虚拟现实技术发展历程及发展趋势分析

网址网址 产业研究智库产业研究智库 经济资讯平台经济资讯平台 一 虚拟现实的概念和特性 虚拟现实 Viaual Reality 简称 VR 作为一种综合计算机图形技术 多媒体技术 传感 器技术 人机交互技术 网络技术 立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术而发展起 来的计算机领域的新技术 目前所涉及的研究应用领域已经包括军事 医学 心理学 教 育 科研 商业 影视 娱乐 制造业 工程训练等 VR 技术已经被公认为是 21 世纪重 要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一 虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维 空间的虚拟世界 提供使用者关于视觉 听觉 触觉等感官的模拟 让使用者如同身历其 境一般 可以及时 没有限制地观察三度空间内的事物 虚拟现实技术作为一种新的技术 主要有三个特性 分别是沉浸性 交互性和构想性 1 沉浸性 是指利用计算机产生的三维立体图像 让人置身于一种虚拟环境中 就像 在真实的客观世界中一样 能给人一种身临其境的感觉 2 交互性 在计算机生成的这种虚拟环境中 人们可以利用一些传感设备进行交互 感觉就像是在真实客观世界中一样 比如 当用户用手去抓取虚拟环境中的物体时 手就 有握东西的感觉 而且可感觉到物体的重量 3 构想性 虚拟环境可使用户沉浸其中并且获取新的知识 提高感性和理性认识 从 而使用户深化概念和萌发新的联想 因而可以说 虚拟现实可以启发人的创造性思维 二 虚拟现实技术的发展历程 虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段 1963 年以前 蕴涵虚拟现实技术 思想的第一阶段 1963 年 1972 年 虚拟现实技术的萌芽阶段 1973 年 1989 年 虚拟 现实技术概念和理论产生的初步阶段 1990 年至今 虚拟现实技术理论的完善和应用阶段 第一阶段 虚拟现实技术的前身 虚拟现实技术是对生物在自然环境中的感官和动作 等行为的一种模拟交互技术 它与仿真技术的发展是息息相关的 中国古代战国时期的风 筝 就是模拟飞行动物和人之间互动的大自然场景 风筝的拟声 拟真 互动的行为是仿 真技术在中国的早期应用 它也是中国古代人试验飞行器模型的最早发明 西方人利用中 国古代风筝原理发明了飞机 发明家 Edwin A Link 发明了飞行模拟器 让操作者能有乘 坐真正飞机的感觉 1962 年 Morton Heilig 的 全传感仿真器 的发明 就蕴涵了虚拟现 实技术的思想理论 这三个较典型的发明 都蕴涵了虚拟现实技术的思想 是虚拟现实技 术的前身 第二阶段 虚拟现实技术的萌芽阶段 1968 年美国计算机图形学之父 Ivan Sutherlan 开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器 HMD 及头部位置跟踪系统 是虚拟现实技术 发展史上一个重要的里程碑 此阶段也是虚拟现实技术的探索阶段 为虚拟现实技术的基 本思想产生和理论发展奠定了基础 网址网址 产业研究智库产业研究智库 经济资讯平台经济资讯平台 第三阶段 虚拟现实技术概念和理论产生的初步阶段 这一时期出现了 VIDEOPLACE 与 VIEW 两个比较典型的虚拟现实系统 由 M W Krueger 设计的 VIDEOPLACE 系统 将产生一个虚拟图形环境 使参与者的图像投影能实时地响应参与者 的活动 由 M MGreevy 领导完成的 VIEW 系统 在装备了数据手套和头部跟踪器后 通 过语言 手势等交互方式 形成虚拟现实系统 第四阶段 虚拟现实技术理论的完善和应用阶段 在这一阶段虚拟现实技术从研究型 阶段转向为应用型阶段 广泛运用到了科研 航空 医学 军事等人类 生活的各个领域中 如美军开发的空军任务支援系统和海军特种作战部队计划和演习 系统 对虚拟的军事演习也能达到真实军事演习的效果 浙江大学开发的虚拟故宫虚拟建 筑环境系统和 CAD CG 国家重点实验室开发出桌面虚拟建筑环境实时漫游系统 北京航 空航天大学开发的虚拟现实与可视化新技术研究室的虚拟环境系统 三 国外虚拟现实技术的研究现状 VR 技术最早在 20 世纪中期由美国 VPL 探索公司和它的创始人 Jamn IJaIlier 提出这 一概念 后来美国宇航局 NASA 的艾姆斯空间中心利用流行的液晶显示电视和其它设备 开始研制低成本的虚拟现实系统 推动了该技术硬件的进步 目前 虚拟现实技术已获得 了长足的发展 在国内 20 世纪 80 年代末开始进行研究 目前还处于初级阶段 1 美国虚拟现实技术的研究动态 美国作为 VR 技术的发源地 其研究水平基本上就代表国际 VR 发展的水平 目前美 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 美国宇航 局 NASA 的 Ames 实验室研究主要集中在以下方面 将数据手套工程化 使其成为可用性 较高的产品 在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真 大量运用了面向座舱的飞行 模拟技术 对哈勃太空望远镜的仿真 现在正致力于一个叫 虚拟行星探索 vPE 的试验 计划 现在 NASA 己经建立了航空 卫星维护 VR 训练系统 空间站 VR 训练系统 并且 已经建立了可供全国使用的 VR 教育系统 北卡罗来纳大学 UNC 的计算机系是进行 VR 研究最早的大学 他们主要研究分子建模 航空驾驶 外科手术仿真 建筑仿真等 Loma lAnda 大学医学中心的 David Warner 博士和他的研究小组成功地将计算机图形及 VR 的设 备用于探讨与神经疾病相关的问题 首创了 VR 儿科治疗法 麻省理工学院 MIT 是研究人 工智能 机器人和计算机图形学及动画的先锋 这些技术都是 VR 技术的基础 1985 年 M1T 成立了媒体实验室 进行虚拟环境的正规研究 华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界 面技术实验室 1ilT lab 将 VR 研究引入了教育 设计 娱乐和制造领域 从 90 年代初起 美国率先将虚拟现实技术用于军事领域 主要用于以下四个方面 虚拟战场环境 进行单 兵模拟训练 实施诸军兵种联合演习 进行指挥员训练 2 英国和日本虚拟现实技术的研究与开发 在 VR 开发的某些方面 特别是在分布并行处理 辅助设备 包括触觉反馈 设计和应 网址网址 产业研究智库产业研究智库 经济资讯平台经济资讯平台 用研究方面 英国是领先的 尤其是在欧洲 英国主要有四个从事 VR 技术研究的中心 4 Windustries 工业集团公司 是国际 VR 界的著名开发机构 在工业设计和可视化等重 要领域占有一席之地 BritishAerospace 英国 航空公司 BAe 的 Brough 分部 正在利用 VR 技术设计高级战斗机座舱 Dimension International 是桌面 VR 的先驱 该公司生产了一系列的商业 VR 软件包 都命名为 Superscape Divison LTD 公司在开发 VISION Pro Vision 和 su pervision 系统 模块化高 速图形引擎中 率先使用了 Tmnsputer 和 i860 技术 日本主要致力于建立大规模 VR 知识 库的研究 在虚拟现实的游戏方面的研究也处于领先地位 京都的先进电子通信研究所 ATR 正在开发一套系统 它能用图像处理来识别手势和面部表情 并把它们作为系统输 入 富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与 VR 环境的相互作用 他们还在研究虚拟 现实中的手势识别 已经开发了一套神经网络姿势识别系统 该系统可以识别姿势 也可 以识别表示词的信号语言 日本奈良尖端技术研究生院大学教授千原国宏领导的研究小组 于 2004 年开发出一种嗅觉模拟器 只要把虚拟空间里的水果拉到鼻尖上一闻 装置就会在 鼻尖处放出水果的香味 这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破 四 我国虚拟现实技术的研究现状 我国 VR 技术研究起步较晚 与国外发达国家还有一定的差距 但现在已引起国家有 关部门和科学家们的高度重视 并根据我国的国情 制定了开展 VR 技术的研究计划 九 五规划 国家自然科学基金委 国家高技术研究发展计划等都把 VR 列入了研究项目 国 内一些重点院校 已积极投入到了这一领域的研究工作 北京航空航天大学计算机系是国 内最早进行 VR 研究 最有权威的单位之一 并在以下方面取得进展 着重研究了虚拟环 境中物体物理特性的表示与处理 在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件 并提出 有关算法及实现方法 实现了分布式虚拟环境网络设计 可以提供实时三维动态数据库 虚拟现实演示环境 用于飞行员训练的虚拟现实系统 虚拟现实应用系统的开发平台等 浙江大学 CAD CG 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统 还 研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法 哈尔滨工 业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成 表情的合成和唇动的合 成等技术问题 清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究 西 安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术 立体显示技术进行了研究 提出 了一种基于 JPEG 标准压缩编码新方案 获得了较高的压缩比 信噪比以及解压速度 北 方工业大学 CAD 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一 中国第一部完全 用计算机动画技术制作的科教片 相似 就出自该中心 五 虚拟现实技术发展趋势 VR 技术是高度集成的技术 涵盖计算机软硬件 传感器技术 立体显示技术等 VR 技术的研究内容大体上可分为 VR 技术本身的研究和 VR 技术应用的研究两大类 根据 vR 所倾向的特征的不同 目前虚拟现实系统主要划分为四个层次 即桌面式 增强式 沉浸 网址网址 产业研究智库产业研究智库 经济资讯平台经济资讯平台 式和网络分布式虚拟现实 VR 技术的实质是构建一种人能够与之进行自由交互的 世界 在这个 世界 中参与者可以实时地探索或移动其中的对象 沉浸式虚拟现实是最理想的 追求目标 实现的主要方式主要是戴上特制的头盔显示器 数据手套以及身体部位跟踪器 通过听觉 触觉和视觉在虚拟场景中进行体验 桌面式虚拟现实系统被称为 窗口仿真 尽管有一定的局限性 但由于成本低廉而仍然得到了广泛应用 增强式虚拟现实系统主要 用来为一群戴上立体眼镜的人观察虚拟环境 性能介于以上两者之间 也成为开发的热点 之一 总体上看 纵观多年来的发展历程 VR 技术的未来研究仍将遵循 低成本 高性 能 这一原则 从软件 硬件上展开 并将在以下主要方向发展 1 动态环境建模技术 虚拟环境的建立是 VR 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 并根据需要建立相应的虚拟环境模型 2 实时三维图形生成和显示技术 三维图形的生成技术已比较成熟 而关键是如何 实时生成 在不降低图形的质量和 复杂程度的前提下 如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容 此外 VR 还依赖于立 体显示和传感器技术的发展 现有的虚拟设备还不能满足系统的需要 有必要开发新的三 维图形生成和显示技术 3 人机交互 新型交互设备的研制虚拟现实实现人能够自由地与虚拟世界中的对象进行交互 犹如 身临其境 借助的输入输出设备主要有头盔显示器 数据手套 数据衣服 三维位置传感 器和三维声音产生器等 因此 新型 便宜 鲁棒性优良的数据手套和数据服将成为未来 研究的重要方向 4 智能化语音虚拟现实建模 虚拟现实建模是一个比较繁复的过程 需要大量的时间和精力 如果将 VR 技术与智 能技术 语音识别技术结合起来 可以很好地解决这个问题 我们对模型的属性 方法和 一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据 然后利用计算机的图形处理技 术和人工智能技术进行设计 导航和评价 将基本模型用对象表示出来 并逻辑地将各种 基本模型静态或动态地连接起来 最后形成系统模型 在各种模型形成后进行评价并给出 结果 并由人直接通过语言来进行编辑和确认 5 大型网络分布式虚拟现实 Distributed Virtual Reality DVR 的应用 网络分布式虚拟现实将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络联结起来 采用协调一 致的结构 标准 协议和数据库 形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟 合成环境 参与者可自由地进行交互作用 目前 分布式虚拟交互仿真已成为国际上的研究热点 相 继推出了 DIS mA 等相关标准 网络分布式 VR 在航天中极具应用价值 例如 国际空间 网址网址 产业研究智库产业研究智库 经济资讯平台经济资讯平台 站的参与国分布在世界不同区域 分布式 VR 训练环境不需要在各国重建仿真系统 这样 不仅减少了研制费设备费用 而且也减少了人员出差的费用和异地生活的不适 六 虚拟现实市场规模分析及前景预测 据数据分析机构 SuperDataResearch 的一份报告显示 至 2016 年末 VR 产品用户数将 达到 3 89 千万 同时 VR 市场规模有望达到 51 亿美元 该分析预计 2016 年欧洲将成为 VR 产品的第一市场 规模将达到 19 亿美元 北美地区的市场规模为 15 亿美元 紧接着 的是亚洲市场 将达到 11 亿美元 上述地区加上世界其他地区的 6 亿美元 2016 年 VR 市场总规模可达 51 亿美元 值得一提的是 2016 年