系统架构设计课程论文-论虚拟现实技术的应用及发展

摘要：虚拟现实(VR)是一个正在发展的高新技术,它允许用户在一个采用计算机生成的三维的动态的虚拟环境中活动或与之相互作用。本文主要介绍了虚拟现实技术的基本特征及关键技术、分析了虚拟现实技术的应用现状和发展趋势。

Abstract: virtual reality (VR) is a developing new technology. It allows users to do activity or interaction with the virtual environment in a generated by the computer three-dimensional dynamic. The article mainly introduced the basic characteristics of virtual reality technology and key technology. It also analyzed the present situation and its development trend of the application of virtual reality technology.

关键词：虚拟现实 虚拟环境 虚拟现实系统

引言：虚拟现实(Visual 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。

一、虚拟现实技术简介

虚拟现实(简称VR),又称灵境技术, 是以浸没感、交互性和构想为基本特征的计算机高级人机界面,是迅速发展的一项综合性计算机、图形交互技术。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术,模拟人的视觉、听觉、触觉等感官功能,使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中,并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互,创建了一种适人化的多维信息空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性,而且能够突破空间、时间以及其他客观限制,感受到在真实世界中无法亲身经历的体验。 计算机技术的迅速发展为我们提供了许多解决问题的新方法。虚拟现实技术的产生与发展也同样如此,目前虚拟现实系统的研究现状主要涉及到三个研究领域:依靠计算机图形方式建立实时的三维视觉效果、构建对虚拟世界的观察界面和使用虚拟现实技术加强其在现实世界中的应用。

二、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：

1． 通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果； 2． 建立对虚拟世界的观察界面；

3． 使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。

下图是虚拟现实系统领域的组成示意图。

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：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、当今虚拟现实技术的应用领域

虚拟现实技术的应用前景十分广阔。目前在娱乐、教育及艺术领域的应用占据主流,其次是军事与航空、医学领域,机器人和商业领域都占有一定比例,另外在可视化计算、制造业等领域也有相当的比重。下面简要介绍其部分应用。 1.娱乐、艺术与教育领域

丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR 成为理想的视频游戏工具。如Chicago(芝加哥) 开放了关于3025 年的一场未来战争的世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统;1992年的一台称为“LegealQust”的系统由于增加了人工智能功能,使计算机具备了自学习功能,大大增强了趣味性及难度,使该系统获该年度VR 产品奖。

作为传输显示信息的媒体,VR所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术转化为动态的,可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术,提高了艺术表现能力。 2.军事与航天工业领域

模拟与练一直是军事与航天工业中的一个重要课题,这为VR提供了广阔的应用前景。

美国国防部高级研究计划局DARPA自80年代起一直致力于研究称为SIM NET的虚拟战场系统,以提供坦克协同训练,该系统可联结200多台模拟器。另外利用VR技术,可模拟零重力环境,以代替现在非标准的水下训练宇航员的方法。 3.医学领域

VR在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中,可以建立虚拟的人体模型,借助于跟踪球、HMD、感觉手套,学员们可以很容易了解人体内部各器官结构,这比现有的采用教科书的方式要有效得多。

Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器,用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯,虚拟的外科工具(如手术刀、注射器、手术钳等),虚拟的人体模型与器官等。借助于HMD及感觉手套,使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。

另外,在远距离遥控外科手术,复杂手术的计划安排,手术过程的信息指导,手术后果预测及改善残疾人生恬状况,乃至新型药物的研制等方面,VR技术都有十分重要的意义。 4.管理工程领域

VR 在管理工程方面也显示出了无与伦比的优越性。如设计一新型建筑物时,可以在建筑物动工之前用VR技术显示一下;当财政发生危机时,可以帮助分析大量的股票、债券等方面的数据以寻找对策等等。

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：动态环境建模技术;；实时三维图形生成和显示技术；新型交互设备的研制；智能化语音虚拟现实建模；大型网络分布式虚拟现实的应用等等。

六、总结与展望：

虚拟现实从其萌芽到今天的日渐成熟已经走过了相当长的一段风雨历程，正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物，它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等。目前它的研究内容涉及到多项学科领域，我们同时也认识到,这个领域的技术具有巨大的潜力和广阔的应用前景。相信随着计算机技术和网络技术的飞速发展,计算机3D运算能力和网络带宽大大提高,虚拟现实在生产生活中的应用将日益广泛。