1、 论文 虚拟现实技术 - 1 - 浅谈虚拟现实技术 摘要 虚拟现实（ Virtual Reality， VR）技术是近年来新兴的借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段，其核心是建模与仿真。概括介绍了虚拟现实技术的概念、特征及应用领域，涉及的关键技术，最新研究进展，应用与前景展望。 关键词 虚拟现实技术，研究现状，相关应用，信息安全 一虚拟现实的概念、特征及应用领域 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、触等直观而自然的实时感
2、知，并使参与者 “沉浸 ”于模拟环境中。虚拟现实（ Virtual Reality， VR）技术是指借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段，其核心是建模与仿真。 虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能 和传感设各等方面。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，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五
3、官。传感设备是指三维交互设备。常用的有立体头盔、数据于套、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。 （虚拟现实技术穿戴的装备） - 2 - GrigoreBurdea和 Philippe Coiffet在著作 “Virtual Reality Technology”一书中指出，虚拟现实具有三个最突出的特征，即人们称道的 “3I”特性：交互性 (interactivity) 、沉浸感 (Illusion of Immersion) 和构想性 (imagination)。交互性主要是指参与者通过使用专门输入和输出设备，用人类的自然技能实现对
4、模拟环境的考察与操作的程度。沉浸感是虚拟现实最主要的技术特征，它是指参与者在纯自然的状态下，借助交互设备和自身的感知觉系统，对虚拟环境的投入程度。构想性是指借助虚拟现实技术，使抽象概念具像化的程度。另外还有多感知性 (Multi-Sensory)。所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能，由于相关技术，特 别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。 所以， “3I M”就是虚拟现实系统的基本特征。 自 196
5、8年 Ivan Sutherland 发表一篇名为 “The Ultimate Display”的论文至今，虚拟现实技术已经伴随着计算机技术的进步得到长足的发展。如今，众多的设备可被用于虚拟现实，包括头戴式显示器、数据手套、动作捕捉系统等 1。虚拟现实技术已经在诸如建筑设计、军事仿真、虚拟制造、游戏娱乐、医学等领域得到广泛的应用。在教育、心理学、环保、文化艺术领 域，虚拟现实技术也得到越来越多的关注 2。 二虚拟现实涉及的关键技术 3 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，实时三维计算机图形技术，广角立体显示技
6、术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，触觉、力觉反馈技术，立体声、语音输入输出技术。 动态环境建模技术：虚拟环境的建立是 VR系统的核心内容，目的就是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要建立相应的虚拟环境模型。 实时三维图形生成技术：三维图形的生成技术已经较为成熟，那么关键就是 “实时 ”生成。为了达到实时的目的，至少保证图形的刷新频率不低于 15帧 /秒，最好高于 30帧 /秒。 - 3 - 立体显示和传感器技术：虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术帝发展，现有的设备远远不能满足需要，力学和触觉传感装置的研究也有待进一步深入，虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高。 应用系统开发
7、工具：虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造性。选择适当的应用对象可以大幅度提高生产效率，减轻劳动强度，提高产品质量。为了 达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具，例如 VR系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。 系统集成技术：由于 VR系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技术起着至关重要的作用，集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等。 实时三维计算机图形技术：如果有精准的模型和足够的时间，那么就能生出不同光照情况下各种物体的精确图像，但是因为重点是 “实时 ”，所以图像的刷新成为关键，要求达到一定的频率才能实
8、现 “实时 ”显示。 广角立体显示技术：在 VR系统中，双目立体视觉起了很大作用，用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同显示器上。 对观察者头、眼和手的跟踪技术：利用头部跟踪来改变图像视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动去观察环境。 触觉、力觉反馈技术：在 VR系统中，用户可以看见虚拟的物体，但是肢体并无实际触碰物体的感觉。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。 立体声、语音输入输出技术：要求虚拟环境能听懂人的语言，并能与人实时交互。使用人的自然语言作为计 算机的输入有着效率问题和正确性问题。
9、 （虚拟现实技术仿真的五星级酒店） - 4 - 三国内外虚拟现实研究的最新进展 国外虚拟现实技术以美国、日本发展的最为先进，下面分别介绍其详情。 1.美国 美国是虚拟现实技术的发源地。美国虚拟现实技术研究的水甲基本上就代表国际虚拟现实技术发展的水平。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)计划。现在 NASA己经建立了航空、卫星维护 V
10、R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。 北卡罗来纳大学 (UNC)的计算机系是 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。 SRI研究中心建立了 “视觉感知计划 ”，研究现有 VR技术的进一步发展。 1991年后， SRI进行了利用 VR技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿真来减少飞行事故。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室 (HIT Lab)将 VR研究引入了教育、娱乐和制造领域。 2.日本 日本是在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中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
11、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而，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
12、模拟人手的随动机械人手臂。 - 5 - （虚拟现实技术制作的透视桌面） 3.中 国 我国虚拟现实技术的研究现状和一些发达国家相比还有很大差距，但国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行虚拟现实技术研究、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
13、台，并将要实现与有关单位的远程连接。 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 4。 （虚拟现实技术制作的大厦模型） 四虚拟现实技术的应用 - 6 - 虚拟现实技术近年来应用于各个方面，现在挑出几个代表进行介绍。 1.游戏娱乐 虚拟现实最早主要是用于电视游戏等娱乐中，目前在游戏中的应用仍是最有意思的一个方面。在美国芝加哥虚拟娱乐世界，人们
14、排长队购买门票参加虚拟现实的战斗游戏。游戏人坐在驾驶舱里，舱内有控制器立体屏幕。游玩的人可以乘飞艇探测遥远的星球，飞行中要保护自己防止巨型坦克的袭击，并用激光枪展开射击竞赛，也可以低头弯腰、扭身拐行，躲开史前翼身恐龙的冲击。 5 上学期我在首都科技新馆也曾玩过类似的游戏。游客登上舷梯进入驾驶室，在前窗向外望时，看到飞机场跑道的景象，而操纵操作台上的按钮和操作杆将在前窗看见飞机逐渐起飞的过程。 在 首都博物馆有模拟的圆明园景观，通过特殊的镜头，转动视角就能轻松看到整个圆明园的景物，跟亲临圆明园看到的一样。 （虚拟现实技术仿真的景点） 2.虚拟实验 利用虚拟现实技术还可以建立各种虚拟实验室，如地理
15、、物理、化学、生物实验室，在 “实验室 ”里学生可以自由地做各种实验。在虚拟物理实验室里，学生可以做重力、惯性等实验；在虚拟的地理实验室里，可以做地震波传播、火山喷发等实验；在虚拟的生物实验里，可以做各种解剖实验；在虚拟的化学实验室里，可以利用各种化学药品和天平、砝码、温度计等工具，做各种不同的化学反应，观察燃 烧、爆炸等反应现象 5。 在这些虚拟实验室，学生不仅可以反复做实验直到操作纯熟，更可以进行自己的创新实验而且可以更好的避免一些不必要的危险。 3心理学 - 7 - 虚拟现实技术最早被用于焦虑障碍的治疗，且主要集中在恐高症、飞行恐怖、幽闭恐怖和广场恐怖等方面。 1994年， Rothba
16、um小组设计了一套治疗飞行恐怖的虚拟现实系统，成功治愈了一名女性飞行恐怖患者。该小组还对虚拟现实暴露疗法和传统疗法进行了比较，发现虚拟现实与传统暴露疗法效果相当并且可以长期保持 6,7。 Muhlberger小组将 30名飞行恐怖患者随机分为虚拟现实组和放松治疗组，治疗后两组都有改善，但是虚拟现实组的效果明显优于对照组。类似的研究还有很多，都证明虚拟现实的确拥有良好的治疗作用 7。 五虚拟现实技术与信息安全的结合 在信息安全中，信息加密技术与信息隐藏技术都是重中之重。通常的加密方式为对称加密和非对称加密。而另一方面信息隐藏技术主要分为隐写术（ Steganography）和数字水印（ Digi
17、tal Watermark）两个分支。 通常可以用图片、文字等作为信息隐藏的载体。 如美国 9.11恐怖袭击事件发生前不久， “USA Today”有报道称在 1998年两座东非美国大使馆的炸弹攻击事件中，拉登等人曾利用聊天室、色情 BBS 等网站隐藏恐怖攻击目标的地图和照片，并下达恐怖活动的指示。在 9.11事件发生之后， “Wired News”上也有文章指出恐怖分子在 eBay和 Amazon等拍卖网站上利用数字图像作为载体进行隐密通信。 （被指为用于隐秘通信的数字图像） 在此，设想将原有的图片等提升为三维立体显示，那么隐藏的信息将更丰富、更隐蔽。那么就要涉及到 VR技术的应用。利用现有
18、的设备进行虚拟现实仿真，如将一片森林的景象仿真后，在森林的某 些部分利用计算机增加数字信息，如某些树木的三维图型第一层网格转换为二进制码后，用私钥解码，则能顺利解读所要隐秘通信的信息。 - 8 - （虚拟现实技术仿真的森林，可隐藏大量信息） 同样道理，重要会议等场景我们一样可以用虚拟现实技术让与会者在电脑前就感受到身临其境的氛围，同时使用 RSA或 DES等算法加密数字信号传递，将可以实现重要会议完全保密，而无需一个特定会议地点，不给窃听偷窥等间谍行为留下可乘之机。 （虚拟现实技术仿真的会议场所，与会者无需亲临现场） 六虚拟现实技术前景展望 虚拟现实技术的发展前景十分诱人，在 某种意义上说它将
19、改变人们的思维方式，甚至会改变人们对世界、自己、空间、时间的看法。它是一项发展中的、具有深远的潜在应用方向的新技术，其发展将是不可限量的，能够制约它的也许只会是我们的想象力，对我们今后的生活会产生重要的影响。虚拟现实技术是人类表征外部世界的革命性变化。过去，多数认知方面的研究只是在电脑的二维平面上呈现，虚拟现实技术解决了三维呈现和模拟的难题。既保证较高的外部效度，又具有较高的实验控制。 浸入式虚拟现实技术的发展，进一步改善了外部效度与实验控制权衡的问题。由于浸入式虚拟现实技术具有良好的沉浸性、互动性和构想性，利用虚拟现实技术构建三维研究场景，实现对现实世界的模拟将更加普遍应用于各种学术研究当中
20、，得出的结论和生产出的新产品将给我们未来的生活带来天翻地覆的改革变化。 七本门课程的主要收获以及期望进一步学习的知识点 - 9 - 虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界（ Virtual World）的计算机系统，可以形成一种 “人能沉浸其中、超越其上、进出自如、交互作用的多维信息空间 ”。由于其自身难以替代的技术特点，近年来在军用和民用方面取得了令人瞩目的成果。 通过本学期的学习和黄海老师的讲解，我从对虚拟现实技术完全不了解，到对它十分感兴趣，再到了解更多与它相关的技术原理，也常常自己搜寻与之相关的最新研究成果。 这门课把我领进了一个全新的虚拟世界，领略到人类技术发展的一个新分支方向。 本课
21、程从虚拟现实的本质特征和需求出发，对虚拟现实的理论进行总结归纳和阐述，在此基础上，通过大量的课堂实例演示，面向不同的应用背景介绍虚拟现实系统的设计思路、技术、方法以及经典算法，使 我们 从总体上把握虚拟现实的相 关技术，并由表及里的逐层深入，掌握虚拟现实应用系统的构建方法。 在这门课中我学到了虚拟现实技术相关的名词概念和技术原理，同时也看到了一些相关的仿真图片和场景录像，这些更加引起了我的好奇心。如果课上能够有机会参观真正的虚拟现实系统，亲身体验虚拟现实的沉浸感，将更加有利于我们学习虚拟现实技术。 希望能够进一步学习虚拟现实技术实现的方法，比如 更多 相关软件的应用。甚至如果能用它们亲手制作一
22、幅虚拟现实场景，将更加激发我们的学习热情。 八论文小结及对本课程的建议 本论文概述了虚拟现实技术的概念、特征及应用领域，虚拟 现实涉及的关键技术总结，国内外虚拟现实研究的最新进展，虚拟现实技术的应用，虚拟现实技术与信息安全的结合，虚拟现实技术前景展望，本门课程的主要收获以及期望进一步学习的知识点。 在本课程上已经了解了很多虚拟现实技术的相关技术，如视觉显示技术、图形生成技术等，也了解了相关的输入输出设备。如果课程上我们有机会看到这些设备，或者体验一次身处虚拟环境的感受，将更深的体会到虚拟现实技术的魅力。 而掌握一些虚拟现实相关技术，比如 Cult3D作为虚拟现实 VR之 Web3D技术中一颗耀眼的明珠，正在以不可阻挡的态势在全世界推广。学习虚拟现实技术创作能增加我们的动手能力和学习兴趣 。
