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虚拟现实技术总结.docx

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虚拟现实技术总结

虚拟现实技术概述总结

一、虚拟现实的概念内涵及应用领域

虚拟现实技术又称“灵境技术”、“虚拟环境”、“赛伯空间”

等，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，它利用计算机

生成一种模拟环境，是一种多源信息融合交互式的三维动态视景和

实体行为的系统仿真，可借助传感头盔、数据手套等专业设备，让

用户进入虚拟空间，实时感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而

通过视觉、触觉和听觉等获得身临其境的真实感受。虚拟现实技术

是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接

口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的融合，是

一门富有挑战性的交叉技术。

虚拟现实技术正在广泛地应用于军事、建筑、工业仿真、考古、

医学、文化教育、农业和计算机技术等方面，改变了传统的人机交

换模式。

二、虚拟现实的基本特征

虚拟现实技术的基本特征可以简洁地表征为沉浸性、交互性和

构想性。

沉浸性是指用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。理想

的虚拟环境应该达到使用难以分辨真假的程度例如可视场景应随

着视点的变化而变化甚至超越真实如生成比现实更逼真的照明和

音响效果等。

?交互性

交互性是指用户对虚拟环境内的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。例如用户可以用手直接取虚拟环

境中的物体,这时手应该有触摸感,并可以感觉物体的重量,场景中

被取的物体也立刻能够随着手的移动而移动。?构想性

构想是指用户沉浸在多维信息空间中,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,寻求解答方式,形成新的

概念。

三、虚拟现实的硬件设备与软件技术

在虚拟现实系统中，硬件设备主要由 3 个部分组成：输入设备、

输出设备、虚拟世界生成设备。此外系统还需要虚拟现实的相关技

术。

1、虚拟现实的输入设备

有关虚拟现实系统的输入设备主要分为两大类：一类是基于自

然的交互设备，用于对虚拟世界信息的输入；另一类是三维定位跟

踪设备，主要用于对输入设备在三维空间中的位置进行判定，并送

入虚拟现实系统中。

虚拟世界与人进行自然交互的实现形式很多，有基于语音的、

基于手的等多种形式，如数据手套、数据衣、三维控制器、三维扫

描仪等。

手是我们与外界进行物理接触及意识表达的最主要媒介，在人

机交互设备中也

是如此。基于手的自然交互形式最为常见，相应的数字化设备

很多，在这类产品中最为常用的就是数据手套。

数据手套是美国 VPL 公司在 1987 年推出的一种传感手套的专

有名称。现在，数据手套已成为一种被广泛使用的传感设备。数据

手套戴在用户手上，作为一只虚拟的手用于与虚拟现实系统进行交

互，可以在虚拟世界中进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制等

操作，并把手指和手掌伸屈时的各种姿势转换成数字信号传送给计

算机，计算机通过应用程序识别出用户的手在虚拟世界中操作时的

姿势，执行相应的操作。在实际应用中，数据手套还必须配有空间

位置跟踪器，检测手在空间中的实际方位及其运动方向。

2、虚拟现实的输出设备

人置身于虚拟世界中，要体会到沉浸的感觉，必须让虚拟世界

能模拟人在现实世界中的多种感受，如视觉、听觉、触觉、力觉、

痛感、味觉、嗅觉等。

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）3 种。感知设备的作用是将

虚拟世界中各种感知信号转变为人所能接受的多通道刺激信号，现

在主要应用的有基于视觉、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。

3、虚拟现实的生成设备

在虚拟现实系统中，计算机是虚拟世界的主要生成设备，所以

有人称之为“虚拟现实引擎”，它首先创建出虚拟世界的场景，同

时还必须实时响应用户各种方式的输入。

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、高度并行的计算机系统和基于分布式计算机的

虚拟现实系统四大类。

① 基于高性能个人计算机虚拟现实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虚拟现实系统；

② 基于高性能图形工作站虚拟现实系统一般配备有 SUN 或

SGI 公司可视化工作站；

③ 高度并行的计算机系统采用高性能并行体系；

④ 基于分布式计算机的虚拟现实系统则采用网络连接的分布

式结构计算机系统。

4、虚拟现实的相关技术

虚拟现实系统的目标是由计算机生成虚拟世界，用户可以与之

进行视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等全方位的交互，并且虚拟现

实系统能进行实时响应。

虚拟现实的相关技术主要有立体视觉显示技术，环境建模技术，

真实感实时绘制技术，三维虚拟声音的实现技术，自然交互与传感

技术等等。

?立体视觉显示技术

人类从客观世界获得的信息的 80％以上来自视觉，视觉信息

的获取是人类感知外部世界、获取信息的最主要的传感通道，视觉

通道成为多感知的虚拟现实系统中最重要的环节。

?环境建模技术

在虚拟现实系统中，营造的虚拟环境是它的核心内容，要建立

虚拟环境，首先要建模，然后在其基础上再进行实时绘制、立体显

示，形成一个虚拟的世界。

虚拟环境建模的目的在于获取实际三维环境的三维数据，并根

据其应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。

只有设计出反映研究对象的真实有效的模型，虚拟现实系统才有可

信度。

在虚拟现实系统中，环境建模应该包括有基于视觉、听觉、触

觉、力觉、味觉等多种感觉通道的建模。

但基于目前的技术水平，常见的是三维视觉建模和三维听觉建

模。而在当前应用中，环境建模一般主要是三维视觉建模，这方面

的理论也较为成熟。

三维视觉建模又可细分为几何建模、物理建模、行为建模等。

1) 几何建模是基于几何信息来描述物体模型的建模方法，它

处理物体的几何形状的

表示，研究图形数据结构的基本问题；

2) 物理建模涉及物体的物理属性；

3) 行为建模反映研究对象的物理本质及其内在的工作机理。

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