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1 、虛擬現(xiàn)實技術的內涵與特征
VR技術**早起源于20世紀50年代的美國，發(fā)展至今也還處于不斷探索階段。同時由于軟硬件環(huán)境的限制和研究應用方向的不同，人們對虛擬現(xiàn)實技術的理解也仁者見仁智者見智。綜合來說，VR技術是一種綜合應用各種技術制造逼真的人工模擬環(huán)境，并能有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知系統(tǒng)行為的高級的人機交互技術。虛擬環(huán)境通常是由計算機生成并控制的，使用戶身臨其境地感知虛擬環(huán)境中的物體，**虛擬現(xiàn)實的三維設備與物體接觸，從而真正地實現(xiàn)人機交互。可以說人處在虛擬環(huán)境之中跟現(xiàn)實環(huán)境是沒有差別的。
VR技術的發(fā)展始終圍繞它的三個特征而前進，即沉浸感、交互性和構想。這三個重要特征與其相鄰近的技術(如多媒體技術、計算機可視化技術等)相區(qū)別。沉浸感，是指計算機生成的虛擬世界能給人一種身臨其境的感覺，如同進入了一個真實的客觀世界；交互性，是指人能夠很自然地跟虛擬世界中的對象進行交互操作或者交流；構想，是指虛擬環(huán)境可使人沉浸其中并且獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而深化概念并萌發(fā)新意。因而可以說，虛擬現(xiàn)實可以啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維。
2、 國外虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀
VR技術**早在20世紀中期由美國VPL探索公司和它的創(chuàng)始人Jamn IJaIlier提出這一概念，后來美國宇航局 (NASA)的艾姆斯空間中心利用流行的液晶顯示電視和其它設備，開始研制低成本的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，推動了該技術硬件的進步。目前，虛擬現(xiàn)實技術已獲得了長足的發(fā)展。在國內，20世紀80年代末開始進行研究，目前還處于初級階段。
2．1 美國虛擬現(xiàn)實技術的研究動態(tài)
美國作為VR技術的發(fā)源地，其研究水平基本上就代表國際VR發(fā)展的水平。目前美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。l2美國宇航局(NASA)的Ames實驗室研究主要集中在以下方面：將數(shù)據(jù)手套工程化，使其成為可用性較高的產(chǎn)品；在約翰遜空間中心完成空間站操縱的實時仿真；大量運用了面向座艙的飛行模擬技術；對哈勃太空望遠鏡的仿真。現(xiàn)在正致力于一個叫“虛擬行星探索”(vPE)的試驗計劃。[3 ]現(xiàn)在NASA己經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護VR訓練系統(tǒng)，空間站VR訓練系統(tǒng)，并且已經(jīng)建立了可供全國使用的VR教育系統(tǒng)。北卡羅來納大學(UNC)的計算機系是進行VR研究**早的大學，他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術仿真、建筑仿真等。Loma lAnda大學醫(yī)學中心的David Warner博士和他的研究小組成功地將計算機圖形及VR的設備用于探討與神經(jīng)疾病相關的問題，首創(chuàng)了VR兒科治療法。麻省理工學院(MIT)是研究人工智能、機器人和計算機圖形學及動畫的先鋒，這些技術都是VR技術的基礎，1985年M1T成立了媒體實驗室，進行虛擬環(huán)境的正規(guī)研究。華盛頓大學華盛頓技術中心的人機界面技術實驗室(1ilT lab)，將VR研究引入了教育、設計、娛樂和制造領域。從90年代初起，美國率先將虛擬現(xiàn)實技術用于軍事領域，主要用于以下四個方面：虛擬戰(zhàn)場環(huán)境；進行單兵模擬訓練；實施諸軍兵種聯(lián)合演習；進行指揮員訓練。
2．2 英國和日本虛擬現(xiàn)實技術的研究與開發(fā)
在VR開發(fā)的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設備(包括觸覺反饋)設計和應用研究方面，英國是的，尤其是在歐洲。英國主要有四個從事VR技術研究的中心：[4]Windustries(工業(yè)集團公司)，是國際VR界的著名開發(fā)機構，在工業(yè)設計和可視化等重要領域占有一席之地；BritishAerospace(英國航空公司BAe)的Brough分部，正在利用VR技術設計高級戰(zhàn)斗機座艙；Dimension International，是桌面VR的先驅。該公司生產(chǎn)了一系列的商業(yè)VR軟件包，都命名為Superscape；Divison LTD公司在開發(fā)VISION、Pro Vision和su—pervision系統(tǒng)／模塊化高速圖形引擎中，率先使用了Tmnsputer和i860技術。日本主要致力于建立大規(guī)模VR知識庫的研究，在虛擬現(xiàn)實的游戲方面的研究也處于地位。京都的先進電子通信研究所(ATR)正在開發(fā)一套系統(tǒng)，它能用圖像處理來識別手勢和面部表情，并把它們作為系統(tǒng)輸入；富士通實驗室有限公司正在研究虛擬生物與VR環(huán)境的相互作用，他們還在研究虛擬現(xiàn)實中的手勢識別，已經(jīng)開發(fā)了一套神經(jīng)網(wǎng)絡姿勢識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以識別姿勢，也可以識別表示詞的信號語言。[2 ]日本奈良尖端技術研究生院大學教授千原國宏領導的研究小組于2004年開發(fā)出一種嗅覺模擬器，只要把虛擬空間里的水果拉到鼻尖上一聞，裝置就會在鼻尖處放出水果的香味，這是虛擬現(xiàn)實技術在嗅覺研究領域的一項突破。 3 、我國虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀
我國VR技術研究起步較晚，與國外發(fā)達國家還有一定的差距，但現(xiàn)在已引起國家有關部門和科學家們的高度重視，并根據(jù)我國的國情，制定了開展VR技術的研究計劃。九五規(guī)劃、國家自然科學基金委、國家高技術研究發(fā)展計劃等都把VR列入了研究項目。國內一些重點院校，已積極投入到了這一領域的研究工作。北京航空航天大學計算機系是國內早進行VR研究、單位之一，并在以下方面取得進展：著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現(xiàn)實中的視覺接口方面開發(fā)出部分硬件，并提出有關算法及實現(xiàn)方法；實現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡設計，可以提供實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實演示環(huán)境、用于飛行員訓練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)的開發(fā)平臺等。浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)，還研制出了在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進網(wǎng)格的快速生成算法；哈爾濱工業(yè)大學已經(jīng)成功地虛擬出了人的高級行為中特定人臉圖像的合成、表情的合成和唇動的合成等技術問題；清華大學計算機科學和技術系對虛擬現(xiàn)實和臨場感的方面進行了研究；西安交通大學信息工程研究所對虛擬現(xiàn)實中的關鍵技術——立體顯示技術進行了研究，提出了一種基于JPEG標準壓縮編碼新方案，獲得了較高的壓縮比、信噪比以及解壓速度；北方工業(yè)大學CAD研究中心是我國**早開展計算機動畫研究的單位之一，中國**部完全用計算機動畫技術制作的科教片《相似》就出自該中心。
4、 虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展趨勢
VR技術是高度集成的技術，涵蓋計算機軟硬件、傳感器技術、立體顯示技術等。VR技術的研究內容大體上可分為VR技術本身的研究和VR技術應用的研究兩大類。根據(jù)vR所傾向的特征的不同，目前虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要劃分為四個層次：即桌面式、增強式、沉浸式和網(wǎng)絡分布式虛擬現(xiàn)實。VR技術的實質是構建一種人能夠與之進行自由交互的“世界”，在這個“世界”中參與者可以實時地探索或移動其中的對象。沉浸式虛擬現(xiàn)實是**理想的追求目標，實現(xiàn)的主要方式主要是戴上特制的頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套以及身體部位跟蹤器，**聽覺、觸覺和視覺在虛擬場景中進行體驗。桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)被稱為“窗口仿真”，盡管有一定的局限性，但由于成本低廉而仍然得到了廣泛應用。增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要用來為一群戴上立體眼鏡的人觀察虛擬環(huán)境，性能介于以上兩者之間，也成為開發(fā)的熱點之一。總體上看，縱觀多年來的發(fā)展歷程，VR技術的未來研究仍將遵循“低成本、高性能”這一原則，從軟件、硬件上展開，并將在以下主要方向發(fā)展： [5] 4．1 動態(tài)環(huán)境建模技術
虛擬環(huán)境的建立是VR技術的核心內容，動態(tài)環(huán)境建模技術的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要建立相應的虛擬環(huán)境模型。 4．2 實時三維圖形生成和顯示技術
三維圖形的生成技術已比較成熟，而關鍵是如何“實時生成”，在不降低圖形的質量和復雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是今后重要的研究內容。此外，VR還依賴于立體顯示和傳感器技術的發(fā)展，現(xiàn)有的虛擬設備還不能滿足系統(tǒng)的需要，有必要開發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術。
4．3 新型交互設備的研制
虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)人能夠自由地與虛擬世界中的對象進行交互，猶如身臨其境，借助的輸入輸出設備主要有頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、三維位置傳感器和三維聲音產(chǎn)生器等。因此，新型、便宜、魯棒性優(yōu)良的數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)服將成為未來研究的重要方向。
4．4 智能化語音虛擬現(xiàn)實建模
虛擬現(xiàn)實建模是一個比較繁復的過程，需要大量的時間和精力。如果將VR技術與智能技術、語音識別技術結合起來，可以很好地解決這個問題。我們對模型的屬性、方法和一般特點的描述**語音識別技術轉化成建模所需的數(shù)據(jù)，然后利用計算機的圖形處理技術和人工智能技術進行設計、導航和評價，將基本模型用對象表示出來，并邏輯地將各種基本模型靜態(tài)或動態(tài)地連接起來，**后形成系統(tǒng)模型。在各種模型形成后進行評價并給出結果，并由人直接**語言來進行編輯和確認。
4．5 大型網(wǎng)絡分布式虛擬現(xiàn)實(Distributed Virtual Reality，DVR)的應用
網(wǎng)絡分布式虛擬現(xiàn)實將分散的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)或仿真器**網(wǎng)絡聯(lián)結起來，采用協(xié)調一致的結構、標準、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫，形成一個在時間和空間上互相耦合的虛擬，合成環(huán)境，參與者可自由地進行交互作用。目前，分布式虛擬交互仿真已成為國際上的研究熱點，相繼推出了DIS、mA等相關標準。網(wǎng)絡分布式VR在航天中極具應用價值，例如，國際空間站的參與國分布在世界不同區(qū)域，分布式VR訓練環(huán)境不需要在各國重建仿真系統(tǒng)，這樣不僅減少了研制費設備費用，而且也減少了人員出差的費用和異地生活的不適。
5 、總結
虛擬現(xiàn)實技術是本世紀發(fā)展的重要技術之一，作為一門科學和藝術將會不斷走向成熟，在各行各業(yè)中將得到廣泛應用，并發(fā)揮神奇的作用，二十一世紀將是虛擬現(xiàn)實技術的時代。
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