1、83虛擬現實技術 8.3.1虛擬現實技術的基本概念,近十余年來，計算機技術的發展進入了虛擬世界的領域，虛擬現實(Virtual Reality)技術又是發展最快的一項多學科綜合技術，“虛擬現實是在計算機技術支持下的一種人工環境，是人類與計算機和極其復雜的數據進行交互的一種技術”，它綜合了計算機圖形技術、計算機仿真技術、傳感技術、顯示技術等多種學科技術。虛擬現實系統具有向用戶提供視覺、聽覺和觸覺、味覺和嗅覺等感知功能的能力，人們能夠在這個虛擬環境中觀察、聆聽、觸摸、漫游、聞賞、并與虛擬環境中的實體進行交互，從而使用戶親身體驗沉浸虛擬空間中的感受。 虛擬現實通常是指頭盔顯示器和傳感手套等一系列新型

2、交互設備構造出的一種計算機軟硬件環境，人們通過這些設施以自然的技能、聽覺及觸覺等多種感官的反饋,8.3.1虛擬現實技術的基本概念,現階段，虛擬現實技術已不僅僅是哪些戴著頭盔顯示器和傳感手套的技術，而且還應包括一切與之有關的具有自然模擬、逼真體驗的技術與方法。它要創建一個酷似客觀環境又超越客觀時空、能沉浸其中又能駕馭其上的和諧人機環境，也就是一個由多維信息所構成的可操縱的空間。它的最重要的目標就是真實的體驗和方便自然的人機交互，能夠達到或部分達到這樣目標的系統就稱為虛擬現實系統。 從概念上講，任何一個虛擬現實系統都可以用三個“I”來描述其特性，這就是沉浸“(Immersion)”“交互(Inte

3、raction)”“想象(Imagination)”。如圖8.3.1所示,8.3.1虛擬現實技術的基本概念,這三個“I”反映了虛擬現實系統的關鍵特性，就是虛擬現實系統中人的主導作用，其表現是： (1)人能夠沉浸到計算機系統所創建的環境中，而不是僅從計算機系統的外部去觀測計算處理的結果； (2)人能夠用多種傳感器與多維化信息的環境發生交互作用，而不是僅通過鍵盤、鼠標與計算環境中的單維數字化信息發生交互作用； (3)人可從定性和定量綜合集成的環境中得到感性和理性的認識從而深化概念和萌發新意，而不僅從以定量計算為主的結果中得到啟發和對事物的認識,圖8.3.1 三I圖,8.3.1虛擬現實技術的基本概念

4、,構建一個虛擬現實系統需要軟、硬件的支持，硬件方面主要有： (1)高性能計算機。虛擬現實系統必須有運算速度高、圖形能力強的計算機硬件支持，以實時處理復雜的圖像并縮短參與者的視覺延遲。例如，SGI公司的InfiniteRealityTM系統的紋理填充可達到每秒20.6G象素，紋理下載速度是336Mbyte/秒，每秒可以處理244M、55的RGBA圖像。 (2)頭盔顯示器。頭盔顯示器提供一種觀察虛擬世界的手段，通常支持兩個顯示源及一組光學器件。這組光學器件將圖像以預先確定的距離投影到參與者面前，并將圖形放大以加寬視域。 (3)跟蹤定位系統。為了與三維虛擬世界交互，必須感知參與者的視線，即跟蹤其頭部

5、的位置和方向，這需要在頭盔上安裝頭部跟蹤傳感器。為了在虛擬世界中移動物體或移動參與者的身體，必須跟蹤觀察者的手位和手勢，甚至于全身的各肢體的位置，此時參與者需要穿戴數手套和數據服裝。另外，也可使用三維或六維鼠標和空間球等裝置與虛擬世界進行交互,8.3.1虛擬現實技術的基本概念,4)立體聲音響和三維空間定位裝置系統。借助立體聲音響可以加強人們對虛擬世界的實際體驗。聲音裝置采集或合成自然聲音信號，并利用特殊處理技術使這些信號在360球體中空間化，使參與者即使頭部在運動也能感覺到聲音保持在原處不變。 (5)觸覺/力量反饋裝置。觸覺反饋裝置使參與者除了接受虛擬世界物體的視覺和聽覺信號外，同時還能接受其

6、觸覺刺激，如紋理、質地感；力量反饋裝置則可以提供虛擬物體對人體的作用力，或虛擬物體之間的吸引力和排斥力的信號,8.3.1虛擬現實技術的基本概念,在軟件方面，虛擬現實系統除一般所需的軟件支撐環境之外，主要是需要提供一個產生虛擬環境的工具集或產生虛擬環境的外殼。它至少具有以下的功能: 能夠接受各種高性能傳感器的信息，如頭盔的跟蹤信息； 能生成立體的顯示圖形； 能把各種數據庫(如地形地貌數據庫、物體形象數據庫等)、各種CAD軟件進行調用和互聯的集成環境。 具有典型代表性的虛擬現實系統軟件有:虛擬世界工具箱WorldToolKit(WTK)、MultiGen Creator、Vega、Maya、IRI

7、S Performer、VTree、Open GVS等等,8.3.1虛擬現實技術的基本概念,典型的虛擬現實系統由效果產生器、實景仿真器、應用系統和幾何構造系統組成。 (1)效果產生器。效果產生器是完成人與虛擬環境交互的硬件接口裝置，包括能產生沉浸感的各類輸入裝置，例如，頭盔顯示器、立體聲耳機等，以及能測定視線方向和手指動作的輸裝置，例如頭部方向探測器和數據手套等。 (2)實景仿真器。實景仿真器是虛擬現實系統的核心部分，它由計算機軟硬件系統、軟件開發具及配套硬件(如圖形和聲效卡)組成，接收或發送效果產生器產生或接收的信號。 (3)應用系統。應用系統是面向具體問題的軟件部分，描述仿真的具體內容，包

8、括仿真的時態邏輯、結構，以及仿真對象之間和仿真對象與用戶之間的交互關系。應用軟件的內容直接取決于虛擬現實系統的應用目的。 (4)幾何構造系統。幾何構造系統提供了描述仿真對象的物理屬性(外形、顏色、位置等)信息，虛擬現實系統的應用系統在生成虛擬世界時需要使用和處理這些信息,8.3.1虛擬現實技術的基本概念,實物虛化、虛物實化和高效的計算機信息處理是虛擬現實技術的三個主要方面。 實物虛化是將現實世界的多維信息映射到計算機的數字空間生成相應的虛擬世界。主要包括實體建模、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤和視點感應等關鍵技術。這些技術將現實世界中的各種事物的多維特性映射到計算機的數字空間生成虛擬世界中的對應

9、事物，并使得虛擬環境對用戶操作的檢測和操作數據的獲取成為可能。 虛物實化是使計算機生成的虛擬世界中的事物所產生的對人的感官的各種刺激盡可能逼真地反饋給用戶，從而使人產生沉浸感。主要是視覺、聽覺、力覺和觸覺等感知技術。 高效的計算機信息處理，包括信息獲取、傳輸、識別、轉換，涉及理論、方法、交互工具和開發環境，是實現實物虛化和虛物實化的手段和途徑。一般來說，虛擬現實中計算機信息處理需要高計算速度、強處理能力、大存儲容量和強實時聯網特性等特征。主要涉及數據管理技術、圖形圖像生成技術、聲音合成與空間化技術、模式識別以及分布式和并行計算等等關鍵技術,8.3.2 分布式虛擬現實系統,分布式虛擬現實系統(D

10、istributed Virtual Reality,簡稱DVR)是單用戶虛擬現實系統網絡化、多用戶化的發展。傳統的虛擬現實系統實現了單個用戶在虛擬環境中的漫游、與虛擬環境及其中的物體進行交互。分布式虛擬現實系統旨在將不同的局部虛擬環境通過空間關聯以構造大范圍的虛擬環境，并與之進行交互。分布式虛擬現實系統又稱為分布式虛擬環境DVE(Distributed Virtual Environment)或分布式虛擬現實環境(Distributed Virtual Reality Environment)。 DVR應具備下列關鍵特性: (l) DVR允許一組分布在不同地理位置上的用戶進行實時交互。這個用

11、戶組能同時容納幾千個用戶，甚至更多。例如，一個正在演播室中演奏的音樂家應該可以走進一個虛擬的音樂會場中，與正在聽他演奏的數萬名世界各地的觀眾見面,8.3.2 分布式虛擬現實系統,2) DVR所構造出的虛擬環境對用戶的視覺和聽覺來說都應該是三維的。當用戶在虛擬環境中漫游時，用戶的視覺和聽覺透視效果也會同時發生變化。與視頻會議系統不同，所有的DVR用戶被封裝在同一個虛擬世界中。例如，他們同坐在一個房間的會議桌周圍，或同在一個虛擬建筑物內走動。 (3) DVR的每個用戶在計算機環境中都以替身的形式出現，這個替身或者是一個自定義的圖形描述，或者是用戶的視頻，或者是兩個的組合。 (4) 用戶除與其他用戶

12、交互之外，還可以與其它計算機仿真的虛擬生物交互。虛擬世界的一個最吸引人的地方在于它允許用戶超越現實的局限，允許現實中不存在或不能存在的一些事情發生。 (5) 用戶能夠相互說話，也能與計算機生成的虛擬生物或對象說話，虛擬生物也能作出反映,8.3.2 分布式虛擬現實系統,總之，動態、交互、沉浸、分布化四個詞應該能在一定程度上總結DVR所應具備的特性。 目前，在DVR系統中，虛擬環境的分布主要有兩種結構：集中式和復制式。集中式是把虛擬環境存放在中心服務器中，對虛擬環境的實時操縱和協同處理都是由中心服務器來管理的，用戶需要更新或獲取虛擬環境中的信息時，它向中心服務器申請，由中心服務器響應申請后得到用戶

13、所需要的信息并傳輸給用戶；復制式是在多個地點放置虛擬環境與虛擬環境的管理系統，每個參加者只與應用系統的局部備份進行交互。 集中式虛擬環境一般具有統一的局部數據庫，也就是說組成虛擬世界的所有對象(數據庫)是完全相同的，雖然不同的用戶可以看到虛擬空間的不同部分，但是在局部數據庫中裝入的是相同的對象。這樣結構簡單易于實現，但是由于輸入和輸出都有廣播給其它所有結點，因而對網絡通訊帶寬有較高的要求，且穩固性差,8.3.2 分布式虛擬現實系統,復制式虛擬環境可以使用統一的局部數據庫也可以使用不同的局部數據庫，復制式虛擬環境結構較復雜，但由于每個參與者只與應用系統的局部備份進行交互，所需網絡帶寬較小且交互效

14、果好，其缺點是當系統有多個備份時，需要有控制機制來保證每個用戶得到相同的輸入事件序列，因此維護信息和狀態一致性較困難,8.3.3 虛擬現實技術的應用,由于虛擬現實在技術上的進步與逐步成熟，其應用在近幾年發展迅速，應用領域己由過去的娛樂與模擬訓練發展到包含航空、航天、鐵道、建筑、土木、科學計算可視化、醫療、軍事、教育、娛樂、通信、藝術、體育等廣泛領域。幾種典型的應用是： (1)飛行模擬器(Fight Simulator) 飛行模擬器由仿真計算機、視景系統、運動系統、操作負載系統、音響系統和模擬座艙組成。仿真機解算描述飛行動力學、機載系統特性的數學模型。視景系統利用計算機圖像實時生成技術，產生座艙

15、外的景象，包括機場與跑道、燈光、建筑物、田野、河流、道路、地形地貌等，視景系統應模擬能見度、云、霧、雨、雪等氣象條件，以及白天、黃昏、夜間的景象，視景系統使飛行員有身臨其境的感覺。運動系統給飛行員提供加速、過載等感覺。音響系統模擬發動機噪聲、氣流噪聲等音響效果。模擬座艙具有與真實飛機座艙一樣的布局，其中儀表顯示系統實時顯示飛機的各種飛行參數和機載系統的運行狀態,8.3.3 虛擬現實技術的應用,飛行員在模擬座艙內根據窗外景象信息、艙內儀表顯示信息等做出決策，通過駕駛桿、舵對飛機進行操縱，操縱量經過轉換輸入仿真計算機，解算飛行動力學數學模型，獲得相應的飛行高度、飛行速度、飛機姿態等飛行參數，更新窗

16、外視景和儀表顯示。通過飛行模擬器訓練飛行員是一條經濟、安全、可行和有效的途徑。 (2) 虛擬戰場 (Virtual Battlefield) 傳統的實戰演習需要耗費大量的資金，且安全性保密性差。通過建立虛擬戰場環境來訓練軍事人員，同時可以檢驗和評估武器系統的性能，這使軍事演習在概念上和方法上有了一個新的飛躍。在虛擬戰場環境中，參與者可以看到在地面行進的坦克和裝甲車，在空中飛行的直升機、殲擊機和導彈，在水中游弋的潛艇；可以看到坦克前進時后面揚起的塵土和被擊中坦克的燃燒濃煙；可以聽到飛機或坦克的隆隆聲由遠而近，從聲音辨別目標的來向和速度。武器平臺(坦克、裝甲車、殲擊機、直升機、導彈等)由仿真器實現

17、，它們可以分布在不同地區，通過廣域網聯接進行數,8.3.3 虛擬現實技術的應用,據通訊。雖然武器平臺不在同一地區，距離相隔很遠，但虛擬戰場環境描述的是在同一空間、同一地域和同一時間。前面所述的分布式虛擬現實技術主要用于虛擬戰場的開發。圖8.3.2是一個虛擬指揮中心,圖8.3.2 虛擬戰場演示圖,8.3.3 虛擬現實技術的應用,3) 虛擬樣機(Virtual Prototyping) 虛擬樣機是一種基于仿真的設計(Design -Based on Simulation)，包括幾何外形、傳動和聯接關系、物理特性和動力學特性的建模與仿真。與傳統的設計方法相比，采用虛擬技術建立的虛擬樣機，易于修改和優

18、化設計方案，使產品設計滿足高質量、低成本、短周期的要求，提高產品的更新換代速度和市場的競爭力。虛擬樣機技術將對產品的傳統設計方法產生變革。一個典型的成功例子是美國波音777飛機采用了虛擬技術實現了無圖紙設計和生產，。波音公司利用SGI計算機系統成功地創建了波音777飛機的虛擬樣機，使設計師、工程師們能穿行于這個虛擬飛機中，審視飛機的各項設計。波音777飛機由300萬個零件組成，計算機系統能夠調出其中任何一個零件，進行修改設計,8.3.3 虛擬現實技術的應用,4) 虛擬制造(Virtual Manufacturing) 虛擬制造是實際制造過程在計算機上的本質體現，即采用計算機仿真與虛擬技術，通過仿真模型，在計算機上仿真生產全過程，實現產品的工藝規程、加工制造、裝配和調試，預估產品的功能、性能等方面可能存在的問題。虛擬制造從本質上講就是利用計算機生產出“虛擬產品”。 (5)信息可視化 (InformationVisualization) 科學計算可視化主要解決如何通過虛擬現實的手段生動地表現科學數據的內部規律與計算過程，如天氣云圖的運動規律、空氣湍流的特性等。而信息可視化則更進一步，主要用于表現系統中信息的種類、結構、流程以及相互間的作用等。信