??xml version="1.0" encoding="utf-8" standalone="yes"?> 虚拟环境由基于真实数据徏立的数字模型l合而成Q严格遵循工E项目设计的 标准和要求,属于U学仿真pȝ。操U者亲w体验虚拟三l空_(d)w(f)其境。操U者可以实时感受运动带来的场景变化Q步UL异,q可亲自布置场景Q具有双向互动的功能。支持立体显C和3D立体壎ͼ三维I间真实。没有时间限Ӟ可真实详地展示Qƈ可以在虚拟现实基上导出动画视频文Ӟ同样可以用于多模体资料制作和宣传Q性h(hun)比高。在实时三维环境中,支持Ҏ(gu)调整、评估、管理、信息查询等功能Q适合较大型复杂工E项目的规划、设计、投标、报扏V管理等需要,同时又具有更真实和直观的多媒体演C功能?/p>
三维动画Q?/p>
场景画面由动d作h员根据材料或惌直接d而成Q与真实的环境和数据有较大的差距Q属于演C类艺术作品。预先假定的观察路径Q无法改变。只能如?sh)?jing)一样单向演C,场景变化,画面需要事先制作生成,耗时、费力、成本较高。受动画制作旉限制Q无法详展C,性h(hun)比低。只适合 单的演示能?/p>
׃虚拟世界本n的复杂性(如大面积城区规划的立体显C等Q及(qing)计算实时性的要求Q?产生虚拟环境所需的计量极ؓ(f)巨大Q这对中?j)计机的配|提Z(jin)极高的要求。目前,国外的VRpȝ一般配备有SGI或SUN工作站;大型的虚拟现实系l,采用的是计算机ƈ行处理系l。这些超U计机虽然性能群Q但是h(hun)格非常昂贵,入门U的pȝ往往也要数十万美金以上?伟景行科技新近推出的高性能专业囑Ş集群pȝQ性能辑ֈ甚至过国外同类产品Q?但h(hun)格更能适应国内各类用户的预要求?
软gpȝ
虚拟现实的Y件系l是实现VR技术应用的关键。VR技术在国外的应用比国内早,在军事领域战场模拟、飞行仿真以?qing)飞机、汽车制造等工程需求的支持?培育Z些大型的VR开??qing)演CYӞ如MultiGen Creator和VEGA{。虽然国外的软gpȝ比较成熟Q但他们在徏{、城?jng)规划领域应用有较大的先天不?主要问题包括QY件应用需要二ơ开发、与行业特点l合不够紧密以及(qing)h比较昂贵{。和国外VR软g不同的是Q伟景行自主开发的CityMaker虚拟建筑和虚拟城?jng)Y件应用^収ͼ是徏立在建筑和计机双重背景之上?首先面向建筑与规划行业应用的专用软g.伟景行在创徏之初定位于建筑与规划行业内虚拟现实技术研发及(qing)应用推广Q因此我们的技术始l围l该行业的需求而发?相应的解x(chng)案比较专业实用,性能和效果也更加?gu)?
输入工具和演C?font color=#3399ff>
虚拟现实技术的特征之一是人机之间的交互性(interactionQ?Z(jin)实现人机之间充分交换信息Q必设计特D输入工具和演示讑֤Q以识别人的各种输入命o(h),且提供相应反馈信息,实现真正的仿真效果。不同的目可以Ҏ(gu)实际的应用可以有选择的用这些工?主要包括Q?br>
a.头盔式显C器和跟t器
b.数据传感手套
c.大屏q立体显C系l?br> d.三维虚拟立体声音生成装置
目前Q尤其是国内虚拟现实技术尚未获得较大普?qing)的因素除?jin)技术较C外,主要在于昂贵的高性能计算机系l(如SGI IRIXpd计算机)(j)h和技?如Y件的二次开发)(j)的易用型。另?其应用^台的使用也需要专业h员进行二ơ开发和~程。这些因素得虚拟现 实系l就在发达国家也是属于高端的应用技术?br> 针对q年来虚拟现实技术应用所面(f)的上q问题,伟景行的虚拟现实技术研发一开始就立于高性能、低成本、易操作的设计思想Q紧密结合徏{设计和城市(jng)规划领域的实际应用, 率先ZIntel 架构q行开发,在应用Y件和pȝg斚w均取得了(jin)H破性的q展Q其性能h比远q超q国际同cM品,拟现实技术在建筑和规划行业的q一步普?qing)和商业化奠定?jin) 良好的基?/font>
虚拟现实是计机与用户之间的一U更为理惛_的h-机界面Ş式。通常用户头戴一个头盔(用来昄立体图象的头式显C器Q,手持传感手套Q仿?jng)置w于一个觉世界中Q在虚拟环境中O游,q允许操作其中的“物体”。与传统计算机相比,虚拟现实pȝh三个重要特征Q(f)境性,交互性,惌性。虚拟现实技术潜在的应用范围很广Q诸如国阌Ӏ徏{设计、工业设计、培训、医学领域。例如徏{设计师可以q用虚拟现实技术向客户提供三维虚拟模型Q而外U医生还可以在三l虚拟的病hw上试行一U新的外U手术?/p>
虚拟现实的定义:(x)
虚拟现实QVRQ是q几q来国内外科技界关注的一个热点,其发展也是日新月异。简单地_(d)VR技术就是借助于计机技术及(qing)g讑֤Q实CUh们可以通过视听触嗅{手D|感受到的虚拟qdQ故VR技术又U境或灵境技术?992q_(d)在法国召开?jin)与VR技术相关的名ؓ(f)“真实与虚拟世界的界面”的国际会(x)议,同年在美国的San DiegoQ圣q戈Q,一批以d专家Z的科学家l织召开?jin)名?#8220;d中的虚拟现实技?#8221;的学术会(x)议?993q_(d)IEEE在SeattleQ西雅图Q召开?jin)第一届虚拟现实国际学术会(x)议,?x)议吸引了(jin)大批科技工作者,发表?jin)大量有价值的论文。不久,IEEE的刊物Spectrum也组l了(jin)有关专集。在国内U技界,VR技术正逐渐受到Z重视?/p>
虚拟现实是一门集成了(jin)Z信息的科学。其核心(j)是由一些三l的交互式计机生成的环境组成。这些环境可以是真实的,也可以是惌的世界模型,其目的是通过人工合成的经历来表示信息。有?jin)虚拟现实技术,复杂或抽象系l的概念的Ş成可以通过系l的各子部g以某U方式表C成h切含义的符可(g)成为可能。虚拟现实是融合?jin)许多h的因素,且放大了(jin)它对个h感觉影响的工E。虚拟现实技术是建立在集成诸多学U如?j)理学、控制学、计机囑Ş学、数据库设计、实时分布系l、电(sh)子学、机器h?qing)多媒体技术等之上的?/p>
虚拟现实应具有以下三个方面的含义。首先VR是通过计算机生成一个非帔R真的?#8220;qh”我们人类视觉的虚qȝ世界。这U?#8220;qh”是多斚w的,我们不仅可以看到而且可以听到、触到及(qing)嗅到q个虚拟世界中所发生的一切。这U感觉是如此的真实,以至于我们能全方位地没在这个虚qȝ世界中,q就是VR的首要功能,x(chng)没感QImmersionQ或临场参与感。一般来_(d)虚拟pȝ的输?gu)备应可能面向用者的感觉器官?sh)保证良好的没感,如头盔式昄器(HMDQ,它将使用者的听觉视觉功能完全|于虚拟的环境之中ƈ切断?jin)所有外界信息。用者在虚拟的环境O游可以通过跟踪使用者的头及(qing)w体的运动来完成Q与虚拟物体的接触通过戴在手上的传感装|检来实现?/p>
虚拟现实与通常CADpȝ所产生的模型是不一L(fng)Q它不是一个静(rn)态的世界Q而是一个开攄环境Q它可以对用者的输入Q如手势Q语a命o(h)Q作出响应。比如你可以拿v一虚拟的火炬ƈ打开其开养I你一推操U|Q仿?jng)可以在里面漫游Q你甚至可以用虚拟的手感触到虚拟物体存在Q虚拟现实环境可以通过控制与监视装|媄(jing)响或被用者媄(jing)响,q是VR的第二个特征Q即交互性(InteractionQ?/p>
虚拟现实不仅仅是一个媒体,一个高U用L(fng)面,它是军_E、医学、军事等斚w的问题而由开发者设计出来的应用软gQ它以夸大的形式反映?jin)设计者的思想Q比如当在盖一座现代化的大厦之前,你首先要做的事是对这座大厦的l构做细致的构思,Z(jin)使之定量化,你还需设计许多囄Q当然这些图U只能内行hL。正如这些图U反映的是设计者的构思,虚拟现实同样反映的是某个设计者的思想Q只不过它的功能q比那些呆板的图U生动,强大的多。所以国外有些学者称VR为放大h们心(j)늚工具Q或人工现实Qartifical realityQ。这是VR所h的第三类特征Q即思想性(ImagationQ?/p>
lg所qͼ虚拟现实是h们可以通过视听触等信息通道感受到设计者思想的高U用L(fng)面?/p>
矛盾修饰与重复修?/font>
麦克.哈默Q是全球首屈一指的企业名医或者所谓的“企业形象再造工E师”Q将“企业变革”形容
ZU几乎要变(sh)ؓ(f)重复修饰的矛盾修饎ͼ基础E_的大企业却需要变革!Q。所?#8220;重复修饰”Q是指像
?#8220;某h自己的心(j)目中”q类重复累赘的表qͼ而矛盾修饎ͼ则是?#8220;人工”?#8220;飞机食品”{显?br>易见的矛盄合。重复修饰和矛盾修饰是否恰好相反Q还有争论的余地Q但倘若我们要颁?#8220;最佳矛盾修
饰奖”Q那?#8220;虚拟现实”一词一定榜上有名?
假如我们把组?#8220;虚拟现实”一词的“虚拟”?#8220;现实”两个部分看成“相等的两?#8221;Q那么把“?br>拟现?#8221;当成一个重复修饰的概念g更有道理。虚拟现实能使h造事物像真实事物一样逼真Q甚x(chng)?br>实事物还要逼真?br> 比如_(d)飞行模拟Q这一最复杂和用时间最久的虚拟现实应用Q就比驾驶一架真正的飞机q要逼真?br>刚训l出来的、但已练?yu)׃w好本领的飞行员?sh)所以能在初试牛刀时就N一架满载乘客的“真正”波音
747客机Q原因就是他们在飞行模拟器上学习(fn)N技术,要比他们在真正的飞机上学到的q要快、还要多?br>在模拟器中,飞行员(sh)(x)|n于在现实世界里可能不?x)出现的所有罕见的情况中,包括飞机几乎相撞或裂?br>几段?br> 另外一个具有社?x)意义的虚拟现实应用Q就是汽车驾驶学校的N训练。在一条湿滑的路上Q突然有
个小孩冲C辆汽车中_(d)如果从未l历q这U情况,谁也不知道自׃(x)作何反应。虚拟现实容许我?br>“亲n”体验各种可能发生的情c(din)?/font>
w(f)其境
虚拟现实背后的构x(chng)Q通过让眼睛接收到在真实情境中才能接收到的信息QZ?#8220;w(f)其境”
的感觉,更重要的一Ҏ(gu)Q你所看到的Ş象会(x)随着你视点的变化x(chng)改变Q这更增强?jin)现场的动感。我
们对真实I间的感觉来自于各种视觉U烦(ch)Q例如物体的相对体积、亮度以?qing)在不同角度上的q动情况。其
中最强烈的线索来自于双眼透视Q由于左右眼看到的Ş象ƈ不相同,双眼同时使用时就?x)生特别强有?br>的效果。把q些不同的Ş象合成一个三l图像,也就构成?jin)立体视觉的基础?br> 每只眼睛的深度知觉略微不同,造成?jin)两只眼睛所看到的Ş象不相同。这U现象称差。当q距
观察物体时Q假如在6英尺以内Q,视差的效果最为显著。距较q的物体基本上会(x)在两g投射相同
的媄(jing)像。你有没有想qؓ(f)什么立体电(sh)影里L有许多近距离内来来回回的动作Qؓ(f)什么媄(jing)片里的物体L
朝观众席里飞来?因ؓ(f)那些Ud正是设计在立体媄(jing)像的最x(chng)果距M内?/font>
虚拟现实的典型道h一个头盔,上面有两个护目镜般的昄器,每只眼睛对应一个显C器。每?br>昄器都昄E微不同的透视影像Q与w(f)其境时的情景完全一栗当你{动脑袋的时候,影像?x)以极?br>的速度更新Q让你感觉仿?jng)?jing)像的变换是因你{头的动作而来Q而不是电(sh)脑实际上在追t你的动作,后?br>才是实情Q。你以ؓ(f)自己是引起变化的原因Q而不是经q(sh)脑处理后所造成的一U效果?br> 视觉l验的真实程度是׃个因素共同决定的。其一是图像的质量Q即囑փ中显C的边和光l构?br>数量的多,数量多Q质量越好。其二是响应旉Q即画面更新的速度Q速度快好Q响应时间越?br>好。这两个变数都要求电(sh)脑具有十分强劲的威力。直到最q,对大多数的品开发商而言Q这样威力强
大的?sh)脑q(sh)可得Q现在情况刚刚有?jin)改变?br> 虚拟现实技术早?968q就已诞生,当时W一个头戴式的显C系l正是由伊凡.苏泽兰制造成功的。后
来,国国家航空和宇宙航行局以及(qing)国防部所作的研究Qؓ(f)太空探烦(ch)和军事应用开发了(jin)一些h(hun)格昂늚?br>拟现实原型机。虚拟现实特别适合用在坦克和潜水艇操作训练上,因ؓ(f)?#8220;真实?#8221;战(sh)中,同样必须?br>q望q镜或潜望镜来观察外面的景象?br> 直到今天Q当我们拥有?jin)威力强、成本低的电(sh)脑时Q才可能把虚拟现实技术当作一U满x(chng)费者娱?br>目的的媒介。而在虚拟现实的新面貌中,l对不?jin)o(h)人惊恐万状的镜头?/font>
侏罗U公园探?/strong>
“侏罗U公?#8221;可以让你体验到虚拟现实的惊h效果。但是和同名?sh)?jing)或书不同的是Q在虚拟现实?br>侏罗U公园里Qƈ没有一条故事的ȝ。在q里Q迈克尔.克莱的d像舞台设计师或怹计师一
P是赋予每只恐龙不同的外貌、个性、行动和目的。模拟的恐龙动v来之后,你走入它们中间。这不是
?sh)视Q也不必跟一(sh)染的q斯g园一栗这里没有拥挤的人群Q没有长长的队伍Q也没有爆米q?br>呻I有的只是恐龙的粪ѝ你好像走入了(jin)史前的丛林中Q而且q里可以昑־比Q何真正的丛林都更加危
险?br> 未来的大人和孩子都可以用q种方式自娱。由于这些象全部经q(sh)脑处理而生,q真实的情境,
因此也就无需受实物大或发生地点的限制。在虚拟现实中你可以张开双臂Q拥抱银治I在hcȝ血液中
游泳Q或造访仙境中的׃丝?br> 目前的虚拟现实还有不缺点和技术上的失误,必须加以克服之后Q才能它具有更q泛的吸引力?br>例如Q低成本的虚拟现实就深受阶梯状不规则囑Ş的困扰。当影像Ud的时候,q种锯状的囑Ş昑־?br>不稳定,因ؓ(f)它们看v来好像在UdQ但却不一定与画面Ud的方向一致。想一x(chng)q线的样子,一条非
常^直的水^Uѝ现在稍E把它倾斜一点,水^U中央就?x)出CD锯齿ŞӞ然后再倾斜一点,又出?br>W二个、第三个和更多的锯地带。这些锯齿看h仿佛(jng)在移动,直到q条U终于倾斜?5度角Q则U上
盔R像素所l成的锯齿排成了(jin)一个楼梯ŞQ一个挨着一个,直难看极?jin)?/font>
L慢半?/strong>
比这q要p的是,虚拟现实的速度q(sh)够快。所有的商业pȝQ尤其是许多?sh)子游戏生商即推?br>的新产品Q都有慢半拍的问题。当你{动头部的时候,影像?x)很快地改变Q但是还?sh)够快。图像总要慢半
拍才出现?br> 三维?sh)脑囑Ş刚出现的时候,Z使用各式各样的立体眼镜来辑ֈ观看效果Q有时是廉h(hun)的偏光镜片,
有时则是较昂늚?sh)子快门Q会(x)轮流让双眼接收不同的影像。我q记得,我第一ơ操作这c装|时Q所?br>的h——不是大多数人,而确实实是每个人——生q第一ơ戴上这U眼镜、ƈ在屏q上看到立体囑փ后,
都会(x)把头转来转去Q想看看囑փ怎么变。结果就和看立体?sh)?jing)一P囑փq没有改变。把头{来{L什
么用?br> Zq种“扭动脖子”的自然反应正说明?jin)一切。虚拟现实必ȝ密配合对用户的动作和所在位|的
感应Q让观看者能够引发图像的变化Q而不是完全由机器来控制。重要的莫过于电(sh)脑能跟踪头部的{动ƈ
能回应它的快速变化。图像更新的速度Q频率响应)(j)实际上比分L率更为重要。由此可见我们的q动经
pȝ是多么敏锐,即最d的反应迟钝也?x)破坏整个感官经验?br> 大多数的刉商大概都会(x)完全忽略q一点,而把早期拼命囑փ的高分L率的虚拟现实pȝ推向?br>场。这样做的结果是牺牲?jin)响应速度。其实,假如他们减少囑Ş昄Q加强图像的防锯齿技术,q且加快
响应速度Q那么他们所提供的虚拟现实体验将?x)更加o(h)人满意?br> 另外一个办法是Q完全放弃ؓ(f)左右眼分别提供不同透视影像的头戴式昄器,而改用所谓的自动立体
效果技术,让真实的物体或全息媄(jing)像在IZ现Q双眼一h视?/font>
《星球大战》与全息?/strong>
C?000q中的某个时候,我们的孙子或曑֭以一U新的方式观看球比赛(如果q那样叫?br>话)(j)。他们会(x)在咖啡桌Q如果还那样叫的话)(j)旁来回移动,?英寸高的球员在v居室Q如果还那样叫的
话)(j)中Q意驰骋,把一个半英寸高的球t来t去。这个模式与早期虚拟现实的想法完全相反。无Z?br>哪个角度观看Q都能n受极高的分L率。无Z朝什么地方看Q你看到的都是在I间动的三l像素?br> 在《星球大战》(StarWarsQ这部媄(jing)片中Q?R2D2qq种方式Q把莉亚公主的媄(jing)像投在Ƨ比王的
地板上。美丽的公主变成?jin)投在I间中如q灵般的qd(jing)Q从M角度Q原则上_(d)(j)都能看得见。这U特
D效果,像《星际旅行》和其他U?sh)?jing)中的cM效果一P无意间造就?jin)一批对全息一cL术麻木E
漠的观众。我们在?sh)?jing)中看q太多类似的镜头Q因此误以ؓ(f)q种技术很Ҏ(gu)?br> 事实上,发明白光全息术(今天q种技术普遍用在信用卡上)(j)的麻省理工学院教授斯蒂芬.本顿׃(jin)?br>十多q的旉Q借助于h(hun)g百万元的超U计机的力量,q用?jin)几乎无L(fng)Ҏ(gu)光学仪器Q再加上?br>几位Z的博士生孜孜不倦的努力Q才得到?jin)(与你在?sh)׃所看到的)(j)cM的效果?br> 全息术(holographyQ是匈牙利科学家丹尼?盖博?948q发明的。用最单的话来_(d)全息囑փ
QhologramQ就是把一个情境中所有可能的景象聚集在一个光调制模式下的单一q面上。随后,当光束?br>q这个^面、或被这个^面反的时候,原先的景像会(x)在空间中以光学方式重l,成ؓ(f)立体影像?/font>
100万倍的分L?/strong>
在不断改q显C技术的_求精的竞赛中Q全息术一直是一匹实力难、有可能后来居上的黑马。其
中一个原因是全息术要求极高的分L率。你的电(sh)视应该有480条可见的扫描U(也可以比q少得多Q,?br>如你的电(sh)视屏q的高度?0英寸Q那是说你的电(sh)视机Q在最佳状态下Q每英寸有差不多50条扫描线。全
息术需要的分L率是每英?0000条扫描线Q即需要比你的?sh)视机高?000倍的水^扫描Uѝ更p的是,?br>辨率意味着在水q_垂直方向同时扫描Q这样全息术所需要的分L率就是今天电(sh)视的1000倍,也就?00?br>倍。你在信用卡甚至某些国家的钞上能看到全息媄(jing)像的原因之一Q正是因U分辨率需要非常复杂?br>难以仉K的印刷技术?br> 本顿和他的同事们之所以在全息技术方面有所建树(wi)Q是因ؓ(f)他们聪明地找Z(jin)人类的眼睛和感觉pȝ
真正的需求,q把它与自然的全息图像所能制造的东西加以对照。既然hcȝ眼睛是媄(jing)像的接收器,那么
向它呈现大多它无法分辨的l节是一U愚蠢的做法?jin)。同样地Q本注意到我们注视I间中正在Ş成的
影像Q从I间中取P(j)的方式,和我们注视电(sh)׃单个画面Q以旉来取P(j)的方式如Z辙。慢动作?br>影像差不多是每秒30帧画面(60个扫描场Q。由此,与其刉一个能够反映所有视点的全息囑փQ不如把
它做成每英寸上有一个视点而省略掉中间的其他数据的影像。他成功?jin)。
除此以外Q本和他的同事们还注意刎ͼ我们的空间感在很大程度上是一U水q空间感。由于ƈ?br>的双眼的视差Q而且׃我们的视UL沿着q^水^的方向移动,因此在我们对I间的感觉中Q水q
差比垂直视差Q上下的变化Q重要得多,水^视差所捕捉的空间信号占?jin)绝大多玖。假如我们的眼睛是一
只叠在另一只的上面Q或是我们经常在?wi)上爬上爬下Q情形或怸同。但事实却非如此。事实上Q水q
差对视觉的媄(jing)响太大了(jin)Q本后来决定根本不去考虑垂直视差的问题?br> 因此Q媒体实验室所展示的全息媄(jing)像几乎都没有垂直视差。当我们向来访的Zl本实验室外?zhn)?br>的一l全息样品时Q他们根本没有注意到q些样品是没有垂直视差的。事实上Q一旦我告诉他们q些囑փ
没有垂直视差Ӟ他们都会(x)弯下腰来、再tv脚尖反复地细看,最后才真的怿?br> I间取样l合水^视差Q完全忽略垂直视差)(j)的结果是Q在本顿组的手中,与制造一个全分L率的
全息影像相比Q如今只需要:(x)Q的?sh)脑计算能力Q就能得到这U新的媄(jing)像。由于这个原因,他们刉出?br>全世界第一个全彩的、由有深明暗变化的形体所构成的实时全息媄(jing)像。它自由地漂在IZQ其大小?br>形状相当于一个茶杯或“矮胖”的莉亚公丅R?/font>
整体大于部分之和
昄的质量确实不单和视觉有关。它是一U典型地q用?jin)其他感官?sh)验的收视l验。各U感宫构成的
整体的确大于部分之和?br> 在高清晰度电(sh)视刚刚萌芽的时候,当时在媒体实验室工作的社?x)科学家拉?U曼q行?jin)一个划时代
的实验,试观众Ҏ(gu)C量的反应。他安装?jin)两套一模一L(fng)高清晰度?sh)视和录像机pȝQ放映一模一
L(fng)高质量录像带。不q,他在Al用的是录像机的普通音质和?sh)视机的扬声器Q而在日组中,则?br>?jin)很的扬声器,可以播放出比CDq要好的韌?br> l果令h吃惊。许多实验对象报告说日组的图像清晰得多。事实上Q两l媄(jing)像的品质完全一栗但B
l的收视l验却好得多。我们們于把感官l验作ؓ(f)一个整体来加以判断Q而不是根据各个部分的l验?br>加以判断。虚拟现实系l在设计上有时忽略了(jin)q个重要的观察结果?br> 在设计军事坦克训l器的时候,Z׃(jin)很多?j)血Q来辑ֈ最高的昄质量Q几乎不计Q何代P(j)Q?br>希望获得的效果是Q当你注视显C器的时候,几乎和从坦克的窗口看出去一栗这个想法挺好,但在
不断增加扫描U数目上q行?jin)艰苦卓l的努力之后Q设计师才想到可以引入一Uh(hun)g廉、会(x)E稍震动?br>q动q?#8220;台。设计师又在此基上增加了(jin)一些额外的感官效果——坦克的马达声和轧过地面的声x(chng)l果
整体感觉十分逼真Q设计师因此可以减少扫描U的数目Q而不?x)?jing)响整体视觉效果。无论如何,q个pȝ
看v来和感觉h很真实,已经过?jin)原来的要求?br> l常有h间我Qؓ(f)什么我吃东西的时候要戴着眼镜Q因为我昄不需要眼镜,也能看得见食物和刀叉?br>我的回答很简单,当我戴着眼镜的时候,食物昑־更加味可口。能够清楚地看见食物是饭菜质量的一?br>分?br> “?#8221;?#8220;感觉”相得益嘪?/font>
摘要Q本文全面回了(jin)虚拟现实技术的发展历史和研I背景,介绍?jin)虚拟现实技术的构成和技术特点,分析?jin)虚拟现实系l在遥现技术、仿真技术、对象可视化技术等斚w的应用现Ӟq点论qC(jin)分布式虚拟现实系l的应用和发展前景?/p>
关键词:(x)虚拟现实 虚拟环境 分布式虚拟现实系l?/p>
虚拟现实技术简?/p>
虚拟现实技术的应用
虚拟现实技术(Virtual RealityQ,又称灵境技术,?0q代为科学界和工E界所x(chng)的技术。它的兴PZhZ互界面的发展开创了(jin)新的研究领域Qؓ(f)工程的应用提供了(jin)新的界面工具Qؓ(f)各类工程的大规模的数据可视化提供?jin)新的描q方法。这U技术的特点在于Q计机产生一Uh拟的环境Q这U虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度I间Q或是把其它现实环境~制到计机中去产生逼真?#8220;虚拟环境”Q从而得用户在视觉上生一U沉怺虚拟环境的感觉。这U技术的应用Q改q了(jin)Z利用计算行多工程数据处理的方式,其在需要对大量抽象数据q行处理Ӟ同时Q它在许多不同领域的应用Q可以带来巨大的l济效益?/p>
1Q虚拟现实技术的发展概述??/p>
1965q_(d)Sutherland在篇名ؓ(f)<<l极的显C?gt;>的论文中首次提出?jin)包括具有交互图形显C、力反馈讑֤以及(qing)声音提示的虚拟现实系l的基本思想Q从此,Z正式开始了(jin)对虚拟现实系l的研究探烦(ch)历程?/p>
随后?966q_(d)国MIT的林肯实验室正式开始了(jin)头盔式显C器的研制工作。在q第一个HMD的样机完成不久,研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装|加入到q个pȝ中?970q_(d)出现?jin)第一个功能较齐全的HMDpȝ。基于从60q代以来所取得的一pd成就Q美国的Jaron Lanier ?0q代初正式提Z(jin)“Virtual Reality”一词?/p>
80q代Q美国宇航局QNASAQ及(qing)国国防部组l了(jin)一pd有关虚拟现实技术的研究Qƈ取得?jin)o(h)人瞩目的研究成果Q从而引起了(jin)Z对虚拟现实技术的q泛x(chng)?984q_(d)NASA Ames研究中心(j)虚拟行星探测实验室的M.McGreevy 和J.Humphries博士l织开发了(jin)用于火星探测的虚拟环境视觉显C器Q将火星探测器发回的数据输入计算机,为地面研Ih员构造了(jin)火星表面的三l虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站QVIEWQ项目中Q他们又开发了(jin)通用多传感个Z真器和遥现设备?/p>
q入90q代Q迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计机软gpȝ相匹配,使得Z大型数据集合的声韛_图象的实时动d作成为可能;人机交互pȝ的设计不断创斎ͼ新颖、实用的输入输出讑֤不断地进入市(jng)场。而这些都拟现实系l的发展打下?jin)良好的基础。例?993q的11月,宇航员利用虚拟现实系l成功地完成?jin)从航天飞机的运输舱内取出新的望q镜面板的工作,而用虚拟现实技术设计L?77获得成功Q是q年来引L(fng)技界瞩目的又一件工作。可以看出,正是因ؓ(f)虚拟现实pȝ极其q泛的应用领域,如娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、徏{、医疗保险、危险及(qing)恶劣环境下的遥操作、教育与培训、信息可视化以及(qing)q程通讯{,Z对迅速发展中的虚拟现实系l的qK应用前景充满?jin)憧憬与兴趣?/p>
2Q虚拟现实系l的研究现状
计算机的发展提供?jin)一U计工具和分析工具Qƈ因此D?jin)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Q就虚拟现实本n而言Q它主要涉及(qing)C个研I域:(x)
通过计算机图形方式徏立实时的三维视觉效果Q?/p>
建立对虚拟世界的观察界面Q?/p>
使用虚拟现实技术加如科学计技术等斚w的应用。虚拟现实的有关技术特征及(qing)构成
从本质上_(d)虚拟现实是一U先q的计算机用h口,它通过l用户同时提供诸?/p>
视、听、触{各U直观而又自然的实时感知交互手Dc(din)最大限度地方便用户的操作,从而减ȝL(fng)负担、提高整个系l的工作效率?/p>
1Q虚拟现实技术的重要技术特征??/p>
虚拟现实的定义可以归U_下:(x)虚拟现实是利用计机生成一U模拟环境(如飞机驾驶舱、操作现场等Q,通过多种传感讑֤使用?#8220;投入”到该环境中,实现用户与该环境直接q行自然交互的技术。虚拟现实技术因此具有以下四个重要特征:(x)
多感知?/p>
所谓多感知性就是说除了(jin)一般计机所h的视觉感知外Q还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚臛_括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实是应该h人所h的感知功能?/p>
IIQ存在感
又称临场感,它是指用hCZ角存在于模拟环境中的真实E度。理想的模拟环境应该辑ֈ使用户难以分辨真假的E度?/p>
III交互?/p>
交互性是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E度Q包括实时性)(j)。例如,用户可以用手ȝ接抓取环境中的物体,q时手有握着东西的感觉,q可以感觉物体的重量Q视Z的物体也随着手的Ud而移动?/p>
IVQ自L?/p>
是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的E度。例如,当受到力的推动时Q物体会(x)向力的方向移动、或d、或从桌面落到地面等?/p>
2Q虚拟现实系l的构成
虚拟现实pȝ的模型表C如图(2Q。用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作,q得到实时三l显C和其它反馈信息Q如触觉、力觉反馈等Q。当pȝ与外部世界通过传感装置构成反馈闭环Ӟ在用L(fng)控制下,用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用Q如遥操作等Q?/p>
虚拟现实pȝ主要׃下六个模块构?/p>
(g)模块:(x)(g)用L(fng)操作命o(h)Qƈ通过传感器模块作用于虚拟环境?/p>
反馈模块Q接受来自传感器模块信息Qؓ(f)用户提供实时反馈?/p>
传感器模块:(x)一斚w接受来自用户的操作命令,q将其作用于虚拟环境Q另一斚w
操作后产生的结果以各种反馈的Ş式提供给用户?/p>
控制模块Q对传感器进行控Ӟ使其对用戗虚拟环境和现实世界产生作用?/p>
建模模块Q获取现实世界组成部分的三维表示Qƈ由此构成对应的虚拟环境?/p>
现有虚拟现实pȝ的关键技?/p>
虚拟现实的关键技术可以包括以下几个方面:(x)??/p>
Q?Q动态环境徏模技?/p>
虚拟环境的徏立是虚拟现实技术的核心(j)内容。动态环境徏模技术的目的是获取实际环境的三维数据
QƈҎ(gu)应用的需要,利用获取的三l数据徏立相应的虚拟环境模型。三l数据的获取可以采用CAD技术(有规则的环境Q,而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术,两者的有机l合可以有效地提高数据获取的效率?/p>
Q?Q实时三l图形生成技?/p>
三维囑Ş的生成技术已l较为成熟,其关键是如何实现“实时”生成。ؓ(f)?jin)达到实时的目的Q至要保证囑Ş的刷新率不低?5?U,最好是高(sh)30?U。在不降低图形的质量和复杂度的前提下Q如何提高刷新频率将是该技术的研究内容?/p>
Q?Q立体显C和传感器技?/p>
虚拟现实的交互能力依赖于立体昄和传感器技术的发展。现有的虚拟现实q远q不能满系l的需要,例如Q数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、用不便等~点Q虚拟现实设备的跟踪_ֺ和跟t范围也有待提高Q因此有必要开发新的三l显C技术?/p>
Q?Q应用系l开发工?/p>
虚拟现实应用的关键是L合适的场合和对象,卛_何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大q度地提高生产效率、减d动强度、提高(sh)品开发质量。ؓ(f)?jin)达到这一目的Q必ȝI虚拟现实的开发工兗例如,虚拟现实pȝ开发^台、分布式虚拟现实技术等?/p>
pȝ集成技?/p>
׃虚拟现实中包括大量的感知信息和模型,因此pȝ的集成技术v着臛_重要?/p>
作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据{换技术、数据管理模型、识别和合成技术等{?/p>
虚拟现实技术的应用领域
虚拟现实技术的应用前景是很qK的。它可应用于建模与仿真、科学计可视化、设
计与规划、教育与训练、遥作与遥现、医学、艺术与׃{多个方面。下面我们分别讨论几个典型的应用例子?/p>
用于遥控机器人的遥现技?/p>
遥现技术?〗是指当实际上在某一个地Ҏ(gu)Q可以生在另一个地方的感觉。虚拟现?/p>
涉及(qing)C验由计算Z生的三维虚拟环境Q而遥现则涉及(qing)C验一个遥q的真实环境。遥现技术在实际应用中需要虚拟环境的指导。例如,在遥控宇宙空军站的开发计划中Q从安全性以?qing)费用的角度考虑Q我们有必要使用I间机器人。这U空间机器h的特Ҏ(gu)由地面上的操作员q行遥操作,或进行部分自L作。对于像零g更换的固定操作可以完全自主进行,而对于故障检修等难以预测的操作则有必要依赖于遥操作。这Ӟ虚拟现实技术和遥现技术将发挥重要的作用。ؓ(f)研究C代空间机器h的遥操作技术,日本开发了(jin)宇宙开发地面实验^台。该实验q_有hQ机交互、计机pȝ以及(qing)机器人系l所构成。现在,在该实验q_上进行了(jin)零g更换{空间机器h的典型操作实验,实现?jin)实验^台的基本功能?/p>
仿真技?/p>
虚拟环境是计机生成的具有沉感的环境,它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉?/p>
呌{各U感官(sh)息,l参与者一Un临其境的感觉。因此,虚拟环境是一U新发展的、具有新含义的一UhZ互系l?/p>
飞行仿真pȝ
飞行仿真pȝ由四部分l成Q即飞行员的操纵ql显C外部图象的视觉pȝ产生q动感的q动pȝ计算和控刉行运动的计算机系l?/p>
计算机系l是飞行仿真pȝ的中枢,用它来计飞行的q动、控制A表及(qing)指示灯、驾驶杆{信受视觉系l和q动pȝ与虚拟现实密切相养I其中Q视觉系l向飞行员提供外界的视觉信息。该pȝ׃生视觉图象的“图象产生?#8221;和将产生的信h供给飞行员的“视觉昄?#8221;l成。在图象产生部,随着计算机图形学的发展,现在使用UCؓ(f)CGIQComputer Generated ImageryQ的视觉产生装置。在CGI中利用纹理图形驾驶可以生云彩、v面的波浪{效果。另外,利用图象映射N可以从航I照片上农C?qing)城市(jng)分d来,q作为图象数据加以利用。视觉显C部向飞行员提供h真实感的图象Q图象的昄有无限远昄方式、广角方式、半球方式以?qing)立体眼镜和头盔式显C器{四U方式?/p>
作ؓ(f)飞行仿真pȝ的构成部分,q动pȝ向飞行员提供一Un体感觉,它得驾驶舱整体产生q动Q根据自由度以及(qing)驱动方式的不同,可以分ؓ(f)万向方式、共动型吊挂方式、共动型支撑方式以及(qing)共动型六自由度方式等。利用该q动pȝQ飞行员可以感觉到实际飞ZL(fng)q动感觉?/p>
与虚拟生物对?/p>
研究人员设计?jin)一U与虚拟生物对话的仿真系l。在该系l中Q虚拟世界中的虚拟生物和现实世界中的生物一P可以军_自己的行动,q且能够动态地应付周围的情c(din)对于h的挑(xi)逗也能够Ҏ(gu)情况的不同作出各U复杂的反应Q甚臌够进行对话。通过引进虚拟生物Q可以实现系l的自主性、交互性及(qing)其自然的力?/p>
作战?sh)真pȝ
各个国家在传l上?fn)惯于通过举行实战演习(fn)来训l军事h员和士兵Q但是这U实战演l,特别是大规模的军事演?fn),耗费大量资金和军用物资,安全性差Q而且q很隑֜实战演习(fn)条g下改变状态,来反复进行各U战场态势下的战术和决{研I。近q来Q虚拟现实技术的应用Q得军事演?fn)在概念上和?gu)上有?jin)一个新的飞跃,即通过建立虚拟战场来检验和评估武器pȝ的性能。例如一U虚拟战场环境,它能够包括在地面行进的坦克和装甲车,在空中飞行的直升机、歼?yn)L、导弹等多种武器q_Qƈ分别属于U、兰交战双方。图Q?Qؓ(f)一多机IZ真系l,它除?jin)多台有人驾驶的飞机模拟器?#8220;数字”飞机外,在网上还q着地面威胁环境、空中威胁环境、背景干扰环境等l点。该pȝ的主要研I目的是寚w机的飞行、火控、航I电(sh)子系l进行综合研IӞ同时研究多机协同I战战术?/p>
对象可视化技术??/p>
虚拟风洞
在科学研I中Qh们M(x)面对大量的随机数据,Z(jin)从中得到有h(hun)值的规律和结论,需要对q些数据q行认真分析。例如,Z(jin)设计出阻力小的机|Z必须详细分析机翼的空气动力学Ҏ(gu)。因此h们发明了(jin)风洞实验Ҏ(gu)Q通过使用烟雾气体使得Z可以用肉眼直接观察到气体与机的作用情况Q因而大大提高(sh)(jin)ZҎ(gu)的动力学特性的?jin)解。虚拟风z的目的是让工程师分析多旋涡的复杂三l性质和效果、空气@环区域、旋涡被破坏时的乱流{,而这些分析利用通常的数据仿真是很难可视化的?/p>
虚拟物理实验?/p>
在学?fn)过E中Q学生L许许多多的疑问有待解{。虚拟物理实验室?〗的
设计使得学生可以通过亲n实践―做、看、听来学?fn)的方式成?f)可能。用该pȝQ学生们可以很容易的演示和控制力的大、物体的形变?sh)非形变撞、摩擦系数等物理现象。ؓ(f)?jin)显C物体的q动轨迹Q可以对不同大小和质量的q动物体q行轨迹q踪。还可以停止旉的推U,以便仔细观察随时间变化的现象。学生可以通过使用数据手套与系l进行各U交互?/p>
虚拟?sh)力控制?/p>
在现行的?sh)力控制室的设计中,控制C?qing)显C器的设计一般是用和实物同等大小的模型。研Ih员(sh)用虚拟现实技术研制了(jin)一个辅助设计控制室的系l。用该pȝ可以自由地改变控制室内的配色、照明、报警、显C器的画面构成,以及(qing)各种仪表的配|等室内环境。另外,用户q可以在室内UdQ以便从不同方向观察室内情况?/p>
现在Z正在研究图形与实际图象q行融合的系l。用该pȝ可以用虚拟空间监视远方的现场Q也可以l用户一U自由往q于虚拟I间和远方现场的感觉。但是,目前q没有合适的输出装置。相信这U需要必会(x)?j)进虚拟现实技术中g装置的研制?/p>
分布式虚拟现实系l?/p>
q几十年来,计算机、通讯技术的同步发展和相互促(j)q成为全世界信息技术与产业?/p>
速发展的主要特征。特别是|络技术的q速崛P使得信息应用pȝ在深度和q度上发生了(jin)本质性的变化Q分布式虚拟现实pȝQDVRQ即是一个较为典型的实例?〗。所谓DVR是指一个支持多人实旉过|络q行交互的Y件系l,每个用户在一个虚拟现实环境中Q通过计算Z其它用户q行交互Qƈ׃n信息。下面我们分几个斚w加以介绍?/p>
分布式虚拟现实系l的产生和发?/p>
分布式虚拟现实的研究开发工作可q溯?0q代初。如1983q美国国防部QDODQ?/p>
制定?jin)SIMENT的研I计划;1985qSGI公司开发成功了(jin)|络VR游戏DogFlight。到?0q代Q一些著名大学和研究所的研Ih员(sh)开展了(jin)对分布式虚拟现实pȝ的研I工作,ql推Z(jin)多个实验性DVRpȝ或开发环境,典型的例子有国NPS开发的NPSNETQ?990Q、美国斯坦福大学的PARADISE/InversepȝQ?992Q、瑞典计机U学研究所的DIVEQ?993Q、新加坡国立大学的BrickNetQ?994Q、加拿大Albert大学的MR工具库(1993Q及(qing)英国Nottingham大学的AVIARYQ?994Q?/p>
模型l构
分布式虚拟现实系l是Z|络的虚拟环境,在这个环境中Q位于不同物理环境位|的多个用户或多个虚拟环境通过|络相联l。根据分布式pȝ环境下所q行的共享应用系l的个数Q可把DVRpȝ分ؓ(f)集中式结构和复制式结构。集中式l构是只在中?j)服务器上运行一份共享应用系l。该pȝ可以是会(x)议代理或对话理q程。中?j)服务器的作用是对多个参加者的输入/输出操纵q行理Q允许多个参加者信息共享。它的特Ҏ(gu)l构单,Ҏ(gu)实现Q但对网l通信带宽有较高的要求Qƈ且高度依赖于中心(j)服务器?/p>
复制式结构是在每个参加者所在的机器上复制中?j)服务器Q这h个参加者进E都有一份共享应用系l。服务器接收来自于其它工作站的输入信息,q把信息传送到q行在本地机上的应用pȝ中,由应用系l进行所需的计ƈ产生必要的输出。它的优Ҏ(gu)所需|络带宽较小。另外,׃每个参加者只与应用系l的局部备份进行交互,所以,交互式响应效果好。但它比集中式结构复杂,在维护共享应用系l中的多个备份的信息或状态一致性方面比较困难?/p>
3QDVR的网l通信
我们在设计和实现DVRpȝӞ必须考虑以下|络通信因素Q?/p>
带宽|络带宽是虚拟世界大和复杂度的一个决定因素。当参加者增加时Q带
宽需求也随着增加。这个问题在局域网中ƈ不突出,但在q义|上Q带宽通常限制?.5MbpsQ而通过Internet讉K的潜在用h目却比较大?/p>
分布机制它直接媄(jing)响系l的可扩充性。常用的消息发布Ҏ(gu)为广播、多播和?/p>
播。其中,多播机制允许L大小的组在网上进行通信Q它能ؓ(f)q程?x)议pȝ和分布式仿真cȝ应用pȝ提供1Q多和多Q多的消息发布服务?/p>
延迟影响虚拟环境交互和动态特性的因素是gq。如果要使分布式环境仿真?/p>
实世界,则必d时操作,从而增加真实感。对于DVRpȝ中的|络延迟可以通过使用专用联结、对路由器和交换技术进行改q、快速交换接口和计算机等来羃减?/p>
可靠性在增加通信带宽和减通信延迟q两斚wq行折衷Ӟ则要考虑通信?/p>
可靠性问题。可靠性由具体的应用需求来军_。有些协议有较高的可靠性,但传输速度慢,反之亦然?/p>
分布式虚拟现实系l的多协议模?/p>
׃在DVRpȝ中需要交换的信息U类很多Q单一的通信协议已不能满求,q时
需要开发多U协议,以保证在DVRpȝ中进行有效的信息交换。协议可以包括:(x)联结理协议、导航控制协议、几何协议、动d议、仿真协议、交互协议和场景理协议{。在使用q程中,可以Ҏ(gu)不同的用L(fng)序类型,l合使用以上多种协议Q图Q?Q即Z个例子?/p>
图(5Q?不同的客户需要用不同的协议
分布式虚拟现实系l的应用
分布式虚拟现实系l在q程教育、科学计可视化、工E技术、徏{、电(sh)子商务、交
互式׃、艺术等领域都有着极其q泛的应用前景。利用它可以创徏多媒体通信、设计协作系l、实境式?sh)子商务、网l游戏、虚拟社区全新的应用pȝ。典型的应用领域有:(x)
教育应用
把分布式虚拟现实pȝ用于建造h体模型、电(sh)脑太I旅游、化合物分子l构昄{领域,׃数据更加逼真Q大大提高(sh)(jin)Z的想象力、激发了(jin)受教育者的学习(fn)兴趣Q学?fn)效果十分显著。同Ӟ随着计算机技术、心(j)理学、教育学{多U学U的怺l合、促(j)q和发展Q系l因此能够提供更加协调的人机对话方式Q?/p>
工程应用
当前的工E很大程度上要依赖于囑Ş工具Q以便直观地昄各种产品Q目前,CAD/CAM已经成ؓ(f)机械、徏{等领域必不可少的Y件工兗分布式虚拟现实pȝ的应用将使工Eh员能通过全球|或局域网按协作方式进行三l模型的设计、交和发布Q从而进一步提高生产效率ƈ削减成本?/p>
商业应用
对于那些期望与顾客徏立直接联pȝ公司Q尤其是那些在他们的主页上向客户发送电(sh)子广告的公司QInterneth特别的吸引力。分布式虚拟pȝ的应用有可能大幅度改善顾客购买商品的l历。例如,֮可以讉K虚拟世界中的商店Q在那里?xi)选商品,然后通过Internet办理付款手箋(hu)Q商店则?qing)时把商品送到֮手中?/p>
׃应用
׃领域是分布式虚拟现实pȝ的一个重要应用领域。它能够提供更ؓ(f)逼真的虚拟环境,从而Z能够享受其中的乐,带来更好的娱乐感觉?/p>
虚拟现实技术的q一步展?/p>
正如其它新兴U学技术一P虚拟现实技术也是许多相兛_U领域交叉、集成的产物?/p>
它的研究内容涉及(qing)Ch工智能、计机U学、电(sh)子学、传感器、计机囑Ş学、智能控制、心(j)理学{?〗。我们必L醒地认识刎ͼ虽然q个领域的技术潜力是巨大的,应用前景也是很广阔的Q但仍存在着许多未解决的理论问题和未克服的技术障。客观而论Q目前虚拟现实技术所取得的成,l大部分q(sh)仅限于扩展了(jin)计算机的接口能力Q仅仅是刚刚开始涉?qing)到人的感知pȝ和肌肉系l与计算机的l合作用问题Q还Ҏ(gu)未涉?#8220;人在实践中得到的感觉信息是怎样在h的大脑中存储和加工处理成Zh对客观世界的认识”q一重要q程。只有当真正开始涉?qing)ƈ扑ֈ对这些问题的技术实现途径Ӟ人和信息处理pȝ间的隔阂才有可能被彻底的克服?jin)。我们期待这有朝一日,虚拟现实pȝ成ؓ(f)一U对多维信息处理的强大系l,成ؓ(f)行思维和创造的助手和对Z已有的概念进行深化和获取新概늚有力工具?/p>
参考文?/p>
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