虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality）科普

 1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)：虛擬現(xiàn)實(shí)，英文名為Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR技術(shù)。

這一名詞是由美國(guó)VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾(Jaron Lanier)在80年代初提出的，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。

虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)與重要意義

作為一項(xiàng)尖端科技，虛擬現(xiàn)實(shí)集成了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計(jì)算機(jī)生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)，它最早源于美國(guó)軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，九十年代初逐漸為各界所關(guān)注并且在商業(yè)領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的發(fā)展。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境...

虛擬現(xiàn)實(shí)是發(fā)展到一定水平上的計(jì)算機(jī)技術(shù)與思維科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)為人類認(rèn)識(shí)世界開辟了一條新途徑。

虛擬現(xiàn)實(shí)的最大特點(diǎn)是：用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互操作，改變了過(guò)去人類除了親身經(jīng)歷，就只能間接了解環(huán)境的模式，從而有效的擴(kuò)展了自己的認(rèn)知手段和領(lǐng)域。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)演示媒體，而且還是一個(gè)設(shè)計(jì)工具，它以視覺(jué)形式產(chǎn)生一個(gè)適人化的多維信息空間，為我們創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界提供了有利的支持。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)時(shí)三維空間表現(xiàn)能力、人機(jī)交互式的操作環(huán)境以及給人帶來(lái)的身臨其境的感受，它在軍事和航天領(lǐng)域的模擬和訓(xùn)練中起到了舉足輕重的作用...

一般的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由專業(yè)圖形處理計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入設(shè)備和演示設(shè)備等組成.

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征之一就是人機(jī)之間的交互性(interaction).為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的充分交換信息，必須設(shè)計(jì)特殊輸入工具和演示設(shè)備，以識(shí)別人的各種輸入命令，且提供相應(yīng)反饋信息，實(shí)現(xiàn)真正的仿真效果。

不同的項(xiàng)目可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用可以有選擇的使用這些工具，主要包括：頭盔式顯示器、跟蹤器、傳感手套、屏幕式、房式立體顯示系統(tǒng)、三維立體聲音生成裝置。

虛擬現(xiàn)實(shí)是從英文Virtual Reality一詞翻譯過(guò)來(lái)的。Virtual就是虛假的意思，Reality就是真實(shí)的意思，合并起來(lái)就是虛擬現(xiàn)實(shí)。國(guó)內(nèi)也有人譯為“靈境”或“幻真”。虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)融合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感技術(shù)、心理學(xué)、人類工程學(xué)及人工智能的綜合技術(shù)。

目前，有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)研究現(xiàn)狀方面的資料很多，但關(guān)于這方面的記載都不夠系統(tǒng)和全面，本文僅以幾個(gè)具有典型性的國(guó)家為例，對(duì)其在VR方面的發(fā)展?fàn)顩r作一綜述。

2 美國(guó)的研究現(xiàn)狀

美國(guó)是在VR技術(shù)方面最具權(quán)威性的國(guó)家。美國(guó)VR研究技術(shù)的水平基本上就代表國(guó)際VR發(fā)展的水平。首先讓我們先來(lái)回顧一下美國(guó)數(shù)十年來(lái)虛擬技術(shù)的發(fā)展歷程。發(fā)展歷程基本上可分為三個(gè)階段： 20世紀(jì) 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(xiàn)實(shí)技術(shù)思想的產(chǎn)生

1929年，Edwin A.Link發(fā)明了飛行模擬器，使乘坐者的感覺(jué)和坐在真的飛機(jī)上是一樣的。

1956年，Morton Heileg開發(fā)了一個(gè)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(chǎn)生振動(dòng)和風(fēng)吹的感覺(jué)。

1962年，Morton Heilig的專利“全傳感仿真器”的發(fā)明，有振動(dòng)、聲的感覺(jué)。該專利也蘊(yùn)涵了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的思想。

1965年計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的奠基者Ivan Sutherlan發(fā)表了“終極顯示”(The Ultimate Display)的論文，提出了感覺(jué)真實(shí)、交互真實(shí)的人機(jī)協(xié)作新理論。

1966年，美國(guó)的MIT林肯實(shí)驗(yàn)室在海軍科研辦公室的資助下，研制出了第一個(gè)頭盔式顯示器(HMD)，隨后又將模擬力和觸覺(jué)的反饋裝置加入到系統(tǒng)中。

1967年，美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)開始了Grup計(jì)劃，研究探討力反饋(Force Feedback)裝置。該裝置可以將物理壓力通過(guò)用戶接口引向用戶，可以使人感到一種計(jì)算機(jī)仿真力。

1968年，Sutherlan在哈佛大學(xué)的組織下開發(fā)了頭盔式立體顯示器(Helmet Mounted Display 即HMD)，后來(lái)他又開發(fā)了一個(gè)虛擬系統(tǒng)，可稱得上是第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

1970年，美國(guó)的MIT林肯實(shí)驗(yàn)室研制出了第一個(gè)功能較齊全的HMD系統(tǒng)。

1973年年，Myron Krurger提出了“Artificial Reality”，這是早期出現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)的詞。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)初步發(fā)展

20世紀(jì)80年代初到80年代中期。此階段開始形成虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念。這一時(shí)期出現(xiàn)了兩個(gè)比較典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，即VIDEOPLACE與VIEW系統(tǒng)。

20世紀(jì)80年代初，美國(guó)的DARPA(Defense Advenced Research Projects Agency)為坦克編隊(duì)作戰(zhàn)訓(xùn)練開發(fā)了一個(gè)實(shí)用的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)系統(tǒng)SIMNET。

1984年，M.McGreevy和J.Humphries博士開發(fā)了虛擬環(huán)境視覺(jué)顯示器，用于火星探測(cè)，將探測(cè)器發(fā)回地面的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。

1985年，WPAFB和Dean Kocian共同開發(fā)了VCASS飛行系統(tǒng)仿真器。

1986年可謂碩果累累，F(xiàn)urness提出了一個(gè)叫作“虛擬工作臺(tái)”(Virtual Crew station)的革命性概念;Robinett 與合作者 Fisher, Scott S, James Humphries, Michael McGreevy 發(fā)表了早期的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)方面的論文“The Virtual Environment Display System”;Jesse Eichenlaub提出開發(fā)一個(gè)全新的三維可視系統(tǒng)，其目標(biāo)是使觀察者不要那些立體眼鏡、頭跟蹤系統(tǒng)、頭盔等笨重的輔助東西也能達(dá)到同樣效果的三維逼真的VR世界。這一愿望在1996年得以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橛辛?D/3D 轉(zhuǎn)換立體顯示器(DTI 3D display)的發(fā)明。

1987年，James.D.Foley教授在具有影響力的《科學(xué)的美國(guó)》上發(fā)表了一篇題為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)界面(Interfaces for Advanced Computing)一文;美國(guó)《Scientific American》雜志還發(fā)表了一篇報(bào)導(dǎo)數(shù)據(jù)手套的文章，這篇文章及其后在各種報(bào)刊上發(fā)表的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的文章引起了人們的極大興趣。

1989年，美國(guó)Jarn Lanier正式提出“Virtual Reality(虛擬現(xiàn)實(shí))”一詞。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日趨完善

1992年，Sense8公司開發(fā)了“WTK”開發(fā)包，為VR技術(shù)提供更高層次上的應(yīng)用。

1994年3月在日內(nèi)瓦召開的第一屆WWW大會(huì)上，首次正式提出了VRML這個(gè)名字。后來(lái)又出現(xiàn)了大量的VR建模語(yǔ)言，如：X3D，Java3D等。

1994年，Burdea G和Coiffet出版了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一書，在書中他用3I(Imagination、Interaction、Immersion)概括VR的三個(gè)基本特征。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)軟件、硬件系統(tǒng)使得基于大型數(shù)據(jù)**的聲音和圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)畫制作成為可能，越來(lái)越多的新穎、實(shí)用的輸入輸出設(shè)備相繼進(jìn)入市場(chǎng)，而人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也在不斷創(chuàng)新，這些都為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。其中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)波音777獲得成功，是近幾年來(lái)又一件引起科技界矚目的偉大成果。

3 VR技術(shù)在歐洲的研究開發(fā)

3.1 VR在英國(guó)的研究與開發(fā)

英國(guó)在VR開發(fā)的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設(shè)備(包括觸覺(jué)反饋)設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究方面，在歐洲來(lái)說(shuō)是領(lǐng)先的。英國(guó)Bristol公司發(fā)現(xiàn)，VR應(yīng)用的交點(diǎn)應(yīng)集中在整體綜合技術(shù)上，他們?cè)谲浖陀布哪承╊I(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。英國(guó)ARRL公司關(guān)于遠(yuǎn)地呈現(xiàn)的研究實(shí)驗(yàn)，主要包括VR重構(gòu)問(wèn)題。他們的產(chǎn)品還包括建筑和科學(xué)可視化計(jì)算。

英國(guó)從事VR研究主要集中在以下四個(gè)主要中心。

Windustries(工業(yè)集團(tuán)公司)，以工業(yè)設(shè)計(jì)和可視化等重要領(lǐng)域而聞名于世。

British Aerospace (英國(guó)航空公司BAe)，其主要從事的研究項(xiàng)目有：利用VR技術(shù)設(shè)計(jì)高級(jí)戰(zhàn)斗機(jī)座艙;VECTA(Virtual Environment Configurable Training Aid)是一個(gè)高級(jí)測(cè)試平臺(tái)，用于研究VR技術(shù)以及考察用VR替代傳統(tǒng)模擬器方法的潛力;VECTA的子項(xiàng)目RAVE(Real And Virtual Environment)就是專門為在座艙內(nèi)訓(xùn)練飛行員而研制的。

Dimension Internation是桌面VR的先驅(qū)，該公司以生產(chǎn)一系列以Superscape命名的商業(yè)VR軟件包而聞名。

Division Ltd公司，它的成就是在開發(fā)Vision、Pro Vision和Supervision系統(tǒng)/模塊化高速圖形引擎中，率先使用了Transputer和i860技術(shù)。

3.2 歐洲其它國(guó)家VR的研究狀況

在歐洲，其它一些較發(fā)達(dá)的國(guó)家如：荷蘭、德國(guó)、瑞典等也積極進(jìn)行了VR的研究與應(yīng)用。

瑞典的DIVE分布式虛擬交互環(huán)境，是一個(gè)基于Unix的，不同節(jié)點(diǎn)上的多個(gè)進(jìn)程可以在同一世界中工作的異質(zhì)分布式系統(tǒng)。

荷蘭海牙TNO研究所的物理電子實(shí)驗(yàn)室(TNO-PEL)開發(fā)的訓(xùn)練和模擬系統(tǒng)，通過(guò)改進(jìn)人機(jī)界面來(lái)改善現(xiàn)有模擬系統(tǒng)，以使用戶完全介入模擬環(huán)境。

德國(guó)的計(jì)算機(jī)圖形研究所(IGD)的測(cè)試平臺(tái)，用于評(píng)估VR對(duì)未來(lái)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(jìn)的可視化、模擬技術(shù)和VR技術(shù)的途徑。

另外，德國(guó)在建筑業(yè)、汽車工業(yè)及醫(yī)學(xué)界等也較早應(yīng)用了VR技術(shù)，如德國(guó)一些著名的汽車企業(yè)奔馳、寶馬、大眾等都使用了VR技術(shù);制藥企業(yè)將VR用于新藥的開發(fā);醫(yī)院開始用人體數(shù)字模型進(jìn)行手術(shù)實(shí)驗(yàn)。

4 日本的研究現(xiàn)狀

日本的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展在世界相關(guān)領(lǐng)域的研究中具有舉足輕重的地位，它在建立大規(guī)模 VR 知識(shí)庫(kù)和虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲方面作出了很大的成就。

東京技術(shù)學(xué)院精密和智能實(shí)驗(yàn)室研究了一個(gè)用于建立三維模型的人性化界面，稱為SPmAR。

NEC公司開發(fā)了一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，用代用手來(lái)處理CAD中的三維形體模型，通過(guò)數(shù)據(jù)手套把對(duì)模型的處理與操作者的手聯(lián)系起來(lái)。

京都的先進(jìn)電子通信研究所(ATR)正在開發(fā)一套系統(tǒng)，它能用圖像處理來(lái)識(shí)別手勢(shì)和面部表情，并把它們作為系統(tǒng)輸入。

日本國(guó)際工業(yè)和商業(yè)部產(chǎn)品科學(xué)研究院開發(fā)了一種采用X、Y記錄器的受力反饋裝置。

東京大學(xué)的高級(jí)科學(xué)研究中心的研究重點(diǎn)主要集中在遠(yuǎn)程控制方面，他們最近的研究項(xiàng)目是可以使用戶控制遠(yuǎn)程攝像系統(tǒng)和一個(gè)模擬人手的隨動(dòng)機(jī)械人手臂的主從系統(tǒng)。東京大學(xué)原島研究室開展了3項(xiàng)研究：人類面都表情特征的提取、三維結(jié)構(gòu)的判定和三維形狀的表示、動(dòng)態(tài)圖像的提取。東京大學(xué)廣瀨研究室重點(diǎn)研究虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化問(wèn)題。他們正在開發(fā)一種虛擬全息系統(tǒng)，用于克服當(dāng)前顯示和交互作用技術(shù)的局限性。

筑波大學(xué)研究一些力反饋顯示方法，開發(fā)了九自由度的觸覺(jué)輸入器，虛擬行走原型系統(tǒng)。

富士通實(shí)驗(yàn)室有限公司通過(guò)研究虛擬生物與VR環(huán)境的作用、VR中的手勢(shì)識(shí)別，開發(fā)了一套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)姿勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)。