虛擬現實發展論文

時間:2022-12-01 06:22:00

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虛擬現實發展論文

摘要:本文首先簡單介紹了虛擬現實技術,然后以幾個在VR研究方面具有代表性的國家(主要是美國)為例,詳述了VR的演變發展史。

關鍵詞:虛擬現實研究現狀發展技術

1虛擬現實技術

虛擬現實是從英文VirtualReality一詞翻譯過來的。Virtual就是虛假的意思,Reality就是真實的意思,合并起來就是虛擬現實。國內也有人譯為“靈境”或“幻真”。虛擬現實是一項融合了計算機圖形學、人機接口技術、傳感技術、心理學、人類工程學及人工智能的綜合技術。

目前,有關虛擬現實研究現狀方面的資料很多,但關于這方面的記載都不夠系統和全面,本文僅以幾個具有典型性的國家為例,對其在VR方面的發展狀況作一綜述。

2美國的研究現狀

美國是在VR技術方面最具權威性的國家。美國VR研究技術的水平基本上就代表國際VR發展的水平。首先讓我們先來回顧一下美國數十年來虛擬技術的發展歷程。發展歷程基本上可分為三個階段:20世紀70年代以前為第一階段;80年代初到80年代中期為第二階段;第三階段從80年代末期至今。

2.1虛擬現實技術思想的產生

1929年,EdwinA.Link發明了飛行模擬器,使乘坐者的感覺和坐在真的飛機上是一樣的。

1956年,MortonHeileg開發了一個叫做Sensorama的摩托車仿真器。Sensorama具有三維顯示及立體聲效果,并能產生振動和風吹的感覺。

1962年,MortonHeilig的專利“全傳感仿真器”的發明,有振動、聲的感覺。該專利也蘊涵了虛擬現實技術的思想。

1965年計算機圖形學的奠基者IvanSutherlan發表了“終極顯示”(TheUltimateDisplay)的論文,提出了感覺真實、交互真實的人機協作新理論。

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中。

1967年,美國北卡羅來納大學開始了Grup計劃,研究探討力反饋(ForceFeedback)裝置。該裝置可以將物理壓力通過用戶接口引向用戶,可以使人感到一種計算機仿真力。

1968年,Sutherlan在哈佛大學的組織下開發了頭盔式立體顯示器(HelmetMountedDisplay即HMD),后來他又開發了一個虛擬系統,可稱得上是第一個虛擬現實系統。

1970年,美國的MIT林肯實驗室研制出了第一個功能較齊全的HMD系統。

1973年年,MyronKrurger提出了“ArtificialReality”,這是早期出現的虛擬現實的詞。

2.2虛擬現實技術初步發展

20世紀80年代初到80年代中期。此階段開始形成虛擬現實技術的基本概念。這一時期出現了兩個比較典型的虛擬現實系統,即VIDEOPLACE與VIEW系統。

20世紀80年代初,美國的DARPA(DefenseAdvencedResearchProjectsAgency)為坦克編隊作戰訓練開發了一個實用的虛擬戰場系統SIMNET。

1984年,M.McGreevy和J.Humphries博士開發了虛擬環境視覺顯示器,用于火星探測,將探測器發回地面的數據輸入計算機,構造了火星表面的三維虛擬環境。

1985年,WPAFB和DeanKocian共同開發了VCASS飛行系統仿真器。

1986年可謂碩果累累,Furness提出了一個叫作“虛擬工作臺”(VirtualCrewstation)的革命性概念;Robinett與合作者Fisher,ScottS,JamesHumphries,MichaelMcGreevy發表了早期的虛擬現實系統方面的論文“TheVirtualEnvironmentDisplaySystem”;JesseEichenlaub提出開發一個全新的三維可視系統,其目標是使觀察者不要那些立體眼鏡、頭跟蹤系統、頭盔等笨重的輔助東西也能達到同樣效果的三維逼真的VR世界。這一愿望在1996年得以實現,因為有了2D/3D轉換立體顯示器(DTI3Ddisplay)的發明。

1987年,James.D.Foley教授在具有影響力的《科學的美國》上發表了一篇題為先進的計算機界面(InterfacesforAdvancedComputing)一文;美國《ScientificAmerican》雜志還發表了一篇報導數據手套的文章,這篇文章及其后在各種報刊上發表的虛擬現實技術的文章引起了人們的極大興趣。

1989年,美國JarnLanier正式提出“VirtualReality(虛擬現實)”一詞。

2.3虛擬現實技術的日趨完善

1992年,Sense8公司開發了“WTK”開發包,為VR技術提供更高層次上的應用。

1994年3月在日內瓦召開的第一屆WWW大會上,首次正式提出了VRML這個名字。后來又出現了大量的VR建模語言,如:X3D,Java3D等。

1994年,BurdeaG和Coiffet出版了虛擬現實技術一書,在書中他用3I(Imagination、Interaction、Immersion)概括VR的三個基本特征。

進入20世紀90年代,迅速發展的計算機軟件、硬件系統使得基于大型數據集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為可能,越來越多的新穎、實用的輸入輸出設備相繼進入市場,而人機交互系統的設計也在不斷創新,這些都為虛擬現實系統的發展打下了良好的基礎。其中,利用虛擬現實技術設計波音777獲得成功,是近幾年來又一件引起科技界矚目的偉大成果。

3VR技術在歐洲的研究開發

3.1VR在英國的研究與開發

英國在VR開發的某些方面,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,在歐洲來說是領先的。英國Bristol公司發現,VR應用的交點應集中在整體綜合技術上,他們在軟件和硬件的某些領域處于領先地位。英國ARRL公司關于遠地呈現的研究實驗,主要包括VR重構問題。他們的產品還包括建筑和科學可視化計算。

英國從事VR研究主要集中在以下四個主要中心。

Windustries(工業集團公司),以工業設計和可視化等重要領域而聞名于世。

BritishAerospace(英國航空公司BAe),其主要從事的研究項目有:利用VR技術設計高級戰斗機座艙;VECTA(VirtualEnvironmentConfigurableTrainingAid)是一個高級測試平臺,用于研究VR技術以及考察用VR替代傳統模擬器方法的潛力;VECTA的子項目RAVE(RealAndVirtualEnvironment)就是專門為在座艙內訓練飛行員而研制的。

DimensionInternation是桌面VR的先驅,該公司以生產一系列以Superscape命名的商業VR軟件包而聞名。

DivisionLtd公司,它的成就是在開發Vision、ProVision和Supervision系統/模塊化高速圖形引擎中,率先使用了Transputer和i860技術。

3.2歐洲其它國家VR的研究狀況

在歐洲,其它一些較發達的國家如:荷蘭、德國、瑞典等也積極進行了VR的研究與應用。

瑞典的DIVE分布式虛擬交互環境,是一個基于Unix的,不同節點上的多個進程可以在同一世界中工作的異質分布式系統。

荷蘭海牙TNO研究所的物理電子實驗室(TNO-PEL)開發的訓練和模擬系統,通過改進人機界面來改善現有模擬系統,以使用戶完全介入模擬環境。

德國的計算機圖形研究所(IGD)的測試平臺,用于評估VR對未來系統和界面的影響,以及向用戶和生產者提供通向先進的可視化、模擬技術和VR技術的途徑。

另外,德國在建筑業、汽車工業及醫學界等也較早應用了VR技術,如德國一些著名的汽車企業奔馳、寶馬、大眾等都使用了VR技術;制藥企業將VR用于新藥的開發;醫院開始用人體數字模型進行手術實驗。

4日本的研究現狀

日本的虛擬現實技術的發展在世界相關領域的研究中具有舉足輕重的地位,它在建立大規模VR知識庫和虛擬現實的游戲方面作出了很大的成就。

東京技術學院精密和智能實驗室研究了一個用于建立三維模型的人性化界面,稱為SPmAR。

NEC公司開發了一種虛擬現實系統,用代用手來處理CAD中的三維形體模型,通過數據手套把對模型的處理與操作者的手聯系起來。

京都的先進電子通信研究所(ATR)正在開發一套系統,它能用圖像處理來識別手勢和面部表情,并把它們作為系統輸入。

日本國際工業和商業部產品科學研究院開發了一種采用X、Y記錄器的受力反饋裝置。

東京大學的高級科學研究中心的研究重點主要集中在遠程控制方面,他們最近的研究項目是可以使用戶控制遠程攝像系統和一個模擬人手的隨動機械人手臂的主從系統。

東京大學原島研究室開展了3項研究:人類面都表情特征的提取、三維結構的判定和三維形狀的表示、動態圖像的提取。

東京大學廣瀨研究室重點研究虛擬現實的可視化問題。他們正在開發一種虛擬全息系統,用于克服當前顯示和交互作用技術的局限性。

筑波大學研究一些力反饋顯示方法,開發了九自由度的觸覺輸入器,虛擬行走原型系統。

富士通實驗室有限公司通過研究虛擬生物與VR環境的作用、VR中的手勢識別,開發了一套神經網絡姿勢識別系統。

5國內研究成果

從某種意義上講,我國才是VR的發源地,早在戰國時期,《墨子.魯問》篇中就記載著“公輸般竹木為鵲,成而飛之,三日不下”,其原材料是極薄的木片或竹片。后來人們在風箏上系上竹哨,利用風吹竹哨,聲如箏鳴,故稱“風箏。模擬飛行動物發明的有聲風箏,這是有關中國古代人試驗飛行器模型的最早記載。后來該技術傳到西方,利用風箏的原理才發明了飛機。

但我國對VR技術的正式研究起步卻很晚,大概在20世紀90年代初,發展到現在已初步取得了成果但與發達國家相比還有很大的差距。其研究概述如下。

國內最早開展此項技術試驗的是西安虛擬現實工程技術研究中心;北京航空航天大學計算機系也是國內最早研究VR的單位之一,它在VR視覺接口方面獲得了一部分研究成果;北京大學設計了基于PC機的VR系統;清華大學國家光盤工程研究中心所作的“布達拉宮”,采用了QuickTime技術,實現大全景VR制;浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發了一套桌面型虛擬建筑環境實時漫游系統;哈爾濱工業大學計算機系已經成功地合成了人的高級行為中的特定人臉圖像,解決了表情的合成和唇動合成技術問題,并正在研究人說話時手勢和頭勢的動作、語音和語調的同步等;西安交大信息工程研究所對VR中的關鍵技術—立體顯示技術進行了研究;中國科技開發院威海分院研究了視覺接口技術,完成了VR中的體視圖及軟件接口;北方工業大學CAD中心是我國最早開展計算機動畫研究的單位之一,完成了通訊圖像顯示系統的多媒體平臺及相關音頻資料庫,并且中國第一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;上海大學CIMS中心開發了一套基于IRIX的虛擬科技園區環境實時漫游系統;另外,上海交通大學圖像處理模式識別研究所,長沙國防科技大學計算機研究所、華東船舶工業學院計算機系、安徽大學電子工程與住處科學系等單位也進行了一些研究工作和嘗試。

6結束語

資料顯示,虛擬現實從其萌芽到今天的日漸成熟已經走過了相當長的一段風雨歷程。隨著計算機技術和網絡技術的飛速發展,計算機3D運算能力和網絡帶寬大大提高,虛擬現實在生產生活中的應用日益廣泛,已逐漸應用到了航空、軍事、醫學、教育、工程設計、商業經營等各個領域。

不過,以上這些應用給用戶的感覺并不真實,它只能被看做虛擬現實技術的初步應用。隨著現代科學技術的發展,數字化的有著真正三維身體的“人”或物在虛擬的三維場景中出現,現實生活中的人可以在一個虛擬的三維的“真實”世界中變成另一個“人”,可做出真正動作,真正與他人“交談”、“接觸”。

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VirtualRealitytechnologyanditsdevelopment

Abstract:Thepaperfirstintroducesthedefinitionofvirtualrealitytechnology,thenitexpatiatesontheevolutionofhistoryofvirtualrealityinseveraltypicalcountries(especiallyinAmerica).

Keywords:virtualreality;situationofresearch;development