d f i r s t , t h e p r o g r e s s o f h o w t o b u i l d v i r tu a l s c e n e s w i t h o p e n g l i s d e s c r i b e d i n d e t a i l f in a l l y . ( 4 ) t h e m o d e l i n g m e t h o d a n d s i m u l a t i n g m o d e l o f f o r k l i ft k i n e m a t i c s s i m u l a t i o n i n v i rt u a l e n v i r o n m e n t i s s t u d i e d i n d e p t h . o n t h e c o n d it i o n o f t h e m o t i o n r e l a t i o n a n d c o n s t r a i n t , g e o m e t r i c t r a n s f o r m a t i o n m a t r i x o f f o r k l i ft t r u c k m o d e l i n t h e v i r t u a l s p a c e 月.曰.口. 西 南 交 通 大 学 博 士 研 5 e 生 * 鱼e 3 c 第 i v页 i si n d u c e d , t h e m a t h e m a t i c s m o d e l o f s p a c e l o c a t i o n a n d d i r e c t i o n o f t h e m o t i o n c o m p o n e n t s a r e d e s c r i b e d i n m a t r i x w h i c h b a s e d o n c o m p u t e r g r a p h i c s . ( 5 ) t h e i n t e g r a t i n g p l a t f o r m e n v i r o n me n t , w h i c h b a s e d o n wt k , a r e e s t a b l i a n d s h e d m o d e l i n g m e t h o df o r v i r t u a l . p u t a n e m p h a s i s o n t h e s t u d y o f t h e s i m u l a t i o n t h e o ry , p r o g r a m s t r u c t u r e , s c e n e m e t h o d e t c . a s a s a m p l e o f a p p l i c a t i o n , t h e v i rt u a l o f f o r k l i ft i s b u i l t wi t h wt k. g r a p h o r g a n i z a t i o n a n d d r a w i n g o p e r a t i n g s i m u l a t i o n e n v ir o n m e n t ( 6 ) a c o m p r e h e n s i v e s u r v e y o f s t u d y a n d d e v e l o p m e n t o f c o l l i s i o n p r o b l e m i s g iv e n i n t h e a l g o r i t h m i s f i e l d o f t h e c o l l i s i o n d e t e c t i o n . a r a p i d a n d a c c u r a t e c o l l i s i o n d e t e c t i o n p r e s e n t e d f o r d y n a m i c c o l l i s i o n d e t e c t i o n i n v i rt u a l e n v i r o n m e n t , w h i c h i s i m p r o v e d f r o m t r a d i t i o n al b o x m e t h o d a n d s p a c e p a rt i t i o n in g t e c h n i q u e , c a l l e d b o x - b a s e d s p a c e p a rt i t i o n i n g a l g o r i t h m . t h e c o l l i s i o n a v o i d a n c e m o d e l i s s i m p l i f i e d a n d t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l i s e s t a b l i s h e d f o r t h e c o l l i s i o n d e t e c t i o n i n f o r k l i ft d r i v i n g . a s a n a p p l i c a t i o n e x a m p l e , t h e c o l l i s io n a v o i d a n c e a l g o r i t h m i s g i v e n i n d e t a i l . ( 7 ) t h e r e s e a r c h r e s u l t , d e f i c i e n c y a n d t h e w o r k t h a t n e e d t o b e d o n e i n t h e f u t u r e a r e s u m m e d u p , t h e n t h e p e r s p e c t i v e t h a t v i rt u al r e al i t y t e c h n o l o g y a p p l i e d i n c o n s t r u c t i o n m a c h i n e ry f i e l d i s d i s c u s s e d . t h r o u g h t h e , r e s e a r c h a b o v e , a v r - b a s e d r e m o t e ly o p e r a t i n g s i m u l a t i o n s y s t e m f o r m a t e r i a l h a n d l i n g i s b u i l t , s o m e t e c h n i q u e p r o b l e m s a r e s o l v e d a n d t h e t h e o r y b a s is f o r d e v e l o p i n g r e a l s y s t e m i s s e t u p . f o r a l l t h a t , b e c a u s e o f t h e c o m p l i c i t y o f v r s y s t e m a n d t h e l i m it a t i o n o f m y a b i l it y , s o m e d e f i c i e n c y m a y e x i s t i n t h e r e s e a r c h , it i s m y l u c k t h a t i f s o m e o n e c a n f i n d o u t a n d c o r r e c t t h e p r o b l e m s . k e y w o r d s v i r tu a l re a l i t y ; m a t e r ial h a n d l i n g ; f o r k l i ft ; r e m o t e l y o p e r a t i o n ; c o m p u t e r s i m u l a t i o n ; m o d e l i n g 西南交通大学博士研究生学位论文 第 1页 第 1 章绪 论 1 . 1引言 随着微电子技术和信息技术的发展，人类正在步入一个技术迅猛发展的新 时期.这个新时期的标志是计算机、信息处理、网络的广泛应用以及由此而形 成的整个信息技术。信息技术是我国高科技领域的一个重要方面，它在改造传 统产业，实现自 动化，促进新兴产业的发展等方面起着重要作用， 在国民经济 建设中的战略地位愈来愈明显。信息技术与其它学科的的结合产生了许多新的 学科、新的技术，推动着科学技术向更高、更新、更广阔的领域发展。 虚拟现实技术，是 9 0年代以来为科学界和工程界所广泛关注的一门新兴 信息技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域;为智能工 程的应用提供了新的界面工具;为各类工程大规模的数据可视化提供了新的描 述方法.这种技术的特点在于:计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的 环境是通过计算机图形构成的三维空间，或是把其它现实环境编制到计算机中 去产生逼真的 “ 虚拟环境” ，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境 的感觉。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行工程数据处理的方式， 使得人机交互的内容更加丰富、形象，方式更加自 然、和谐:同时，它在许多 不同领域的应用，可以带来巨大的经济效益。 传统的机械科学经历了一个漫长的发展过程，经历了一个从单门学科到多 学科互相结合、互相渗透的过程。信息技术等新兴技术在机械学科的渗透，导 致机械学多方位、多交叉地发展，使得人们对机械科学各领域的研究更细致、 更深入、更复杂，同时面临的问题也更多。 本文作者在前人大量研究工作的基础上，将虚拟现实技术理论引入传统物 料搬运领域的远程作业仿真研究中，希望用新的技术为解决传统物料搬运领域 中的一些问题提供一种新的解决方法，同时希望在机械科学的多元化研究中作 出一些有益的探索。 西 南 交 通 大 学 博 士 研 究 牛 * 鱼丝 第 2页 1 . 2虚拟现实技术 1 . 2 . 1人的认知与计算机 计算机是现代社会人们赖以进行各种研究的基本工具，它是一种建立在图 灵算法求解思想上的冯. 诺伊曼机体系结构。计算机高存储和高处理速度等很 多优点是人类不及的。它的强大的辅助人逻辑思维的能力使得人们成功地实现 了 诸如天气预测、地质勘探等研究，但由于计算机特定的信息处理方式， 使得 它在处理诸如识别图象、听懂语言 或作出判断决策等行为上无能为力，即它没 有大腼那样的思维能力，小能适应用于人的惯用的信息获取形式和思维过程。 自从日本研究第五代计算机即智能计算机失败以后，人们开始着手研究如何将 人与计算机结合起来.1 9 6 0年麻省理工学院的 j . c .r l i c k l i d e r教授在研究人体 的听力数学模型的同时，曾经在 人机协作一书中断言:“ 用不了许多年， 人类大脑和计算机是一对非常紧密的双胞胎，并且协作结果将显示，人类与电 脑处理数据从来没有相同的思维方法。既然如此，具有极强逻辑思维和形象思 维能力的人是如何与具有强大计算能力和逻辑推断能力的计算机协调? 研究人，首先要研究人是如何与现实环境相互作用的.那么，人的思维可 以被认识吗?按照著名科学家钱学森的观点: “ 人的思维过程是可以认识的， 而 且 有 具 体 的 研 究 途 径， 它 们是 人 工 智 能 、 认知 科 学、 神 经 生 理 心 理 学” iz s 1 研究人与计算机之间的关系，充分发挥计算机强大的计算能力和逻辑思维能力 以及人的感知、认知方面的形象思维能力，以全方位的形式获取各种表现形式 的信息，将解决诸多技术的瓶颈。 虚拟现实技术就是体现将人的认知理念和高性能计算机结合起来的新兴理 论与技术。 1 . 2 . 2虚拟现实技术的基本概念 虚 拟现实 ( v irt u a l r e a l i ty ， 简 称 v r ) 技术是一 种高 度 逼真 地模 拟人 在现 实世界中视觉、听觉、行动等行为的人机界面技术。它是一种可以创建和体验 虚拟世界的计算机系统，由 计算机生成， 通过视、听、触觉等作用于操作者， 使之产生身临其境感觉的交互仿真环境1 q 2 13 12 5 1126 1 虚拟现实技术的主要目 标是提供一个人与计算机交融的环境.在一个计算 西 南 交 通 大 学 博 士 研 究 到 这 第 3页 机构造的能模拟现实世界的数字 化多维信息空间( c y b e r s p a c e ， 赛博空间) 中， 人可获得与环境相互作用的各种信息，从而可以不必在一个必须耗费时间和巨 大资源的实际环境中模拟进行各种创造性活动 1 112 5 1 虚拟现实技术的本质是一种人机交互技术，它通过多种信息媒介 ( 如传感 器，摄像机等)将人的心智与高性能的计算机系统结合起来，组成一个开放的 复杂系统，其间强调了 人在虚拟现实系统中的主导作用，即人可以沉浸在虚拟 环境中，能用多种传感器与虚拟环境交互作用，甚至能从定性和定量综合集成 的环境中得到感性和理性的认识，从而深化概念和萌发新意。 虚拟现实技术的应用，改进了人们利用计算机对工程数据进行处理的方 式， 尤其体现在对大规模数据进行处理的过程中。 使得人类可以模拟更为广阔、 更为精细的科学研究和工程活动，例如，将虚拟现实技术用于制造活动，就有 了虚拟制造，产品虚拟设计和开发，虚拟企业等;将虚拟现实技术用于医学， 就有了虚拟外科手术，远程诊断，以至全球范围的诊疗:将虚拟现实技术用于 数据分析， 就有虚拟风洞， 虚拟分子结构等; 将虚拟现实技术用于机器人领域， 就有远程操作， 视觉重建等; 将虚拟现实技术用于建筑， 就有虚拟建筑漫游等。 总之，只要相关的科学技术如计算机通信、计算机图形学、传感技术、人的生 理心理认知等的研究有新的突破，虚拟现实技术就有新的发展，也就有更为广 阔的应用前景。 虚拟现实的基本特征可以用图1 - 1 表示，即著名的 “ 灵境三角形”。 图1 一 1 灵境特征三角形 虚拟现实的第一个特征是 “ 沉浸” ( i m m e r s i o n )，让参与者有身临其境的 真实感觉;第二个特征是 “ 交互” ( i n t e r a c t i o n )，通过使用虚拟交互设备实现 参与者与虚拟环境 ( v i rt u a l e n v i r o n m e n t ，简称 v e )对象的自然交互与操作; .曰. 西 南 交 通 大 学 博 士 研 究 生 学 竺 丝 生 第 4 页 第三个特征是 “ 构想”( i m a g in a t io n )， 参与者能通过虚拟环境中 得到感性和理 性的认识，从而深化概念和萌发新意 1 12 5 1 1 . 2 . 3虚拟现实系统的框架体系 按照虚拟现实系统的定义和基本特征，一个虚拟现实系统的简单构成如图 1 - 2 所示n u z u z s l 感知系统 肌肉系统 图卜 2 虚拟现实系统的简单体系模烈 从工程应用的观点来看，图 1 - 2所表示的系统极其笼统和粗糙.由于虚拟 现实所需要利用的不仅仅是计算机这个工具，更多的是要考虑人的思维和感觉 方式。 而人类与 现实环境之间的交互方式非常复杂， 如果考虑虚拟环境技术， 则图 1 - 2 所表示的系统的可以进一步细化为如图 1 - 3的形式。这种以人为中心 的观点强调了人在虚拟环境中的主导地位，并把感知行为系统看作一系列功能 模块，这些功能模块包括各种认知心理过程，即感知系统输出信息的处理过程、 行为系统输入信息的产生过程以及行动过程中产生的情感反馈等。 西 南 交 通 大 学 博 士 研究 生 学 位 论 文 第 5页 虚拟现实系统 图 1 一 3 一个完整的虚拟现实系统 根据v r系统的特征和功能构成，为了构造一个典型的v r系统，在硬件 方面需要以下设备的支持12 5 1 : ( 1 ) 跟踪( t r a c k in g ) 系 统:以 确定 参与 者的 头、 手和身 躯的 位置: ( 2 ) 触觉( h a p t ic ) 系 统: 提供力与压力的 反 馈: ( 3 ) 音频 ( s o u n d )系统:提供立体声源和判定空间位置; ( 4 ) 图象生成显示系统: 产生视觉图象和立体现实; ( 5 ) 高性能计算机系统: 有高处理速度、大存储能量、强的联网特性。 在软件方面，除一般所需的软件支持环境外，主要是提供一个产生虚拟环 境的工具集或产生虚拟环境的“ 外壳” ，它至少应具有以 下的功能: ( 1 ) 能够接受各种高性能传感器的信息; ( 2 ) 能产生立体的显示图形; ( 3 ) 能把各种数据库、 各种c a d软件、 各种建模软件进行调用和互联。 典型的v r系统的物理组成可以表示成图 1 - 4 0 西南交通大学博士研究生学位论文 第 6 页 虚拟环境描述 工具软件及数据库 灵境系统 图 卜4 v r系统的 物理构成 1 . 3虚拟现实技术的发展和现状 虚拟现实技术与其他技术一样，它的出现经历了一个相当长的研究和发展 过程。v r技术的日 趋成熟从很大程度上依靠了其它技术，如:实时计算机系 统、计算机图形学、显示设备、光纤和3 d跟踪等1 1112 113 11 10 11 1 1 1 11 2 112 5 112 6 112 7 112 8 1 2 9 1 0 1 . 3 . 1虚拟现实技术的发展 虚拟现实技术的研究可以追溯到三十年前。1 9 6 2年，美国电影摄影师 m o rt o n h e i li g 研制出 第 一 套多 感知 仿 真体 验 系 统s e n s o r a m a s i m u l a t o r ， 这 是 第 一套 v r视频系统，利用环幕立体电影技术产生了一种被动的非交互式的 “ 虚 拟”经历。 计算机图形学之父i v a n s u t h e r l a n d在其1 9 6 3 年的博士论文s k e t c h p a d 中揭示了将计算机用在交互式图形界面的可能性，并于 1 9 “ 年发表了题目 为 t h e u l t i m a t e d i s p l a y (终极的 显示) 的 论 文， 论文中首次提出7 包括具有 西 南 交 通 大 学 博 士 研 究 牛 * 鱼丝 第 7页 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， 他指出， 人们可以把显示器作为一个窗口观察虚拟世界。随后 i v a n s u t h e r l a n d于 1 9 6 8 年研制出世界第一台头盔式立体显示器( h m d ) 并发表了题为 “ a h e a d se m o u n t e d 3 d d i s p l a y ”的论文，对头盔式三维显示器的构造原理和设计要求进行了深入 的讨论，成为三维立体显示技术的开创性成果。从此，人们正式开始了对虚拟 现实系统的研究探索历程。 1 9 7 0 年， g o u r a n d和 p h o n g对光栅图 形学的 研究取得进展， 人们开 始研 究图 形建 模、图 形 数 据结 构、 及隐蔽面的消除 等。 后来的1 0 年， f r e d b r o o k 在 n o r th c a r o l i n a 研究了 机械操纵器控制一个虚拟在计算机上的操纵器，那时，力 反馈的 研究 和相应的 设备开 始出 现.1 9 7 6 年， p . j k i lp e t r i c k 完成了 他的 博士论 文“ t h e u s e o f k i n a m a t i c i n a n i n a c t i v e g r a p h i c s s y s t e m ; 1 9 7 7 年， d a n s a n d m和 r i c h a r d发明了“ b e n d - s e n s in g g l o v e ;到t 1 9 7 9年 f .h .r a a b等人制作了 p o l h e m u s 跟踪系统，f r i z .h o w l e tt设计t大范围增强投影光学设备 ( l e e p - t h e l a r g e e x p a n s e e n h a n c e d p e r s p e c t i v e o p t i c s ) . 8 0年代，虚拟现实技术渐渐成为一种较为可行的技术，并且随着集成电 路的发展、计算机和外围设备的价格降低而在一些领域得到了应用:1 9 8 1年， t o m f a r n e s 开发了“ v i rt u a l c o c k p i t ; 1 9 8 2 年， t h o m s z i m m e r m a n 获得t基 于 光 折射传 感的 数 据手套( d a t a g lo v e ) 专 利;1 9 8 3 年， m a r c a ll a h a m在m i t 建 立t 一个“ s e e t h r o u g h h m d ; 1 9 8 4 - 1 9 8 5 , m ik e m c g r e e y 和j im h u m p h r i e s 在n a s a分别开发了v i v e d ( v i t u a l v i s u a l e n v i r o n m e n t d i s p l a y ) 和基于单色 l c d的 h m d ，使得虚拟现实设备逐渐从实验室走向商业应用。基于从 6 0年 代以来所取得的一系列成就，美国v p l 公司的创始人j a r o n l a n i e r 在 1 9 8 9 年 f式提出了“ v i r t u a l r e a l i t y ， 一词。 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。而这 些都为虚拟现实系统的发展打下了良 好的基础。此时，有关虚拟现实技术的研 究不只局限于过去为数不多的研究机构，出现了v r技术的研究热潮，许多专 业公司开始研究和发展虚拟现实技术，并对其走向产业化作出努力。1 9 9 0年， j .r . e n n e g u i n和 r .s t o n e在 a r r l获得t 一个触觉反馈手套 ( t a c t i l e f e e d b a c k d a t a g l o v e )的专利，同年 s e n s e 8公司成立，a r r l获得了d i v i s i o n公司的第 ，一 型夔坠塑塑丝全丝丝匕一一二 一个v r系统订单:1 9 9 2 年，t .g .z i m m e r m a n在v p l公司获得了一个光学传 感手套专利 ( g l o v e u s i n g o p t i c a l s e n s i n g ) ，在同一年，d i v i s i o n 公司宣布了 她 的多 用 户v r 系 统( m u l t i - u s e r v i r t u a l r e a l it y s y s t e m ) , t h o m a s d e f a n t i 等人在 s i g g r a p h上宣布t c a v e系统: 1 9 9 3 年s g i 公司宣布7 她的r e a l i t y e n g i n e o 1 9 9 3 年，分别由i e e e 神经网络理事会 ( n n c - n e u r a l n e t w o r k s c o u n c i l ) 和 i e e e计算机科学技术委员会计算机图形学分会 ( t c c g - c o m p u t e r s o c i e t y t e c h n i c a l c o m m itt e e o n c o m p u t e r g r a p h i c s )发起的虚 拟现实国 际年 会 ( t h e v i r t u a l r e a l i t y a n n u a l i n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m ( v r a i s ) 和i e e e有关虚拟现 实研究前沿的会议在w a s h i n g t o n和c a l i f o r n i a 举行，后来v r a i s多次举行类 似会议;a c m s i g g r a p h在 1 9 9 2年后每年的国际会议上都有有关 v r的议 题，内容涉及到v r技术的各个方面。其他国际杂志涉及v r应用也有不同程 度的介绍，刊登的文章数目 逐年上升。在这期间，许多大型公司如 i b m , a u t o d e s k , s g i . d i v i s i o n , s u p e r s c a p e , v p l . v i r t u a l i t y等也涉足 v r领域， 建 立 v r研究小组， 取得了 可 喜的 成绩。 有 v r t , w t k , m u t ig e n , v e g a , o p e n l n v e n t o r , m r等主要针对虚拟环境建模和仿真的软件问世。生产的 硬件 的可靠性也越来越高，性能越来越好，且有商品出售。尤其虚拟现实建模语台 - ( v r m l - v ir tu a l r e a l i t y m o d e l i n g l a n g u a g e ) 在1 9 9 5 年6 月 的出 台， 使 得基于 i n t e r n e t 的网 上虚拟现实研究也变得 热起来。 总之，在 “ 需求牵引”和 “ 技术推动”下，v r技术取得了大量的研究成 果，并且不断向前发展。 1 . 3 . 2虚拟现实技术在国外的研究现状 美国是v r技术的发源地，美国的v r技术水平基本上就代表国际v r技术 的发展水平，目 前美国在该领域的研究主要集中在感知、用户界面、后台软件 和硬件等基础性研究。 n a s a在空间站操纵的远程控制仿真方面做了大量深入 的 研究并取得了 部分成功，其中最著名的工作是对哈勃太空望远镜的控制仿真， 现在正 在进行 “ 虚拟行星探索”实验:美国北卡来纳大学在基于 v r技术的分 子建模、 航空驾 驶、 外科手术仿真、 建筑仿真等方面处于世界领先的地位: m i t 建立了虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统;s r i 研究中心利用 v r技术对军 用飞机和车辆驾驶的训练进行仿真:h i t l a b 将v r技术引入了教育、设计、娱 西 南 交 通 大 学 博 士 研 究 生 望逐 第 9页 乐和制造等领域。 在欧洲和日本， v r作为一门新兴技术，受到各国的重视。e s a( 欧洲空间 局)用v r的远程操作来探索金星表面; 德国d a m a s t a d t 的f r a u n h o f e r 研究所开 发了一种名叫 “ 虚拟设计”的组合工具;英国的b r i s t o l 公司在软件研究和硬件 开发的个别方面处于领先地位 日 本在虚拟现实技术的研究和开发方面也是世 界领先的国家之一，主要致力于建立大规模 拟现实的游戏开发方面做了大量的工作。 v r知识库的研究，同时在基于虚 1 . 3 . 3虚拟现实技术在国内的研究现状 由于v r技术是一项投资大、难度高的新兴技术，我国和一些发达国家相 比还有一定差距。但 v r技术己引起了我国政府有关部门和学术界的高度重 视，并制定了开展v r技术研究的计划，例如:九五计划、国家自 然科学基金 会、8 6 3 发展计划等都把v r技术列入了 研究项目。 在紧跟国际 v r新技术的同时，国内一些高等院校己经积极投入到这一领 一域的 研 究 工 作中 ， 并 在不同 的 应 用 领 域 取 得了 相 应的 成 果。 北 京 航 空 航 天 大 学 计算机系是国内最早进行 v r技术研究的单位之一，研究的重点侧重于基础性 研究和航空仿真，并且开发了用于飞行员训练的虚拟现实系统:浙江大学 c a d 哈尔滨工业大 学成功地虚拟了人的高级行为中的特定人脸图象、表情、唇动等的合成;清华 大学对虚拟现实和临场感方面进行研究: 西安交通大学则对立体显示技术进行 研究:其它一些大学、科研机构以及一些企业也开始了对 v r技术在众多应用 领域的研究，内容涉及航空、航天、舰船、军事、制造、机车车辆、教育、娱 乐等领域。 v r 技术被誉为2 1 世纪的新技术， 是人类在人机接口 上需攻克的最后堡垒。 其应用将大大拓宽人类对现实世界尤其对未知现实世界的感觉和认识，从而也 _将引起人的感知和认知的一次飞跃。 西南交通大学博士研究生学位论文 第 1 0页 1 . 4虚拟现实研究的内容和存在的问题 1 . 4 . 1虚拟现实研究的主要内容 虚拟现实技术是多门学科的交叉，涉及到众多的研究内容。虚拟现实技 术的研究主要可以分为三类:第一类是研究人机交互界面;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图形画面的算法和 硬件体系结构;第三类是虚拟现实技术的应用研究。图1 - 5 表示虚拟现实技术 研究的划分( 11 1 2 5 1 人机界面 研究 二维 图形学理论显示技术 三 维 形 ，5 p h o t o r e a l i s m 立体 儿何造型 无障碍 人机交互 图 卜5虚拟现实研究的领域分类 就虚拟现实技术本身而言，研究的内容有: ( 1 ) 三维图形学理论研究:图形的三维生成理论及算法，几何造型技 术，真实感图形的产生算法，虚拟场景的建模、生成及简化，实 时三维图形学的原理和算法，图形加速技术，基于图象的三维场 景生成等; ( 2 ) 立体显示技术: 立体图象的产生原理和算法，图象的真实感，立 体视觉的产生原理，图象信号的同步，信号延迟特性的补偿，立 体硬件设备如 h m d 、立体眼镜等的设计以及其可靠性、鲁棒性的 研究等; 第 i i页 西南交通大学博士研究生学位论文 ( 3 ) ( 4) ( 5 ) 人机交互技术: 涉及人感官的生理心理学研究，人的认知建模研 究，人的肌肉系统及感觉传感系统的研究，人机交互的多模态特 性研究，姿势的识别、头部运动的跟踪和识别、表情的表达和识 别、手势的跟踪和识别、人脸的图象识别、唇动的合成、脚部运 动建模、 手部图象的识别、 模糊认知信息的表示、 触觉 ( t o u c h a n d h a p t i c ) 和力反 馈 ( f o r c e f e e d b a c k )的 模拟， 相应硬件如数据手 套、跟踪器、信号发生器、力反馈装置等设计，以及它们时延特 性的补偿、灵敏度、可靠度、鲁棒特性的研究和分析等。 计算机体系结构:研究专用于虚拟现实的计算机系统及外围设备。 如虚拟环境软件、虚拟现实平台、专门接口设备、专用数据格式 规范、远程数据通信、分布式虚拟现实系统体系结构和平台、多 用户虚拟现实系统体系结构和平台等等; 虚拟现实系统设计方法:从系统论和方法论上研究和规划虚拟现 实系统， 如面向a g e n t 的设计方法. 1 . 4 . 2虚拟现实研究中存在的问题 虽然虚拟现实这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也很广阔，但是客 观而论，目 前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机 的接口能力，离真正意义上的 “ 虚拟现实”还有较大的距离。作为一个多学科 交叉的新兴技术， 虚拟现实技术领域目 前还存在着许多尚未解决的理论问 题和 尚未克服的技术障碍: 一、在图形建模上，没有很完善的的理论和算法对复杂的不规则自 然对象 进行三维建模，虚拟对象与真实对象的差异性还很大，尤其在涉及非人工对象 的内在规律模拟， 人工生命的建模和智能模拟还存在很多缺陷甚至还有研究的 空白。 二、由于人对人自 身的生理心理结构、感觉知觉原理、动作行为等研究还 没有达到深入的地步，使得在人机交互上还存在许多的不足和很多值得研究的 领域，诸如手势识别、头部跟踪、表情识别、姿势识别、视觉系统等技术还存 在很多缺陷，生产的硬件如 h md . d a t a g l o v e的鲁棒性、灵敏性、反应的准确 性等不高，图象识别的质量和效率、立体图象生成的速度也有待提高。 西 南 交 通 大 学 博 士 研究 生 学 位 ie 3 t 第 1 2页