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计算机图形学在虚拟现实方面的应用与研究

虚拟现实(virtualreality,VR)是一项崛起于二十世纪八十年代末九十年代

初的高新技术、实用技术。它是利用计算机软硬件以及各种传感器构成三维信息的

人工环境——虚拟环境,从而真实地模拟现实世界中可以实现的甚至是不可实现的

物理上的、功能上的事物和环境。

作为一项综合技术,虚拟现实技术主要涉及到计算机技术、传感器技术和人工

智能等领域。如前所述,虚拟现实的主要目的在于提供虚拟环境,并在虚拟环境中实

现用户和环境的互动,从这个角度上说,虚拟现实主要有三个方面的含义:首先借助

虚拟现实技术生成虚拟实体,虚拟实体主要是针对用户的生理感觉(视、听、触、嗅

等)而言;其次,用户可以通过人的生理的自然技能同这个环境交互,人的生理的自然

技能主要是头部、眼球的转动,身体四肢、躯干的运动等人体力学运动;最后虚拟现

实技术主要利用传感器完成人和虚拟环境的交互。

我们可以说,虚拟现实的基础是对环境的虚拟,而对环境的虚拟又主要基于计

算机图形学运用。近年来计算机图形学的发展对虚拟现实技术极大的推动作用,也

说明了计算机图形学在虚拟现实技术领域中的主要领导地位。

它主要具备四个重要特征:

一、多感知性:即虚拟现实能多维感知,不仅包括视觉,还包括听觉、触觉和嗅

觉等;

二、存在感:即临场感,指用户感到存在于虚拟环境中的真实度;

三、交互性:指用户和环境的双向交流;

四、自主性:指虚拟环境中物体根据物理定律运动的程度。

虚拟现实的技术因素主要包括图形图像的处理、语音处理与音响、模式识

别、人工智能、智能借口、传感器、实时分布系统和数据库技术等。典型的虚拟现

实系统的基本组成主要包括:一、效果产生器:完成人与虚拟环境交互的硬件接口装

置;二、实景仿真器:系统的核心部分,由计算机软件系统、软件开发工具等组成;

三、应用系统:面向具体问题的软件部分,描述仿真的具体内容;四、几何构造系统:

提供描述仿真对象的物理特性的信息。

在这几个基本组成中,计算机图形学理论作为基础理论无疑都发挥着巨大的作

用。

在虚拟现实系统中,为了使人和计算机能够融洽的交互,让人沉浸到虚拟环境

中去,必须配备相应的硬件设备。

首先是跟踪系统,它的主要任务是实时检测出虚拟现实系统中的人体各部位的

空间坐标和指向,并将这些数据反馈给控制系统,生产随视线变化的图像。跟踪系统

主要包括:电磁跟踪系统、声学跟踪系统和光学跟踪系统。

其次是触觉系统,在用户与虚拟环境产生接触的环节,触觉系统产生沉浸效果,

使用户可以感觉到虚拟物体的反作用力。

第三是音频系统,由语音与音响合成设备、识别设备和声源定位设备构成,通

过听觉通道提供的辅助信息可以加强拥护对环境的感知。

再有就是图像生成和显示系统,它的主要作用是:计算生成真实感的图形;计算

生成或取得有真实感的背景图像;将图形和背景统一安排在同一坐标系中。图像生

成和显示系统是虚拟环境系统的重要组成部分,也凸显出计算机图形学在虚拟现实

技术中的重要地位。

最后就是可视化显示设备,它集上述四种技术于一体,并结合了人类感知的生

理特点。

从虚拟现实系统的组成可以看出,虚拟现实系统在本质上也是一类仿真系统,

是一种与计算机图形学的理论与技术密切相关的仿真系统。一般意义上的仿真是指

通过对给定模型进行计算,最后给出一系列的数据,这就是数字仿真;通过计算机图

形学的理论和技术,为数字仿真过程及结果增加图形、图像和动画表现,使得仿真过

程更加直观,结果更容易理解,并能验证仿真过程是否正确,这便是可视化仿真。

虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统,虚拟世界是全体虚拟

环境或给定仿真对象的全体,而对对象的仿真主要是视觉上的刻画,这就给计算机图

形学提供了广阔的应用平台。建立在计算机图形学理论和技术之上并通过其他途径

完善的虚拟现实系统,与一般交互式仿真系统相比,具有更高的真实性和多维性。

由于计算机图形学理论的发展和进步,使得虚拟现实系统对对象的刻画更为深

刻,从而推动了虚拟现实技术在教育、医疗、娱乐、科技、工业制造、建筑和商业

等领域中的广泛应用。

近年来在城市规划,室内设计、文物保护、交通模拟、虚拟现实游戏、工业设

计、远程教育等方面都取得了巨大的发展。

1、城市规划

在城市规划中经常会用到VR技术,用VR技术不仅能十分直观的表现虚拟