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虚拟现实技术的应用现状及发展

时间:2007-1-18栏目:计算机信息技术

  摘要: 本文全面回顾了虚拟现实技术的发展历史和研究背景,介绍了虚拟现实技术的构成和技术特点,分析了虚拟现实系统在遥现技术、仿真技术、对象可视化技术等方面的应用现状,并重点论述了分布式虚拟现实系统的应用和发展前景。
  
  关键词:虚拟现实 虚拟环境 分布式虚拟现实系统
  
  虚拟现实技术简介
  
  虚拟现实技术(Virtual Reality),又称灵境技术,是90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起,为人机交互界面的发展开创了新的研究领域;为智能工程的应用提供了新的界面工具;为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于,计算机产生一种人为虚拟的环境,这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间,或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”,从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用,改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式,尤其在需要对大量抽象数据进行处理时;同时,它在许多不同领域的应用,可以带来巨大的经济效益。
  
  1.虚拟现实技术的发展概述〖1〗
  
  1965年,Sutherland在篇名为《终极的显示》的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想,从此,人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。
  
  随后的1966年,美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一个HMD的样机完成不久,研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年,出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以来所取得的一系列成就,美国的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词。
  
  80年代,美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究,并取得了令人瞩目的研究成果,从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年,NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy 和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器,将火星探测器发回的数据输入计算机,为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站(VIEW)项目中,他们又开发了通用多传感个人仿真器和遥现设备。
  
  进入90年代,迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配,使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能;人机交互系统的设计不断创新,新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。例如1993年的11月,宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作,而用虚拟现实技术设计波音777获得成功,是近年来引起科技界瞩目的又一件工作。可以看出,正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域,如娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的遥操作、教育与培训、信息可视化以及远程通讯等,人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满了憧憬与兴趣。
  
  2.虚拟现实系统的研究现状
  
  计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具,并因此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,就虚拟现实本身而言,它主要涉及到三个研究领域:
  
  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。
  
  图(1)表示的是虚拟现实系统领域的组成示意图。
  
  图(1)虚拟现实系统领域的组成示意图
  
  虚拟现实的有关技术特征及构成
  
  从本质上说,虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口,它通过给用户同时提供诸如
  
  视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作,从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。
  
  1.虚拟现实技术的重要技术特征〖2〗
  
  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:
  
  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。
  
  II.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。
  
  III交互性

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