虚拟现实技术的研究现状

2020-03-01 17:44:27 来源：范文大全收藏下载本文

国内外虚拟现实技术的研究现状

纪实

(东北石油大学计算机与信息技术学院,黑龙江,大庆163318)

【摘要】虚拟现实技术是由计算机产生，通过视、听、触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真，具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特征，文章介绍了动态环境建模技术，实时三维图形生成技术，立体显示和传感器技术，应用系统开发工具，系统集成技术。目前已在军事、医学、设计和娱乐等领域得到了广泛应用。美日等发达国家对其进行了广泛的研究，取得了重大成果。国内的研究也取得了一定的成果。

【关键词】虚拟现实技术虚拟环境研究现状

引言

随着计算机网络技术的飞速发展，监控技术已经成为当代发展迅速、应用广泛的技术之一，操作人员可以通过互联网直接监控现场设备的数据。但传统的远程监控界面主要是二维或是伪三维的界面，其真实感和交互感都比较差。针对这种情况，对虚拟现实远程监控技术进行了研究，从而创建了三维场景的远程监控界面。

一、虚拟现实技术及其特征

虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境，通过多种传感设备，用户可根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作，参与其中的事件，同时提供视、听、触等直观而又自然的实时感知，并使参与者 “沉浸”于模拟环境中。[1]

虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。常用的有立体头盔、数据手套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置，如摄像机、地板压力传感器等。

VR具有以下四个重要特征：多感知性。指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。存在感。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辨真假的程度。交互性。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。自主性。指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。

虚拟现实的关键技术主要包括：动态环境建模技术，实时三维图形生成技术，立体显示和传感器技术，应用系统开发工具，系统集成技术。[2]

二、国外虚拟现实技术的研究现状

虚拟现实技术一经应用，就向人们展示了诱人的前景。因此世界各国特别是发达国家进行了广泛的研究。这里主要介绍美国和日本研究现状。

1、美国的研究现状

美国是VR技术的发源地。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。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。

美国宇航局的Ames实验室：将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真。大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。对哈勃太空望远镜的仿真。现在正致力于一个叫 “虚拟行星探索”(VPE)的试验计划。[3]现在 NASA 己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。[4]

北卡罗来纳大学 (UNC)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。

Loma Linda大学医学中心的David Warner博士和他的研究小组成功地将计算机图形及VR的设备用于探讨与神经疾病相关的问题，首创了VR儿科治疗法。

麻省理工学院 (MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年MIT成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。

华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室 (HITLab)将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。[5]

伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中支持远程协作的分布式VR系统。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。

从 9O年代初起，美国率先将虚拟现实技术用于军事领域，主要用于以下四个方面：一是虚拟战场环境。二是进行单兵模拟训练。三是实施诸军兵种联合演习。四是进行指挥员训练。

2、日本的研究现状

在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领先地位的国家之一，主要致力于建立大规模VR知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。

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。

NEC公司开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使用 “代用手”去处理三维CAD中的形体模型，该系统通过数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来。

京都的先进电子通信研究所 (ATR)正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入。

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将他们的研究重点放在远程控制方面，最近的研究项目是主从系统。该系统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。[6]

东京大学原岛研究室开展了3项研究：人类面都表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取。

东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。为了克服当前显示和交互作用技术的局限性，他们正在开发一种虚拟全息系统。

筑波大学研究一些力反馈显示方法，开发了九自由度的触觉输入器，虚拟行走原型系统。[7]

富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与VR环境的相互作用。他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可

以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。

三、我国虚拟现实技术的研究现状

和一些发达国家相比，我国VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。国内最早开展此项技术试验的是挂靠在西北工业大学电子工程系的西安虚拟现实工程技术研究中心。[8]该中心的成立，对发挥学校电子信息工程学院等其他院系和研究所在虚拟现实、虚拟仿真与虚拟制造等方面的研究优势将具有积极作用。

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，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并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；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境．提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。[9]

浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，采用了层面迭加绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。

哈尔滨工业大学已轻成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手势动作，话音和语调的同步等。

清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。他们还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三堆结构的新颖算法。

西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术～立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且己经通过实验结果证明了这种方案的优越性。另外，西北工业大学CAD ／CAM研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所，长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与住处科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。

四、虚拟现实技术的进一步展望

虚拟现实技术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。虽然这个领域的技术潜刀是巨大的，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克服的技术障碍。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结合作用问题，还根本未涉及 “人在实践中

得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。[10]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的克服。我们期待着有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。

参考文献：

[1] 巫影.虚拟现实技术综述[J] .计算机与数字工程,2002,30(1): 41-44.

[2] 吴迪,黄文骞．虚拟现实技术的发展过程及研究现状[J].海洋测绘,2002,22(6): 15-17.

[3] 蒋庆全.国外VR技术发展综述[J].飞航导弹,1998,2002,(1): 27—34.

[4] 周前祥.航天虚拟现实仿真技术的研究发展[J].科技导报,1998,(10): 35-38.

[5] 李珍香.虚拟现实技术在煤矿安全中的应用研究[J].煤炭技术,2000,19(6): 27-28.

[6] 赵春霞.虚拟现实的发展及在机器人系统中的应用与研究[J].机器人, 1999,21(5): 39-400.

[7] 约翰•布里格斯.虚拟现实(VR)技术[J].现代技能开发,1997,(8): 41.

[8] 梅中义.虚拟现实(VR)技术及其应用前景[J].航空工业技术,1996,(3): 3-6.

[9] 王国庆.虚拟现实(VR)技术及其应用[J].航空计算技术,1994,(2):1-2.

[10] 李忠.虚拟现实技术综述与基于Internet的虚拟培训系统设计[J].计算机工程与应用,2002,(15): 127-149.

作者简介：纪实（1990—），男，辽宁省铁岭人，东北石油大学计算机与信息技术学院学生。