《虛擬現(xiàn)實技術》期末論文.doc

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考試科目：虛擬現(xiàn)實技術（全校選修課） 一、總體要求： 撰寫論文作為期末考試成績，論文的Word排版要工整、規(guī)范、美觀，沒有錯別字。正文用小四號字體、宋體、1.5倍行距，題目用小二號字體、加粗，一級標題用小三號字體、加粗，二級標題四號字體、加粗，正文中的英文字符或者羅馬數(shù)字用Times New Roman字體。論文的封面填寫清楚相關個人信息，報告正文的頁眉中也要正確的填寫學號和姓名，正文頁腳中要填寫頁碼。封面不能填寫頁碼，正文第一頁的頁碼為1。Word排版嚴謹性占10分。 二、論文內(nèi)容組織結構要求： 自擬題目，獨立完成，不得抄襲，嚴禁從網(wǎng)上大段拷貝文字，圖文并茂，不少于6000字。包括但不限于如下方面（比如下內(nèi)容還豐富有意義會酌情加分）： 1．虛擬現(xiàn)實的概念、特征及應用領域。（5分） 2．虛擬現(xiàn)實涉及的關鍵技術總結，從多個技術方面分別闡述。（35分） 3．國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實研究的最新進展，搜索資料，完成調(diào)研綜述。（35分） 提示：可搜索http://lib.bupt.edu.cn/頁面上的各個學術論文數(shù)據(jù)庫。 4．本門課程的主要收獲（學習心得）以及期望進一步學習的知識點。（5分） 5．論文小結及對本課程的建議。（5分） 6．參考文獻。（5分） 注：參考文獻目錄按GB/T7714—2005的要求填寫，該要求可從網(wǎng)上搜索下載。 7．第一頁須寫明：題目、作者、作者單位、摘要、關鍵詞，示例： 加分點：能結合自己專業(yè)提出應用需求、應用場景設想、虛擬現(xiàn)實與自己專業(yè)結合點的可加分，最高可加至總分100分。 三、需提交的材料： 2010-2011學年第2學期期末考試 考試科目： 虛擬現(xiàn)實技術 學 院： 電子工程學院 專 業(yè)： 電子信息工程類 班 級： 2009211203 班內(nèi)序號： 06 學 號： 09210909 姓 名： 林敘辰 任課教師： 黃 海 北京郵電大學 時間：2011年6月9日 《虛擬現(xiàn)實技術》期末論文 姓名： 林敘辰 學號： 09210909 2010-2011學年第2學期 虛擬現(xiàn)實技術概述總結 林敘辰 （北京郵電大學電子工程學院 北京100876） 摘 要 虛擬現(xiàn)實技術是目前在計算機領域中一項發(fā)展最快的多學科綜合技術，已經(jīng)被廣泛地應用于許多領域。本文綜述了虛擬現(xiàn)實技術的概念，特征，原理和國內(nèi)外研究應用進展。 關鍵詞 虛擬現(xiàn)實技術, 設備，研究，發(fā)展 一，虛擬現(xiàn)實的概念內(nèi)涵及應用領域 虛擬現(xiàn)實技術又稱“靈境技術”、“虛擬環(huán)境”、“賽伯空間”等，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機技術，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，可借助傳感頭盔、數(shù)據(jù)手套等專業(yè)設備，讓用戶進入虛擬空間，實時感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而通過視覺、觸覺和聽覺等獲得身臨其境的真實感受。虛擬現(xiàn)實技術是仿真技術的一個重要方向，是仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術和網(wǎng)絡技術等多種技術的融合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術。 虛擬現(xiàn)實技術正在廣泛地應用于軍事、建筑、工業(yè)仿真、考古、醫(yī)學、文化教育、農(nóng)業(yè)和計算機技術等方面，改變了傳統(tǒng)的人機交換模式。 二，虛擬現(xiàn)實的基本特征 虛擬現(xiàn)實技術的基本特征可以簡潔地表征為沉浸性、交互性和構想性。 沉浸性 沉浸性是指用戶作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實程度。理想的虛擬環(huán)境應該達到使用難以分辨真假的程度例如可視場景應隨著視點的變化而變化甚至超越真實如生成比現(xiàn)實更逼真的照明和音響效果等。 交互性 交互性是指用戶對虛擬環(huán)境內(nèi)的物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度包括實時性。例如用戶可以用手直接取虛擬環(huán)境中的物體, 這時手應該有觸摸感, 并可以感覺物體的重量, 場景中被取的物體也立刻能夠隨著手的移動而移動。 構想性 構想是指用戶沉浸在多維信息空間中, 依靠自己的感知和認知能力全方位地獲取知識, 發(fā)揮主觀能動性, 尋求解答方式, 形成新的概念。 三，虛擬現(xiàn)實的硬件設備與軟件技術 在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，硬件設備主要由3個部分組成：輸入設備、輸出設備、虛擬世界生成設備。此外系統(tǒng)還需要虛擬現(xiàn)實的相關技術。 1，虛擬現(xiàn)實的輸入設備 有關虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸入設備主要分為兩大類：一類是基于自然的交互設備，用于對虛擬世界信息的輸入；另一類是三維定位跟蹤設備，主要用于對輸入設備在三維空間中的位置進行判定，并送入虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中。 虛擬世界與人進行自然交互的實現(xiàn)形式很多，有基于語音的、基于手的等多種形式，如數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、三維控制器、三維掃描儀等。 手是我們與外界進行物理接觸及意識表達的最主要媒介，在人機交互設備中也是如此?；谑值淖匀唤换バ问阶顬槌Ｒ?，相應的數(shù)字化設備很多，在這類產(chǎn)品中最為常用的就是數(shù)據(jù)手套。 數(shù)據(jù)手套是美國VPL公司在1987年推出的一種傳感手套的專有名稱?，F(xiàn)在，數(shù)據(jù)手套已成為一種被廣泛使用的傳感設備。數(shù)據(jù)手套戴在用戶手上，作為一只虛擬的手用于與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行交互，可以在虛擬世界中進行物體抓取、移動、裝配、操縱、控制等操作，并把手指和手掌伸屈時的各種姿勢轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給計算機，計算機通過應用程序識別出用戶的手在虛擬世界中操作時的姿勢，執(zhí)行相應的操作。在實際應用中，數(shù)據(jù)手套還必須配有空間位置跟蹤器，檢測手在空間中的實際方位及其運動方向。 2，虛擬現(xiàn)實的輸出設備 人置身于虛擬世界中，要體會到沉浸的感覺，必須讓虛擬世界能模擬人在現(xiàn)實世界中的多種感受，如視覺、聽覺、觸覺、力覺、痛感、味覺、嗅覺等。 基于目前的技術水平，成熟和相對成熟的感知信息的產(chǎn)生和檢測技術僅有視覺、聽覺和觸覺（力覺）3種。感知設備的作用是將虛擬世界中各種感知信號轉(zhuǎn)變?yōu)槿怂芙邮艿亩嗤ǖ来碳ば盘枺F(xiàn)在主要應用的有基于視覺、聽覺和力覺感知的設備，基于味覺、嗅覺等的設備有待開發(fā)研究。 3，虛擬現(xiàn)實的生成設備 在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，計算機是虛擬世界的主要生成設備，所以有人稱之為“虛擬現(xiàn)實引擎”，它首先創(chuàng)建出虛擬世界的場景，同時還必須實時響應用戶各種方式的輸入。 通常虛擬世界生成設備主要分為基于高性能個人計算機、基于高性能圖形工作站、高度并行的計算機系統(tǒng)和基于分布式計算機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)四大類。 1，基于高性能個人計算機虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要采用普通計算機配置圖形加速卡，通常用于桌面式非沉浸型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)； 2，基于高性能圖形工作站虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)一般配備有SUN或SGI公司可視化工作站； 3，高度并行的計算機系統(tǒng)采用高性能并行體系； 4，基于分布式計算機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)則采用網(wǎng)絡連接的分布式結構計算機系統(tǒng)。 4，虛擬現(xiàn)實的相關技術 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的目標是由計算機生成虛擬世界，用戶可以與之進行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等全方位的交互，并且虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能進行實時響應。 要實現(xiàn)這種目標，除了需要有一些專業(yè)的硬件設備外，還必須有較多的相關技術及軟件加以保證，特別是在現(xiàn)階段計算機的運行速度還達不到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所需要求的情況下，相關技術就顯得更加重要。 虛擬現(xiàn)實的相關技術主要有立體視覺顯示技術，環(huán)境建模技術，真實感實時繪制技術，三維虛擬聲音的實現(xiàn)技術，自然交互與傳感技術等等。 立體視覺顯示技術 人類從客觀世界獲得的信息的80％以上來自視覺，視覺信息的獲取是人類感知外部世界、獲取信息的最主要的傳感通道，視覺通道成為多感知的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。 在視覺顯示技術中，實現(xiàn)立體顯示技術是較為復雜與關鍵的，立體視覺顯示技術是虛擬現(xiàn)實的重要支撐技術。 環(huán)境建模技術 在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，營造的虛擬環(huán)境是它的核心內(nèi)容，要建立虛擬環(huán)境，首先要建模，然后在其基礎上再進行實時繪制、立體顯示，形成一個虛擬的世界。 虛擬環(huán)境建模的目的在于獲取實際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)其應用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應的虛擬環(huán)境模型。只有設計出反映研究對象的真實有效的模型，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)才有可信度。 在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，環(huán)境建模應該包括有基于視覺、聽覺、觸覺、力覺、味覺等多種感覺通道的建模。 但基于目前的技術水平，常見的是三維視覺建模和三維聽覺建模。而在當前應用中，環(huán)境建模一般主要是三維視覺建模，這方面的理論也較為成熟。 三維視覺建模又可細分為幾何建模、物理建模、行為建模等。 1,幾何建模是基于幾何信息來描述物體模型的建模方法，它處理物體的幾何形狀的表示，研究圖形數(shù)據(jù)結構的基本問題； 2,物理建模涉及物體的物理屬性； 3,行為建模反映研究對象的物理本質(zhì)及其內(nèi)在的工作機理。 真實感實時繪制技術 要實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的虛擬世界，僅有立體顯示技術是遠遠不夠的，虛擬現(xiàn)實中還有真實感與實時性的要求，也就是說虛擬世界的產(chǎn)生不僅需要真實的立體感，而且虛擬世界還必須實時生成，這就必須要采用真實感實時繪制技術。 所謂真實感繪制是指在計算機中重現(xiàn)真實世界場景的過程。真實感繪制的主要任務是要模擬真實物體的物理屬性，即物體的形狀、光學性質(zhì)、表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置、遮擋關系等等。 三維虛擬聲音的實現(xiàn)技術 在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中加入與視覺并行的三維虛擬聲音，一方面可以在很大程度上增強用戶在虛擬世界中的沉浸感和交互性，另一方面也可以減弱大腦對于視覺的依賴性，降低沉浸感對視覺信息的要求，使用戶能從既有視覺感受又有聽覺感受的環(huán)境中獲得更多的信息。 四，虛擬現(xiàn)實的發(fā)展歷程 虛擬現(xiàn)實技術在美國的研究開發(fā) 20 世紀40 年代初,作為虛擬現(xiàn)實前身的飛行仿真器在美國出現(xiàn)。1966 年,美國的MIT 林肯實驗 室在海軍科研辦公室的資助下,研制出了第一個頭盔式顯示器(HMD) ,隨后又將模擬力和觸覺的反饋裝置加入到系統(tǒng)中。1970 年,研制出了第一個功能較齊全的HMD 系統(tǒng)。自80 年代后期起,美國VPL公司陸續(xù)研制出較實用的頭盔式三維顯示器、能提供六個自由度的數(shù)據(jù)手套、立體聲耳機及相應的計算機軟硬件系統(tǒng)。 80 年代初, 美國的DARPA (Defense AdvancedResearch Projects Agency) 為坦克編隊作戰(zhàn)訓練開發(fā)了一個實用的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)SIMNET。SIMNET 系統(tǒng)中的每個獨立的模擬器都能單獨模擬M1 坦克的全部特性,包括導航、武器、傳感和顯示等性能,對坦克裝置上的武器、傳感器和發(fā)動機等的模擬是在特定的作戰(zhàn)環(huán)境下進行的。DPRPA 計劃進一步擴大仿真數(shù)據(jù)庫,從目前的1000 個對象擴大到100000 個。北大西洋公約組織(NATO) 計劃把各個不同國家的兵力逐步“匯集SIMNET 而成為一個虛擬戰(zhàn)場”,然后把空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)(AWSIMS -Air Warfare Simulation System) 和海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)( NWSIMS - Naval Warfare Simulation System) 與SIMNET相聯(lián)。另外,美國NASA 積極地將VR 技術應用于對航天運載器外的空間活動研究、空間站自由操縱研究和對哈勃空間維修的研究等項目中。 1981 年,加州大學博士研究生Michael McCreevey得到了美國航空航天局(NASA) 的資助,改進了頭盔顯示器,用液晶替代了笨重的陰極射線顯示器,并使定位裝置更精確。今年而把改進的頭盔顯示器結合當時先進的計算機創(chuàng)建了一個飛機場虛擬環(huán)境系統(tǒng),獲得成功。 最先用手去控制虛擬世界中的物體當屬麻省理工學院的J . Zimmermn 和J aron. lanier ,他們合作發(fā)明了數(shù)據(jù)手套,與計算機相連,就使手的動作輸進了計算機。1989 年,兩人創(chuàng)建了VPL 公司,J aron. lanier 首先正式使用了Virtual Reality 詞匯,使虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品開始商業(yè)化。 Nicholas Negroponte 被公認為數(shù)字化的先鋒,于1979 年在麻省理工學院創(chuàng)立了媒體實驗室(MIT’s media laboratory) 。Negroponte 對虛擬現(xiàn)實有獨特的看法,他的理論對虛擬現(xiàn)實制造商,對虛擬現(xiàn)實技術的研究與推廣有著重要的意義。 1985 年,Scott Fisher 課題組研制成功稱為VIEW的數(shù)據(jù)手套(Data Glove) ,這種數(shù)據(jù)手套輕便柔軟,可以測量手指關節(jié)動作、手掌的彎曲以及手指間的分合,從而可以編程實現(xiàn)各種手語。同年,研制成功的第一套商用虛擬現(xiàn)實硬件—In2tel386 裝配了美國空軍,稱為Supercockpit 飛行器。1986 年,研制成功了第一套能夠充分利用HMD及數(shù)據(jù)手套的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),稱為VIEW。這是世界上首創(chuàng)的比較完整、多用途、感知能力較強的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),它使用了頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、甚至語言識別和較先進的跟蹤設備技術,可以運用于諸多領域,如空間探索、數(shù)據(jù)可視化、遠程醫(yī)療、探險等領域,盡管不盡完美。 1987 年, J aron. lanier 的VPL 公司率先發(fā)明了數(shù)據(jù)服裝,成兌了比爾·蓋茨的預言。比爾·蓋茨在《未來之路》中首先提出“虛擬緊身衣”的設想,衣服里布滿細小的傳感器,還有與皮膚表層連接的彈性反饋裝置。典型的計算機監(jiān)視器每英寸有12 到120 個色點,即像素,監(jiān)視器上共有30 萬到100 萬個像素,全身緊身衣與小觸覺傳感器相連,每一點、或一族和人體特定部位接觸,這些觸覺因素比爾·蓋茨稱它為觸元,如果緊身衣有足夠的觸元,并能夠很好的控制,那么就可以復制任何一種觸摸知覺。如果大量的觸元都準確地在同一深度與各部位接觸,結果是表層感覺起來很光滑,如果他們以各種隨意分布的深度推進,感覺起來就像質(zhì)地粗糙的紡織品。虛擬緊身衣需要100 萬到1000 萬個觸元,具體數(shù)目由單個觸元能送傳的不同層次來定。人類的皮膚研究表明,一件全身緊身衣必須有100 個觸元,指尖、嘴唇等敏感部位則需要更多觸元,計算機為了把感覺輸入觸元衣所必須進行計算的信息數(shù)量是當前個人計算機所須信息量的1 到10 倍,這并不需要很高的計算能力。 1988 年,VPL 公司建立了一套完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),把虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)當時研制出的軟硬件基本都用上了。 1989 年,J aron. lanier 給Virtual Reality 賦予了嶄新的含義:計算機產(chǎn)生的三維交互環(huán)境,用戶參與到這個環(huán)境中,獲得角色,從而得到體驗。 1990 年,重點討論虛擬現(xiàn)實的Siggraph 會議在美國達拉斯召開,規(guī)定了虛擬現(xiàn)實技術的研究方向是:適時的三維圖形生成技術,多傳感器的交互技術,高分辨顯示技術等。 1992 年,第一次世界性的虛擬現(xiàn)實專門會議在法國召開,會議的名稱即代表了它的宗旨:真實世界與虛擬世界的接口。 虛擬現(xiàn)實技術在歐洲國家的研究開發(fā) 西班牙在SG上做的多用戶VR 項目———虛擬奧運會,以奧運體育競技作為其研究重點,目的是開發(fā)用于如下兩方面的VR 環(huán)境:一是雙人滑雪模擬器,二是以數(shù)字化虛擬方式制作1992 年巴塞羅那奧運會足球賽的四人電影劇本。虛擬現(xiàn)實中的人—機交互效應主要由傳感技術來完成。如將數(shù)據(jù)手套、手勢等顯示及時地輸入到計算機中進行處理,達到在虛擬環(huán)境中人與虛擬物體的交互效果。 德國的計算機圖形研究所( IGD) 的測試平臺,用于評估VR 對未來系統(tǒng)和界面的影響,以及向用戶和生產(chǎn)者提供通向先進的可視化、模擬技術和VR技術的途徑。 瑞典的DIVE 分布式虛擬交互環(huán)境,是一個基于Unix 的異質(zhì)分布式系統(tǒng),易推廣到新的硬件和圖形庫;DIVE 又是全分布式的,不同節(jié)點上的多個進程可以在同一世界中工作。 荷蘭海牙TNO 研究所的物理電子實驗室(TNO -PEL)開發(fā)的訓練和模擬系統(tǒng),通過改進人機界面來改善現(xiàn)有模擬系統(tǒng),以使用戶完全介入模擬環(huán)境。這些系統(tǒng)使用的基本技術是并行處理系統(tǒng)結構,應用的基本構件是通用處理器,從而形成了靈活可伸縮系統(tǒng),無論從硬件還是軟件上講都易于適應特定應用。由于使用了這些強有力的系統(tǒng)結構,現(xiàn)在的視景生成系統(tǒng)以相紋(Photo - Texture)實時可視化為特色。 虛擬現(xiàn)實技術在我國的研究開發(fā) 我國對VR 技術的研究起步于20 世紀90 年代初,發(fā)展到現(xiàn)在已初步取得了成果。國內(nèi)的一些科研單位如清華大學的臨場感應技術重點實驗室、北京航空航天大學的三系、中國民航學院、浙大計算機仿真重點實驗室、空軍第二航空學院、空軍工程學院和解放軍信息工程大學等,對虛擬現(xiàn)實的研究取得了重要成果,在某些方面的研究已經(jīng)接近國際先進水平。 五，虛擬現(xiàn)實技術展望 虛擬現(xiàn)實技術依賴于計算機的高速運算和傳輸。高速運算和傳輸能解決虛擬現(xiàn)實環(huán)境的復雜逼真的環(huán)境構造和海量數(shù)據(jù)處理的問題，從而解決因計算和傳輸滯后引起參與者的心理疾病。 虛擬體的基本屬性是與幾何、物理和生物行為融合的。再好的真實感也離不開虛擬體的仿真行為。虛擬現(xiàn)實技術的真實感主要體現(xiàn)在視覺和聽覺上，“多感知交互”正在成為熱點。對力反饋系統(tǒng)的進一步研究、嗅覺、味覺和體表感受都是未來虛擬現(xiàn)實的內(nèi)容。基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬現(xiàn)實伴隨互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而成為熱點。 我國的虛擬軟件還處于起步的階段，希望國內(nèi)有更多的自主知識產(chǎn)權的開發(fā)平臺。 廣闊的應用領域又向虛擬現(xiàn)實技術提出了新的創(chuàng)意和難題，應進一步推動虛擬現(xiàn)實的發(fā)展，目前虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展僅限于人們的想象力。 六，學習心得總結 通過學習虛擬現(xiàn)實技術這門課，我學習了虛擬現(xiàn)實的概念，硬件設備和軟件技術。同時了解了國內(nèi)國際上虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展的近況和實例。讓我對虛擬現(xiàn)實這門新興技術產(chǎn)生了濃厚的興趣。 七，論文小結 虛擬現(xiàn)實技術是一個極具潛力的前沿研究方向，是面向21世紀的重要技術之一。 它在理論，軟硬件環(huán)境的研究方面依賴于多種技術的綜合，其中有很多技術有待完善?？梢灶A見，隨著技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術及其應用會越來越廣泛。 本論文概述了虛擬現(xiàn)實的定義、硬件、軟件和應用，綜述了國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展的最新成果和應用實例，并對虛擬現(xiàn)實技術和應用的新熱點做了展望，最后對學習“虛擬現(xiàn)實技術”這門課進行了總結。 希望“虛擬現(xiàn)實技術”這門選修課能多多舉一些國際上VR最新發(fā)展的例子，并能和學生多多互動，提高學生上課熱情和參與積極性。 [參考文獻] [1] 陳浩磊，鄒湘軍，陳 燕，劉天湖, 虛擬現(xiàn)實技術的最新發(fā)展與展望[J] 中國科技論文在線,2011 [2] 李湘德,彭　斌，虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展綜述，創(chuàng)新論壇，2004 [3] 梁華勇，虛擬現(xiàn)實技術及其在高校中的應用，2005 [4] 吳　迪，黃文騫，虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展過程及研究現(xiàn)狀，2002 [5] 孫倩娜，虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展及其在教育中的應用，2011 [6]陳琦麗等，虛擬現(xiàn)實技術及其應用，2010 - 9 -