虚拟现实跟相关技术田景成.doc

虚拟现实及相关技术 作者：田景成 摘要: 虚拟现实(Virtual Reality)是一种可以创建和体验虚拟世界(Virtual World)的计算机系统。虚拟现实是多种技术的综合，其关键技术和研究内容包括以下几个方面，环境建模技术、触觉反馈、交互技术和系统集成技术。 1 虚拟现实技术与虚拟现实系统 　　虚拟现实(Virtual Reality)是一种可以创建和体验虚拟世界(Virtual World)的计算机系统。它的基本特征： 　　· 沉浸感(Iimmersion)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户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，如实现比现实更逼真的照明和音响效果等。 　　· 交互性(Iinteraction)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，用户可以用手直接抓取虚拟环境中的物体，这时手有触摸感，并可以感觉物体的重量，场景中被抓的物体也立刻随着手的移动而移动。 　　· 想象力(Imagination )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，形成新的概念。 　　虚拟现实是一门直接来自于应用的涉及众多学科的新的实用技术，是集先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术等为一体的综合集成技术。在计算机技术中，虚拟现实技术的发展又特别依赖于人工智能、图形学、网络、面向对象、Client/Server、人机交互和高性能计算机技术。 　　虚拟现实是多种技术的综合，其关键技术和研究内容包括以下几个方面： 　　· 环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，环境建模的目的是获取实际三维环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。 　　· 立体声合成和立体显示技术。在虚拟现实系统中，如何消除声音的方向与用户头部运动的相关性已成为声学专家们研究的热点。同时，虽然三维图形生成和立体图形生成技术已经较为成熟，但复杂场景的实时显示一直是计算机图形学的重要研究内容。 　　· 触觉反馈。在虚拟现实系统中，产生深临其境效果的关键因素之一是让用户能够直接操作虚拟物体并感觉到虚拟物体的反作用力。然而研究力学反馈装置是相当困难的，如何解决现有高精度装置的高成本和大重量是一个需要进一步研究的问题。 　　· 交互技术。虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式，三维交互技术已经成为计算机图形学中的一个重要研究课题。此外，语音识别与语音输入技术也是虚拟现实系统的一种重要人机交互手段。 　　· 系统集成技术。由于虚拟现系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统的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、识别和合成技术等等。 2 环境建模技术 　　现在地环境建模方法主要有以下几种： 　　· Euclidean-geometry方法 　　· Fractal-geometry方法 　　· Physically Based Modeling 　　· Image Based Rendering 　　· 混合建模技术：Image Based Rendering和Image Based Rendering，是未来虚拟环境建模的发展方向。 　　基于图象的建模技术和混合建模技术的步骤和需要考虑的问题。 　　有效地获取模型数据。虚拟化现实(Virtualized Reallity)的基本原理是采用摄像或扫描的手段而不是传统的建模手段来创建虚拟环境中的事件和对象。如果说传统的几何建模技术是一个虚物实化的过程，那么虚拟化现实就是将现实世界中的事件和对象转换成虚拟世界里的事件和对象，是一个实物虚化的过程。综合运用虚物实化和实物虚化，就可以使虚拟环境中既有计算机创造出来的虚拟实体，又有真实世界中的景物。 　　为获取虚拟化所需要的数据，一般采用从多个不同角度拍摄的摄像机来记录对象。通过从不同拍录角度获取场景描述，可以得到场景的图象；通过多基线立体化方法MBS (Multi-basedline Stereo)（MBS的基本原理是，若用两架具有同样焦距、所处位置不同的照相机拍摄同一物体，则物体上同一点在两幅画面中的差距与两架照相机之间的距离有相关性）进行计算深度信息。深度信息和图象的结合一般称为场景描述(Sence Description)。利用多个场景描述就可以从任意视角合成场景。一旦现实世界被虚拟化，就可以用图形技术(主要是基于图象的绘制技术)从任意角度来绘制一个对象。通过跟踪观察者的位置和方向可以动态选择出最接近观察者的拍录角度的场景描述。穿带着特殊设备的观察者可以在虚拟化世界中自由移动，并在观