虚拟现实技术研究论文.doc

多媒体技术期末论文多媒体技术期末论文题目：虚拟现实技术的应用研究关键字：虚拟现实 虚拟环境 虚拟现实系统一 虚拟现实技术综述与发展方向虚拟现实是从英文Virtual Reality翻译而来，是一项融合了计算机图形学、人机接口技术、传感技术、心理学、人类工程学及人工智能的综合技术。它们带给人们的共同感受是：虚拟和现实间已没有明显界限。虚拟现实的广泛应用前景使之成为目前最具影响力的技术之一。虚拟现实技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，它在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，能使用户具有身临其境的沉浸感，具有与环境完善的交互作用能力，并有助于启发构思，它已成为构造虚拟样机，支持虚拟样机技术的重要工具。虚拟样机是一个复杂的系统，主要表现在组成关系复杂、与外界环境的交互关系复杂、开发过程复杂、涉及的仿真类型和学科领域众多、应用范围广泛等。虚拟样机可以理解为利用虚拟现实技术将产品数据变为取代物理样机的数字模型，强调仿真数据的可视化，在虚拟环境中逼真地显示产品的全部特征。虚拟样机是由分布的、不同工具开发的、甚至异构的子模型组成的模型联合体，主要包括产品的CAD模型、产品的外观模型、产品的功能和性能仿真模型、产品的各种分析模型(可制造性、可装配行等)、产品的使用和维护模型和环境模型等。借助虚拟样机，设计人员可以通过成熟的三维计算机图形学，模拟在真实环境下产品的各种运动和动力特性，并能根据仿真结果优化产品的设计方案。二 虚拟现实技术的接口2.1 输入设备的接口三维位置跟踪器：虚拟现实技术中用于测量三维对象位置和方向的实时变化的专门硬件设备为跟踪器，在虚拟现实应用中，为控制观察方向和操纵对象，需测量用户头部、手、四肢的运动，还有一种需要跟踪的信息是三位声音信息。三位跟踪器的性能参数包括：精度、抖动、偏差、和延迟。现常用的跟踪器有：机械跟踪器、电磁跟踪器、交流电磁跟踪器、直流电磁跟踪器、超声波跟踪器、光学跟踪器、混合惯性跟踪器。(1) 漫游和操纵接口该接口是一种设备，它允许通过选择和操纵感兴趣的虚拟对象，交互式的改变虚拟环境和探索过程中的视图。(2)手势接口是测量用户手指实时位置的设备，其目的是为了实现虚拟环境下的基于手势识别的自然交互。2.2输出设备的接口 输出设备作为一类专门的硬件设备，他们为用户提供仿真过程对这些输入的反馈，通过这些接口给用户产生反馈的感觉通道，包括视觉(通过图形显示设备)、听觉(通过三维声音显示设备)和触觉(通过触觉显示设备)。(1) 图形显示设备 是一种计算机接口设备，它把合成出的世界图像展现给与虚拟世界进行交互的一个或多个用户。（2）声音显示设备 是一类计算机接口，能给与虚拟世界交互的用户提供合成的声音反馈。（3）触觉反馈可以分为接触反馈和力反馈两种模态。接触反馈传送接触表面的几何结构、虚拟对象的表面硬度、华东和温度等实时信息。三 虚拟现实技术的重要技术特征 虚拟现实的定义可以归纳如下：虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场等），通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实技术因此具有以下四个重要特征：（1） 多感知性 所谓多感知性就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。（2） 存在感 又称临场感，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。（3）交互性 交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。（4）自主性 是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。四 现有虚拟现实系统的关键技术虚拟现实的关键技术可以包括以下几个方面：（1）动态环境建模技术 虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境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。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。（2）实时三维图形生成技术 三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。（3）立体显示和传感器技术 虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。（4）应用系统开发工具 虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。（5）系统集成技术由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。五 虚拟现实的建模研究 虚拟环境的建模是VR的基础，主要包括三维视觉建模和三维听觉建模。其中视觉建模主要包括几何建模、运动建模物理建模、对象行为建模和模型切分等。几何建模描述对象的形状(多边形、三角形和顶点)和外表(纹理、表面反射、颜色)。对象形状能通过PHIGS、GL、XGL等图形库从头创建，但一般都要采用专门的建模工具进行，以提高效率。 运动建模主要用于确定三维对象在世界坐标系中的位置，以及他们在虚拟世界中的运动。对象运动受父子层次关系的制约，父对象的运动会影响子对象。运动建模的另一个方面是设置观察世界的方式，即虚拟相机的运动，最后照相机图像需经过变换投影到二维显示窗口中，为用户提供视觉反馈。 物理建模是综合体现对象的物理特性，包括重量、惯性、表面硬度、柔软度、变形模式等。这些特征与对象的行为给虚拟世界的模型带来更大真实感。物理建模所需计算负载被分派到触觉绘制流水线。行为建模主要通过虚拟人来完成。虚拟人agent的行为模型包括情绪、行为规则和动作。Agent的行为具有层次性，最底层是反射行为。反射行为表现为，每当看见对手就进行阻截。基于情绪的行为通过喜欢、不喜欢、生气、恐惧过滤感知数据，因此它比简单的反射行为层次要高。六 结语 传统的信息处理环境一直是“