收稿日期:2003-11-27
第22卷 第3期
计 算 机 仿 真
2005年3月
文章编号:1006-9348(2005)03-0001-03
张占龙1,2，罗辞勇2，何为2
(1.重庆工商大学计算机科学与信息工程学院，重庆400033;2.重庆大学电气工程学院，重庆400044) 摘要:“虚拟现实”就是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。这种系统生成的各种虚拟环境，作用于用户的视觉、听觉、触觉，使用户产生身临其境的感觉，沉浸其中。而所谓虚拟世界则是虚拟环境或给定仿真对象的集合虚拟现实是近年发展起来的一项新技术，目前已广泛地应用于许多领域。该文阐述了虚拟现实技术的产生、概念、特征及其意义、虚拟现实技术的技术组成和艺术、情感魅力，
分析了虚拟现实技术的研究内容、方向和技术瓶颈。关键词：虚拟现实；交互技术；虚拟环境；沉浸；构想中图分类号:TP391.9 文献标识码:A A Survey of Virtual R eality Technology
ZHANG Zhan -long 1,2,LOU Ci -y ong 2,HE wei 2
(1.C ollege of C om puter and In formation Engineering ,Chongqing T echnology and Business University ,Chongqing 400033,China ;
2.E lectric Engineering Institute of Chongqing University ,Chongqing 400044,China )
ABSTRACT :”Virtual Reality ”is a com puter system that can be created and can taste the dummy w orld.Various dummy conditions produced by the system act on vision ,hearing and feeling of the user ,which can make the user be pers onally on the scene and immersed in it.But the s o called dummy w orld is a congregate between dummy conditions and presented emu 2lation object.Virtual reality ,which is widely used in many fields at the present time ,is a new technology developed recent 2ly.This paper has discussed mainly the emergence ,conception ,characteristic and significance of the virtual reality technique as well as its constitution ,art and sensibility enchantment.At the same time ,the content ,direction and technology choke point of the study for virtual reality are analysed.
KE YWOR DS :Virtual reality ;Interactive technology ;Virtual circumstance ;Immersion ;Imagination
1 概述
虚拟现实技术(Virtual Reality T echnology ，简称VRT )的出现实际是计算机图形学、人机接口技术、传感器技术以及人工智能技术等交叉与综合的结果。以虚拟现实技术为代表的新型人机交互技术旨在探索自然和谐的人机关系，使人机界面从以视觉感知为主发展到包括视觉、听觉、触觉、力觉、嗅觉和动觉等多种感觉通道感知；从以手动输入为主发展到包括语音、手势、姿势和视线等多种效应通道输入。 可以做出如下定义:“虚拟现实”就是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。这种系统生成的各种虚拟环境，作用于用户的视觉、听觉、触觉，使用户产生身临其境的感觉，沉浸其中。而所谓虚拟世界则是虚拟环境或给定仿真对象的集合。
2 虚拟现实技术的产生
2.1 背景
由于半导体、计算机和通讯技术的日新月异，以微电子技术为基础的数字化信息技术得到迅速发展，从而引发了多媒体技术的迅猛发展和广泛应用，人们从单调枯燥的数据输入中解放出来，进入了丰富
多彩的图形世界。但目前这种二维图形接口存在严重的局限，与人的自然感知习惯有本质区别，因而，仍被称为是以计算机为中心的接口技术。
近年来在计算机技术迅速发展的同时，人们开始感到一种困惑：人认识世界的原本方式是通过自身的各种感官和认知能力来获取信息的。这样的信息是多维的、形象的、甚至是模糊的。但目前通用的冯・诺依曼式计算机处理的仅仅是单维的数字化信息。在自己的数字计算机面前，人们不得不按照严格、刻板的规则把这些信息编译成单维的抽象的数字信息，人们从计算机中获取的也是单维的信息，从而造成了人去适应计算机，人围着计算机转的状况。而人们往往擅长并习惯于通过人的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉以及形体、手势或口令这种多维的形式，参入到信息处理的环境中去。现
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在人们难以将自己感知的多维信息化空间与数字计算机的单维信息化空间融合起来，人机间有一道很深的隔阂。
人们希望未来的人机接口是以人为中心，且具有多模输入输出：即对应人的多种自然感知模式，例如，视觉、听觉、触觉、力觉，并能以自然语言对话。
“需求牵引，技术推动”，由于有上述的需求以及信息技术、传感技术、计算机仿真学、生理学、心理学等科学技术的发展与推动，虚拟现实技术应时而生。同时由于计算机技术的迅速发展，各种传感设备和计算机价格不断降低，以及虚拟技术本身提供了别的技术难以实现的巨大可能性和在降低成本、减少危险、提高效率、克服物理条件限制、拓宽应用领域等方面的吸引力，虚拟现实技术的研究迅速发展起来。
目前，虚拟现实技术已被认为是人机接口技术的一场革命。它利用计算机和电子技术来产生逼真的视、听、触、力等三维感觉环境，形成一种虚拟世界。它涉及人工智能、计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术以及高度并行的实时计算技术等领域。该技术的发展和应用是各个国家高技术研究水平的综合体现，是计算机技术在本世纪和下世纪初发展的焦点。[2]
2.2 历史追溯
虚拟现实技术的历史可以追溯到本世纪六十年代，以美国为代表，早期的VR技术产品可举:1962年美国M orton Heilig研制了街道模拟器;[3]
1965年，美国高等研究计划局信息处理技术办公室主任Ivan Sutherland在其论文终极显示(the Ultimate Display)中提出使计算机显示屏成为观察客观世界窗口的设想，并研制了头盔式图形显示器。这被看作是研究虚拟现实技术的开端。
但是，直到1990年第17届国际图形学会议上，这项技术才得到重视，来自世界各国的图形学专家报道了近年来有关输入输出设备技术，以及声像等多媒体技术的进展，使得交互技术从二维朝着三维甚至多维方向过渡，并在三维交互技术方面取得了实质性进展，在1992年国际图形学会议上便展示了较为成熟的虚拟现实系统[4]。
3 虚拟现实技术研究现状
3.1 虚拟现实技术研究领域和内容
计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具，而且因此而导致了许多解决问题的新方法的产生。虚拟现实技术的产生与发展也同样如此。就虚拟现实本身的技术而言，它主要涉及到3个研究领域:
●通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果;
●建立对虚拟世界的观察界面;
●使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。
当前国际上，虚拟现实技术的研究大致可以分为三类。
第一类是研究虚拟人机交互界面，这一类人员大多是由研究图形学、行为学或是心理学的专家组成;
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的图形画面的算法和硬件体系结构，较有代表性的研究机构是北卡大学(University of N orth Caroli2 na);
第三类着重于研究虚拟现实的应用。在这一研究人员中，人工智能界显示出了高度的热情。有许多的人工智能理论专家和机器人专家参与研究。较有代表性的研究机构有美国的卡内基梅隆大学[5]。
3.2 虚拟现实系统的结构
虚拟现实(VR)系统的通用体系结构，如图1所示。主要由虚拟现实产生器(VR Engine)和输入/输出处理子系统两部分有机地结合起来
，形成一个较为完整的VR系统。[6]、[7]
图1 VR系统的通用结构
3.3 虚拟现实技术特征
1993年,Burdea G在E lectro93国际会议上发表的“Virtual Reality System and Application”一文中，提出了虚拟现实技术三角形。即三“I”特征:Immersion(沉浸)、Interaction(交互)、Imagination(构想)，如图2所示。
图2 VR技术的3I性Immersion(沉浸)是
指用户可以沉浸于计算
机生成的虚拟环境中和
使用户投入到由计算机
生成的虚拟场景中的能
力，用户在虚拟场景中有
“身临其境”之感。他所
看到的、听到的、嗅到的、
触摸到的，完全与真实环
境中感受到的一样。它
是VR系统的核心。电缆剪
Interaction(交互)是指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力。它是人机和谐的关键性因素。用户进入虚拟环境后，通过多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用，用户可以进行必要的操作，虚拟环境中做出的相应响应，亦与真实的一样，如拿起虚拟环境中的一个篮球，你可以感受到球的重量，扔在地上还可以弹跳。交互性包含对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度、虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等;VR是自主参考系，即以
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用户的视点变化进行虚拟交换。
Imagination(构想)是指通过用户沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟环境进行了各种交互作用，从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而可以深化概念，萌发新意，产生认识上的飞跃。因此，虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。这种构思结果输入到系统中去，系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。如此反复，这是一个学习———创造———再学习———再创造的过程，因而可以说,VR是启发人的创造性思维的活动。
因此，与过去只能在计算机旁等待计算机的处理结果；只能与键盘和鼠标与计算机发生交互作用，只能从一些数值结果得到某些启发相比，虚拟现实技术提供了一个十分理想的人机界面。
3.4 虚拟现实系统的分类
虚拟现实的分类方法很多，通常按以下几种方式对VR 进行分类:
1)根据生成方式分类:①基于几何模型的图形构造虚拟现实系统;②基于实景图象的虚拟现实系统。
2)根据虚拟现实生成器的性能和组成分类:①基于PC 机的VR系统;②基于工作站的VR系统;③高度平行的VR 系统;④分布式VR系统。
3)根据交互界面的不同分类:①世界之窗(Window on W orld Systems-W oW);②视频映射(Video Mapping);③沉浸式系统(Immerse Systems);④遥控系统(T elepresence);5)混合系统(M ixed Reality)。
3.5 虚拟现实技术的意义
在虚拟现实中强调的是人的主导作用。虚拟现实技术不仅实现了从“计算机为主体”到“人为主体”的转变，而且实现了“适计算机化的单维信息空间”到“适人化的多维信息空间”的转变。
在传统的单维信息空间内，信息处理的工具或环境是计算机，人通过键盘、二维鼠标和显示屏幕等与计算机发生联系，人类以往的经验是以数字化形式存储在数据库内的。
虚拟现实不仅是一门综合的技术，而且是一门艺术。有时在应用中艺术的成份往往会超过技术成分，给人一种艺术享受，如交互式虚拟音乐会、虚拟演播室等。类似于其它艺术作品，虚拟现实能够进行教育或传授知识技能，而且可以超越时空、生命本身的限制。白发老者可以重温年轻时参加足球赛的经历；获得危险情况下的经验却不必冒险，如飞行仿真虚拟现实系统，飞行员可在安全的虚拟环境中获得飞行经验。
虚拟现实技术在具有艺术魅力的同时，也具有一定的情感魅力。由于虚拟现实技术本身的三“I”特征，人机之间交互的不仅仅限于单维数字信息，而是沉浸其中，融视觉、听觉、触觉等于一体的交互方式。
管道内衬因此情感的韵味大大增加。尤其在虚拟现实技术与通信技术相结合时，其情感魅力表现的更为明显，如临场感通信。当人们的交流方式从书信(手迹)、电话(声音)、可视电话(声音、容颜)到临场感通信(音容笑貌、言谈举止)，逐步变化时，人们的感受越来越真切，情感魅力越来越大。[8]
3.6 虚拟现实技术难点
随着计算机图形技术的发展，加上它使漫游的灵活性、交互性得到很好的体现，这种技术成为建立VR的主要手段。但是实时显示问题却一直在阻挡着它的发展。尽管理论上讲能够建立起高度逼真的、实时漫游的VR，但至少现在来讲还达不到这样的水平。这种技术需要强有力的硬件条件的支撑，例如速度极快的图形工作站和三维图形加速卡，但目前即使是最快的图形工作站也不能产生十分逼真，同时又是实时交互的VR。其根本原因是因为引入了用户交互，需要动态生成新的图形时，就不能达到实时要求，从而不得不降低图形的逼真度以减少处理时间，这就是所谓的景物复杂度问题。[9]
图形生成是虚拟现实的重要瓶颈，虚拟现实最重要的特性是人可以在随意变化的交互控制下感受到场景的动态特性。换句话说，虚拟现实系统要求随着人的活动(位置、方向的变化)即时生成相应的图形画面。有两种重要指标衡量用户所沉浸于虚拟环境的效果和程度。其一是动态特性，其二是交互延迟特性。自然的动态特性要求每秒生成和显示30帧图形画面，至少不能少于10帧，否则将会产生严重的不连续和跳动感。交互延迟是影响用户感觉的另一个重要指标。对于人产生的交互动作，如飞行模拟
时飞行位置、方向的控制，系统的图形生成必须能立即作出反应并产生相应的环境和场景。其间的时间延迟不应大于0.1秒，最多不能大于1/ 4秒。否则在长期的工作中，人会产生疲劳、烦躁甚至恶心的感觉，严重地影响“现实”的效果。以上两种指标均依赖于系统生成图形的速度。对于动态图形效果而言，每帧图形的生成时间局限于30～50毫秒；而对于交互延迟，除包含对于交互输入及其处理时间外，图形生成速度亦是重要因素。显而易见，图形生成速度是虚拟现实的重要瓶颈。图形生成的速度主要取决于图形处理的软硬件体系结构，特别是硬件加速器的图形处理能力，以及图形生成所采用的各种加速技术。除此之外，还依赖于应用的因素，虚拟场景的复杂程度和图形生成所需的真实感程度。[10]
4 结论与展望
虚拟现实技术的发展尚处于起步阶段。它的提出，对于推动科学技术的进步及人类文明将产生深远影响。它在力学、医学、通讯、教育、军事、航空航天和工业生产等领域都将产生致关重要的作用。但目前这种新型的人机界面方式需要使用者逐步适应，同时，我们对人类本身的认识过程还缺乏认识。因此，虚拟现实技术的发展决不可能是一帆风顺
(下转第7页)gcr15热处理工艺
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[作者简介]
卓亚芬(1980-)，女(汉族)，浙江遂昌人，浙江大学
CAD&CG 国家重点实验室研究生，主要研究领域为
实时地形漫游,DE M 地形数据处理等;
赵友兵(1976-)，男(汉族)，江苏兴化人，浙江大学
CAD&CG 国家重点实验室博士研究生，主要研究领
域为实时地形漫游、基于图像的绘制和光照等;
石教英(1937-)，男(汉族)，浙江宁波人，浙江大学CAD&CG 国家重
点实验室教授，博士生导师，主要研究领域为并行计算，计算机图形和CAD ，可视化，虚拟环境。
(上接第3页)
的，其中势必经历一个漫长的发展过程。但我们相信，随着计算机技术和其他相关技术的进一步发展，虚拟现实技术会逐渐克服阻碍，得到进一步的完善而走向实用化。参考文献:
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[作者简介]
张占龙(1971-)，男(汉族)，陕西人，重庆大学电气
工程学院博士研究生，主要研究方向生物医学成像及图像处理;
重复数据删除罗辞勇(1971-)，男(汉族)，重庆人，重庆大学电气
自动化监测工程学院博士研究生，主要研究方向生物电磁特性
及图像处理;
何 为(1956-)，男(汉族)，重庆人，重庆大学电气工程学院教授,
留德博士，博士生导师，主要研究方向是生物电磁特性、生物医学成像及图像处理等。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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