《虚拟现实技术》期末论文.doc

1、考试科目：虚拟现实技术（全校选修课） 一、总体要求： 撰写论文作为期末考试成绩，论文的 Word 排版要工整、规范、美观，没 有错别字。正文用小四号字体、宋体、1.5 倍行距，题目用小二号字体、加粗， 一级标题用小三号字体、加粗，二级标题四号字体、加粗，正文中的英文字符 或者罗马数字用 Times New Roman 字体。论文的封面填写清楚相关个人信息， 报告正文的页眉中也要正确的填写学号和姓名，正文页脚中要填写页码。封面 不能填写页码，正文第一页的页码为 1。Word 排版严谨性占 10 分。 二、论文内容组织结构要求： 自拟题目，独立完成，不得抄袭，严禁从网上大段拷贝文字，图文并茂， 不

2、少于 6000 字。包括但不限于如下方面（比如下内容还丰富有意义会酌情加分） ： 1虚拟现实的概念、特征及应用领域。 （5 分） 2虚拟现实涉及的关键技术总结，从多个技术方面分别阐述。 （35 分） 3国内外虚拟现实研究的最新进展，搜索资料，完成调研综述。 （35 分） 提示：可搜索 4本门课程的主要收获（学习心得）以及期望进一步学习的知识点。 （5 分） 5论文小结及对本课程的建议。 （5 分） 6参考文献。 （5 分） 注：参考文献目录按 GB/T77142005 的要求填写，该要求可从网上搜 索下载。 7第一页须写明：题目、作者、作者单位、摘要、关键词，示例： 加分点：能结合自己专业提出

3、应用需求、应用场景设想、虚拟现实与自己 专业结合点的可加分，最高可加至总分 100 分。 三、需提交的材料： 2010-2011 学年第 2 学期期末考试 考试科目： 虚拟现实技术 学 院： 电子工程学院 专 业： 电子信息工程类 班 级： 2009211203 班内序号： 06 学 号： 09210909 姓 名： 林叙辰 任课教师： 黄 海 北京邮电大学 时间：2011 年 6 月 9 日 虚拟现实技术期末论文 姓名： 林叙辰 学号： 09210909 2010-2011 学年第 2 学期 - 1 - 虚拟现实技术概述总结 林叙辰 （北京邮电大学电子工程学院 北京 100876） 摘 要

4、虚拟现实技术是目前在计算机领域中一项发展最快的多学科综合技术， 已经被广泛地应用于许多领域。本文综述了虚拟现实技术的概念，特征，原理和国 内外研究应用进展。 关键词 虚拟现实技术, 设备，研究，发展 一，虚拟现实的概念内涵及应用领域 虚拟现实技术又称“灵境技术”、“虚拟环境”、“赛伯空间”等，是一种可 以创建和体验虚拟世界的计算机技术，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多 源信息融合交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，可借助传感头盔、数据 手套等专业设备，让用户进入虚拟空间，实时感知和操作虚拟世界中的各种对象， 从而通过视觉、触觉和听觉等获得身临其境的真实感受。虚拟现实技术是仿真技术

5、的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感 技术和网络技术等多种技术的融合，是一门富有挑战性的交叉技术。 虚拟现实技术正在广泛地应用于军事、建筑、工业仿真、考古、医学、文化教 育、农业和计算机技术等方面，改变了传统的人机交换 模式。 二，虚拟现实的基本特征 虚拟现实技术的基本特征可以简洁地表征为沉浸性、交互性和构想性。 沉浸性 沉浸性是指用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。理想的虚拟环境应该 达到使用难以分辨真假的程度例如可视场景应随着视点的变化而变化甚至超越真实 如生成比现实更逼真的照明和音响效果等。 交互性 虚拟现实技术期末论文 姓名： 林叙辰 学号： 0

6、9210909 2010-2011 学年第 2 学期 - 2 - 交互性是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程 度包括实时性。例如用户可以用手直接取虚拟环境中的物体, 这时手应该有触摸感, 并可以感觉物体的重量, 场景中被取的物体也立刻能够随着手的移动而移动。 构想性 构想是指用户沉浸在多维信息空间中, 依靠自己的感知和认知能力全方位地获 取知识, 发挥主观能动性, 寻求解答方式, 形成新的概念。 三，虚拟现实的硬件设备与软件技术 在虚拟现实系统中，硬件设备主要由 3 个部分组成：输入设备、输出设备、虚 拟世界生成设备。此外系统还需要虚拟现实的相关技术。 1，虚拟现实的

7、输入设备 有关虚拟现实系统的输入设备主要分为两大类：一类是基于自然的交互设备， 用于对虚拟世界信息的输入；另一类是三维定位跟踪设备，主要用于对输入设备在 三维空间中的位置进行判定，并送入虚拟现实系统中。 虚拟世界与人进行自然交互的实现形式很多，有基于语音的、基于手的等多种 形式，如数据手套、数据衣、三维控制器、三维扫描仪等。 手是我们与外界进行物理接触及意识表达的最主要媒介，在人机交互设备中也 是如此。基于手的自然交互形式最为常见，相应的数字化设备很多，在这类产品中 最为常用的就是数据手套。 数据手套是美国 VPL 公司在 1987 年推出的一种传感手套的专有名称。现在， 数据手套已成为一种被

8、广泛使用的传感设备。数据手套戴在用户手上，作为一只虚 拟的手用于与虚拟现实系统进行交互，可以在虚拟世界中进行物体抓取、移动、装 配、操纵、控制等操作，并把手指和手掌伸屈时的各种姿势转换成数字信号传送给 计算机，计算机通过应用程序识别出用户的手在虚拟世界中操作时的姿势，执行相 应的操作。在实际应用中，数据手套还必须配有空间位置跟踪器，检测手在空间中 的实际方位及其运动方向。 2，虚拟现实的输出设备 虚拟现实技术期末论文 姓名： 林叙辰 学号： 09210909 2010-2011 学年第 2 学期 - 3 - 人置身于虚拟世界中，要体会到沉浸的感觉，必须让虚拟世界能模拟人在现实 世界中的多种感受

9、，如视觉、听觉、触觉、力觉、痛感、味觉、嗅觉等。 基于目前的技术水平，成熟和相对成熟的感知信息的产生和检测技术仅有视觉、 听觉和触觉（力觉）3 种。感知设备的作用是将虚拟世界中各种感知信号转变为人 所能接受的多通道刺激信号，现在主要应用的有基于视觉、听觉和力觉感知的设备， 基于味觉、嗅觉等的设备有待开发研究。 3，虚拟现实的生成设备 在虚拟现实系统中，计算机是虚拟世界的主要生成设备，所以有人称之为“虚 拟现实引擎” ，它首先创建出虚拟世界的场景，同时还必须实时响应用户各种方式 的输入。 通常虚拟世界生成设备主要分为基于高性能个人计算机、基于高性能图形工作 站、高度并行的计算机系统和基于分布式计

10、算机的虚拟现实系统四大类。 1，基于高性能个人计算机虚拟现实系统主要采用普通计算机配置图形加速卡， 通常用于桌面式非沉浸型虚拟现实系统； 2，基于高性能图形工作站虚拟现实系统一般配备有 SUN 或 SGI 公司可视化工 作站； 3，高度并行的计算机系统采用高性能并行体系； 4，基于分布式计算机的虚拟现实系统则采用网络连接的分布式结构计算机系 统。 4，虚拟现实的相关技术 虚拟现实系统的目标是由计算机生成虚拟世界，用户可以与之进行视觉、听觉、 触觉、嗅觉、味觉等全方位的交互，并且虚拟现实系统能进行实时响应。 要实现这种目标，除了需要有一些专业的硬件设备外，还必须有较多的相关技 术及软件加以保证，

11、特别是在现阶段计算机的运行速度还达不到虚拟现实系统所需 要求的情况下，相关技术就显得更加重要。 虚拟现实的相关技术主要有立体视觉显示技术，环境建模技术，真实感实时绘 制技术，三维虚拟声音的实现技术，自然交互与传感技术等等。 虚拟现实技术期末论文 姓名： 林叙辰 学号： 09210909 2010-2011 学年第 2 学期 - 4 - 立体视觉显示技术 人类从客观世界获得的信息的 80以上来自视觉，视觉信息的获取是人类感知 外部世界、获取信息的最主要的传感通道，视觉通道成为多感知的虚拟现实系统中 最重要的环节。 在视觉显示技术中，实现立体显示技术是较为复杂与关键的，立体视觉显示技 术是虚拟现实

12、的重要支撑技术。 环境建模技术 在虚拟现实系统中，营造的虚拟环境是它的核心内容，要建立虚拟环境，首先 要建模，然后在其基础上再进行实时绘制、立体显示，形成一个虚拟的世界。 虚拟环境建模的目的在于获取实际三维环境的三维数据，并根据其应用的需要， 利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。只有设计出反映研究对象的真实有 效的模型，虚拟现实系统才有可信度。 在虚拟现实系统中，环境建模应该包括有基于视觉、听觉、触觉、力觉、味觉 等多种感觉通道的建模。 但基于目前的技术水平，常见的是三维视觉建模和三维听觉建模。而在当前应 用中，环境建模一般主要是三维视觉建模，这方面的理论也较为成熟。 三维视觉建模又可细

13、分为几何建模、物理建模、行为建模等。 1,几何建模是基于几何信息来描述物体模型的建模方法，它处理物体的几何形 状的表示，研究图形数据结构的基本问题； 2,物理建模涉及物体的物理属性； 3,行为建模反映研究对象的物理本质及其内在的工作机理。 真实感实时绘制技术 要实现虚拟现实系统中的虚拟世界，仅有立体显示技术是远远不够的，虚拟现 实中还有真实感与实时性的要求，也就是说虚拟世界的产生不仅需要真实的立体感， 而且虚拟世界还必须实时生成，这就必须要采用真实感实时绘制技术。 所谓真实感绘制是指在计算机中重现真实世界场景的过程。真实感绘制的主要 任务是要模拟真实物体的物理属性，即物体的形状、光学性质、表面

14、的纹理和粗糙 程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。 虚拟现实技术期末论文 姓名： 林叙辰 学号： 09210909 2010-2011 学年第 2 学期 - 5 - 三维虚拟声音的实现技术 在虚拟现实系统中加入与视觉并行的三维虚拟声音，一方面可以在很大程度上 增强用户在虚拟世界中的沉浸感和交互性，另一方面也可以减弱大脑对于视觉的依 赖性，降低沉浸感对视觉信息的要求，使用户能从既有视觉感受又有听觉感受的环 境中获得更多的信息。 四，虚拟现实的发展历程 虚拟现实技术在美国的研究开发 20 世纪 40 年代初,作为虚拟现实前身的飞行仿真器在美国出现。1966 年,美国 的 MIT 林肯实验 室

15、在海军科研办公室的资助下,研制出了第一个头盔式显示器(HMD) ,随后又将 模拟力和触觉的反馈装置加入到系统中。1970 年,研制出了第一个功能较齐全的 HMD 系统。自 80 年代后期起,美国 VPL 公司陆续研制出较实用的头盔式三维显示 器、能提供六个自由度的数据手套、立体声耳机及相应的计算机软硬件系统。 80 年代初, 美国的 DARPA (Defense AdvancedResearch Projects Agency) 为坦克 编队作战训练开发了一个实用的虚拟战场系统 SIMNET。SIMNET 系统中的每个独 立的模拟器都能单独模拟 M1 坦克的全部特性,包括导航、武器、传感和显示

16、等性 能,对坦克装置上的武器、传感器和发动机等的模拟是在特定的作战环境下进行的。 DPRPA 计划进一步扩大仿真数据库,从目前的 1000 个对象扩大到 100000 个。北 大西洋公约组织(NATO) 计划把各个不同国家的兵力逐步“汇集 SIMNET 而成为 一个虚拟战场”,然后把空战仿真系统(AWSIMS -Air Warfare Simulation System) 和 海战仿真系统( NWSIMS - Naval Warfare Simulation System) 与 SIMNET 相联。另外,美 国 NASA 积极地将 VR 技术应用于对航天运载器外的空间活动研究、空间站自由 操纵

17、研究和对哈勃空间维修的研究等项目中。 1981 年,加州大学博士研究生 Michael McCreevey 得到了美国航空航天局 (NASA) 的资助,改进了头盔显示器,用液晶替代了笨重的阴极射线显示器 ,并使定位 装置更精确。今年而把改进的头盔显示器结合当时先进的计算机创建了一个飞机场 虚拟环境系统,获得成功。 最先用手去控制虚拟世界中的物体当属麻省理工学院的 J . Zimmermn 和 J 虚拟现实技术期末论文 姓名： 林叙辰 学号： 09210909 2010-2011 学年第 2 学期 - 6 - aron. lanier ,他们合作发明了数据手套,与计算机相连,就使手的动作输进了计

18、算 机。1989 年,两人创建了 VPL 公司,J aron. lanier 首先正式使用了 Virtual Reality 词汇,使虚拟现实产品开始商业化。 Nicholas Negroponte 被公认为数字化的先锋,于 1979 年在麻省理工学院创立 了媒体实验室(MITs media laboratory) 。Negroponte 对虚拟现实有独特的看 法,他的理论对虚拟现实制造商,对虚拟现实技术的研究与推广有着重要的意义。 1985 年 ,Scott Fisher 课题组研制成功称为 VIEW 的数据手套(Data Glove) ,这种 数据手套轻便柔软,可以测量手指关节动作、手掌的

19、弯曲以及手指间的分合 ,从而可 以编程实现各种手语。同年,研制成功的第一套商用虚拟现实硬件 In2tel386 装配 了美国空军,称为 Supercockpit 飞行器。1986 年,研制成功了第一套能够充分利用 HMD 及数据手套的虚拟现实系统,称为 VIEW。这是世界上首创的比较完整、多用 途、感知能力较强的虚拟现实系统,它使用了头盔式显示器、数据手套、甚至语言识 别和较先进的跟踪设备技术,可以运用于诸多领域,如空间探索、数据可视化、远程 医疗、探险等领域,尽管不尽完美。 1987 年, J aron. lanier 的 VPL 公司率先发明了数据服装 ,成兑了比尔盖茨的 预言。比尔盖茨在

20、未来之路中首先提出“虚拟紧身衣 ”的设想,衣服里布满细 小的传感器,还有与皮肤表层连接的弹性反馈装置。典型的计算机监视器每英寸有 12 到 120 个色点,即像素,监视器上共有 30 万到 100 万个像素,全身紧身衣与小触 觉传感器相连,每一点、或一族和人体特定部位接触,这些触觉因素比尔 盖茨称它 为触元,如果紧身衣有足够的触元,并能够很好的控制,那么就可以复制任何一种触摸 知觉。如果大量的触元都准确地在同一深度与各部位接触,结果是表层感觉起来很光 滑,如果他们以各种随意分布的深度推进,感觉起来就像质地粗糙的纺织品。虚拟紧 身衣需要 100 万到 1000 万个触元,具体数目由单个触元能送传

21、的不同层次来定。人 类的皮肤研究表明,一件全身紧身衣必须有 100 个触元 ,指尖、嘴唇等敏感部位则需 要更多触元,计算机为了把感觉输入触元衣所必须进行计算的信息数量是当前个人计 算机所须信息量的 1 到 10 倍,这并不需要很高的计算能力。 1988 年,VPL 公司建立了一套完整的虚拟现实系统,把虚拟现实系统当时研制 出的软硬件基本都用上了。 1989 年,J aron. lanier 给 Virtual Reality 赋予了崭新的含义 :计算机产生 的三维交互环境,用户参与到这个环境中,获得角色,从而得到体验。 虚拟现实技术期末论文 姓名： 林叙辰 学号： 09210909 2010-

22、2011 学年第 2 学期 - 7 - 1990 年 ,重点讨论虚拟现实的 Siggraph 会议在美国达拉斯召开 ,规定了虚拟现 实技术的研究方向是:适时的三维图形生成技术,多传感器的交互技术 ,高分辨显示 技术等。 1992 年,第一次世界性的虚拟现实专门会议在法国召开,会议的名称即代表了 它的宗旨:真实世界与虚拟世界的接口。 虚拟现实技术在欧洲国家的研究开发 西班牙在 SG 上做的多用户 VR 项目虚拟奥运会 ,以奥运体育竞技作为其 研究重点,目的是开发用于如下两方面的 VR 环境 :一是双人滑雪模拟器 ,二是以数字 化虚拟方式制作 1992 年巴塞罗那奥运会足球赛的四人电影剧本。虚拟现

23、实中的人 机交互效应主要由传感技术来完成。如将数据手套、手势等显示及时地输入到计 算机中进行处理,达到在虚拟环境中人与虚拟物体的交互效果。 德国的计算机图形研究所( IGD) 的测试平台,用于评估 VR 对未来系统和界面 的影响,以及向用户和生产者提供通向先进的可视化、模拟技术和 VR 技术的途径。 瑞典的 DIVE 分布式虚拟交互环境,是一个基于 Unix 的异质分布式系统,易推广 到新的硬件和图形库;DIVE 又是全分布式的,不同节点上的多个进程可以在同一世 界中工作。 荷兰海牙 TNO 研究所的物理电子实验室 (TNO -PEL)开发的训练和模拟系统,通 过改进人机界面来改善现有模拟系统

24、,以使用户完全介入模拟环境。这些系统使用的 基本技术是并行处理系统结构,应用的基本构件是通用处理器 ,从而形成了灵活可伸 缩系统,无论从硬件还是软件上讲都易于适应特定应用。由于使用了这些强有力的系 统结构,现在的视景生成系统以相纹(Photo - Texture) 实时可视化为特色。 虚拟现实技术在我国的研究开发 我国对 VR 技术的研究起步于 20 世纪 90 年代初,发展到现在已初步取得了成 果。国内的一些科研单位如清华大学的临场感应技术重点实验室、北京航空航天大 学的三系、中国民航学院、浙大计算机仿真重点实验室、空军第二航空学院、空军 工程学院和解放军信息工程大学等,对虚拟现实的研究取得

25、了重要成果 ,在某些方面 的研究已经接近国际先进水平。 虚拟现实技术期末论文 姓名： 林叙辰 学号： 09210909 2010-2011 学年第 2 学期 - 8 - 五，虚拟现实技术展望 虚拟现实技术依赖于计算机的高速运算和传输。高速运算和传输能解决虚拟现 实环境的复杂逼真的环境构造和海量数据处理的问题，从而解决因计算和传输滞后 引起参与者的心理疾病。 虚拟体的基本属性是与几何、物理和生物行为融合的。再好的真实感也离不开 虚拟体的仿真行为。虚拟现实技术的真实感主要体现在视觉和听觉上，“多感知交 互”正在成为热点。对力反馈系统的进一步研究、嗅觉、味觉和体表感受都是未来 虚拟现实的内容。基于互

26、联网的虚拟现实伴随互联网的发展而成为热点。 我国的虚拟软件还处于起步的阶段，希望国内有更多的自主知识产权的开发平 台。 广阔的应用领域又向虚拟现实技术提出了新的创意和难题，应进一步推动虚拟 现实的发展，目前虚拟现实技术的发展仅限于人们的想象 力。 六，学习心得总结 通过学习虚拟现实技术这门课，我学习了虚拟现实的概念，硬件设备和软件技 术。同时了解了国内国际上虚拟现实技术发展的近况和实例。让我对虚拟现实这门 新兴技术产生了浓厚的兴趣。 七，论文小结 虚拟现实技术是一个极具潜力的前沿研究方向，是面向 21 世纪的重要技术之一。 它在理论，软硬件环境的研究方面依赖于多种技术的综合，其中有很多技术有待

27、完 善。可以预见，随着技术的发展，虚拟现实技术及其应用会越来越广泛。 本论文概述了虚拟现实的定义、硬件、软件和应用，综述了国内外虚拟现实技 术发展的最新成果和应用实例，并对虚拟现实技术和应用的新 热点做了展望，最后 对学习“虚拟现实技术”这门课进行了总结。 希望“虚拟现实技术”这门选修课能多多举一些国际上 VR 最新发展的例子，并 能和学生多多互动，提高学生上课热情和参与积极性。 虚拟现实技术期末论文 姓名： 林叙辰 学号： 09210909 2010-2011 学年第 2 学期 - 9 - 参考文献 1 陈浩磊，邹湘军，陈 燕，刘天湖, 虚拟现实技术的最新发展与展望J 中国科技论文在线,2011 2 李湘德,彭 斌，虚拟现实技术发展综述，创新论坛，2004 3 梁华勇，虚拟现实技术及其在高校中的应用，2005 4 吴 迪，黄文骞 ，虚拟现实技术的发展过程及研究现状，2002 5 孙倩娜，虚拟现实技术的发展及其在教育中的应用，2011 6陈琦丽等，虚拟现实技术及其应用，2010