虚拟现实技术.doc

虚拟现实技术韩xx 30xxxxxxxx 工科试验班xxxx Absract:阐述了虚拟现实的定义、重要特征和硬软件基础,研究了虚拟环境的体系结构、组 成模块、实现方法和系统分类方法,探讨了其技术的主要应用领域以及该技术带来的哲学思考. Key words:虚拟现实;体系结构;虚拟制造；哲学思考。 Introduction:虚拟现实(Virtual Reality , VR) ,又称虚拟环境(Virtual Environment , VE) 或灵境,是20 世纪90 年代最重要的成就之一,被称为“放大智慧的工具”,也有人认为“21 世纪的计算机是虚拟现实计算机”. 1 虚拟现实的定义、重要特征和硬软件基础 1. 1 虚拟现实的定义 虚拟现实技术可以定义为对现实世界进行五维时空的仿真,即除了对三维空间和 一维时间仿真外,还包含对自然交互方式的仿真. 它由计算机生成,通过视、听、触觉等作用于用户,使之产生身临其境的交互式场景仿真,是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统. 一个完整的虚拟现实系统包含一个逼真的三维虚拟环境和符合人们自然交互习惯的人机交互界面,分布式虚拟现实系统还要包含用于共享信息的人机交互界面. 1. 2 虚拟现实的重要特征 虚拟现实技术是计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术等技术综合发展的产物. 它具有以下4个特征: (1) 多感知性(Multisensory) ,所谓多感知性就是除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、触觉感知、力觉感知、运动感知,甚至包括味觉感知、嗅觉感知等. 理想的虚拟现实环境应该包含对人自然交互方式的模拟,能提供给用户以视觉、听觉、触觉、嗅觉甚至味觉等多感通道. (2) 存在感(Presence) ,又称沉浸感( Immersion) ,在虚拟现实的环境中,用户能感到自己成为了一个“发现者和行动者”. 例如,视场中的景物随着人的走动或头部的转动甚至眼球的转动而变动. 理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度. (3) 交互性( Interaction) ,是指用户可以对模拟环境中的物体直接操作,并从环境得到信息或感受. 例如,用户可以用手去直接抓取模拟环境中的物体,这时手要有握着东西的感觉,并可以感觉物体的重量(其实这时手里并没有实物) ,视场中被抓的物体也立刻随着手的移动而移动.(4) 自主性(Autonomy) ,是指虚拟环境中的对象具有依据物理定律动作的能力. 例如,当受到力的推动时,物体会向力的方向移动,或反倒,或从桌面落到地面等1 . 虚拟现实技术是一种为改善人与计算机的交互方式,提高计算机可操作性的人机界面综合技术. 与其它计算机系统相比,虚拟环境可提供实时交互性操作、三维视觉空间和多通道(视觉、听觉、触觉、嗅觉) 的人机界面. 虚拟环境的三维属性和高保真性,使用户从单纯观测计算结果中解脱出来,沉浸到计算机创造的环境中,通过多种传感器和多维信息环境的交互作用,得到感性和理性的认识,从而深化概念并萌生新的创造思维. 1. 3 虚拟现实的硬软件基础 虚拟现实的主要硬件设备包括:高性能计算机;广角(宽视野) 的立体显示设备;观察者(头、眼) 的跟踪设备;人体姿势的跟踪设备;立体声设备;触觉、力反馈;语言输入输出等硬件设备2 . 系统交互性是虚拟现实系统的首要特性. 为了允许人机交互,必须使用特殊的人机接口与外部设备,既要允许用户将信息输入到计算机,也要使计算机能反馈信息给用户. 今天的外部设备在功能和目的上各不相同. 例如,身体运动由3 - D 位置跟踪器跟踪,手势由传感手套数字化,视觉反馈发送给立体显示器,虚拟声音由3 - D 声音生成器计算,观察方向随跟踪球和操作杆改变等. 虚拟环境中采用的软件有四类: (1) 语言类:如C + + 、OpenGL 、VRWL 等. (2) 建模软件类:如AutoCAD、Solid Works、ProPEngineer、I - DEAS、CATIA 等. (3) 应用软件类:指用户自己的各种需求,选择或者开发的自用软件. (4) 通用的商用工具软件包:帮助用户建立虚拟环境的通用和基本的软件,可以使用户显著地加快虚拟现实系统的开发进程. 可用于建立虚拟环境的图形软件包有:WTK、OpenGL 、Java3D、VRML 等. 2 虚拟现实技术的体系结构 2. 1 虚拟环境的系统结构 虚拟环境(Virtual Environment , VE) 是体现了虚拟现实所具备的功能的一种计算机环境. 虚拟环境技术的体系结构可以用图1所示的3-I“三角形”来表示，所谓的“3-I”是：Immersion-Interaction-Imagination(沉浸-交互-构想)。 典型的虚拟现实系统有VIDEOPLACE 系统、VIEW系统、Super Vision 系统等.VIEW系统是第一个走出实验室进入工业应用的虚拟环境系统,它允许操作者以自然的交互手段考察全视角的人工世界,目前大多数虚拟现实系统体系结构都是由此发展而来的. 图1 虚拟现实硬件系统结构 2. 2 虚拟现实系统的组成模块 虚拟现实系统由以下模块组成: (1) 输入模块:是虚拟现实系统的输入接口,其功能是检测用户的输入信号,并通过传感模块作用于虚拟环境. 输入模块一般是数据手套、头盔显示器上的传感器,用于感应手的动作、手和头部的位置;对于桌面现实系统而言,输入模块一般是键盘、鼠标、麦克风等. 2) 传感器模块:是虚拟现实系统中操作者和虚拟环境之间的桥梁. 一方面,传感器模块接受输入模块产生的信息,并将其作用于虚拟环境;另一方面将操作后产生的结果反馈给输入模块. (3) 响应模块:是虚拟现实系统的控制中心. 响应模块一般是软件模块,其作用是处理来自传感器模块的信息,如根据用户视点位置和角度实时生成三维模型根据用户头部的位置实时生成声效.(4) 反馈模块:是虚拟现实系统的输出接口. 其功能是将响应模块生成的信息通过传感器模块传给输出设备,如头盔显示器、耳机等,实时渲染视觉效果和声音效果. 从系统组成结构来看,虚拟现实的体系结构如图2 所示. 图2 虚拟现实系统组成结构 2. 3 虚拟环境的实现方法 产生虚拟环境的基本方法有两种,即基于图像的方法( Image - Based Method) 和基于模型的方法(Model -Based Method) . 2. 3. 1 基于图像的方法:全景图生成技术是基于图像方法的关键技术. 了解全景图要先了解两个概念:其一,视点是指用户某一时刻在虚拟实景空间中的观察点,观测时所用的焦距固定. 其二,视点空间是指某一视点处用户所观察到的场景. 全景图实际上是空间中一个视点对周围环境的360度全封闭视图. 根据视点全景图允许浏览的空间自由度,全景图可分为柱面全景图和球面全景图.全景图生成涉及图像无缝连接技术和纹理映射技术,其原始资料是利用照相机的平移或旋转得到的部分重叠的序列图像技术样本. 纹理映射技术用于形成封闭的纹理映射空间,如柱面纹理映射空间和球面纹理映射空间. 用户可以在柱面全景空间进行水平360度范围内任意视线切换,在球面全景空间进行经纬360度范围内任意视线切换. 2. 3. 2 基于模型的方法:又称为基于景物几何的方法,是以几何实体建立虚拟环境. 几何实体可采用计算机图形学技术绘制,也可用已有的建模工具如AutoCAD、3Dstudio 等建立模型,然后以统一数据格式输出,进行实时渲染. 建立虚拟现实模型后,通过加入事件响应,实现移动、旋转、视点变换等操作,从而实现交互式虚拟环境. 基于模型的方法主要涉及以下关键技术: (1) 三维实体几何建模技术. 虚拟环境的建模是虚拟现实技术的核心内容,动态建模则是建模技术的难点. 动态建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型. (2) 实时渲染技术. 如果实时性不好,用户在虚拟环境中浏览或操纵时,会出现视觉或听觉滞后;如果从一个视点转向另一个视点,或操纵虚拟环境中的物体时,需要等待很长时间,用户很难在虚拟环境中获得参与感和沉浸感. (3) 碰撞检测、干涉效验及关联运动. 在机械虚拟装配、机械设备虚拟布局等技术中,碰撞检测和干涉效验显得尤为重要. 关联运动则反映虚拟环境中物体之间的连动关系. 目前还没有很好地解决碰撞检测的完全性和唯一性问题的高效算法,对于虚拟环境下关联运动的研究还是空白. (4) 物理属性. 包括实体表面光滑程度、光学效果、软硬程度、密度、力学特性等. 软触觉与力反馈是基于模型的虚拟环境物理属性的主要实现方法. 由于软件瓶颈的限制,虚拟环境的物理属性一直是虚拟技术的难点. 2. 4 虚拟环境系统的分类方法 根据显示方式可分为桌面式、佩带式和全景式3 . 桌面式系统场景通过计算机屏幕显示,用户用立体眼镜观察,声音由台式或室内音响系统提供. 佩带式是用头盔将用户视听觉与外界隔离,使用户完全沉浸在计算机生成的虚拟环境中,计算机通过位置跟踪器、数据手套或跟踪球等感知用户的运动、姿态及行为,并反馈到场景及声音系统中,产生人在其中的效果. 全景式虚拟现实系统是投影系统,生成洞穴式虚拟现实. 观察者佩带立体眼镜和头部跟踪器,当观察者移动时,立体投影生成器计算出各面墙上的图像. 根据与外界真实世界的关系可分为封闭式与开放式两类. 封闭式虚拟现实系统不与真正世界发生交互,任何操作不对外界产生直接影响,例如娱乐系统或单纯的验证预演、仿真系统. 开放式虚拟现实系统则通过传感器和控制器与外界构成交互作用,系统可根据用户要求对外界产生直接作用并得到相应反馈信息,例如遥控机器人、遥控空间站及遥控手术系统等. 根据采用的计算机不同可以分为基于微机的系统、基于工作站和分布式虚拟现实系统. 基于微机的系统由486 以上的计算机构成,由图形加速卡将生成的压缩图像信息,经解压缩和制式转换后分别送到左右眼显示器显示图像;三维声效卡产生三维声音;位置跟踪器跟踪头部位置的变化. 基于工作站的虚拟现实系统采用若干个UNIX 工作站,通过以太网构建服务器接口. 系统采用Fastrak 低频磁场方向跟踪器跟踪操作手的位置,用RM 力反馈手套检测手指的弯曲姿态,服务器SUN4P380 通过数据获取板读取力反馈手套RM的检测数据,当检测到虚拟手指与物体接触时,根据物体的物理机械特性向反馈手套输出反馈数据,使操作手产生触觉,并向图像处理服务器HP715P75 输出物体变形数据,产生变形图像. 服务器SUN ELC 运行声音处理程序,发出相应声音. 分布式虚拟现实系统可以使设计者和工程师用三维方式进行实时交互,及时消除设计上的缺陷,缩短产品投放市场的时间. 3 虚拟现实技术的主要应用领域 3. 1 在汽车制造业的应用 近年来,虚拟现实技术在汽车制造业得到了广泛的应用. 例如,美国通用汽车公司利用虚拟现实系统CAVE(Computer - Assisted Virtual Environment) 来体验置于汽车之中的感受,其目标是减少或消除实体模型,缩短开发周期. CAVE 系统同样可用来进行车型设计,可以从不同的位置观看车内的景像,以确定仪器仪表的视线和外部视线的满意性和安全性. 1997 年5 月福特公司宣布,它已成为第一个着眼于“地球村”概念的采用计算机虚拟设计装配工艺的汽车厂商. 使用“虚拟工厂”已经使得福特公司的产品开发节约时间、降低成 本,并使设计的汽车更适合组装和维修,具有很高的质量. 福特公司使用“虚拟工厂”的战略目标是减少生产中采用的90 %的实体模型,这一目标的实现将为福特公司每年节省2 亿美元.据估计,使用“虚拟工厂”将在推出一辆新车的过程中减少20 %的因生产原因修改最初设计的事件. 同时,福特公司正在尝试全新概念的发动机“虚拟样机”设计. 英国航空实验室采用一个高分辨率头盔显示器、一个数据手套、一个三维系统音响 和一台工作站为用户提供了一个由计算机生成的虚拟轿车客舱,设计人员能够精确研究轿车内部的人体工程学参数,并且在需要时可以修改虚拟部件的位置,进而可以在仿真系统中重新设计整个轿车内部. 雷诺汽车公司采用了在“现实生活”的背景下加人“虚拟汽车”的方法来评估待开发的新车型.“City Fleet”就是虚拟与现实相结合的产物,它将计算机生成的虚拟汽车和实际拍摄的城市场景镜头完美地结合在一起,以得到真实车的感觉. 因此不必制造物理原型就能够检测将要推向市场的汽车,检验造型与环境的匹配及适应性,这对减少汽车新车型开发周期无疑将起积极作用. 3. 2 在飞行仿真领域的应用 飞行仿真系统由四部分组成,即飞行员的操纵舱系统、显示外部图像的视觉系统、产生运动感的运动系统、计算和控制飞行运动的计算机系统. 计算机系统是飞行仿真系统的中枢,用它来计算飞行的运动、控制仪表及指示灯、驾驶杆等信号. 视觉系统和运动系统与虚拟现实密切相关,其中,视觉系统向飞行员提供外界的视觉信息. 该系统由产生视觉图像的“图像产生部”和将产生的信号提供给飞行员的“视觉显示部”组成. 在图像产生部,随着计算机图形学的发展,现在使用称为CGI(Computer Generated Imagery) 的视觉产生装置. 在CGI 中利用纹理图形驾驶可以产生云彩、海面的波浪等效果. 此外,利用图像映射驾驶可以从航空照片上将农田以及城市分离出来,并作为图像数据加以利用. 视觉显示部向飞行员提供具有真实感的图像,图像的显示有无限远显示方式、广角方式、半球方式以及立体眼镜和头盔式显示器等四种方式. 作为飞行仿真系统的构成部分,运动系统向飞行员提供一种身体感觉,它使得驾驶舱整体产生运动。利用该运动系统,飞行员可以感觉到实际飞机一样的运动感觉. 3. 3 在虚拟实验方面的应用 虚拟风洞:为了设计出阻力小的机翼,人们必须详细分析机翼的空气动力学特性. 因此,人们发明了风洞实验方法,通过使用烟雾气体使得人们可以用肉眼直接观察到气体与机翼的作用情况,因而大大提高了人们对机翼的动力学特性的了解. 虚拟风洞的目的是让工程师分析多旋涡的复杂三维性质和效果、空气循环区域、旋涡被破坏时的乱流等,而这些分析利用通常的数据仿真是很难可视化的. 虚拟物理实验室:虚拟物理实验室的设计,使得学生可以通过亲身实践做、看、听成为可能. 使用该系统,学生们可以很容易的演示和控制力的大小、物体的形变与非形变碰撞、摩擦等物理现象. 为了显示物体的运动轨迹,可以对不同大小和质量的运动物体进行轨迹追踪,还可以停止时间的推移,以便仔细观察随时间变化的现象. 学生可以通过使用数据手套与系统进行各种交互. 虚拟电力控制室:在现行的电力控制室的设计中,控制台以及显示器的设计一般是用与实物同等大小的模型4 . 研究人员使用虚拟现实技术研制了一个辅助设计控制室的系统. 使用该系统可以自由地改变控制室内的配色、照明、报警、显示器的画面构成,以及各种仪表的配置等室内环境. 此外,用户还可以在室内移动,以便从不同方向观察室内情况. 3. 4 在教育培训领域的应用 虚拟环境在呈献知识信息方面有着独特的优势,它可以在广泛的科目领域提供无限的VR 体验,从而加速和巩固学生学习知识的过程. 例如,核电站或雾中着陆等危险环境可在对受训者毫无威胁的情况下进行精确模拟. 模拟器的容错特点使受训者能亲身体验到在现实生活中体验不到的经历. 飞行模拟器、驾驶模拟器是培训飞行员和汽车驾驶员的一种非常有用的工具. 因此,虚拟现实技术在教育领域有着十分广泛的应用前景.例如,在建筑工程学:交互性地参观还没有完工的办公大搂,寻觅装饰的构思;或者参观房屋模型,学习建筑原理. 参观世界各地的经典建筑,寻找建筑设计的灵感. 在考古学方面:参观世界上你不可能到达的博物馆,研究从未对公众开放过的私人收藏的绘画或雕塑. 在生物教育方面:操纵分子模型,观察不同药物的立体结构图像;或者沿着丛林小溪来研究海狸的习性,等等. 3. 5 在医学领域的应用 2001 年9 月7 日,一名美国纽约市的法国医生通过遥控机器人为远在大西洋彼岸的一名法国妇女成功地实施了腹腔手术. 医生通过监视器,操作两只装有内窥镜、手术刀和镊子等手术器械的机械臂,成功地切除了病变的胆囊组织. 科学家们最近发明了一种“虚拟现实”装置,使原本微小的细胞看上去有足球场那么大.这样,就可以更微观地对细胞进行研究. 这种“虚拟现实”装置的外形,像一个头盔,可以戴在头上,它利用一个分辨率极高的显微镜获取数据,然后再对这些数据进行加工,传送到使用者的视野里,可以十分轻松地观察到试管里的研究对象. 采用这种技术,可以更加方便地进行各种实验,甚至能够“感受”到显微镜下不同物体的组织结构. 芝加哥的伊利诺斯大学采用虚拟现实技术分析神经系统的工作原理. 项目主要包括电场可视化、大脑皮层仿真及普尔钦神经效应仿真. 该项目推动了低成本虚拟现实系统作为可视化工具的研究. 3. 6 在军事上的应用 虚拟现实在军事上有着广泛的应用和特殊的价值,如新式武器的研制和装备、作战指挥模拟、武器的使用培训等都可以应用虚拟现实技术. 虚拟现实技术已被用于探索、评价当今的士兵将怎样在无实际环境支持下掌握新武器的使用及其战术性能等. 人们希望虚拟域最终将提供与真实域相当的所有的现实性,而且没有费用、组织、天气和时间等等方面的明显缺陷. 虚拟域是可重复的、交互的、三维的、精确的、可重配置的和可连网的,它将成为军事训练的重要媒体. 近年来,虚拟现实技术的应用,使得军事演习在概念上和方法上有了一个新的飞跃,即通过建立虚拟战场来检验和评估武器系统的性能. 例如一种虚拟战场环境,它能够包括在地面行进的坦克和装