1、論虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用姓名：黃文韜學號：150401011053年級：2015級專業(yè)：經(jīng)濟學摘要:關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是一種通過對人的視覺、聽覺以及觸覺等行為進行模擬的高度仿真人機交互技術(shù)。這是一門交叉性的學科，涉及到了包括計算機圖形學、計算機仿真技術(shù)、人機交互技術(shù)、人工智能技術(shù)、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)等領(lǐng)域的學科。無論是其生成的視覺環(huán)境，還是音效，都是立體的，所以這種技術(shù)改善了人和計算機之間原本單調(diào)、生硬以及被動的狀態(tài)，讓人在身臨其境般的感受中戀戀不舍。一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念及分類虛擬現(xiàn)實技術(shù)也叫做vr技術(shù)，它所指的是借助于三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)、多媒體

2、技術(shù)、人工智能技術(shù)以及人機接口技術(shù)等新興技術(shù)，營造成三維逼真的虛擬環(huán)境。該技術(shù)是通過創(chuàng)設(shè)文字圖形、圖像、動畫、聲音以及視頻等各種信息為一體的人機交互環(huán)境，建設(shè)內(nèi)容豐富、圖文并茂且動靜結(jié)合的虛擬環(huán)境。置于此環(huán)境中，能夠極大的刺激著人們的大腦、眼睛、手、口等器官，讓人在身臨其境中體會到近乎真實的感受。按照支持設(shè)備來分類，可以分成沉浸式和非沉浸式。沉浸式主要是除了計算機的標準設(shè)備以外，還應(yīng)該加入那些比較特殊的外部設(shè)備，從而為體驗者提供更多可以感知的視覺、觸覺以及嗅覺等信息。這些外部設(shè)備可以是三維立體顯示器，也可以是數(shù)字手套等。非沉浸式主要指除了計算機的標準設(shè)備以外，不加入其他的外部設(shè)備，只為用戶提供

3、視覺和聽覺的感受，盡可能的通過計算機軟件，為用戶營造出虛擬現(xiàn)實的環(huán)境。按照漫游的方式來進行分類，可以分成自動漫游以及交互式漫游。自動漫游主要指制作者需要先將漫游的路徑設(shè)定好，再由計算機按照預(yù)先設(shè)定好的路徑將虛擬的場景展現(xiàn)出來。交互式漫游和自動漫游存在的一個最大不同之處便是其漫游路徑，前者是由體驗者借助于鼠標、鍵盤以及其他的特殊設(shè)備來進行操作的，不會受到角度和方位的限制便能夠看到虛擬的場景。（二）虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征第一，沉浸感。主要指虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠使得使用者和計算機之間實現(xiàn)完全的自然交互，從而陶醉于所創(chuàng)設(shè)的虛擬環(huán)境中。第二，交互性。主要指虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠使得使用者不再被動的接受信息，而是借助于

4、交互輸入設(shè)備，實現(xiàn)對虛擬物體的操作，從而將虛擬的環(huán)境改變。第三，想象。主要指虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠使得使用者站在定性和定量有機結(jié)合的環(huán)境里，實現(xiàn)理性和感性的雙重認知，從而更深入的了解，并產(chǎn)生新的創(chuàng)意。二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展虛擬現(xiàn)實技術(shù)演變發(fā)展史大體上可以分為四個階段：1963年以前，蘊含虛擬現(xiàn)實技術(shù)思想的第一階段；19631972年，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的萌芽階段；1973年1989年，虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念和理論產(chǎn)生的初步階段；1990年至今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)理論的完善和應(yīng)用階段。（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)的前身：虛擬現(xiàn)實技術(shù)是對生物在自然環(huán)境中的感官和動作等行為的一種模擬交互技術(shù)，它與仿真技術(shù)的發(fā)展是息息相關(guān)的。中國古代

5、戰(zhàn)國時期的風箏，就是模擬飛行動物和人之間互動的大自然場景，風箏的擬聲、擬真、互動的行為是仿真技術(shù)在中國的早期應(yīng)用，它也是中國古代人試驗飛行器模型的最早發(fā)明。西方人利用中國古代風箏原理發(fā)明了飛機，發(fā)明家EdwinA.Link發(fā)明了飛行模擬器，讓操作者能有乘坐真正飛機的感覺。1962年,MortonHeilig的“全傳感仿真器”的發(fā)明，就蘊涵了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的思想理論。這三個較典型的發(fā)明，都蘊涵了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的思想，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的前身（二）虛擬現(xiàn)實技術(shù)的萌芽階段：1968年美國計算機圖形學之父IvanSutherlan開發(fā)了第一個計算機圖形驅(qū)動的頭盔顯示器HMD及頭部位置跟蹤系統(tǒng)，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)

6、展史上一個重要的里程碑。此階段也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的探索階段，為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本思想產(chǎn)生和理論發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。（三）虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念和理論產(chǎn)生的初步階段：這一時期出現(xiàn)了VIDEOPLACE與VIEW兩個比較典型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。由M.W.Krueger設(shè)計的VIDEOPLACES統(tǒng)，將產(chǎn)生一個虛擬圖形環(huán)境，使參與者的圖像投影能實時地響應(yīng)參與者的活動。由M.MGreevy領(lǐng)導完成的VIEW系統(tǒng)，在裝備了數(shù)據(jù)手套和頭部跟蹤器后，通過語言、手勢等交互方式，形成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。（四）虛擬現(xiàn)實技術(shù)理論的完善和應(yīng)用階段：在這一階段虛擬現(xiàn)實技術(shù)從研究型階段轉(zhuǎn)向為應(yīng)用型階段，廣泛運用到了科研、航空、醫(yī)學、軍事等人類

7、生活的各個領(lǐng)域中，如美軍開發(fā)的空軍任務(wù)支援系統(tǒng)和海軍特種作戰(zhàn)部隊計劃和演習系統(tǒng)，對虛擬的軍事演習也能達到真實軍事演習的效果，浙江大學開發(fā)的虛擬故宮虛擬建筑環(huán)境系統(tǒng)和CAD&CG3家重點實驗室開發(fā)出桌面虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)，北京航空航天大學開發(fā)的虛擬現(xiàn)實與可視化新技術(shù)研究室的虛擬環(huán)境系統(tǒng)。三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域VR已不僅僅被關(guān)注于計算機圖象領(lǐng)域，它已涉及更廣的領(lǐng)域，如電視會議、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分布計算技術(shù)，并向分布式虛擬現(xiàn)實發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已成為新產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的重要手段。其中，協(xié)同工作虛擬現(xiàn)實是VR技術(shù)新的研究和應(yīng)用的熱點，它引入了新的技術(shù)問題，包括人的因素和網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。如人

8、的因素，已需要考慮多個參與者在一個共享的空間中如何相互交互，虛擬空間中的虛擬對象在多名參與者的共同作用下的行為等。在VR環(huán)境下的進行協(xié)同設(shè)計，團隊成員可同步或異步地在虛擬環(huán)境中從事構(gòu)造和操作虛擬對象的活動，并可對虛擬對象進行評估、討論以及重新設(shè)計等活動。分布式虛擬環(huán)境可使地理位置上分布不同的設(shè)計人員面對相同的虛擬設(shè)計對象，通過在共享的虛擬環(huán)境中協(xié)同地使用聲音和視頻工具，可在設(shè)計的初期就能夠消除設(shè)計缺陷，減少產(chǎn)品上市時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量。止匕外，VR已成為構(gòu)造虛擬樣機，支持虛擬樣機技術(shù)的重要工具。VE-虛擬環(huán)境技術(shù)可使工程師在三維空間中實時地與他們的設(shè)計樣機（虛擬樣機）進行交互。（一）教育培訓中的

9、應(yīng)用首先，通過vr技術(shù)可以用來演示設(shè)備的工作過程。我們知道不管是機械設(shè)備，還是電子設(shè)備，或者是其他的很多設(shè)備，其工作的過程我們是無法看到的。如果借助于掛圖教學，必然是無法將其立體且連續(xù)的展現(xiàn)在我們眼前，但是，如果通過vr技術(shù)，則可以將設(shè)備的工作過程展現(xiàn)在我們眼前，使學生能夠更加直觀的看到設(shè)備的工作過程，從而明白工作原理，提升教學效果。其次，通過vr技術(shù)能夠?qū)⒐こ讨须y以展示的損壞現(xiàn)象展現(xiàn)出來。它主要應(yīng)用于施工工程教學，由于這些教學中會涉及到設(shè)計以及施工不當而造成的事故現(xiàn)象，但是這些現(xiàn)象要想在現(xiàn)實中模擬出來，肯定是不太可能的，而借助于vr技術(shù)，則可以把各種不同事故的原因，以及各種事故形象的展現(xiàn)給我

10、們。當然，在教育領(lǐng)域中，vr技術(shù)的也應(yīng)用還有很多，比如醫(yī)學教學，可以通過構(gòu)建虛擬人體，使學生能夠更清楚的知道人體的構(gòu)造和功能。總的來講，vr技術(shù)通過生動且逼真的將教學內(nèi)容展現(xiàn)在學生的面前，來促使學生更好地掌握知識，提升學生的積極性，最終提升教學效果。（二）在醫(yī)學中的應(yīng)用Vr技術(shù)在醫(yī)學中的應(yīng)用也是極富意義的。具體來講，通過對vr技術(shù)的應(yīng)用，能夠幫助我們在虛擬的環(huán)境當中，構(gòu)建虛擬的人體模型，并結(jié)合跟蹤球以及感覺手套等，又能夠幫助學生更好的了解和明白人體的結(jié)構(gòu)，這種方式顯然要比教科書來的有效。另外，借助于vr技術(shù)，能夠更好地為醫(yī)療手術(shù)訓練服務(wù)，比如可以通過CT以及MRI數(shù)據(jù)，在計算機中建立人體的模型

11、，或者專門建立某一個器官的模型，通過為其賦予物理特征，加之數(shù)據(jù)手套等高精度交互工具，便能夠為學生模擬一個手術(shù)過程，從而更深刻的幫助學生記憶。止匕外，vr技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用還能夠應(yīng)用于解剖教學以及復(fù)雜手術(shù)過程的規(guī)劃等等，還可以在手術(shù)中，給予操作上的輔助，并對手術(shù)的結(jié)果做出預(yù)測。（三）在建筑中的應(yīng)用和上面兩種應(yīng)用不同的是，在建筑處理上的應(yīng)用，主要可以分為兩個方面，第一，建筑物面很多的處理中；第二，建筑每一個面材質(zhì)比較復(fù)雜的處理中。具體來講：Vr技術(shù)在規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用，主要是通過構(gòu)建建筑動畫的方式，來把規(guī)劃的區(qū)域展示出來，從而可以站在各個角度上全方位的進行審視，并站在更高決策層進行完善。Vr技術(shù)在

12、建筑設(shè)計中的應(yīng)用，主要是通過構(gòu)建建筑動畫的方式，不但能夠?qū)ㄖ锏耐庥^進行觀察，從而判斷其有沒有滿足業(yè)主要求。而其還能夠判斷建筑和周圍環(huán)境的和諧與否，避免了建造完成之后才發(fā)現(xiàn)和所在區(qū)域原本風格不協(xié)調(diào)的問題。Vr技術(shù)在裝飾設(shè)計中的應(yīng)用，通過構(gòu)建建筑動畫的方式，設(shè)計師可以把設(shè)計的方案展現(xiàn)給客戶，客戶能夠從中觀察，從而發(fā)現(xiàn)問題提出要求，和設(shè)計師進行交流，表達他們的想法，更好地完善方案，從而更符合客戶要求。四、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的行業(yè)前景首先，硬件技術(shù)的局限。目前設(shè)備使用不便、效果不佳等問題仍然突出，硬件的處理速度遠不能滿足在虛擬世界中實時處理大量數(shù)據(jù)的需求。相關(guān)設(shè)備的價格也十分高昂，一個頭盔式顯示器加上主

13、機的成本動輒上萬元。其次，軟件可用性差。受硬件局限性的影響，虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)花費巨大且效果有限，相關(guān)的算法和理論也尚不成熟。在新型傳感機理、集合與物理建模方法、高速圖形圖像處理、人工智能等領(lǐng)域，都有很多問題亟待解決。三維建模技術(shù)也需進一步完善。第三，應(yīng)用領(lǐng)域有限。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要應(yīng)用于軍事和高校科研，在教育、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用還遠遠不足，未來應(yīng)努力在民用領(lǐng)域的不同行業(yè)發(fā)揮作用。第四，效果不夠理想。在虛擬現(xiàn)實的感知方面，有關(guān)視覺合成方面的研究較多，對聽覺、觸覺關(guān)注較少，真實性、實時性不足，基于嗅覺、味覺的設(shè)備還沒有實現(xiàn)商品化。止匕外，在交互效果方面，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與人的自然交互不足，在語音識別、人

14、工智能方面的效果尚不能令人滿意。五、虛擬現(xiàn)實中的關(guān)鍵技術(shù)虛擬現(xiàn)實是多種技術(shù)的綜合，包括實時三維計算機圖形技術(shù)，廣角（寬視野）立體顯示技術(shù)，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù)，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網(wǎng)絡(luò)傳輸、語音輸入輸出技術(shù)等。下面對這些技術(shù)分別加以說明。（一）實時三維計算機圖形相比較而言，利用計算機模型產(chǎn)生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準確的模型，又有足夠的時間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關(guān)鍵是實時。例如在飛行模擬系統(tǒng)中，圖像的刷新相當重要，同時對圖像質(zhì)量的要求也很高，再加上非常復(fù)雜的虛擬環(huán)境，問題就變得相當困難。（二）顯示人看周圍的世界時，由于兩只眼睛的

15、位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子里融合起來，就形成了一個關(guān)于周圍世界的整體景象，這個景象中包括了距離遠近的信息。當然，距離信息也可以通過其他方法獲得，例如眼睛焦距的遠近、物體大小的比較等。在VR系統(tǒng)中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統(tǒng)采用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數(shù)幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數(shù)幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產(chǎn)生了立體感。用戶（頭、眼）的跟蹤：在人造環(huán)境中，每個物體相對于系統(tǒng)的坐標系都有一個位置與姿態(tài)，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來確

16、定的。跟蹤頭部運動的虛擬現(xiàn)實頭套：在傳統(tǒng)的計算機圖形技術(shù)中，視場的改變是通過鼠標或鍵盤來實現(xiàn)的，用戶的視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)是分離的，而利用頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來，感覺更逼真。另一個優(yōu)點是，用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認識環(huán)境，而且可以通過頭部的運動去觀察環(huán)境。在用戶與計算機的交互中，鍵盤和鼠標是目前最常用的工具，但對于三維空間來說，它們都不太適合。在三維空間中因為有六個自由度，我們很難找出比較直觀的辦法把鼠標的平面運動映射成三維空間的任意運動。現(xiàn)在，已經(jīng)有一些設(shè)備可以提供六個自由度，如3Space數(shù)字化儀和SpaceBall空問球等。另外一

17、些性能比較優(yōu)異的設(shè)備是數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣。（三）聲音人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強度的差別來確定聲音的方向，因為聲音到達兩只耳朵的時間或距離有所不同。常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來實現(xiàn)的，所以會有一種方向感。現(xiàn)實生活里，當頭部轉(zhuǎn)動時，聽到的聲音的方向就會改變。但目前在VR系統(tǒng)中，聲音的方向與用戶頭部的運動無關(guān)。（四）感覺反饋在一個VR系統(tǒng)中，用戶可以看到一個虛擬的杯子。你可以設(shè)法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現(xiàn)實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內(nèi)層安裝一些可以振動的觸

18、點來模擬觸覺。（五）語音在VR系統(tǒng)中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環(huán)境能聽懂人的語言，并能與人實時交互。而讓計算機識別人的語音是相當困難的，因為語音信號和自然語言信號有其“多邊性”和復(fù)雜性。例如，連續(xù)語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，同一詞、同一字的發(fā)音受前后詞、字的影響，不僅不同人說同一詞會有所不同，就是同一人發(fā)音也會受到心理、生理和環(huán)境的影響而有所不同。使用人的自然語言作為計算機輸入目前有兩個問題，首先是效率問題，為便于計算機理解，輸入的語音可能會相當啰嗦。其次是正確性問題，計算機理解語音的方法是對比匹配，而沒有人的智能。六、虛擬現(xiàn)實市場規(guī)模分析及前景預(yù)測據(jù)數(shù)據(jù)分析機構(gòu)SuperDataResearch的一份報告顯示，至2016年末,VR產(chǎn)品用戶數(shù)將達到3.89千萬，同時VR市場規(guī)模有望達到51億美元。該分析預(yù)計,2016年歐洲將成為VR產(chǎn)品的第一市場，規(guī)模將達到19億美元，北美地區(qū)的市場規(guī)模為15億美元，緊接著的是亞洲市場，將達到