虚拟现实技术概述

1、.：.；虚拟现实技术概述1什么是虚拟现实技术虚拟现实Virtual Reality，简称VR技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，它与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。它以计算机技术为主，利用并综合三维图形动技术、多媒体技术、仿真技术、传感技术、显示技术、伺服技术等多种高科技的最新开展成果，利用计算机等设备来产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多种感官体验的虚拟世界，从而使处于虚拟世界中的人产生一种身临其境的觉得。在这个虚拟世界中，人们可直接察看周围世界及物体的内在变化，与其中的物体之间进展自然的交互，并能实时产生与真实世界一样的觉得，使人与计算机融为一体。与传统的模

2、拟技术相比，VR技术的主要特征是：用户可以进入到一个由计算机系统生成的交互式的三维虚拟环境中，可以与之进展交互。经过参与者与仿真环境的相互作用，并利用人类本身对所接触事物的感知和认知才干，协助 启发参与者的思想，全方位地获取事物的各种空间信息和逻辑信息。2虚拟现实技术与三维动画技术的异同VR技术和三维动画技术有本质的区别：三维动画技术是依托计算机预先处置好的途径上所能看见的静止照片延续播放而构成的，不具有任何交互性，即不是用户想看什么地方就能看到什么地方，用户只能按照设计师预先固定好的一条线路去看某些场景，它给用户提供的信息很少或不是所需的，用户是被动的；而VR技术那么截然不同，它经过计算机实

3、时计算场景，根据用户的需求把整个空间中一切的信息真实地提供应用户，用户可依本人的道路行走，计算时机产生相应的场景，真正做到“想得到，就看得到。所以说交互性是两者最大的不同。下面来看一个运用的实例。房地产展现是这两个技术最常用的领域。在如今的运用中，很多房地产公司采用三维动画技术来展现楼盘，其设计周期长，方式固定，制造费用高；而同时在国内也曾经有多家公司采用VR技术来进展设计，其展现效果好，设计周期短，更重要的是，它是基于真实数据的科学仿真，不仅可到达普通展现的功能，而且还可以把业主带入到未来的建筑物里观赏，还可展现如门的高度、窗户朝向、某时间的日照、采光的多少、样板房的自我设计、与周围环境的相

4、互影响等。这些都是三维动画技术所无法比较的。有关VR技术与三维动画技术的比较见表1-1。表1-1 比较工程VR技术三维动画技术科学性及场景的选择性虚拟世界基于真实数据建立的模型组合而成，属于科学仿真系统。支配者亲身体验三维空间，可自在选择察看途径，有身临其境的觉得 场景画面根据资料或想像直接绘制而与真实的世界和数据有较大的差距，属于演示类艺术作品。只能按预先假定的察看途径观看。实时交互性支配者可以实时感遭到运动带来的场景变化，具有双向互动的功能只能单向演示，场景变化的画面需求事先制造生成 空间立体感支持立体显示和三维立体声，具有三维空间真实感 不支持演示时间没有时间限制，可真实详尽的展现，性价

5、比高 受动画制造时间限制，无法详尽展现，性价比低 方案运用的灵敏性支持方案调整、评价、管理、信息查询等功能，同时又具有更真实直观的演示功能 只具有简单的演示功能3虚拟现实技术的开展简史VR技术的开展大致分为3个阶段：20世纪50年代到70年代末，是VR 技术的探求阶段；20世纪80年代初期到80年代中期，是VR技术系统化、从实验室走向适用的阶段；20世纪80年代末期到达21世纪初，是VR技术高速开展的阶段。第一套具有VR思想的安装是莫顿。海利希在1962年研制的称为Senorama的具有多种感官刺激的立体电影系统，它是一套只能供个人观看立体的设备，采用模拟电子技术与文娱技术相结合的全新技术，能

6、产生立体声音效果，并能有不同的气味，座位也能根据剧情的变化摇摆或振动，观看时还能觉得到有风在吹动。在随后几年中，艾凡.萨瑟兰在麻省理工学院开场头盔式显示器的研制任务，人们戴上这个头盔式显示器，就会产生身临其境的觉得。研制者们于1970年研制出了第一个功能较齐全的HMD系统。美国的Jaron Lanier在20世纪律80年代初正式提出了Virtual Reality 一词。20世纪80年代,美国国家航空航天局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关VR技术的研讨,并获得了令人瞩目的研讨成果。进入20世纪90年代后,迅速开展的计算机硬件技术与不断改良的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声

7、音和图像的实时动画制形成为能够，人机交互系统的设计不断创新，新颖、适用的输入输出设备不断地涌入市场。4虚拟现实系统的构成典型的VR系统主要由计算机、运用软件系统、输入输出设备、用户和数据库等组成，如图1-1所示。图1-1 虚拟现实系统的普通构成1.计算机在VR系统中，计算机担任虚拟世界的生成和人机交互的实现。由于虚拟世界本身具有高度复杂性，尤其在某些运用中，如航空航天世界的模拟、大型建筑物的立体显示、复杂场景的建模等，使得生成虚拟世界所需的计算量极为宏大，因此对VR系统中计算机的配置提出了极高的要求。2.输入输出设备在VR系统中，为了实现人与虚拟世界的自然交互，必需采用特殊的输入输出设备，以识

8、别用户各种方式的输入，并实时生成相应的反响信息。3.VR的运用软件系统及数据库VR的运用软件系统可完成的功能包括：虚拟世界中物体的几何模型、物理模型、行为模型的建立，三维虚拟立体声的生成，模型管理技术及实时显示技术，虚拟世界数据库的建立与管理等几部分。虚拟世界数据库主要用于存放整个虚拟世界中一切物体的各个方面的信息。图1-2 典型虚拟现实系统的构造框图5虚拟现实技术的特征 VR技术有3个主要特征：沉浸性Immersion、交互性Interactivity和想像性Imagination，如图1-3所示。图1-31沉浸性沉浸性Immersion是指用户感遭到被虚拟世界所包围，好似完全置身于虚拟世界

9、中一样。VR技术最主要的技术特征是让用户觉得本人是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，运用户由察看者变成参与者，沉浸其中并参与虚拟世界的活动。理想的虚拟世界应该到达运用户难以分辨真假的程度，甚至超越真实，实现比现实更逼真的照明和音响效果。2交互性交互性Interactivity的产生，主要借助于VR系统中的特殊硬件设备如数据手套、力反响安装等，运用户能经过自然的方式，产生同在真实世界中一样的觉得。想像性想像性Imagination指虚拟的环境是人想像出来的，同时这种想像表达出设计者相应的思想，因此可以用来实现一定的目的。所以说VR技术不仅仅是一个媒体或一个高级用户界面，同时它还是为处理工程、

10、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的运用软件。6VR技术的意义正是由于VR技术的广泛运用，并可以实现人与自然之间的调和交互，扩展对信息空间的感知通道，提高人类对跨越时空事物和复杂动态事件的感知才干，把计算机运用提高到一个崭新的程度，其作用和意义是非常重要的。首先是在观念上的转变，它使人们对计算机的运用从“以计算机为主体变成“以人为主体。传统的信息处置环境不断强调的是“人顺应计算机，人与计算机通常经过键盘与鼠标进展交互，这种交互是间接的，非直觉的和有限的。而VR技术的目的或理念是要逐渐使“计算机顺应人，人们要经过视觉、听觉、触觉、嗅觉以及形体、手势或言语，参与到信息处置的环境中去，并获得身

11、临其境的体验。人们不意图识到本人在同计算机打交道，而可以像在现实世界中处置事情一样同计算机交流，这就把人从操作计算机的复杂任务中解放出来，运用计算机无需学习，操作也异常简单而方便。第二个转变发生在哲学中人们对“虚和“实之间的辩证关系的了解上。虚和实的关系是一个古老的哲学话题。我们是处于真实的客观世界中，还是只处于本人的感知世界中，不断是唯物论和唯心论争论的焦点。以视觉为例，我们所看到的世界，不过是视网膜上的影像。过去，视网膜上的影像都是真实世界的反映，因此客观的真实世界同客观的感知世界是一致的。如今，VR导致了二重性，VR的景物对人的感官来说是实真实在存在的，但它又的确实确是虚拟的东西，而且按

12、照虚拟的东西行事，往往又会得出正确的结果。因此这就引发了哲学上要重新认识“虚和“实之间的关系的研讨。7虚拟现实系统的分类在实践运用中，根据VR技术对沉浸程度的高低和交互程度的不同，将VR系统划分了解4种类型：沉浸式VR系统、桌面式VR系统、加强式VR系统、分布式VR系统。其中桌面式VR系统因其技术非常简单，需投入的本钱也不高，在实践运用中较广泛。1桌面式VR系统桌面式VR系统也称窗口VR，见图1-4所示，它是利用个人计算机或图形任务站等设备，采用立体图形、自然交互等技术，产生三维立体空间的交互场景，利用计算机的屏幕作为察看虚拟世界的一个窗口，经过各种输入设备实现与虚拟世界的交互。桌面式VR系统

13、普通要求参与者运用空间位置跟踪定位设备和其他输入设备，如数据手套和6个自在度的三维空间鼠标，运用户虽然坐在监视器前，却可以经过计算机屏幕察看360范围内的虚拟世界。在桌面式VR系统中，计算机的屏幕是用户察看虚拟世界的一个窗口，在一些VR工具软件的协助 下，参与者可以在仿真过程中进展各种设计。运用的硬件设备主要是立体眼镜和一些交互设备如数据手套、空间位置跟踪定位设备等。立体眼镜观看计算机屏幕中虚拟三维场景的立体效果，它所带来的立体视觉能运用户产生一定程度的沉浸感。有时为了加强桌面式VR系统的效果，在桌面式VR系统中还可以参与专业的投影设备，以到达增大屏幕观看范围的目的。桌面式VR系统具有以下主要

14、特点：对硬件要求极低，有时只需求计算机或是添加数据手套、空间位置跟踪定位设备等。短少完全沉浸感，参与者不完全沉浸，由于即使戴上立体眼镜，依然会遭到周围现实世界的干扰。运用比较普遍，由于它的本钱相对较低，而且它也具备了沉浸式VR系统的一些技术要求。作为开发者和运用者来说，从本钱角度思索，采用桌面式VR技术往往被以为是从事VR研讨任务的必经阶段。图1-4 桌面式VR系统2沉浸式VR系统沉浸式VR系统利用头盔显示器和数据手套等各种交互设备把用户的视觉、听觉和其他觉得封锁起来，而运用户真正成为VR系统内部的一个参与者，并能利用这些交互设备操作和驾驭虚拟环境，产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的觉得见

15、图1-5。沉浸式VR系统的根本组成如图1-6所示。图1-5沉浸式VR系统演示实例沉浸式VR系统的特点高度的沉浸感。沉浸式VR系统采用多种输入与输出设备来营造一个虚拟的世界，并运用户沉浸于其中，同时还可以运用户与真实世界完全隔离，不受外面真实世界的影响。高度实时性。在虚拟世界中要到达与真实世界一样的觉得，如当人运动时，空间位置跟踪定位设备需及时检测到，并且经过计算机运算，输出相应的场景变化，并且这个变化必需是及时的，延迟时间要很小。图1-6 沉浸式VR系统的根本组成沉浸式VR系统的分类常见的沉浸式VR系统有：基于头盔式显示器的VR系统、投影式VR系统、遥在系统。基于头盔式显示器采用头盔式显示器或

16、投影式VR系统是或投影式显示系统来实现完全投入。它把现实世界与之隔离，使参与者从听觉到视觉都能投入到虚拟环境中去。遥在系统是一种远程控制方式，常用于VR系统与机器人技术相结合的系统。3加强式VR系统加强式VR系统简称加强现实AR，它既允许用户看到真实世界，同时也能看到叠加在真实世界上的虚拟对象，它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，既可减少构成复杂场景的开销由于部分虚拟环境由真实环境构成，又可对实践物体进展操作由于部分物体是真实环境。加强式VR系统有以下3个特点：真实世界和虚拟世界融为一体。具有实时人机交互功能。真实世界和虚拟世界是在三维空间中整合的。4分布式VR系统分布式VR系统是VR

17、技术的网络技术开展和结合的产物，是一个在网络的虚拟世界中，位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟世界，经过网络衔接成共享信息的系统。DVR系统的目的是在沉浸式VR系统的根底上，将地理上分布的多个用户或多个虚拟世界经过网络衔接在一同，使每个用户同时参与到一个虚拟空间里真实感三维立体图形、立体声，经过联网的计算机与其他用户进展交互，共同体验虚拟阅历，以到达协同任务的目的，它将虚拟提升到了一个更高的境界。VR系统运转在分布式世界中有2个方面的缘由：一方面是充分利用分布式计算机系统提供的强大计算才干；另一方面是有些运用本身具有分布特性，如多人经过网络进展游戏和虚拟战争模拟等。分布式VR系统的特点：各用户

18、具有共享的虚拟任务空间。伪实体的行为真实感。支持实时交互，共享时钟。多个用户可用各自不同的方式相互通讯。资源信息共享以及允许用户自然支配世界中的对象。目前，分布式VR技术主要被运用于远程虚拟会议、虚拟医学会诊、多人经过网络进展游戏或虚拟战争模拟见图1-7所示等领域。图1-7 虚拟战争模拟虚拟现实技术的研讨现状及研讨方向VR技术领域几乎是一切兴隆国家都在大力研讨的前沿领域，它的开展速度非常迅速。基于VR技术的研讨主要有VR技术与VR运用两大类。在国外VR技术研讨方面研讨得较好的有美国、德国、英国、日本、韩国等国家。在国内，浙江大学、北京航空航天大学等单位在VR方面的研讨任务开展得比较早，成果也较

19、多。(1) 国外研讨现状 美国是VR技术的发源地，因此大多数研讨机构都在美国。美国宇航局NASA。Ames实验室不断是许多VR技术思想的发源地。早在1981年，他们就开场研讨空间信息显示，1984年又开场了虚拟视觉环境显示VIVED工程。后来，其研讨人员Scott Fisher还开发了虚拟界面环境(VIEW)任务站。Ames完善了HMD，并将VPL的数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。目前，Ames把研讨的重点放在对空间站支配的实时仿真上。北卡罗来纳大学UNC对VR的研讨主要在四个方面：分子建模、航空驾驶问题、外科手术仿真、建筑仿真。他们处理了分子构造的可视化，并已用于药物和化学资料的研

20、讨。Loma Linda大学医学中心是一所经常从事高难度或有争议医学工程研讨的单位。他们胜利地将计算机图形及VR的设备用于讨论与神经疾病相关的问题。他们巧妙地将VPL的数据手套作为丈量手颤抖的工具，将手的运动实时地在计算机上用图形表示出来，从而进展分析诊断。施乐公司研讨中心在VR领域主要从事利用VR技术建立“未来办公室的研讨。SRI研讨中心主要从事定位光标、视觉显示器、光学部件、触觉与力反响、三维输入安装及言语交互等研讨。英国在VR技术的研讨与开发的某些方面，如分布式并行处置、辅助设备触觉反聩设备等设计、运用研讨等方面，在欧洲是领先的。在德国，以德国FhG-IGD图形研讨所和德国计算机技术中心

21、GMD为代表。它主要从事虚拟世界的感知、虚拟环境的控制和显示、机器人远程控制、VR在空间领域的运用、宇航员的训练、分子构造的模拟研讨等。德国的计算机图形研讨所IGD测试平台，主要用于评价VR技术对未来系统和界面的影响，向用户和消费者提供通向先进的可视化、模拟技术和VR技术的途径。日本主要努力于建立大规模VR知识库的研讨，另外在VR游戏方面的研讨也做了很多的任务 。东京大学的原岛研讨室开展了3项研讨：人类面部表情特征的提取、三维构造的断定和三维外形的表示以及动态图像的提取。东京大学的广濑研讨室重点研讨VR的可视化问题。为了抑制当前显示和交互技术的局限性，他们开发了一种虚拟全息系统。他们的成果有一

22、个类似CAVE的系统，用HMD在建筑群中遨游，制造出飞行仿真器等。筑波大学工程机械学院研讨了一些力反响显示方法。他们开发了9自在度的触觉输入器并开发了虚拟行走原型系统，步行者只需脚上穿上全方向的滑动安装，他就能交替迈动左脚和右脚。(2) 国内研讨现状2003年，由浙江大学CAD&CG国家重点实验室牵头，由浙江大学、中科院软件所、清华大学、北京航空航天大学等结合申报的2002年度即973工程中的“虚拟现实的根底实际、算法及其实现获同意立项。对虚拟环境的建立、自然人机交互、加强式VR、分布式VR、VR在产品创新中的运用等技术进展结合攻关。北京航空航天大学计算机系是国内最早进展VR研讨的机构之一，他

23、们首先进展了一些根底知识方面的研讨，并着重研讨了虚拟世界中物体物理特性的表示与处置，在VR中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法。他们还实现了分布式虚拟世界网络设计，建立了网上VR研讨论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供VR演示世界，提供用于飞行员训练的VR系统，提供开发VR系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程衔接。开发了直升机虚拟仿真器、坦克虚拟仿真器、虚拟战场环境察看器、计算机兵力生成器。清华大学计算机科学和技术系对VR和临场感的方面进展了研讨，例如球面屏幕显示和图像随动、抑制立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。他们还针对室内环境中程度特征

24、丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应程度特征呈现外形一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三维构造的新颖算法。对虚拟现实及其临场感等方面进展了大量研讨，其中有不少方案和方法都独具特征，比如球面屏幕显示和图像随动、抑制立体图闪烁的措施和深度感实验测试等。北京科技大学胜利开发出了纯交互式汽车模拟驾驶培训系统。该系统的三维图形非常逼真，虚拟环境与真实的驾驶环境几乎没有什么差别，因此投入运用后效果良好。西安交通大学信息工程研讨所对VR中的关键技术立体显示技术进展了研讨。他们在分析人类视觉特性的根底上提出了一种基于JPEG规范紧缩编码的新方案，并获得了较高的紧缩比、信噪比以及解压速度，并且

25、曾经经过实验结果证明了这种方案的优越性。2004年南京大学成立了南京大学虚拟现实与教学媒体研讨中心，对VR技术及运用进展研讨，并把重点放在虚拟体育仿真、数字文化遗产维护和自然人机交互等方面。国内在VR方面有较多研讨成果的其他单位还有国防科技大学、天津大学、北京理工大学、中国科学院自动化研讨所、西北大学、山东大学、大连海事大学和香港中文大学等。(3) 目前虚拟现实技术的局限性 硬件设备的局限性1.相关设备普遍存在运用不方便、效果不佳等情况2.硬件设备种类有待进一步扩展3.VR系统运用的相关设备价钱也比较昂贵且局限性很大 软件的局限性从软件上来说，如今大多数VR软件普遍存在言语专业较强，通用性较差

26、，易用性差等问题。同时，由于硬件设备的诸多局限性，使得软件的开发费用也非常宏大，并且软件所能实现的效果遭到时间和空间的影响较大，很多算法及许多相关实际也不成熟。 运用的局限性从运用上来说，现阶段VR技术的主要运用在军事领域较多，在各高校科研方面较多，在教育领域、工业领域运用还远远不够，有待进一步加强。未来的开展应努力向民用方向开展，并在不同的行业发扬作用。 效果的局限性1.虚拟世界的表示偏重几何表示，缺乏逼真的物理、行为模型。2.在虚拟世界的感知方面，有关视觉合成研讨多，听觉、触觉力觉关注较少，真实性与实时性缺乏。3.在与虚拟世界的交互中，自然交互性不够，在语音识别等人工智能方面的效果还远不能

27、令人称心。4VR技术的研讨方向 感知研讨领域在听觉方面应加强听觉模型的建立，提高虚拟立体声的效果，并积极开展非听觉研讨；在触觉方面，要开发各种用于人类触觉系统的根底研讨和VR触觉设备的计算机控制的机械安装。 人机交互界面开展独立于运用系统的交互技术和方法的研讨，建立软件技术交换机构以支持代码共享、重用和软件投资，并鼓励开发通用型软件维护工具。 高效的VR软件和算法 积极开发满足VR技术建模要求的新一代工具软件及算法、虚拟现实建模言语的研讨、复杂场景的快速绘制及分布式VR技术的研制。 廉价的VR硬件系统VR技术的主要研讨方向是在外部空间的适用跟踪技术、力反响技术、嗅觉技术及面向自然的交互硬件设备

28、。 智能虚拟环境智能虚拟环境是虚拟环境和人工智能与人工生命两种技术的结合。它涉及多个不同窗科，包括计算机图形、虚拟环境、人工智能与人工生命、仿真、机器人等。虚拟现实系统的交互设备三维交互设备用于把各种信息输入计算机，并向用户提供相应的反响，它们是使参与者能以人类自然技术与虚拟环境交互的必要工具。根据传感渠道以及在功能和目的上的不同，虚拟现实系统的三维交互设备主要被分为三维跟踪传感设备、立体显示设备、人机交互设备以及系统集成设备等几大类。1VR的三维跟踪传感设备虚拟现实技术是在三维空间中与人交互的技术，为了能及时、准确地获取人的动作信息，需求有各类高精度、高可靠的跟踪、定位设备。例如，为了感知参

29、与者的视野，需求跟踪察看者头部的位置和方向；为了在虚拟环境中挪动物体或参与者的身体，就要跟踪察看者各肢体的位置，包括从手到全身各部位的位置等。因此，必需求研制与三维交相互顺应的跟踪安装如图2-1所示，而这种实时跟踪以及交互安装主要依赖于传感器技术，它是VR系统中实现人机之间沟通的极其重要的通讯手段，是实时处置的关键技术。图2-1 Polhemus的Fastrak跟踪定位器VR的各种运用根本上都是采用跟踪用户头部或手的运动，也有监测运用者的眼睛即视野或面部表情的系统。常用的跟踪传感技术主要有电磁波、超声波、机械、光学和图像提取等几种方法，它们被广泛地运用在头盔显示器、数据手套等三维交互设备的功能

30、设计中。1电磁波跟踪器这是一种最为常用的跟踪器，它运用一个信号发生器3个正交线圈组产生低频电磁场，然后由放置于接纳器中的另外三组正交线圈组担任接纳，经过获得的感生电流和磁场场强的9个数据来计算被跟踪物体的位置和方向如图2-2所示。电磁波跟踪器体积小、价钱廉价、用户运动自在，而且敏感性不依赖于跟踪方位，但是其系统延迟较长，跟踪范围小，且准确度容易受环境中大的金属物体或其他磁场的影响。图2-2 交流电磁跟踪系统的任务原理2超声波跟踪器超声波跟踪器的任务原理是发射器发出高频超声波脉冲频率20kHz以上后，由接纳器计算收到信号的时间差、相位差或声压差等，就可以跟踪物体的间隔 和方位了。超声波跟踪器的性

31、能适中，本钱低廉，而且不会受外部磁场和大块金属物质的干扰。但是，它的敏感性却容易受接纳器的方位和空气密度的影响。按照丈量方法的不同，超声波位置跟踪技术通常可以分为两大类，它们是飞行时间丈量法和相位相关丈量法。其中，声波飞行时间跟踪是经过丈量声波的飞行时间延迟来确定间隔 的。它同时运用多外发射器和接纳器，以便获得一系列的间隔 量，从而计算出准确的位置和方向。这种方法具有较好的准确度和呼应性，但容易遭到外界噪音脉冲的干扰，同时数据传输率还会随着监测范围的扩展而降低，因此比较适用于小范围内的操作环境。相位相关跟踪那么是经过比较基准信号和传感器监测到的发射信号之间的相位差来确定间隔 的。由于相位可被延

32、续丈量，因此这种方法具有较高的数据传输率。同时，多次的滤波还可以保证系统监测的精度、呼应性以及耐久性等，而不遭到外界噪声的干扰。3光学跟踪器光学跟踪也是一种较为常见的跟踪技术。这种跟踪器可以运用自然光、激光或红外线等作为光源，但为防止干扰用户的察看视野，目前多采用红外线方式。与电磁波和超声波这两种跟踪器相比，光学系统的可任务范围小，但其数据处置速度、呼应性都非常好，因此较适用于头部活动范围相当受限、但要求具有较高刷新率和准确率的实时运用。4其他空间跟踪系统 机械跟踪器 惯性跟踪器 图像提取跟踪器2VR的立体显示设备对虚拟世界的沉浸感主要依赖于人类的视觉感知，因此三维立体视觉是虚拟现实技术的第一

33、传感通道。虽然桌面式VR系统中可以运用普通的计算机屏幕作为显示设备，但它却不能提供大视野、双眼的立体视觉效果。因此，我们需求一些专门的立体显示设备来加强用户在虚拟环境中视觉沉浸感的逼真程度。现阶段常用的显示设备主要有立体眼镜、头盔式显示器、双目全方位显示器、大屏幕投影等。1头盔式显示器头盔式显示器HMD是VR系统中普通采用的一种立体显示设备，它通常安装在头部，并用机械的方法固定，头与头盔之间不能有相对运动，在HMD上配有空间位置跟踪定位设备，能实时检测出头部的位置，VR系统能HMD的屏幕上显示出反映当前位置的场景图像。它通常由两个LCD或CRT显示器分别向左右眼提供图像，这两个图像由计算机分别

34、驱动的，两个图像间存在着微小的差别，类似于“双眼视差。经过大脑将两个图像交融以获得深度感知，得到一个立体的图像。HMD可以将参与者与外界完全隔离或部分的隔离，因此已成为沉浸式VR系统与加强式VR系统不可短少的视觉输出设备，图2-3为两种头盔式显示器。图2-3 Virtual Research V8 和Proview60两种头盔式显示器2双目全方位显示器BOOMBOOM是一种可挪动式显示器。它由两个相互垂直的机械臂支撑，这不仅让运用者可以在半径约2米的球面空间内自在挪动，还能将显示器的分量加以巧妙的平衡而使之一直坚持程度，不受平台的运动影响。在支撑臂上的每个节点处都有位置跟踪器，因此BOOM和头

35、盔显示器一样有实时的观测和交互才干。与头盔显示器相比，BOOM采用高分辨率的CRT显示器，因此其分辨率高于HMD，且图像柔和。BOOM的位置及方向跟踪是经过计算机械臂节点角度的变化来实现的，因此其系统延迟小，且不受磁场和超声波背景噪音的影响。虽然它的沉浸感稍差些，但运用这种设备可以自在的进出虚拟环境，运用者只需把头从观测点转开，就分开虚拟环境而进入现实世界，因此具有方便灵敏的运用特点。BOOM的缺陷是运用者的运动受限，这是由于在任务空间中心支撑架呵斥了“死区。图2-4是一种用于设计核潜艇的BOOM显示器。图2-4 用于设计核潜艇的BOOM显示器3CRT终端液晶光闸眼镜CRT终端液晶光闸眼镜立体

36、视觉系统的任务原理是：由计算机分别产生左、右眼的两幅图像，经过合成处置后，采用分时交替的方法显示于CRT终端上。用户那么佩戴一副与计算机相连的液晶光闸眼镜，眼镜的左、右镜片在驱动电信号的作用下，将以与图像显示同步的速率交替“开透光、“闭遮光，即当计算机显示左眼图像时，右眼透镜将被遮闭，而当计算机显示右眼图像时，左眼透镜那么被遮闭。这样做可以让用户的左、右眼分别只看到相应的左、右图像。根据双目视差与深度间隔 的正比关系，人的视觉生理系统就可以自动将这两幅视差图像交融成一个立体视像了如图2-5所示。图2-5 CRT终端液晶光闸眼镜显示CRT终端液晶光闸眼镜相对于头盔显示器和BOOM的特点： 设备价

37、钱低、分量轻运用、温馨。 比头盔显示器的构成的图像明晰 图像亮度不如普通屏幕好 沉浸感较差。4大屏幕投影液晶光闸眼镜此设备要求用于投影的CRT或数字投影机要求具有极高的亮度和分辨率，它适宜于在较大的视野内产生投影图像的运用需求如图2-6所示。例如美国芝加哥大学研制的CAVE系统。它构造了一个由4面投影屏幕构成的立方体虚拟环境，又被称为“洞穴。各屏幕背投式同时显示从某一固定察看点看到的一切视像，由此提供一种全景式的环境。该系统需求复杂而又昂贵的计算机投影控制系统：它通常采用球面大屏幕，投影机位于球心，具有与双摄像机立体察看器一样的俯仰和偏转两个位置，并一直坚持以察看者为正前方在球屏上相应挪动，从

38、而构成一定的视景环绕感。投影式VR系统对一些公众场所中很理想的，例如艺术馆或文娱中心，由于参与者几乎不需求任何公用硬件，而且还允许很多人同时享用一种虚拟现实的阅历。图2-6 大屏幕投影液晶光闸眼镜显示5三D显示器三D显示器不需求用户戴上专门的眼镜也能察看到立体的图像。这项技术不同于普通显示器中的发射与反射类型，如图2-7所示，它把光源从显示器的下面向上发射，经过显示器内部的发射与折射，运用户能看到立体的图像。这项技术的一个显著优点在于对显示器周围的环境没有任何严厉的要求。这种显示器目前面临的主要问题是制造本钱太高，因此尚未商品化，它属于新发明，在未来有希望成为三维可视化的一种理想显示工具。图2

39、-7 三D显示器3虚拟现实的人机交互设备普通的跟踪、探测设备都具有简单、紧凑和易于操作等优点，但由于它们本身构造的限制，使操作者手的活动自在度仅限于在桌上的一个小区域中，减弱了它与虚拟世界交互作用的直观性。VR技术的一项艰苦突破就是用手来替代键盘、鼠标，作为人与计算机交互的一种重要手段。借助各种公用的设备替代键盘、鼠标，作为人与计算机交互的一种重要手段，操作者不但可以获得大范围的基于手势的交互操作，同时可以经过身体的各个部位的运动来感知，添加了人在虚拟空间中的自在度和灵敏性。1数据手套数据手套Data Glove是VPL公司在1987年推出的一种传感手套的专有称号。到如今，数据手套是一种被广泛

40、运用的传感设备，它是一种戴在用户手上的虚拟的手，用于与VR系统进展交互，可在虚拟世界中进展物体抓取、挪动、装配、支配、控制，并把手指伸屈时的各种姿态转换成数字信号送给计算机，计算机经过运用程序来识别出用户的手在虚拟世界中操作时的姿态，执行相应的操作。在实践运用中，数据手套还必需配有空间位置跟踪定位设备，检测手的实践位置和方向。如今曾经有多种传感数据手套问世，它们之间的区别主要在于采用的传感器不同。目前典型的数据手套有以下几种：VPL数据手套VPL数据手套是由轻质的富有弹性的Lycra资料制成.它采用光纤作为传感器,用于丈量手指关节的弯曲程度.采用光纤作为传感器是由于光纤体积小、分量轻，可方便地

41、安装在手套上。数据手套的规范配置是每个手指上有两个传感器控制装在手指反面的两条光纤环，一副数据手套就装有10个传感器，用来丈量手指主要关节的弯曲程度。赛伯手套赛伯手套Cyber Glove是为把美国手语翻译成英语所设计的。在手套上织有多个由两片应变电阻片组成的传感器，它在任务时检测成对的应变片电阻变化。当手指弯曲时一片遭到挤压，另一片遭到拉伸，使两个电阻片的电阻分别发生变化，经过电桥换算出相应的电压变化，再把此数据量送入到计算机中处置，从而检测到各手指的弯曲形状。 DHM手套这是一金属构造的传感手套，通常安装在用户的手臂上，其安装及装配过程相对比较烦琐，在每次运用前需进展调整。在每个手指上安装

42、有4个位置传感器，共采用20个霍尔传感器安装在手的每个关节处。DHM传感手套呼应速度快、分辨率高、精度高，但价钱较高。常用于精度要求较高的场所。2数据衣 数据衣是采用与数据手套同样的原理制成的，数据衣是为了让VR系统识别全身运动而设计的输入安装。它将大量的光纤安装在一件紧身衣上，可以检测人的四肢、腰部等部位的活动，以及各关节如手腕、肘关节弯曲的角度。它能对人体的大约50多个不同的关节进展丈量，经过光电转换，将身体的运动信息送入计算机进展图像重建，如图2-8所示，目前，这种设备正处于研发阶段，由于每个人的身体差别较大，存在着如何协调大量传感器之间实时同步性能等各种问题，但随着科技的提高，此种设备

43、必将有较大的开展。数据衣主要运用在一些复杂环境中，对物体进展的跟踪和对人体运动的跟踪与捕捉。图2-8 数据衣3三维控制器 三维空间鼠标三维空间鼠标3D Mouse可以完成虚拟空间中6自在度的操作，其任务原理是在鼠标内部安装超声波或电磁发射器，利用配套的接纳设备可检测到鼠标在空间中的位置与方向。三维空间鼠标与其他设备相比其本钱低，常驻运用于建筑设计等领域。 力矩球力矩球Space Ball的中心是固定的，并装有6个发光二极管，球有一个活动的外层，也装有6个相应的光接纳器。当运用者用手对球的外层施加力或力矩时，根据弹簧形变的法那么，6个光传感器测出3个力和3个力矩的信息，并将信息传送计算机，即可计

44、算出虚拟空间中某物体的位置和方向等。力矩球通常被安装在固定平台上，可以用手作改动、挤压、压下、拉出、来回摇摆等操作，它采用发光二极管和光接纳器来丈量力，经过安装在球中心的几个张力器来丈量出手施加的力，并将数据转化为3个平移运动和3个旋转运动的值送入计算机中，如图2-9所示。力矩球的优点是简单而且耐用；缺陷是可以支配物体，但在选取物体时不够直观，在运用前普通要进展培训与学习。图2-9 力矩球4三维模型数字化仪三维模型数字化仪又称三维扫描仪或三维扫描数字化仪，是一种先进的三维模型建立设备，利用CCD成像、激光扫描等手段实现物体模型的取样，同时经过配套的矢量化软件对三维模型数据进展数字化，如图2-1

45、0所示。它特别适宜于建立一些不规那么三维物体模型，如人体器官和骨胳模型、出土文物、三维数字模型的建立等，在医疗、动植物研讨、文物维护等VR运用领域有宽广的运用前景。图2-10 三维模型数字化仪扫描石膏像三维模型数字化仪的任务原理是：由三维模型数字化仪向被扫描的物体发射激光，经过摄像机从每个角度扫描并记录下物体各个面的轮廓信息，安装在其上的空间位置跟踪定位设备也同步记录下三维模型数字化仪的位置及方向的变换信息，将这些数据送入计算机中，再采用相应的软件进展处置，得到与物体对应的三维模型。4VR硬件的系统集成虚拟现实系统中通常包括大量需求处置各种设备的感知信息、模型和数据，因此，建立一个以计算机为中

46、心，将多种I/O交互设备协调组合在一同的硬件平台，是VR系统集成的关键技术。计算机系统作为虚拟现实系统的中心，必需具有足够强大的功能才干完成实时处置、数据输入/输出、虚拟境界的管理和生成等功能。它一方面要保证虚拟三维场景的实时计算和显示，尽量减少延迟，另一方面还要协调各种I/O交互设备之间的任务，以确保系统整体运转的性能，见图2-11。图2-11 某一VR硬件集成系统的组成第三章 虚拟现实系统的相关技术与软件VR系统的目的是由计算机生成虚拟世界，用户能与之进展视觉、听觉、触觉、嗅觉等全方位交互。要到达这种目的，除了需求有一些专业的硬件设备，还必需有较多的相关技术及软件加以保证。如要到达察看一个

47、三维场景，并且随视角不同能实时显示变化的场景图像。我们知道只需设备是远远不够的，还必需有相应的紧缩算法等技术相支持，由此可见，实现VR系统除了需求功能强大的硬件设备支持以外，对其相关的软件和技术也提出了较高要求。1环境建模技术虚拟环境的建立是VR技术的中心内容，虚拟环境是建立在建模根底之上的，只需设计出反映研讨对象的真实有效的模型，VR系统才有可信度。虚拟环境建模的目的是获取实践环境的三维数据，并根据运用的需求，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。VR系统中环境的建模技术与其图形建模技术相比，主要特点表如今以下3个方面： = 1 * GB3 虚拟环境中可以有很多物体，往往需求建造大量完全

48、不同类型的物体模型。 = 2 * GB3 虚拟环境中有些物体有本人的行为，而其他图形建模系统中普通只需构造静态的物体，或是物体简单的运动。 = 3 * GB3 虚拟环境中的物体必需有良好的支配性能，当用户与物体进展交互时，物体必需以某种适当的方式来作出反响。VR系统包括三维视觉和三维听觉建模等。在当前运用中，环境建模普通主要是三维视觉建模。三维视觉建模又是可分为几何建模、物理建模、行为建模等。几何建模是基于几何信息来描画物体模型的建模方法，它处置对物体的几何外形的表示，研讨图形数据构造的根本问题；物理建模是涉及物体的物理属性；行为建模是反映研讨对象的物理本质及其内在的任务机理。1几何建模技术几

49、何建模技术主要研讨对象是对物体几何信息的表示与处置，它是涉及表示几何信息数据构造，以及相关的构造与支配数据构造的算法建模方法。几何建模通常采用以下4种方法： = 1 * GB3 利用VR工具软件来进展建模。如：OpenGL、Java3D、VRML等。 = 2 * GB3 直接从某些商品图形库中选购所需的几何图形，这样可以防止直接用多边形或三角形拼构某个对象外形时烦琐的过程，也可节省大量的时间。 = 3 * GB3 利用常用建模软件来进展建模。如AutoCAD、3DSMAX、 Softimage、Pro/E等，用户可交互式地创建某个对象的几何图形。 = 4 * GB3 直接利用VR编辑器。如Di

50、mension公司的VRT3和Division公司的Amaze等都具有这种功能。2物理建模技术建模技术进一步开展的产物是物理建模，也就是在建模时要思索对象的物理属性。典型的物理建模技术有分形技术和粒子系统。 分形技术分形技术是指可以描画具有自类似特征的数据集。自类似的典型例子是树，假设不思索树叶的区别，当我们接近树梢时，树的树梢看起来也像一棵大树，由相关的一组树梢构成的一根树枝，从一定的间隔 察看也像一棵大树。当然，由树枝构成的树从适当的间隔 看时自然也是棵树。虽然，这种分析并不非常准确，但比较接近。这种构造上的自类似称为统计意义上的自类似。自类似构造可用于复杂的不规那么外形物体的建模。该技术

51、首先被用于河流和山体的地理特征建模。举个简单的例子来说，我们可利用三角形来生成一个随机高度的地形模型。取三角形三边的中点并按顺序衔接起来，将三角形分割成4个三角形，在每个中点随机地赋予一个高度值，然后，递归上述过程。我们就可产生相当真实的山体。分形技术的优点是用简单的操作就可以完成复杂的不规那么物体建模，缺陷是计算量太大，不利于实时性。因此，在VR系统中普通仅用于静态远景的建模。 粒子系统粒子系统是一种典型的物理建模系统，粒子系统是用简单的体素完成复杂的运动建模。所谓体素是用来构造物体的原子单位，体素的选取决议了建模系统所能构造的对象范围。粒子系统由大量称为粒子的简单体素构成，每个粒子具有位置

52、、速度、颜色和生命期等属性，这些属性可根据动力学计算和随机过程得到。在VR系统中，粒子系统常用于描画火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等景象及动态的物体建模。3行为建模技术行为建模担任物体的运动和行为的描画。假设说几何建模是VR建模的根底，行为建模那么真正表达出VR的特征。一个VR系统中的物体假设没有任何行为的反响，那么这个VR系统是静止的、没有生命的，对于VR用户是没有任何意义的，所以说行为建模技术才真正表达了VR的特征。行为建模技术主要研讨的是物体运动的处置和对其行为的描画，表达了虚拟环境中建模的特征。也就是说行为建模就是在创建模型的同时，不仅赋予模型外形、质感等表现特征，同时也赋予模型物理属性

53、和“与生俱来的行为与反响才干，并且服从一定的客观规律。在虚拟环境行为建模中，建模方法主要有运动学与动力学仿真方法。 运动学方法运动学方法是经过几何变换，如物体的平移或旋转等来描画运动。在运动控制中，无须知道物体的物理属性。在关键帧动画中，运动是经过显示指定几何变换来表现的。首先设置几个关键帧用来区分关键的动作，其他动作根据各关键帧可经过内插等方法来完成。由于运动学方法产生的运动是基于几何变换的，复杂场景的建模将显得比较困难。 动力学仿真运动力学仿真运用物理定律而非几何变换来描画物体的行为。在该方法中，运动是经过物体的质量和惯性、力、和力矩以及其他的物理作用计算出来的。这种方法的优点是对物体运动

54、的描画更准确，运动更加自然。采用运动学方法与动力学仿真都可以模拟物体的运动行为，但各有其优越性和局限性。运动学方法可以做得很真实和高效，但相对运用面不广；而动力学仿真技术利用真实规律准确描画物体的行为，比较注重物体间的相互作用，较适宜物体间交互较多的环境建模，它有着广泛的运用领域。2实时三维图形绘制技术 实时三维图形绘制技术指利用计算机为用户提供一个能从恣意视点及方向实时察看三维场的手段，它要求当用户的视点改动时，图形显示速度也必需跟上视点的改动速度，否那么就会产生迟滞景象。由于三维立体图包含有比二维图形多更多的信息，而且虚拟场景越复杂，其数据量就越大。因此，当生成虚拟环境的视图时，必需采用高

55、性能的计算机及设计好的数据组织方式，从而到达实时性的要求，至少保证图形的刷新频率不低于15帧/秒，最好是高于30帧/秒。1基于几何图形的实时绘制技术为了保证三维图形的显示能实现刷新频率不低于30帧/秒。除了在硬件方面采用高性能的计算机外，还必需选择适宜的算法来降低场景的复杂度即降低图形系统处置的多边形数目。目前，用于降低场景的复杂度，以提高三维场景的动态显示速度的常用方法有预测计算、脱机计算、场景分块、可见消隐、细节层次模型等，其中细节层次模型运用较为普遍。 预测计算根据物体的各种运动规律，如手的挪动，可在下一帧画面绘制之前用预测的方法推算出手的位置，从而减少由输入设备所带来的延迟。 脱机计算

56、由于VR系统是一个较为复杂的系统，在实践运用中可以尽能够将一些可预先计算好的数据进展预先计算并存储在系统中，这样可加快需求运转时的速度。 场景分块将一个复杂的场景划分成假设干个子场景，各个子场景间几乎不可见或完全不可见。 可见消隐场景分块技术与用户处的场景位置有关，而可见消隐技术那么与用户的视点关系亲密。运用这种方法，系统仅显示用户当前能“看见的场景，当用户仅能看到整个场景中很小部分时，由于系统仅显示相应场景，此时可大大减少所需显示的多边形的数目。然而，当用户“看见的场景较复杂时，这种方法作用就不大。 细节层次模型所谓细节层次模型(Level Of Detail,LOD),是对同一个场景或场景

57、中的物体使器具有不同细节的描画方法得到的一组模型。2基于图像的绘制技术基于图像的绘制技术Image Based Rending,IBR是采用一些预先生成的场景画面,对接近于视点或视野议程的画面进展交换、插值与变形，从而快速得到当前视点处的场景画面。与基于几何的传统绘制技术相比，基于图像的实时绘制技术的优势在于： = 1 * GB3 图形绘制技术与场景复杂性无关，仅与所要生成画面的分辨率有关。 = 2 * GB3 预先存储的图像或环境映照既可以是计算机生成的，也可以是用相机实践拍摄的画面，也可以两者混合生成。它们都到达称心的绘制质量。 = 3 * GB3 对计算机的资源要求不高，可以在普通任务站

58、和个人计算机上实现复杂场景的实时显示。目前，基于图像的绘制技术主要有以下两种，此外，其他的还有基于分层表示及全视函数等方法。 全景技术全景技术是指在一个场景中的一个察看点用相机每旋转一下角度拍摄得到一组照片，再在计算机采用各种工具软件拼接成一个全景图像。它所构成的数据较小，对计算机配置要求 低，适用于桌面式VR系统，建模速度快，但普通一个场景只需一个察看点，因此交互性较差。 图像的插值及视图变换技术在上面所引见的全景技术中，只能在指定的察看点进展遨游。如今，研讨人员研讨了根据在不同察看点所拍摄的图像，交互地给出或自动得到相邻两个图像之间对应，采用插值或视图变换的方法，求出对应于其他点的图像，生

59、成新的视图，根据这个原理可实现多点遨游的要求。3三维虚拟声音的显示技术VR系统中的三维虚拟声音，使听者能觉得到声音却是围绕听者双耳的一个球形空间中的任何地方，即声音能够于头的上方、后方或者前方。如战场模拟训练系统中，当用户听到了对手射击的枪声时，他就能像在现实世界中一样准确而且迅速地判别对手的位置，假设对手在他身后，听到的枪声就应是从后面发出的。因此把在虚拟场景中的能运用户准确地判别出声源的准确位置、符合人们在真实境界中听觉方式的声音系统称为三维虚拟声音系统。在VR系统中，借助于三维虚拟声音可以烘托视觉效果，使人们对虚拟体验的真实感加强。即使闭上眼睛，也知道声音哪里。当HMD的分辨率和图像质量

60、都还较差时，声音对视觉质量的加强就更为重要了。缘由是听觉和其他觉得一同作用时，能在显示中起增效器的作用。视觉和听觉一同运用能充分显示信息内容，尤其是当空间超出了视域范围，从而提供更剧烈的存在和真实性觉得。另外，声音是用户和虚拟环境的另一种交互方法，人们可以经过语音与虚拟世界进展双向交互。1三维虚拟声音的特征在三维虚拟声音系统最中心的技术是三维虚拟声音定位技术，它的主要特征如下： 全向三维定位特性全向三维定位特性3D Steering指在三种虚拟空间中,运用户能准确地判别也声源的准确位置,符合人们在真实境界中的听觉方式,好像在现实世界中,我们普通先听到声响,然后再用眼睛去看这个地方。三维声音系统