虚拟现实技术的研究与发展现状

虚拟现实技术的研

究与发展现状

完成人： 吉林大学通信工程学院 *** 5208**** ** 5208**** *** 5208**** ** 5208****

完成时间： 2010年9月18日

虚拟现实技术的研究与发展现状 摘要：

虚拟现实作为一种综合多种科学技术的计算机领域新技术,已经涉及众多研究和应用领域,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。其未来的研究将遵循“低成本、高性能”原则,从软件、硬件上不断展开,不断发展成为一门成熟的科学和艺术。

关键词： 虚拟现实技术 相关技术 发展现状 Abstract:

As a new computer technology which combines various branches of science , virtual reality (VR) has involved numerous realms of research and

application. VR has been universally recognized as one of the important technologies which will be developed and influence people’s lives in the 21st century. In the future, the research of VR will follow the principle of “low cost and high performance”, and expand continuously in both software and hardware , so as to develop VR into a mature science and art.

Keywords: VR Related technology Present situation of development 目录：

第一章 虚拟现实技术概论

1.1虚拟现实技术概念……………………………………3 1.2虚拟现实技术发展历程………………………………3 1.3虚拟现实系统组成……………………………………4 1.4虚拟现实系统特征……………………………………6 1.5虚拟现实系统分类……………………………………8

第二章 虚拟现实的硬件设备及相关软件

2.1虚拟现实系统感知设备………………………………10 2.2虚拟世界生成设备……………………………………10 2.3虚拟现实技术工具软件………………………………11

第三章

虚拟现实技术的相关技术

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虚拟现实技术的研究与发展现状 3.1环境建模技术…………………………………………12 3.2实时三维图形绘制技术………………………………14 3.3三维虚拟声音的实现技术……………………………16 3.4自然交互与传感技术…………………………………19 3.5 碰撞检测技术…………………………………………21

第四章

虚拟现实建模语言——VRML

4.1 VRML的发展史……………………………………..23

4.2 VRML 的应用………………………………………23 4.3 VRML 文件的基本特点……………………………24

第五章

虚拟现实技术的研究现状、发展趋势与应用

5.1 虚拟现实技术的研究现状……………………………26 5.2 虚拟现实技术的发展趋势……………………………28 5.3 虚拟现实技术的应用…………………………………29

第六章

总结………………………………………………………...32

参考文献……………………………………………………………...33

正文：

第一章 虚拟现实技术概论

1.1

虚拟现实技术概念

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)，又译为临境，灵境技术等。是以沉浸性、交互性

和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它是一种综合计算机图形学、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等多种科学技术综合发展起来的计算机领域的新技术，也是力学、数学、光学、机构运动学等各种学科的综合应用。通过视、听、触等感知行为使得用户产生一种沉浸于虚拟环境的感觉，并与虚拟环境相互作用从而引起虚拟环境的实时变化，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信息空间，具有广阔的应用前景。现在与虚拟现实有关的内容已经扩大到与之相关的许多方面，如“人工现实”(Artifi- cial Reality)、“遥

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虚拟现实技术的研究与发展现状 在”(Telepresence)、“虚拟环境”(Virtual Environment)、“赛博空间”(Cyberspace)等等。

1.2 虚拟现实技术的发展历程

VR 技术的发展大致可分为三个阶段:20 世纪50 年代至70 年代,是VR 技术的准备阶段;80 年代初至80 年代中期,是VR 技术系统化、开始走出实验室进入实际应用的阶段;80 年代末至90 年代初,是VR 技术迅猛发展的阶段。

第一阶段,50～70 年代,为虚拟现实的探索阶段。1965 年由美国的Morton Heileg 开发了一个称做Sensorama 的摩托车仿真器,不仅具有三维视频及立体声效果,还能产生风吹的感觉和街道气味。1968年,美国计算机科学家I1E1Sutherland 在哈佛大学组织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,成为VR 技术发展史上的一个重要里程碑,为虚拟现实的发展奠定了基础。

第二阶段,80 年代初至80 年代中期,开始形成VR 技术的基本概念,开始由实验进入实用阶段,其重要标志是:1985 年在Michael Mc Greevy 领导下完成的VIEW 虚拟现实系统,装备了数据手套和头部,提供了手势、语言等交互手段,使VIEW 成为名副其实的虚拟现实系统,成为后来开发虚拟现实的体系结构。其他如VPL 公司开发了用于生成虚拟现实的RB2 软件和Data Glove 数据手套,为虚拟现实提供了开发工具。

第三阶段,80 年代末至90 年代初,为虚拟现实全面发展阶段。虚拟现实技术已经从实验室的试验阶段走向了市场的实用阶段,对虚拟现实技术的研究也从基本理论和系统构成的研究转向应用过程中所遇到的具体问题的探讨。在虚拟现实系统中只有各种交互设备还不够,还必须提供基本的软件支撑环境,用户能方便地构造虚拟环境并与虚拟环境进行高级交互。例如Dialogue 系统,提出了一种通过基于事件驱动的中驱用户接口管理系统(UMIS) ,能进行多进程通讯的软件体系结构,解决了虚拟现实的动态灵活性问题,推进了软件支撑环境的发展。为了满足虚拟现实对计算复杂性的几乎是无限的要求,虚拟现实系统必须提供足够强的灵活性及可扩充性。要做到这一点,可以从软件与硬件两方面来考虑,在硬件体系结构方面,DIVISON 公司在Super Vision 系统中提出了一种基本的并行模型,开发了相关的并行处理器件和DVS 操作系统,使虚拟现实得以全面发展。

1.3 虚拟现实系统的组成

VR 技术是采用以计算机技术为核心的现代高科技技术，生成逼真的视、听、

触觉等一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互，相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验。

典型的 VR 系统主要由计算机、应用软件系统、输入输出设备、用户和数据库等组成，如图1-1 所示。

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虚拟现实技术的研究与发展现状 计算机 输入输出设备 应用软件系统 数据库 图1-1 VR 系统

用户

1．计算机

在 VR 系统中，计算机负责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，尤其在某些应用中，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巨大，因此对VR 系统中计算机的配置提出了极高的要求。目前，低档的VR 系统的配置是以PC 机为基础并配置3D 图形加速卡；中档的VR 系统一般采用SUN 或SGI 等公司的可视化工作站；高档的VR 系统则采用分布式的计算机系统，即由几台计算机协同工作。由此可见，计算机是VR 系统的心脏。 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，必须采用特殊的输入输出设备，以识别用户各种形式的输入，并实时生成相应的反馈信息。常用的方式为数据手套加空间位置跟踪定位设备，它可以感知运动物体的位置及旋转方向的变化，通过头盔式显示器等立体显示设备产生相应的图像和声音。通常头盔式显示器中配有空间位置跟踪定位设备，当用户头部的位置发生变化时，空间位置跟踪定位设备检测到位置发生的相应变化，从而通过计算机得到物体运动位置等参数，并输出相应的具有深度信息及宽视野的三维立体图像和生成三维虚拟立体声音。

3．VR 的应用软件系统及数据库

VR 的应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所有物体的各个方面的信息。 图 1-2 所示的是基于头盔式显示器的VR 系统，它由计算机、头盔式显示器、数据手套、力反馈装置、话筒、耳机等设备组成。该系统首先由计算机生成一个虚拟世界，由头盔式显示器输出一个立体的显示，用户可以通过头的转动、手的移动、语音等与虚拟世界进行自然交互，计算机能根据用户输入的各种信息实时进行计算，即刻对交互行为进行反馈，由头盔式显示器更新相应的场景显示，由耳机输出虚拟立体声音、由力反馈装置产生触觉（力觉）反馈。

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虚拟现实技术的研究与发展现状

图1-2 基于头盔式显示器的VR 系统

1.4 虚拟现实系统的特征

（1）沉浸性

沉浸性（Immersion）是指用户感受到被虚拟世界所包围，好像完全置身于虚拟世界之中一样。VR 技术最主要的技术特征是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由观察者变成参与者，沉浸其中并参与虚拟世界的活动。理想的虚拟世界应该达到使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。

沉浸性来源于对虚拟世界的多感知性，除了常见的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、味觉感知、嗅觉感知等。理论上来说，VR 系统应该具备人在现实世界中具有的所有感知功能，但鉴于目前技术的局限性，在现在的VR 系统的研究与应用中，较为成熟或相对成熟的主要是视觉沉浸、听觉沉浸、触觉沉浸技术，而有关味觉与嗅觉的感知技术正在研究之中，目前还很不成熟。

① 视觉沉浸。VR 系统向用户提供虚拟世界真实的、直观的三维立体视图，并直接接受用户的控制。在VR 系统中，产生视觉方面的沉浸性是十分重要的。视觉沉浸性的建立依赖于用户与合成图像的集成，VR 系统必须向用户提供立体三维效果及较宽的视野，同时随着人的运动，所得到的场景也随之实时地改变。较理想的视觉沉浸环境是在洞穴式显示设备（CAVE）中，采用多面立体投影系统，因而可得到较强的视觉效果。另外，可将此系统与真实世界隔离，避免受到外面

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虚拟现实技术的研究与发展现状 真实世界的影响，用户可获得完全沉浸于虚拟世界的感觉。

② 听觉沉浸。在VR 系统中，声音是除视觉以外的一个重要感觉通道，如果在VR 系统中加入与视觉同步的声音效果作为补充，在很大程度上可提高VR 系统的沉浸效果。在VR 系统中，主要让用户感觉到的是三维空间的虚拟声音，这与普通立体声有所不同。普通立体声可使人感觉声音来自于某个平面，而三维虚拟声音可使听者能感觉到声音来自于一个围绕双耳的球形空间的任何位置。它可以模拟大范围的声音效果，如闪电、雷鸣、波浪声等自然现象的声音。在沉浸式三维虚拟世界中，两个物体碰撞时，也会出现碰撞声音，让用户能根据声音准确判断出碰撞发生的位置。

③ 触觉沉浸。在虚拟世界中，人们可以借助于各种相应的交互设备，使用户体验抓、握等操作的感觉。当然，从现在技术来说不可能达到与真实世界完全相同的触觉沉浸，将来也不可能，除非技术发展到同人脑能进行直接交流，而目前的技术水平主要侧重于力反馈方面。可以使用充气式手套，在虚拟世界中与物体相接触时，能产生与真实世界相同的感觉，如在建筑小区浏览时，用手推门不仅门被打开，同时手上也感觉到门对手的阻力（手感）。 （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、力反馈装置等），使用户能通过自然的方式，产生同在真实世界中一样的感觉。例如，用户可以用手直接抓取虚拟世界中的物体，这时手有触摸感，并可以感觉到物体的重量，能区分所拿的是石头还是海绵，并且场景中被抓的物体也能立刻随手的运动而移动,如图1-3所示。

图1-3 VR系统的交互性

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虚拟现实技术的研究与发展现状 VR 系统比较强调人与虚拟世界之间进行自然的交互，如人的走动、头的转动、手的移动等，通过这些方式与虚拟世界进行交互。这与传统的多媒体交互方式有较大的区别：在传统的多媒体技术中，人机之间的交互工具从计算机发明直到现在，还主要是键盘与鼠标，通过键盘与鼠标进行一维、二维的交互；而在VR 系统中，人们甚至可以意识不到计算机的存在。

交互性的另一个方面主要表现了交互的实时性。例如：头转动时能立即在所显示的场景中产生相应的变化，并且能得到相应的其他反馈；用手移动虚拟世界中的一个物体，物体位置会立即发生相应的变化。

（3）想象性

想象性（Imagination）指虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。所以说VR 技术不仅仅是一个媒体或一个高级用户界面，同时它还是为解决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件。通常它以夸大的形式反映设计者的思想，VR 系统的开发是VR 技术与设计者并行操作，是为发挥设计者的创造性而设计的。VR 技术的应用，为人类认识世界提供了一种全新的方法和手段，可以使人类跨 越时间与空间，去经历和体验世界上早已发生或尚未发生的事件；可以使人类突破生理上的，进入宏观或微观世界进行研究和探索；也可以模拟因条件等原因而难以实现的事情。例如在建设一座大楼之前，传统的方法是要绘制各种图纸，而现在可以采用VR 系统来进行设计与仿真。制作的VR 作品反映的就是某个设计者的思想，而它的功能远比那些呆板的图纸生动强大得多，所以有些学者称VR 为放大人们心灵的工具或人工现实（Artificial Reality），这就是VR 所具有的第三类特征——想象性。

现在，VR 技术在许多领域中起着十分重要的作用，如核试验、新型武器设计、医疗手术的模拟与训练、自然灾害预报等，这些问题如果采用传统方式去解决，必然要花费大量的人力、物力及漫长的时间，有些还是无法进行的，有些甚至会牺牲人员的生命。而VR 技术的出现，为解决和处理这些问题提供了新的方法及思路，人们借助VR 技术，沉浸在信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求答案，找到新的解决问题的方法 和手段。

综上所述，VR 系统具有的沉浸性、交互性、想象性，使参与者能沉浸于虚拟世界之中并进行交互。VR 系统是人们可以通过视、听、触觉等信息通道感受到设计者思想的高级用户界面。

1.5 虚拟现实系统的分类

1.5.1 沉浸式VR 系统

沉浸式 VR 系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种完全置身于虚拟世界之中的感觉。它通常采用头盔式显示器、洞穴式立体显示等设备，把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，利用空间位置跟踪定位设备、数据手套、其他手控输入设备、声音设备等使得参与者产生一种完全投入并沉浸于其中的感觉，是一种较理想的VR 系统。

沉浸式VR 系统有两个特点： ① 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

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虚拟现实技术的研究与发展现状 的世界，

并使用户沉浸于其中，同时还可以使用户与真实世界完全隔离，不受外面真实世界的影 响。

② 高度实时性。在虚拟世界中要达到与真实世界相同的感觉，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。

1.5.2 桌面式VR 系统

桌面式 VR 系统也称窗口VR，它是利用个人计算机或图形工作站等设备，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观察虚拟世界的一个窗口，通过各种输入设备实现与虚拟世界的交互。

桌面式VR 系统一般要求参与者使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个自由度的三维空间鼠标，使用户虽然坐在监视器前，却可以通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟世界。在桌面式 VR 系统中，计算机的屏幕是用户观察虚拟世界的一个窗口，在一些VR 工具软件的帮助下，参与者可以在仿真过程中进行各种设计。使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）。立体眼镜用来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使用户产生一定程度的沉浸感。有时为了增强桌面式VR 系统的效果，在桌面式VR 系统中还可以加入专业的投影设备，以达到增大屏幕观看范围的目的。

桌面式 VR 系统具有以下主要特点：

① 对硬件要求极低，有时只需要计算机或是增加数据手套、空间位置跟踪定位设备等。

② 缺少完全沉浸感，参与者不完全沉浸，因为即使戴上立体眼镜，仍然会受到周围现实世界的干扰。

③ 应用比较普遍，因为它的成本相对较低，而且它也具备了沉浸式VR 系统的一些技术要求。

常见的桌面式VR 系统工具有：全景技术软件QuickTime VR、虚拟现实建模语言VRML、网络三维互动Cult3D、Java3D 等，主要用于CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、建筑设计、桌面游戏等领域。

1.5.3 增强式VR 系统

在沉浸式 VR 系统中强调人的沉浸感，即沉浸在虚拟世界中，人所处的虚拟世界与真实世界相隔离，感觉不到真实世界的存在；而增强式VR 系统简称增强现实（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（因为部分虚拟环境由真实环境构成），又可对实际物体进行操作（因为部分物体是真实环境），真正达到了亦真亦幻的境界。在增强式VR 系统中，虚拟对象所提供的信息往往是用户无法凭借其自身感觉器官直接感知的深层信息，用户可以利用虚拟对象所提供的信息来加强对现实世界的认知，这就是增强式VR 系统。

增强式 VR 系统有以下3个特点： ① 真实世界和虚拟世界融为一体。

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虚拟现实技术的研究与发展现状 ② 具有实时人机交互功能。

③ 真实世界和虚拟世界是在三维空间中整合的。

1.5.4 分布式VR 系统

近年来，计算机、通信技术的同步发展和相互促进成为全世界信息技术与产业飞速发展的主要特征。特别是网络技术的迅速崛起，使得信息应用系统在深度和广度上发生了本质性的变化，分布式VR 系统（DVR）是一个较为典型的实例。DVR 系统是VR 技术和网络技术发展和结合的产物，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，通过网络连接成共享信息的系统。DVR 系统的目标是在沉浸式VR 系统的基础上，将地理上分布的多个用户 或多个虚拟世界通过网络连接在一起，使每个用户同时加入到一个虚拟空间里（真实感三维立体图形、立体声），通过联网的计算机与其他用户进行交互，共同体验虚拟经历，以达到协同工作的目的，它将虚拟提升到了一个更高的境界。 VR 系统运行在分布式世界中有2 方面的原因：一方面是充分利用分布式计算机系统提供的强大计算能力；另一方面是有些应用本身具有分布特性，如多人通过网络进行游戏和虚拟战争模拟等。

分布式VR系统的特点：

① 各用户具有共享的虚拟工作空间。 ② 伪实体的行为真实感。

③ 支持实时交互，共享时钟。

④ 多个用户可用各自不同的方式相互通信。

⑤ 资源信息共享以及允许用户自然操纵虚拟世界中的对象。

第二章 虚拟现实的硬件设备及相关软件

2.1 虚拟世界的感知设备

在 VR 系统中，人置身于虚拟世界中，要使人体会到沉浸的感觉，必须让虚拟世界给人以各种感受来模拟人在现实世界中的感受。人在现实世界中的感受一般来自于视觉、听觉、触觉、力觉、痛感、味觉、嗅觉等多种途径，然而基于目前的技术水平，成熟和相对成熟的感知信息的产生和检测技术，仅有视觉、听觉和触觉（力觉）三种。感知设备的作用在于在虚拟世界中，将各种感知信号转变为人所能接收的多通道刺激信号。现在主要应用的是基于视觉、听觉和力觉感知的设备，基于味觉、嗅觉等的设备有待开发研究。

1．视觉感知设备

视觉感知设备主要是向用户提供立体宽视野的场景显示，并且这种场景的变化会实时改变。此类设备主要有：头盔式显示器、洞穴式立体显示装置、响应工作台立体显示装置、墙式立体显示装置等。此类设备相对来说已经比较成熟。

2．听觉感知设备

听觉感知设备的主要功能是提供虚拟世界中的三维真实感声音的输入及播放。一般由耳机和专用声卡组成。通常用专用声卡将单通道或普通立体声源信号处理成具有双耳效应的三维虚拟立体声音。

3．触觉和力觉感知设备

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虚拟现实技术的研究与发展现状 从本质上来说，触觉和力觉实际是两种不同的感知。力觉感知设备主要是要求能反馈力的大小和方向，而触觉感知所包含的内容要更丰富一些，例如手与物体相接触，应包含一般的接触感，进一步应包含感知物体的质感（布料、海绵、橡胶、木材、金属、石头等）、纹理感（平滑、粗糙程度等）以及温度感等。在实际VR 系统中，目前能实现的仅仅是模拟一般的接触感。在相应设备中，基于力觉感知的力反馈装置相对较成熟一些。

2.2 虚拟世界的生成设备

在 VR 系统中，计算机是虚拟世界的主要生成设备，计算机的性能在很大程度上决定了VR系统的性能优劣，由于虚拟世界本身的复杂性及实时性计算的要求，产生虚拟环境所需的计算量极为巨大，这对计算机的配置提出了极高的要求。 通常虚拟世界生成设备主要分为基于高性能个人计算机、基于高性能图形工作站和基于分布式计算机的VR 系统三大类。基于高性能个人计算机的VR 系统，主要采用普通计算机配置图形加速卡，通常用于桌面式非沉浸型VR 系统；基于高性能图形工作站的VR 系统一般配备有SUN 或SGI公司可视化工作站；而基于分布式计算机的VR 系统则采用的是分布式结构的计算机系统。

虚拟世界生成设备的主要功能应该包括：

1．视觉通道信号生成与显示在 VR 系统中生成显示所需的三维立体、高度真实感的复杂场景，并能根据视点的变化进行实时绘制。

2．听觉通道信号生成与显示该功能支持三维真实感声音生成与播放。所谓三维真实感声音是具有动态方位感、距离感和三维空间效应的声音。

3．触觉与力觉通道信号与显示在 VR 系统中，要想实现人与虚拟世界之间的自然交互，就必须要支持实时的人机交互操作功能，包括三维空间定位、碰撞检测、语音识别以及人机实时对话功能。在 VR 系统建设中，我们可采用国外的可视化工作站，也可以采用国内北京黎明视景科技开发有限公司等单位开发的VR 工作站系统等。

2.3 虚拟现实工具软件

VR 的软件系统是实现VR 技术应用的关键。在VR 系统应用中，提供一种使用方便、功能强大的系统开发支撑软件是十分重要的，VR 软件工具就是要达到这个功能。目前，在国内与国外已开发了很多VR 系统软件工具，如WTK（World Tool Kit）、MR（Minimal Reality Toolkit）、World Visions、FreeWRL、VRT（Virtual Reality Toolkit）、DVES（Distributed Virtual Environment System）等，其中WTK 是应用较多的一种。

WTK（World Tool Kit）是由美国Sense8 公司开发的虚拟环境应用工具软件。它是一种简洁的跨平台软件开发系统，可用于科学和商业领域建立高性能的、实时的、综合三维工程。

WTK是具有很强的功能的终端用户工具，它可用来建立和管理一个项目并使之商业化。一个高水平的应用程序界面（API）应该能让用户按需要快捷的建模、开发及重新构造应用程序。

WTK 算法设计使画面高品质得到根本的保障。这种高效的视觉数字显示提高了运行、控制和适应能力，它的特点是高效传输数据及细节分辨。WTK 提供了强大的功能，它可以开发出最复杂的应用程序，还能提高一个组织的生产效率。 WTK 实质是一个由1 000 多个C 语言函数组成的函数库。通过使用这些函数，用

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虚拟现实技术的研究与发展现状 户可以构造出一个具有真实世界属性和行为的虚拟世界。一个函数调用相当于执行1 000 行代码，这将奇迹般地缩短产品开发时间。WTK 被规划为包括The Universe 在内的20 多个类，它们分别管理模拟系统、几何对象、视点、传感器、路径、光源和其他项目。附加函数用于器件实例化、显示设置、碰撞检测、从文件装入几何对象、动态几何构造、定义对象动作和控制绘制等。

WTK 使Open VRTM 的理论成为现实，它提供了一个工具可简捷地跨过不同的平台，包括SGI、Evans、Sutherland、Sun、HP、DEC 和Intel。优化的功能使它可以支持每一个平台界面，它直接通过连续的系统图片库使最快速传输图片成为可能。另外，WTK 支持多种输入输出设备，并且允许用户修改C 代码，也允许它和多种信息源进行交互。

从底层看，WTK 是由几百个C 语言函数组成的软件包。对用户来说，WTK 提供了一个完整的用于生成虚拟环境的应用开发工具。它提供了很好的接口，促使软件与硬件相互。它可以不依赖硬件环境而运行在从PC 机到SGI 工作站的各种机器上，也支持基于网络的分布式模拟环境，支持的VR 设备有：

Advanced Gravies Mouse stick（光学操纵杆）。 Ascension Bird（）。 Logitech 2D/6D（头部）。 Fake Space BOOM。 Logitech 鼠标、Microsoft 鼠标。 Special Systems Space ball（力矩球）。

图2.1 WTK系统结构

WTK 开发系统由两部分构成：硬件部分和软件部分。硬件部分包含主机、图形加速卡、VR设备。只有选择图形加速卡，才能保证图形的快速刷新和渲染，才能保证视觉效果的一致性。VR设备的种类很多，有HMD、数据手套、三维空间鼠标等。用户应根据对交互性的需要，选择经济合理的虚拟设备，如图2-1。例如，用户需要研究力反馈情况，才需要选用带有力反馈功能的传感器。软件部分实质是指集成了WTK 函数库的C 编译器，它可调用CAD 软件中的模型，完成虚拟

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虚拟现实技术的研究与发展现状 环境中的几何建模，也可调用各种图像编辑器所编辑的二维图像，形成虚拟环境中景物的表面纹理、图片等。WTK 采用面向对象的编程方式，形成了几十个基类，WTtuniverse、Wtgeometry、Wtnode 等。

第三章 虚拟现实系统的相关技术

VR 系统的目标是由计算机生成虚拟世界，用户能与之进行视觉、听觉、触觉、嗅觉等全方位交互。要达到这种目标，除了需要有一些专业的硬件设备，还必须有较多的相关技术及软件加以保证。如要达到观察一个三维场景，并且随视角不同能实时显示变化的场景图像。我们知道只有设备是远远不够的，还必须有相应的压缩算法等技术相支持，由此可见，实现VR 系统除了需要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的要求。

3.1 环境建模技术

虚拟环境的建立是VR 技术的核心内容，虚拟环境是建立在建模基础之上的，只有设计出反映研究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际环境的三维数据，并根据应用的需要，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他图形建模技术相比，主要特点表现在以下3个方面：

① 虚拟环境中可以有很多物体，往往需要建造大量完全不同类型的物体模型。 ② 虚拟环境中有些物体有自己的行为，而其他图形建模系统中一般只有构造静态的物体，或是物体简单的运动。

③ 虚拟环境中的物体必须有良好的操纵性能，当用户与物体进行交互时，物体必须以某种适当的方式来作出反应。

VR 系统包括三维视觉和三维听觉建模等。在当前应用中，环境建模一般主要是三维视觉建模。三维视觉建模又可细分为几何建模、物理建模、行为建模等。几何建模是基于几何信息来描述物体模型的建模方法，它处理对物体的几何形状的表示，研究图形数据结构的基本问题；物理建模是涉及物体的物理属性；行为建模是反映研究对象的物理本质及其内在的工作机理。

3.1.1 几何建模技术

几何建模技术主要研究对象是对物体几何信息的表示与处理，它是涉及表示几何信息数据结构，以及相关的构造与操纵数据结构的算法建模方法。几何建模通常采用以下4种方法：

① 利用 VR 工具软件来进行建模。如：OpenGL、Java3D、VRML 等。

② 直接从某些商品图形库中选购所需的几何图形，这样可以避免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 利用常用建模软件来进行建模。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 直接利用VR 编辑器。如Dimension 公司的VRT3 和Division 公司的Amaze 等都具有这种功能。

3.1.2 物理建模技术

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虚拟现实技术的研究与发展现状 建模技术进一步发展的产物是物理建模，也就是在建模时要考虑对象的物理属性。典型的物理建模技术有分形技术和粒子系统。 1．分形技术

分形技术是指可以描述具有自相似特征的数据集。自相似的典型例子是树，若不考虑树叶的区别，当我们靠近树梢时，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，从一定的距离观察也像一棵大树。当然，由树枝构成的树从适当的距离看时自然也是棵树。虽然，这种分析并不十分精确，但比较接近。这种结构上的自相似称为统计意义上的自相似。自相似结构可用于复杂的不规则外形物体的建模。该技术首先被用于河流和山体的地理特征建模。举一个简单的例子来说，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连接起来，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则物体建模，缺点是计算量太大，不利于实时性。因此，在VR 系统中一般仅用于静态远景的建模。 2．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，体素的选取决定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、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，粒子系统常用于描述火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等现象及动态运动的物体建模。

3.1.3 行为建模技术

几何建模与物理建模相结合，可以部分实现VR 的“看起来真实、动起来真实”的特征，而要构造一个能够逼真地模拟现实世界的虚拟环境，必须结合行为建模技术。行为建模负责物体的运动和行为的描述。如果说几何建模是VR 建模的基础，行为建模则真正体现出VR 的特征。一个VR 系统中的物体若没有任何行为和反应，则这个VR 系统是静止的、没有生命力的，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体现了VR的特征。行为建模技术主要研究的是物体运动的处理和对其行为的描述，体现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 予模型物理属性和“与生俱来”的行为与反应能力，并且服从一定的客观规律。VR 环境中的行为动画与三维动画还是有很大的不同，详见第1 章所述。 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。 1．运动学方法

运动学方法是通过几何变换，如物体的平移或旋转等来描述运动。在运动控制中，无须知道物体的物理属性。在关键帧动画中，运动是通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通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。 2．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述物体的行为，在该方法中，运动是通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的描述更精确，运动更加自然。采用运动学方法与动力

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虚拟现实技术的研究与发展现状 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，但相对应用面不广；而动力学仿真技术利用真实规律精确描述物体的行为，比较注重物体间的相互作用，较适合物体间交互较多的环境建模，它有着广泛的应用领域。

3.2 实时三维图形绘制技术

视觉信息是人类感知外部世界、获取信息的最主要的传感通道，要使用户对虚拟环境产生沉浸感，首先必须要求观察的场景画面是三维立体的，即在用户的立体眼镜或HMD 的左右眼显示器上，同步出现具有给定视差的场景画面用以产生立体视觉。其次，产生的立体画面必须随用户视点的视线方向的改变、场景中物体的运动而实时地刷新。因而三维场景的实时绘制可以说是VR 中又一项重要的技术。

3.2.1 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，还必须选择合适的算法来降低场景的复杂度（即降低图形系统处理的多边形数目）。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，其中细节层次模型应用较为普遍。 1．预测计算

根据物体的各种运动规律，如手的移动，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。 2．脱机计算

由于 VR 系统是一个较为复杂的系统，在实际应用中可以尽可能将一些可预先计算好的数据进行预先计算并存储在系统中，这样可加快需要运行时的速度。 3．场景分块

将一个复杂的场景划分成若干个子场景，各个子场景间几乎不可见或完全不可见。例如把一个建筑物按房间划分成多个子部分，此时，观察者处在某个房间时仅能看到房内的场景，如门口、窗户等和与之相邻的房间和景物。这样，系统就能有效地减少在某一时刻所需要显示的多边形数目，从而有效降低了场景的复杂度。这种方法对封闭的空间有效，但对开放的空间则很难使用。 4．可见消隐

场景分块技术与用户所处的场景位置有关，而可见消隐技术则与用户的视点关系密切。使用这种方法，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，这种方法就作用不大。

5．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中的物体使用具有不同细节的描述方法得到的一组模型。在实时绘制时，对场景中不同的物体或物体的不同部分采用不同的细节描述方法。如果一个物体离视点比较远，或者这个物体比较小，就要采用较粗的LOD模型绘制，反之，如果这个物体离视点比较近时，或者物体比较大时，就必须采用较精细的LOD模型来绘制。同

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虚拟现实技术的研究与发展现状 样，如果场景中有运动的物体，也可以采用类似的方法，对处于运动速度快或处在运动中的物体，采用较粗的LOD 模型；而对于静止的物体采用较精细的LOD 模型。图3-2所示的为头部的LOD 模型。

3.2.2 基于图像的实时绘制技术

基于几何模型的实时动态显示技术其优点主要是观察点和观察方向可以随意改变，不受。但是，同时也存在一些问题，如三维建模费时费力、工程量大，对计算机硬件有需要较高的要求，在漫游时在每个观察点及视角实时生成的数据量较大。因此，近年来很多学者研究直接采用图像来实现复杂环境的实时动态显示。

基于图像的绘制技术（Image Based Rendering，IBR）是采用一些预先生成的场景画面，对接近于视点或视线方向的画面进行变换、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 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 预先存储的图像(或环境映照)既可以是计算机生成的，也可以是用相机实际拍摄的画面，也可以两者混合生成。它们都能达到满意的绘制质量。

③ 对计算机的资源要求不高，可以在普通工作站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。 1．全景技术

全景技术是指在一个场景中的一个观察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。它所形成的数据较小，对计算机配置要求低，适用于桌面式VR 系统，建模速度快，但一般一个场景只有一个观察点，因此交互性较差。 2．图像的插值及视图变换技术

在上面所介绍的全景技术中，只能在指定的观察点进行漫游。现在，研究人员研究了根据在不同观察点所拍摄的图像，交互地给出或自动得到相邻两个图像之间对应点，采用插值或视图变换的方法，求出对应于其他点的图像，生成新的视图，根据这个原理可实现多点漫游的要求。

3.3 三维虚拟声音的显示技术

在 VR 系统中，听觉是仅次于视觉的第二传感通道，是创建虚拟世界的一个重要组成部分。在VR 系统中加入与视觉并行的三维虚拟声音，一方面可以在很大程度上增强用户在虚拟世界中的沉浸感和交互性，同时也可以减弱大脑对于视觉的依赖性，降低沉浸感对视觉信息的要求，使用户能从既有视觉感受又有听觉

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虚拟现实技术的研究与发展现状 感受的环境中获得更多的信息。

3.3.1 三维虚拟声音的概念与作用

VR 系统中的三维虚拟声音与人们熟悉的立体声音完全不同。我们日常听到的立体声录音，虽然有左右声道之分，但就整体效果而言，我们能感觉到立体声音来自听者面前的某个平面；而VR系统中的三维虚拟声音，使听者能感觉到声音却是来自围绕听者双耳的一个球形空间中的任何地方，即声音可能来自于头的上方、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声时，他就能像在现实世界中一样准确而且迅速地判断出对手的位置，如果对手在他身后，听到的声就应是从后面发出的。因而把在虚拟场景中的能使用户准确地判断出声源的精确位置、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，如图3-2 所示。

3.3.2 三维虚拟声音的特征

在三维虚拟声音系统最核心的技术是三维虚拟声音定位技术，它的主要特征如下：

1．全向三维定位特性

全向三维定位特性（3D Steering）指在三维虚拟空间中，使用户能准确地判断出声源的精确位置，符合人们在真实境界中的听觉方式，如同在现实世界中，我们一般先听到声响，然后再用眼睛去看这个地方。三维声音系统不仅允许我们根据注视的方向，而且可根据所有可能的位置来监视和识别各信息源。可见，三维声音系统能提供粗调的机制，用以引导较为细调的视觉能力的注意。在受干扰的可视显示中，用听觉引导肉眼对目标的搜索，要优于无辅助手段的肉眼搜索，即使是对处于视野中心的物体也是如此，这就是声学信号的全向特性。

2．三维实时跟踪特性

三维实时跟踪特性（3D Real Time Localization）是指在三维虚拟空间中，实时跟踪虚拟声源位置变化或景象变化的能力。当用户头部转动时，这个虚拟的声源的位置也应随之变化，使用户感到真实声源的位置并未发生变化。而当虚拟发声物体移动位置时，其声源位置也应有所改变。因为只有声音效果与实时变化的视觉相一致，才可能产生视觉和听觉的叠加与同步效应。如果三维虚拟声音系统不具备这样的实时变化能力，看到的景象与听到的声音会相互矛盾，听觉就会削 弱视觉的沉浸感。

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虚拟现实技术的研究与发展现状 3．沉浸感与交互性

三维虚拟声音的沉浸感就是指加入三维虚拟声音后，能使用户产生身临其境的感觉，这可以更进一步使人沉浸在虚拟环境之中，有助于增强临场效果。而三维声音的交互特性则是指随着用户的临场反应和实时响应的能力。

3.3.3 人类的听觉模型与头相关转移函数

三维虚拟声音的使用主要依赖于用户对听觉空间中各种信息源的定位能力。如在听普通立体音乐时，头部有任何运动，听者都会感到声音方向在改变。然而我们希望的是耳机传出的声音应有位置、方向感，并且能根据听者与声源的距离来反映声音的大小，这在VR 系统里实现是不容易的，因为它要求声源的位置必须完全于VR 系统中使用者头部的运动。因此，在设计时必须仔细考虑听者精确定位所需的声学信息，认真分析确定声源方向的理论，为虚拟三维声音系统建立人类的听觉模型。

1．人类的听觉模型

人类听觉系统用于确定声源位置和方向信息，它不仅与混响时间差和混响强度差有关，更取决于对进入耳朵的声音产生频谱的耳廓。混响时间差是指声源到达两个耳朵的时间之差，根据到达双耳的时间来判断，当左耳先听到的声音，就说明声源位于听者的左侧，即偏于一侧的声源的声音先到达较近的耳朵。混响强度差是指声源对左右耳作用的压强之差。在声波的传播过程中，如果声源距离一侧耳朵比另一侧近，则到达这一侧耳朵的声波就比另一侧耳朵的声波大。一般来讲，混响强度差因为时间因素产生的压力差较小。其实，头部阴影效应所产生的压力差影响更显著，使到达较远一侧耳朵的声波比近一侧耳朵的声波要小，这就存在一个压力差。这一现象在人的声源定位机能中起着重要的作用。

研究表明：在声波频率较低时，混响强度差很小，声音定位依赖混响时间差，当声波的频率较高时，混响强度差在声音定位中起作用。但进一步研究表明，该理论不能解释所有类型的声音定位，即使双耳的声音中包含时间相位及强度信息，仍使听者感觉到在头内而不是在身外。1974年Shaw 的研究表明大脑就是依靠耳廓加在入耳的压力波上的独特的“耳印”来获取空间信息的。每个耳朵有一个耳洞，但并不是简单的洞，声音在外耳上反射进入内耳，因此声音在听者的面部、肩部和外耳上发生反跳，并改变了声音的频谱。每当声音传播到身体的头部、躯体、外耳廓三个部位时，就会发生散射现象，而且左右耳产生的波谱分布不同，当进入的声波与外耳或耳廓产生交互作用时，发生与方向有关的滤波作用，这将对定位有着重要的影响。

2．头相关转移函数

声音相对于听者的位置会在两耳上产生两种不同的频谱分布，靠得近的耳朵通常感受到的强度相对高一些。通过测量外界声音及鼓膜上的声音的频谱差异，获得了声音在耳附近发生的频谱波形，随后利用这些数据对声波与人耳的交互方式进行编码，得出相关的一组转移函数，并确定出双耳的信号传播延迟的特点，以此对声源进行定位。这种声音在双耳中产生的频段和频率的差异就是第二条定位线索。

通常在VR 系统中，当无回声的信号由这组转移函数处理后，再通过与 声源缠绕在一起的滤波器驱动一组耳机，就可以在传统的耳机上形成有真实感的三维声音了。理论上，这些转移函数因人而异，因为每个人的头、耳的大小和形状各不相同。但这些函数通常是从一群人获得的，因而它只是一组平均特征值。

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虚拟现实技术的研究与发展现状 而且，由于头的形状也要与耳廓的本身的行为作用，因此，转移函数是与头相关的，故称为头相关转移函数（Head-Related Transfer Function，HRTF）。事实上，HRTF 的主要影响因素是耳廓，但除耳廓外还受头部的衍射和反射、肩膀的反射及躯体的反射等多方面因素的影响。举例来说，在虚拟世界中的一台正播放音乐的录音机，它的虚拟位置应该是不变的，只是和用户的相对位置会改变。但如果不考虑这一相对变化引起的传递函数变化，录音机就可能在虚拟世界中动起来，这样的声音效果不仅不能增强沉浸感，反而会造成莫名其妙的感觉。反之，头部位置固定而声音源发生移动，听到的声音也应随之变化，从而真正的实现三维声 音定位。

3.3.4 语音识别与合成技术

语音是人类最自然的交流方式。与虚拟世界进行语音交互是实现VR 系统中的一个高级目标，语音技术在VR 技术中的关键技术是语音识别技术和语音合成技术，在目前技术上还很不成熟，和语音识别相比，语音合成技术相对说来要成熟一些。

语音识别技术（Automatic Speech Recognition，ASR），是指将人说话的语音信号转换为可被计算机程序所识别的文字信息，从而识别出说话人的语音指令以及文字内容的技术。语音识别一般包括参数提取、参考模式建立、模式识别等过程。当通过一个话筒将声音输入到系统中，系统把它转换成数据文件后，语音识别软件便开始以输入的声音样本与事先储存好的声音样本进行对比工作，声音对比工作完成之后，系统就会输入一个它认为最“像”的声音样本序号，由此可以知道输入者刚才念的声音是什么意义，进而执行此命令。

语音合成技术（Text To Speech，TTS ），是指将文本信息转变为语音数据，以语音的方式播放出来的技术。在语音合成技术中，首先对文本进行分析，再对它进行韵律建模，然后从原始语音库中取出相应的语音基元，利用特定的语音合成技术对语音基元进行韵律特性的调整和修改，最终合成出符合要求的语音。在VR 系统中，采用语音合成技术可提高沉浸效果，当试验者戴上一个低分辨率的HMD 后，主要是从显示中获取图像信息，而几乎不能从显示中获取文字 信息。这时通过语音合成技术用声音读出必要的命令及文字信息，就可以弥补视觉信息的不足。

在 VR 系统中，如果将语音合成与语音识别技术结合起来，就可以使试验者与计算机所创建的虚拟环境进行简单的语音交流了。当使用者的双手正忙于执行其他任务，这个语音交流的功能就显得更为重要了。因此，这种技术在VR 环境中具有突出的应用价值，相信在不远的将来，ASR 和TTS 技术将出现在我们的身边，真正实现人机自然交互。

3.4 自然交互与传感技术

在 VR 技术中，我们强调自然交互性，即人处在虚拟世界中，与虚拟世界进行交互，甚至意识不到计算机的存在，即在计算机系统提供的虚拟空间中，人可以使用眼睛、耳朵、皮肤、手势和语音等各种感觉方式直接与之发生交互，这就是虚拟环境下的自然交互技术。目前，与VR 技术中的其他技术相比，这种自然交互技术相对还不太成熟。

在最近几年的研究中，为了提高人在虚拟环境中的自然交互程度，研究人员一方面在不断改进现有自然交互硬件的同时，加强了对相应软件的研究，另一方

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虚拟现实技术的研究与发展现状 面则是将其他相关领域的技术成果引入到VR 系统中，从而扩展全新的人机交互方式。在VR 领域中较为常用的交互技术主要有手势识别、面部表情的识别以及眼动跟踪等。

3.4.1 手势识别

人与人之间交互的形式很多，有动作及语言等多种。在语言方面，除了采用自然语言（口语、书面语言）外，人体语言（表情、体势、手势）也是人类交互的基本方式之一。与人类交互相比，人机交互就呆板得多，因而研究人体语言理解，即人体语言的感知及人体语言与自然语言的信息融合，对于提高VR 技术的交互性有重要的意义。手势是一种较为简单、方便的交互方式，也是人体语言的一个非常重要的组成部分，它是包含信息量最多的一种人体语言，它与语言及书面语等自然语言的表达能力相同，因而在人机交互方面，手势完全可以作为一种手段，而且具有很强的视觉效果，因为它生动、形象、直观。

手势识别系统根据输入设备的不同，主要分为基于数据手套的识别和基于视觉（图像）的手语识别系统两种。基于数据手套的手势识别系统，就是利用数据手套和空间位置跟踪定位设备来捕捉手势在空间运动的轨迹和时序信息，对较为复杂的手的动作进行检测，包括手的位置、方向和手指弯曲度等，并可根据这些信息对手势进行分类，因而较为实用。这种方法的优点是系统的识别率高，缺点是做手势的人要穿戴复杂的数据手套和空间位置跟踪定位设备，相对了人手 的自由运动，并且数据手套、空间位置跟踪定位设备等输入设备价格比较昂贵。基于视觉的手势识别是从视觉通道获得信号，有的要求手要戴上特殊颜色的手套，有的要求戴多种颜色的手套来确定手的各部位。通常采用摄像机采集手势信息，由摄像机连续拍摄下手部的运动图像后，先采用轮廓的办法识别出手上的每一个手指，进而再用边界特征识别的方法区分每一个较小的、集中的手势。该方法的优点是输入设备比较便宜，使用时不干扰用户，但识别率比较低，实时性较差，特别是很难用于大词汇量的复杂手势识别。

3.4.2 面部表情识别

在人与人的交互中，人脸是十分重要的，人可以通过脸部的表情表达自己的各种情绪，传递必要的信息。人脸识别是一个非常热门的技术，具有广泛的应用前景。人脸图像的分割、主要特征（如眼睛、鼻子等）的定位以及识别是这个技术的主要难点。国内外都有很多研究人员在从事这一方面的研究，提出了很多好的方法，如采用模板匹配的方法实现正面人脸的识别，采用尺度空间技术研究人脸的外形并获取人脸的特征点，采用神经网络的方法进行识别，采用对运动模型 参数估计的方法来进行人脸图像的分割等。但大多数方法都存在一些共同的问题，如要求人脸变化不能太大、特征点定位计算量大等。

在 VR 系统中，人的面部表情的交互在目前来说，还是一种不太成熟的技术。一般人脸检测问题可以描述为：给定一幅静止图像或一段动态图像序列，从未知的图像背景中分割、提取并确认可能存在的人脸。如果检测到人脸，提取人脸特征。虽然人类可以很轻松地从非常复杂的背景中看出人脸，但对于计算机来说却相当困难。在某些可以控制拍摄条件的场合，将人脸限定在标尺内，此时人脸的检测与定位相对比较容易。在另一些情况下，人脸在图像中的位置预先是未知 的，比如在复杂背景下拍摄的照片，这时人脸的检测与定位将受以下因素的影响：人脸在图像中的位置、角度和不固定尺度以及光照的影响，发型、眼镜、胡须以

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虚拟现实技术的研究与发展现状 及人脸的表情变化，图像中的噪声等。所有这些因素都给人脸的正确检测与定位带来了困难。

人脸检测的基本思想是建立人脸模型，比较所有可能的待检测区域与人脸模型的匹配程度，从而得到可能存在人脸的区域。根据对人脸知识的利用方式，可以将人脸检测方法分为两大类：基于特征的人脸检测方法和基于图像的人脸检测方法。第一类方法直接利用人脸信息，比如人脸肤色、人脸的几何结构等。这类方法大多用模式识别的经典理论，应用较多。第二类方法并不直接利用人脸信息，而是将人脸检测问题看做一般的模式识别问题，待检测图像被直接作为系统输 入，中间不需特征提取和分析，直接利用训练算法将学习样本分为人脸类和非人脸类，检测人脸时只要比较这两类与可能的人脸区域，即可判断检测区域是否为人脸。

3.4.3 眼动跟踪

在虚拟世界中生成视觉的感知主要依赖于对人头部的跟踪，即当用户的头部发生运动时，生成虚拟环境中的场景将会随之改变，从而实现实时的视觉显示。但在现实世界中，人们可能经常在不转动头部的情况下，仅仅通过移动视线来观察一定范围内的环境或物体。在这一点上，单纯依靠头部跟踪是不全面的。为了弥补这一缺陷，我们在VR 系统中引入眼动跟踪技术。

眼动跟踪技术的基本工作原理是利用图像处理技术，使用能锁定眼睛的特殊摄像机，通过摄入从人的眼角膜和瞳孔反射的红外线连续地记录视线变化，从而达到记录、分析视线追踪过程的目的。

在常见的视觉追踪方法有眼电图、虹膜-巩膜边缘、角膜反射、瞳孔-角膜反射、接触镜等几种。

视线跟踪技术可以弥补头部跟踪技术的不足之处，同时又可以简化传统交互过程中的步骤，使交互更为直接，因而，目前多被用于军事领域（如飞行员观察记录等），阅读以及帮助残疾人进行交互等领域。

3.4.4 触觉、力觉反馈传感技术

触觉、力觉反馈传感技术是运用先进的技术手段，将虚拟物体的空间运动转变成特殊设备的机械运动，在感觉到物体的表面纹理的同时，也使用户能够体验到真实的力度感和方向感，从而提供一个崭新的人机交互界面。即运用“作用力与反作用力”的原理来达到传递力度和方向信息的目的。在VR 系统中，为了提高沉浸感，用户希望在看到一个物体时，能听到它发出的声音，并且还希望能够通过自己的触摸，来了解物体的质地、温度、重量等多种信息，这样才觉得全面 地了解该物体，从而提高VR 系统的真实感和沉浸感，并有利于虚拟任务的执行。如果没有触觉力觉反馈，操作者无法感受到被操作物体的反馈力，得不到真实的操作感，甚至可能出现在现实世界中非法的操作。

触觉感知包括触摸反馈和力量反馈所产生的感知信息。触觉感知是指人与物体对象接触所得到的全部感觉，包括有触摸感、压感、振动感、刺痛感等。触摸反馈一般指作用在人皮肤上的力，它反映了人触摸物体时的感觉，侧重于人的微观感觉，如对物体的表面粗糙度、质地、纹理、形状等的感觉；而力量反馈是作用在人的肌肉、关节和筋腱上的力量，侧重于人的宏观整体感受，尤其是人的手指、手腕和手臂对物体运动和力的感受。如果用手拿起一个物体时，通过触摸反馈可以感觉到物体是粗糙或坚硬等属性，而通过力量反馈，才能感觉到物体的重

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虚拟现实技术的研究与发展现状 量。

由于人的触觉相当敏感，一般精度的装置根本无法满足要求，所以触觉与力反馈的研究相当困难。目前大多数VR 系统主要集中并停留在力反馈和运动感知上面，其中，很多力觉系统被做成骨架的形式，从而既能检测方位，又能产生移动阻力和有效的抵抗阻力。而对于真正的触觉绘制，现阶段的研究成果还很不成熟；对于接触感，目前的系统已能够给身体提供很好的提示，但却不够真实；对于温度感，虽然可以利用一些微型电热泵在局部区域产生冷热感，但这类系统还 很昂贵；对于其他一些感觉诸如味觉、嗅觉和体感等，至今仍然对它的理论知之甚少，有关此类产品相对较少。虽然目前已研制成了一些这样的触摸和力量反馈产品，但它们大多还是粗糙的、实验性的，距离真正的实用尚有一定的距离。

3.5 碰撞检测技术

在虚拟世界中，由于用户与虚拟世界的交互及虚拟世界中物体的相互运动，物体之间经常会出现发生相碰的情况。为了保证虚拟世界的真实性，就需要VR 系统能够及时检测出这些碰撞，产生相应的碰撞反应，并及时更新场景输出，否则就会发生穿透现象。正是有了碰撞检测，才可以避免诸如人穿墙而过等不真实情况的发生，影响虚拟世界的真实感。在虚拟世界中关于碰撞，首先要检测到有碰撞的发生及发生碰撞的位置，其次是计算出发生碰撞后的反应，所以说碰撞检 测是VR 系统中不可缺少的部分。在虚拟世界中通常有大量的物体，并且这些物体的形状复杂，要检测这些物体之间的碰撞是一个十分复杂的事情，其检测工作量较大，同时由于VR 系统中有较高实时性的要求，要求碰撞检测必须在很短的时间（如30 ms～50 ms）完成，因而碰撞检测成了VR 系统与其他实时仿真系 统的瓶颈，碰撞检测是VR 系统研究的一个重要技术。

1．碰撞检测的要求

为了保证虚拟世界的真实性，碰撞检测必须有较高的实时性和精确性。所谓实时性，基于视觉显示的要求，碰撞检测的速度一般至少要达到24 次/秒，而基于触觉要求，碰撞检测的速度至少要达到300 次/秒才能维持触觉交互系统的稳定性，只有达到1 000 次/秒才能获得平滑的效果。而精确性的要求则取决于VR 系统在实际应用中的要求，比如对于小区漫游系统，只要近似模拟碰撞情况，此时，若两个物体之间的距离比较近，而不管是否实际有没有发生碰撞，都可以将其当做是发生了碰撞，并粗略计算其发生的碰撞位置。而对于如虚拟手术仿真、虚拟装配等系统的应用时，就必须精确地检测碰撞是否发生，并实时地计算出碰撞发生的位置，并产生相应的反应。

2．碰撞检测的实现方法

由于物体本身的模型可能很复杂，直接采用物体的原模型来检测两个物体的碰撞，计算量仍然过大。对两物体间的精确碰撞检测的加速实现，现有的碰撞检测算法主要可划分为两大类：层次包围盒法和空间分解法。层次包围盒法的基本思想是利用体积略大而几何特性简单的包围盒将复杂几何对象包裹起来，在进行碰撞检测时，首先进行包围盒之间相交测试，只有包围盒相交时，才对其所包裹的对象，做进一步求交计算。在构造碰撞体的包围盒时，若引入树状层次结构，可快速剔除不发生碰撞的元素，减少大量不必要的相交测试，从而提高碰撞检测效率。比较典型的包围盒类型有沿坐标轴的包围盒 AABB、包围球、方向包围盒、固定方向凸包等。层次包围盒方法应用得较为广泛，适用复杂环境中的碰撞检测。

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虚拟现实技术的研究与发展现状 空间分解法是将整个虚拟空间划分成相等体积的小单元格，只对占据同一单元格或相邻单元格的几何对象进行相交测试。比较典型的方法有K-D 树、八叉树、BSP 树、四面体网、规则网等。空间分解法通常适用于稀疏的环境中分布比较均匀的几何对象间的碰撞检测。

第四章 虚拟现实建模语言——VRML

VRML(虚拟现实造型语言)：它是一种在Internet网上应用极具前景的技术，它采用描述性的文本语言描述基本的三维物体的造型，通过一定的控制，将这些基本的三维造型组合成虚拟场景，当浏览器浏览这些文本描述信息时，在本地进行解释执行，生成虚拟的三维场景。VRML的最大特点在于利用文本描述三维空间，大大减少了在Internet网上传输的数据量，从而使得需要大量数据的虚拟现实得以在Internet网上实现。

例如，VRML学习环境设计如图4-1

图4-1 VRML学习环境设计

4.1 VRML的发展史

随着计算机技术特别是多媒体技术和Internet 网络技术的不断发展，人们对计算机所能展示的以及网络所能传播的信息有了越来越高的要求，不再仅仅满足传统的平面和三维带来的交流方式，而且希望以交互的方式有更能接近于现实的甚至是身临其境的感觉交流。这样，以VR 为特征的Web3D 技术的出现和发展是势在必行的，而VRML 就是Web3D 的核心技术。

1994 年5 月，第一届Internet 国际会议上，有关专家发表的在Web 上运行三维立体世界的研究引起了广泛的讨论。短短的几个月后，在1994 年10 月，VRML1.0 规范正式发布。这以后，许多专家、企业积极投身于VRML 的推广和研究，特别是VRML 技术组（VAG）不懈的努力，使VRML 得到了迅速的发展。1996

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虚拟现实技术的研究与发展现状 年，VRML2.0 规范正式确定。1998 年1 月被ISO 正式确定为国际标准的VRML 正是现在我们常说的VRML97。

4.2 VRML 的应用

与其他在Web 实现虚拟环境的实现技术相比，VRML 的学习相对容易，但这并不意味着VRML 的功能简单。在构建Web 虚拟场景方面，VRML 具有很强的能力，并且由于可以嵌入Java、JavaScript，其表现能力得到极大的扩充，不仅仅限于虚拟的三维场景，还能实现动画。更为重要的是，它能够实现人机交互，形成更为逼真的虚拟环境。

VRML 融合了二维和三维图像技术、动画技术和多媒体技术，借助于网络的迅速发展，构建了一个交互的虚拟空间。VRML 技术和其他的计算机技术的结合，在Web 环境中创建虚拟城市、虚拟校园、虚拟图书馆以及虚拟商店已经不再是一种幻想。比如在电子购物中，用户在虚拟商店里感受到的是和真实商品一样实在的质地，而不再是简单的图片。又如在线房产的推销中，虽然制作精良的建筑效果图能够给用户以很好的感官认识，但是如果借助于VRML 构建的虚拟场景，它使用户有如身临其境，这无疑更具有吸引力和感召力。

4.3 VRML 文件的基本特点

1．VRML 文件的基本要素——节点（Node）和域（Field）

VRML 文件的扩展名为wrl，文件中最为重要的两个基本要素是节点（Node）和域（Field）。节点是VRML 文档中基本的组成单元，VRML 借助于节点来描述对象某一方面的特征，比

如形状、材质和颜色等。VRML 场景往往由一组具有一定层次结构的节点构造出来。 例6-1 Shape {

appearance Appearance {

material Material { }

}

geometry Cylinder {

radius 0.5 height 6.0}

例6-1 中的VRML 文档描述了一个圆柱体的构建，其中Shape、Appearance、Material 和Cylinder 就是节点。在VRML 中，除了使用建模语言本身提供的基本节点以外，还可以由用户使用原型定义和构造自己所要用的不同类型以及不同接口的节点，扩充VRML 的功能，以创建更加生动的VRML场景。

节点由节点名、节点类型、域、事件接口等部分组成。域通过域值来描述节点的属性，域值指明了节点所描述的对象的特征。在例6-1 的VRML文档中，Cylinder节点描述了一个圆柱体，而radius 和height 则是Cylinder 节点的两个域，它们描述了圆柱体所具有的形状特征，即该圆柱体的半径为0.5 个VRML 单位，高为6.0 个VRML单位。

不同的节点包含不同的域，各个域没有次序之分，每个域值有自己的默认值，

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虚拟现实技术的研究与发展现状 而且有些域还用同名的节点作为域值。根据域的域值情况的不同，可以把域分为两类，一类为单值域，用SF 标记，它用一个值或一组值来描述对应节点相应的特征。另一类为多值域，可以标记为MF。VRML 的域值类型有很多种。比如：SFBool 表示单域值布尔型，取值为True 或者False，以确定某个属性是否打开；SFVec2f、MFVec2f 表示单域值、多域值二维浮点型，取值为一组或多组两个浮点数值，用来确定一个二维的位置；而SFVec3f、MFVec3f 则分别表示单域值三维浮点型和多域值三维浮点型，取值为一组或多组三个浮点数值，用来确定一个三维的位置。

2．事件（Event）和路由（Route）

在现实环境中，事物往往随着时间会有相应的变化，比如，物体的颜色随着时间发生变化。在VRML 中借助事件（Event）和路由（Route）的概念反映这种现实情况。节点的某些特征可以通过接收事件改变。如节点的颜色可以改变，表示为接收事件set_color。当节点被改变了，会对改变的状态有所反应，送出一些事件，比如发出颜色改变的信号color_changed。路由的功能是连接一个节点的输入事件eventIns 和另外一个节点的输出事件eventOuts。通过简单的语法结构，建立两个节点之间的时间传送路径。借助于事件和路由，能够使得所建立的虚拟场景更接近于现实。

3．VRML 的通用语法结构

首先观察一个 VRML 文件，如例6-2 所示。 例6-2

#VRML V2.0 utf8 #Draw the column Shape {

appearance DEF Yellow Appearance {

material Material {

diffuseColor 1.0 1.0 0.0

}

}

geometry Cylinder {

radius 0.5 height 4.0 }

}

例6-2 中的VRML 文档描述了一个白颜色的圆柱体，虽然是一个很简单的几何体，但却是一个很典型的VRML 文件。它表达了下述几个方面的内容。 ① 第一行#VRML V2.0 utf8 是VRML 文件头，任何VRML 文件都必须有这样的文件头，并且必须放在第一行，它表述了以下三个含义： a）#VRML 表示这是个VRML 文件。

b）v2.0 表示文件使用VRML2.0 版的规范。

c）utf8 表示文件是使用国际UTF-8 的字符集合。 ② #Draw the column 是一个注释，用以对文件作些说明。在VRML 中，注释是在语句的前面加上“#”符号。注释不是必需的，但是在必要的地方加上注释是一个很好的习惯，便于读程序，便于调试。

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虚拟现实技术的研究与发展现状 ③ 在文件中，习惯上节点用大写字母开头，域用小写字母开头。而节点的域要用一对大括号“{ }”括起来。

④ 在文档中，还可以看到这样一句：DEF Yellow Appearance，这是为节点Appearance 定义一个名称。有时候一个场景、造型或者一个造型的外观等可能会多次在文档中出现。这时可以将描述造型的节点、描述外观的节点或者描述场景的一组节点一起定义，在需要的地方引用，这样可节省开发的时间。节点定义的基本方法如下：

DEF 节点名称 节点{„}

a）节点名称用来给所要引用的节点起一个名字，它可以由大小写字母、下划线和数字组成，但是要注意节点名称的字母是区分大小写的，并且名称不能以数字开头。

b）节点名称不能包括非打印字符，如空格等，也不能含有各种运算符号、括号以及一些特殊字符，如 $ 等。

c）节点名称不能选用VRML 中有特殊作用的字符串，如ROUTE 等。以后在引用该节点的时候，使用节点的语法为：USE 节点名称

4．VRML 的空间坐标与计量单位

在实际环境中，构成场景的造型有大小的差别，物体间有不同的相对位置，并且造型还会有旋转、移动等运动，因此在VRML 中，采用空间直角坐标系确定造型的位置，并且用特定的计量单位定量表示长度。在VRML 场景中，空间直角坐标满足右手螺旋法则，就是说，右手四指从x 方向转到y 方向，则拇指的指向是z 方向。在默认情况下，x 坐标向右为正，y 坐标向上为正，而z 坐标指向观 察者为正。

在VRML 中，长度及坐标的计量单位采用VRML 单位计量，可以简称为单位。在本书中，为叙述简练而省去单位字样。 例6-3

geometry Cylinder {

radius 0.5 height 4.0 }

例6-3 表示的是一个圆柱体造型，半径为0.5，高为4.0。需要注意的是，这里表示的单位和实际环境中的计量没有任何可比性，和一些三维建模软件如3DSMAX 的计量单位也没有可比性。

在VRML 场景中，只有物体间的大小和相对位置都用VRML 单位计量，才能模拟出真实的物体。在VRML中，角度用 rad（弧度）来描述，这是浏览器接受的角度描述。360°等于2πrad，由此，1rad 约等于57°。

第五章 虚拟现实技术的研究现状、发展趋势与应用 5.1 虚拟现实技术的研究现状

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，概括的国内外虚拟现实技术，它主要涉及到三个研究领域：通过计算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

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虚拟现实技术的研究与发展现状 方面的应用。

5.1.1 VR技术在美国的研究现状

美国是虚拟现实技术研究的发源地，虚拟现实技术可以追溯到上世纪40年代。最初的研究应用主要集中在美方对飞行驾驶员与宇航员的模拟训练。然而，随着冷战后美费的削减，这些技术逐步转为民用，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。 上世纪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，美国宇航局Ames实验室致力于一个叫“虚拟行星探索”(VPE)的实验计划。现NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并已经建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学。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。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。施乐公司研究中心在VR领域主要从事利用VRT建立未来办公室的研究，并努力设计一项基于VR使得数据存取更容易的窗口系统。波音公司的波音777运输机采用全无纸化设计，利用所开发的虚拟现实系统将虚拟环境叠加于真实环境之上，把虚拟的模板显示在正在加工的工件上，工人根据此模板控制待加工尺寸，从而简化加工过程。

图形图像处理技术和传感器技术是以上VR项目的主要技术。就目前看，空间的动态性和时间的实时性是这项技术的最主要焦点。 5.1.2 VR技术在欧洲的研究现状

在欧洲，英国在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)设计和应用研究方面。在欧洲来说是领先的。英国Bristol公司发现，VR应用的交点应集中在整体综合技术上，他们在软件和硬件的某些领域处于领先地位。英国ARRL公司关于远地呈现的研究实验，主要包括VR重构问题。他们的产品还包括建筑和科学可视化计算。

欧洲其它一些较发达的国家如：荷兰、德国、瑞典等也积极进行了VR的研究与应用。

瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境，是一个基于Unix的，不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。

荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室(TNO- PEL)开发的训练和模拟系统，通过改进人机界面来改善现有模拟系统，以使用户完全介入模拟环境。 德国在VR的应用方面取得了出乎意料的成果。在改造传统产业方面，一是用于产品设计、降低成本，避免新产品开发的风险；二是产品演示，吸引客户争取定单；三是用于培训，在新生产设备投入使用前用虚拟工厂来提高工人的操作水平。

5.1.3 VR技术在日本的研究现状

日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中同样具有举足轻重的地位，它在建立大规模VR知识库和虚拟现实的游戏方面作出了很大的成就。 在东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面，称为SpmAR NEC公司开发了一种虚拟现实系统，用代用手来处理CAD中的三维形体模型。通过数据手套把对模型的处理与操作者的手联系起来；日本国际工业和商业部产品科学研究院开发了一种采用x、Y记录器的受力反馈装置；东京大学的高级科学研究中心的研究重点主要集中在远程控制方面，他们最近的研究项目是可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂的主从系

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虚拟现实技术的研究与发展现状 统；东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。他们正在开发一种虚拟全息系统，用于克服当前显示和交互作用技术的局限性；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放到鼻尖上一闻，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。

5.1.4国内虚拟现实技术研究现状

在我国虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比还有很大的一段距离，随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展，虚拟现实技术已经得到了相当的重视，引起我国各界人士的兴趣和关注，研究与应用VR，建立虚拟环境!虚拟场景模型分布式VR系统的开发正朝着深度和广度发展。国家科委国防科工委部已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目，国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用并取得了一些不错的研究成果。

北京航空航天大学计算机系也是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，其虚拟实现与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境，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，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，例如在其的汽车研究中用到的虚拟现实技术如图5-1。

图5-1 虚拟现实系统在汽车制造中的应用

清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”，采用了QuickTime技术，实现大全景VR制；浙江大学CAD＆CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统；哈尔滨工业大学计算机系已经成功地合成了人的高级行为中的特定人脸图像，解决了表情的合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等。

5.2 虚拟现实技术的发展趋势

随着虚拟现实技术在城市规划、军事等方面应用的不断深入，在建模与绘制

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虚拟现实技术的研究与发展现状 方法、交互方式和系统构建方法等方面，对虚拟现实技术都提出来更高的需求。为了满足这些新的需求，近年来，虚拟现实相关技术研究遵循“低成本、高性能”原则取得了快速发展，表现出一些新的特点和发展趋势。主要表现在以下方面： (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)适人化、智能化人机交互设备的研制。

虽然头盔和数据手套等设备能够增强沉浸感，但在实际应用中，它们的效果并不好，并未达到沉浸交互的目的。采用人类最为自然的视觉、听觉、触觉和自然语言等作为交互的方式，会有效地提高虚拟现实的交互性效果。 (4)大型网络分布式虚拟现实的研究与应用。

网络虚拟现实是指多个用户在一个基于网络的计算机集合中，利用新型的人机交互设备介入计算机产生的、适用于用户(即适人化)应用的、相关的虚拟情景环境。分布式虚拟环境系统除了满足复杂虚拟环境计算的需求外，还应满足分布式仿真与协同工作等应用对共享虚拟环境的自然需求。目前，分布式虚拟现实系统已成为国际上的研究热点，相继推出了相关标准，在国家“八六三”计划的支持下，由北京航空航天大学、杭州大学、中国科学院计算所、中国科学院软件所和装甲兵工程学院等单位共同开发了一个分布虚拟环境基础信息平台，为我国开展分布式虚拟现实的研究提供了必要额网络平台和软硬件基础环境。

5.3 虚拟现实技术的应用

自从虚拟现实技术诞生以来，已经在航空航天、视景仿真、船舶建造与设计、军事模拟、机械工程、先进制造、城市规划、地理信息系统、医学生物等领域显示出巨人的经济、军事和社会效益,虚拟现实技术与网络、多媒体技术并称为21 世纪最具应用前景的三大技术。

5.3.1 虚拟现实技术在军事上的应用

虚拟现实的技术根源可以追溯到军事模拟，最初的模拟是用来训练飞行员能熟悉和掌握平时的和紧急情况下的飞行环境，其实际的训练是通过将飞行员放在一个虚拟的环境中来完成的。这种模拟不仅用来培训喷气式样飞机的飞行员，还可以用来培训操纵坦克、武器和其他设备的军事人员。

在陆军虚拟现实技术进度表中，下一阶段I-Port， 这是一种使一个战士进入一个虚拟的仿真环境的单独入口，不久的将来，进入该虚拟境界的人就可以在视觉和听觉上都投入到与其他战士、坦克、飞机等联网仿真环境中，这一切都发生在合成战斗环境中的真实地形上。该战士将完全投入该虚拟还击功能，这是通过使用一种可提供触觉和力反馈的接口完成。

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虚拟现实技术的研究与发展现状

图5.2 虚拟坦克操纵 图5.3 虚拟飞行驾驶

5.3.2 虚拟现实技术在机械行业的运用

网络虚拟现实技术可以将概念化的产品或研发转换为计算机可视化的立体

虚拟产品样本。在机械制造过程过，利用虚拟现实技术可将生产过程模拟化、利用电脑和网络实现实时监控、调整、维护、可视觉化。同时将机械生产的产品虚拟化、利用网络或系统平台实现对产品的研究、开发、检测、测试等多项功能。大规模的降低生产过程演示、生产过程监督、生产过程检测、生产过程学习的成本。提高效率、降低误差、带来效益。

研发过程和产品的虚拟化将研发过程变成可控制的一个进程，研发的过程的每个细节转化为虚拟演示，避免研发过程的失误、危险、浪费。同时产品的虚拟化更是将研发成型的各类动作避开，降低了制作样品成本、修改成本。通过虚拟互动技术，可以直接对研发的动作进行模拟、修改，以虚拟的技术演示真实的过程。

例如：工业仿真平台

集工业逻辑仿真，三维可视化虚拟表现，虚拟外设交互等功能于一体，虚拟系统包括虚拟装配、虚拟设计、虚拟仿真、员工培训四个子系统： 虚拟装配：实现用户可定制设备零件库，并可在三维可视化环境中实现设备零件的装配。 虚拟设计：实现根据CAD图纸及设备零件参数，进行设备及工厂的设计与改造。 虚拟仿真：实现设备参数、设备运转、生产运行流程、设备交互操作仿真功能。 员工培训：实现生产流程三维可视化演示、设备操作虚拟交互培训、按岗位考试、事故预演、三维仿真应急演练功能。

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虚拟现实技术的研究与发展现状

图5.4 工业仿真

模型化，角色化，事件化的虚拟模拟，使演练更接近真实情况，降低演练和培训成本，降低演练风险。

5.3.3.虚拟现实技术在建筑及城市规划中的应用

建筑是受虚拟现实技术影响的另一个领域，建筑师可以取得一幢房子或建筑物CAD数据，然后将它转化成一次仿真，包括自来水龙头、电灯开关、门把手等等，在仿真过程中它还可以修改照明、供暖、音响效果等等。通过使用头盔显示器和数据好手套，建筑师可以引导用户进入仿真的建筑物，头盔显示器可以让用户以不同的角度观察其内部空间，同时，可以在建筑物中漫游。数据手套是实施时改变窗户位置和门的宽度的关键设备，在漫游过程中所做的任何修改都会自动的记录在数据库中，因而不必重新输入建筑师就画出反映各种修改意见的最终图形。

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虚拟现实技术的研究与发展现状

图5.5 虚拟城市规划 5.3.4 虚拟现实技术在医疗上的应用

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，学生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。但该系统有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指导下工作等。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活状况，乃至新型药物的研制等方面，VR技术都有十分重要的意义。

5.3.5 虚拟现实技术在文物古迹中的应用

利用虚拟现实技术，结合网络技术，可以将文物的展示、保护提高到一个崭新的阶段。首先表现在将文物实体通过影像数据采集手段，建立起实物三维或模型数据库，保存文物原有的各项型式数据和空间关系等重要资源，实现濒危文物资源的科学、高精度和永久的保存。 其次利用这些技术来提高文物修复的精度和预先判断、选取将要采用的保护手段，同时可以缩短修复工期。 通过计算机网络来整合统一大范围内的文物资源，并且通过网络在大范围内来利用虚拟技术更加全面、生动、逼真地展示文物，从而使文物脱离地域，实现资源共享，真正成为全人类可以“拥有”的文化遗产。使用虚拟现实技术可以推动文博行业更快地进入信息时代，实现文物展示和保护的现代化。

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虚拟现实技术的研究与发展现状 5.3.6 虚拟现实技术在房产开发中的应用

随着房地产业竞争的加剧，传统的展示手段如平面图、表现图、沙盘、样板房等已经远远无法满足消费者的需要。因此敏锐把握市场动向，果断启用最新的技术并迅速转化 为生产力，方可以领先一步，击溃竞争对手。虚拟现实技术是集影视广告、动画、多媒体、网络科技于一身的最新型的房地产营销方式，在国内的广州、上海、北京等大城市，国外的加拿大、美国等经济和科技发达的国家都非常热门，是当今房地产行业一个综合实力的象征和标志，其最主要的核心是房地产销售！同时在房地产开发中的其他重要环节包括申报、审批、设计、宣传等方面都有着非常迫切的需求。

第六章 总结

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。随着虚拟我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未客服的技术保障。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的集合作用问题。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底地克服了。

虽然如此，但它独特的优势特长为各个领域的发展提供了一个全新的突破口，同时，我们也相信，随着计算机技术，尤其是网络技术的飞速发展虚拟现实技术将会得到更为长足的发展，必将更为广泛地应用于各个领域为人类的生产生活带来全新的面貌。

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