展望虚拟现实技术_苏建明

文章编号:1006-9348(2004)01-0018-04

计　算　机　仿　真

2004年1月　　

展望虚拟现实技术

苏建明,张续红,胡庆夕

(上海大学CIMS及机器人中心,上海200072)

摘要:虚拟现实技术是多功能的交互技术,该文介绍了虚拟现实技术及其发展过程、概念特征、研究内容以及应用的主要领域,并且结合虚拟现实技术的应用展望了虚拟现实技术的发展前景。关键词:虚拟现实技术;分布式虚拟环境;交互技术;心理学中图分类号:TP391.9　　文献标识码:A

1　引言

虚拟现实(Virtualreality,VR)是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术综合发展起来的计算机领域的最新技术,也是力学、数学、光学、机构运动学等各种学科的综合应用。目前,所涉及的研究应用领域包括:军事、医学、心理学、教育、科研、商业、影视、娱乐、制造业、工程训练等。虚拟现实已经被人们公认为是21世纪重要发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。

形奠定了理论基础。

80年代计算机的性能和速度大大提高,研究人员已经能够在计算机上生成逼真的图像,并陆续研制出了比较实用的三维头盔显示器,以及能够提供六个自由度的数据手套、立体音箱等设备。19年,美国JaronLanier正式提出“VirtualReality(虚拟现实)”一词。

80年代,美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究,并取得了令人瞩目的研究成果,从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年,NASAAmes研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器,将火星探测器发回的数据输入计算机,为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站(VIEW)项目中,他们又开发了通用多传感个人仿真器和遥感设备。同时期,美国的DARPA(DefenseAd-vancedResearchProjectAgency)开发了虚拟战场,将200多个坦克训练器互联成为网络,用于复杂训练和作战演习。这是世界上最为庞大的虚拟现实系统。

90年代为虚拟现实全面发展阶段,出现了一些优秀的软件开发平台,虚拟现实技术的硬件设备性能也大大提高和改善。并且虚拟现实技术已经成功应用于各种领域,波音公司成功地应用虚拟现实技术设计出波音777。

近10年,虚拟现实技术的研究在我国已经得到了相当的重视,国家科委、国防科工委都已经将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目,国内许多研究机构和高校都在进行VR的研究和应用,例如清华大学、浙江大学、北京航空航天大学、上海大学、中科院计算所等,并且都已经取得了初步成果,研究也在进一步深入之中。

2　虚拟现实技术的发展历程

虚拟现实技术并不是近几年才突然出现的。第一个具有虚拟现实思想的装置是由MortonHeilig在1962年研制成功的称为Sensorama,具有多种感官刺激的立体电影设备。该设备具有立体声功能,能够产生不同的气味。它向用户展示了一次曼哈顿的想象之旅。座椅可以根据情节而摇摆和振动,随着观众在车流中改变速度时,甚至风速也会跟着变化,也可以闻到路边花香。实际上Heilig已经制造了一种被动式的“虚拟现实”体验。

1965年计算机图形学的奠基者IvanSutherlan发表了“终极显示”(TheUltimateDisplay)的论文,提出了一种全新的图形显示技术。他在论文中指出:“计算机屏幕犹如一个窗口,但是通过这个窗口,我们就可以看到一个虚拟世界。我们面临的问题是如何使这个世界看起来真实、听起来真实、摸起来真实!”

1967年,美国北卡罗来纳大学开始了Group计划,探讨力反馈(ForceFeedback)装置,该装置可以将物理压力通过用户接口引向用户,可以使人感到一种计算机仿真力。

1968年Sutherlan组织设计了第一台HMD(Head-MountedDisplay)。

70年代,计算机图形学以及相关技术的飞速发展,给以后计算机仿真系统提供了高质量、实时、交互作用的三维图

收稿日期:2002-12-11

3　虚拟现实技术的概念及特征

虚拟现实(VR)技术发展至今,也只能说处于起步阶段。同时由于软硬件环境的和研究应用方向的不同,人们对虚拟现实技术的理解方面也有所偏差。各专家学者为了不其发展,并没有给出一个统一的定义。笔者综合各种信

—18—息以及自己的经验和认识认为:虚拟现实技术是一种综合应用各种技术制造逼真的人工模拟环境,并能有效地模拟人在自然环境中的各种感知系统行为的高级的人机交互技术。虚拟环境通常是由计算机生成并控制的,使用户身临其境地感知虚拟环境中的物体,通过虚拟现实的三维设备与物体接触,从而真正地实现人机交互。可以说人处在虚拟环境之中跟现实环境是没有差别的。

实际上Sutherland已经给出了我们今天称之为虚拟现实的概念的基本特征。总结起来大概包括以下几点:

1)沉浸感(Immersion):计算机生成的虚拟世界给人一种身临其境的感觉。

2)交互性(Interaction):人能够以很自然的方式跟虚拟世界中的对象进行交互操作或者交流,着重强调使用手势、体势等身体动作(主要是通过头盔、数据手套、数据衣等来采集信号)和自然语言等自然方式的交流。

3)构想(Imagination):虚拟环境可使用户沉浸其中并且获取新的知识,提高感性和理性认识,从而使用户深化概念和萌发新意。因而可以说,虚拟现实可以启发人的创造性思维。

技术本身又依赖于与之相关的软硬件技术的研究与发展,例如人机交互技术、计算机图形图像技术、立体现实技术等都为虚拟现实技术本身的主要研究内容;虚拟现实技术的应用主要包括现实世界的仿真研究、人类认知的研究以及可视化研究等。图1为虚拟现实研究体系分支和研究范围,每个分支之间并非孤立的,而是跟其他分支或体系相关联的(每个研究分支还可以再继续细分)。

图1　虚拟现实技术的研究内容以及分支

5　虚拟现实技术的应用与展望

虚拟现实技术的应用非常广泛,它可用于产品建模与仿真、科学可视化、设计与规划、教育训练、医学、心理学治疗、艺术与娱乐等多方面。5.1　医学领域

虚拟现实技术在医学领域可以用于教学以及复杂手术的规划。并且可以提供操作和对手术结果的预测。在虚拟环境下不伤害任何动物和人的进行外科医生手术技能。发展远程医疗也是一项很有潜力的应用领域。机器人技术的发展可以让医生通过遥控手段实施远程手术。虚拟现实可以用于复杂手术过程的规划,进行人体解剖仿真,外科手术仿真器等;此外,远程医疗服务也是一个很有潜力的应用领域。例如:(1)虚拟人体早在1985年,美国国立医学图书馆(NLM)就开始人体解剖图像数字化研究,并利用虚拟人体开展虚拟解剖学、虚拟放射学及虚拟内窥镜学等学科的计算机辅助教学,目前已经有虚拟人体模型可供下载。(2)遥控外科手术在偏远山区,通过远程医疗虚拟现实系统,医生只需对虚拟病人模型进行手术,并通过高速宽带网络将医生动作传送到网络另一端的手术机器人,由机器人对危急病人实施远程手术。手术实际进展的图像也可通过机器人摄像机实时传给医生的头盔立体显示器,并将其与虚拟病人叠加,以便医生实时掌握手术情况并发出手术指令。5.2　科学可视化

科学可视化技术是帮助我们理解科学试验数据的一个有效手段。现实世界中存在很多不可见的物质,如电磁场,紫外线,红外线等。利用虚拟现实技术很容易将他们可视,并且生动地展现在我们面前。

4　虚拟现实的相关技术及研究内容

4.1　相关技术

虚拟现实技术是诸多技术的一种高度集成,如计算机软硬件、传感器技术、立体显示技术等技术。归纳起来主要有以下三个方面:

1)实时的三维图形图像生成技术。实时的三维图形图像生成技术的目的就是获取实际环境中的三维数据,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。它是应用计算机技术生成虚拟世界的基础,他将真实世界的对象物体在相应的三维虚拟世界中的重构,并根据系统的需要保存部分物理属性。

2)多功能的交互技术。多功能的交互技术就是让用户能从虚拟环境中获取和真实环境一样或者相似的听觉、感觉、触觉和力觉等感官认知的关键技术,包括传感器技术、识别定位技术、语音综合识别装置、视觉跟踪技术、感知建模、文字识别以及数据手套、数据衣等设备的研究。

3)高分辨率的显示设备。一般认为人类从外界所获得信息中近80%以上是通过眼镜得到的,因而在虚拟环境中要求硬件能够提供尽可能高的显示分辨率。4.2　主要研究内容

虚拟现实技术的研究内容大体上可分为虚拟现实技术本身的研究和虚拟现实技术应用的研究两大类。虚拟现实

—19—5.3　军事领域

虚拟现实技术在军事领域上有着广泛的应用和特殊的价值。如虚拟战争中作战指挥模拟,新式武器的研究、开发以及使用,军事技术培训等都可以使用虚拟现实技术。基于虚拟现实的军事训练技术已经相当成熟。而且虚拟现实的优势就是费用很低,以及不会对环境造成其他危害。5.4　城市规划与建筑领域

人类和信息处理系统间的隔阂。我们将期待有朝一日,虚拟现实成为人类认识世界、思维和创造的助手;虚拟现实也将成为人们对已有概念进行深化和获取知识的有力工具。

对感觉、知觉、记忆、思维、想象等认识事物的过程中的心理现象一直是心理学研究的重要课题。过去根本没有办法对它们进行研究或者需要设计很复杂的实验过程。利用虚拟现实技术制造的视觉、听觉系统可以很好地进行心理学研究。同时虚拟现实技术的发展需要心理学的参与并且可以对其建立一些客观的评判标准。

虚拟现实技术在心理学领域中的研究(即人类感知特征)通常包括视觉感知心理与生理、听觉感知心理与生理、记忆与认知心理等内容。虚拟环境下的心理学方面的研究与

图2　城市规划与布局

应用是虚拟现实未来发展的一个闪光点。5.6　分布式虚拟现实技术研究展望

近几十年来,通信技术、计算机的同步发展和相互促进成为世界上信息技术与产业飞速发展的主要特征。特别是网络技术的迅速崛起与普及,使得信息应用系统在深度和广度上发生了质的变化,分布式虚拟现实系统(DVR)的产生则是一个比较典型的实例。分布式虚拟现实也称分布式虚拟环境(DVE)。

网络虚拟现实或者网络虚拟环境,是指多个用户在一个基于网络的计算机集合中,利用新型的人机交互设备介入计算机产生的、适用于用户(即适人化)应用的、相关的虚拟情景环境。分布式虚拟环境系统除了满足复杂虚拟环境计算的需求外,还应满足分布式仿真与协同工作等应用对共享虚拟环境的自然需求。DVE系统必须支持系统中多个用户、信息对象(实体)之间通过消息传递实现的交互。分布式虚拟现实可以看作是基于网络的虚拟现实系统,是可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境,处于不同地理位置的用户如同进入到同一个真实环境中,通过姿势、声音或文字等“在一起”进行交流、学习、训练、娱乐,甚至协同完成同一件复杂产品的设计或进行同一任务的演练。

分布式虚拟现实技术是今后虚拟现实技术发展的重要方向。未来的虚拟现实系统主要是基于分布式系统的。随着众多DVE开发工具及其系统的出现,DVE本身的应用也渗透到各行各业,包括医疗、工程、训练与教学以及协同设计。Arai等人利用多媒体通信建立了一个应用于神经外科的DVE系统,进行外科手术的辅助规划和分析。Maxield等人实现了面向并行工程的DVE系统,支持建模、装配以及计算机辅助工程分析。美国西南路易斯安娜大学开发了用于远程机器人控制的DVE系统。仿真训练和教学训练是DVE的又一个重要的应用领域,包括虚拟战场、辅助教学等。另外,研究人员还用DVE系统来支持协同设计工作。近年来,随着Internet应用的普及,一些面向Internet的DVE应用使得位于世界各地得多个用户可以进行协同工作。

现代城市规划中,城市建筑的整体效果越来越多地被设计人员考虑。某个建筑设计的好坏已经不在从建筑本身的去评判,需要综合考虑建筑在整个建筑群中的位置、高度、色调,以及城市绿地等一些可供休闲的场所。利用虚拟现实进行建筑规划设计,在建筑设计阶段就能以可视的、动态的方式全方位展示建筑物所处的地理环境、建筑物外貌和各种附属设施,可以让设计人员在虚拟建筑物内漫游,获得第一手材料,来验证自己设计的建筑物是不是合适。利用虚拟现实,虚拟出建筑物,让设计人员到室内考查,这就方便多了。因而虚拟现实是建筑规划方案设计、装修效果展示、方案投标、方案论证及方案评审的有力工具,在建筑设计业、虚拟城市、房地产业和建筑装修业等领域有着日益广泛的应用前景。

城市规划对于展示城市规划、宣传城市建设、提升城市形象、帮助有关人员作出决策,有着巨大的促进作用。5.5　心理学领域中的应用及展望

虚拟现实技术可以制造出一些特殊的刺激环境,可以通过一些视觉和听觉的刺激来验证人们的感知理论,达到治疗某些心理疾病的目的。诺丁汉大学社交研究小组及精神病学研究对用虚拟现实系统治疗不同的恐惧症进行了研究。早期研究试验是用虚拟现实系统治疗蜘蛛恐惧症患者。让患者戴上头盔,显示一个足以引起恐惧的虚拟蜘蛛,每次看到蜘蛛后,其真实感逐渐增加,直到达到一定忍受并能应付真蜘蛛。美国加州Kaiser-Permanente医疗小组开发了一套将虚拟现实技术应用于恐高症治疗的试验系统,并且使得90%的参加者达到了治疗目标。当然虚拟现实技术可以应用于许多心理疾病的治疗。

目前虚拟现实所取得成就,绝大多数都是一些简单的人机交互,仅仅是刚刚开始涉及到人感知系统与计算机进行结合的问题,还根本没有涉及到人类对世界的认知机理的研究。对人类的认知理论研究将是虚拟现实未来研究的重要发展方向。研究人类的认知机理将会解决和克服

—20—5.7　虚拟现实技术在机械制造领域中的展望

现代的制造技术在传统的制造技术的基础上,不断吸收现代科学技术,特别是计算机技术和信息技术,综合应用于制造全过程,实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产,最终取得理想的技术经济效果。虚拟现实技术在机械制造业有广泛的发展前景,其直观性与交互性弥补了传统设计分析工具的不足,可以帮助设计师和工艺师进行产品设计和制造,包括虚拟概念设计、虚拟布局、虚拟装配、产品原型快速生成、虚拟制造等领域。尽管虚拟制造的出现只有短短的几年时间,但它对制造业的性的影响却很快地显现了出来。由于虚拟制造系统基本上不消耗资源和能量,也不生产实际产品,而是产品的设计、开发与加工过程在计算机上的本质实现,即完成产品的数字化加工过程,很好地解决了TQCS难题,因此虚拟现实技术不仅在科技界,而且在企业界引起了广泛关注,成为制造业研究的热点之一。

虚拟制造是虚拟现实技术应用最重要的领域。波音公司开发的虚拟现实系统可将虚拟环境叠加于真实环境之上,如把虚拟的模板显示在正加工的工件上,工人根据此模板控制待加工尺寸,简化了加工过程,使波音777客机一次装配成功。美国福特汽车公司科隆研究中心设计部经理罗勃认为,采用虚拟设计技术,可使整个设计流程时间减少2/3。

虚拟原型、生产过程的可视化、工厂车间控制管理建模以及培训等也是VR技术在制造中非常重要的发展方向。可以说,在制造领域,虚拟现实技术已经显示出了具有重要意义的应用前景。

6　结束语

虚拟现实技术是本世纪发展的重要技术之一,未来虚拟现实技术将会是一门走向成熟的科学和艺术,是一种全新的信息处理方式。它将会在各行各业中得到应用,并且发挥神奇的作用。二十一世纪将是虚拟现实技术的时代。参考文献:

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[作者简介]

1975.9-),男(回族),甘肃人,硕士研究生,苏建明(

主要从事虚拟现实技术,虚拟加工等方面的研究;

张续红(1978.3-),女(汉族),山东人,硕士研究生,

主要从事虚拟现实技术,虚拟装配等方面的研究;

胡庆夕(1959.9-),男(汉族),安徽人,博士(后),

副教授,主要从事并行工程,虚拟现实技术,快速制造等方面的研究。

TheProspectofVirtualReality

SUJian-ming,ZHANGXu-hong,HUQing-xi

(CIMS&RobotCenter,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)

ABSTRACT:Thispaperdiscussesthedevelopmentofvirtualrealitytechnology,primaryfeature,researchandapplication。Intheend,itprospectstheapplicationofVR.

KEYWORDS:VirtualReality;DVE;Interactivetechnology;Psychology

(上接第6页)

ABSTRACT:Digitalhumanisanewscientificandtechnologiccross-subjectfield.Itusescomputertechnologytosimulatemorphologyandphysiologicfunctionsofhumanbody.Theresearchofdigitalhumanisdividedinto3levels:micro-viewincludingmolecule,gene,andcell,middle-viewincludingtissueandorgans,macro-viewincludingwholebody.TheresearchbeganfromVisibleHumanProjectofNLMpre-sentedin19andimplementedin1991.AmericaScientistFederation(FAS)presentedDigitalHumanProjectwhichwassupportedbyNLM.Houserequiresthatagenciesshouldsupportresearchesinnameofdigitalhumanconcept.Digitalhumanresearchgot863'ssupportin2001.Sofartheprojectteamcompleted2experimentaldatasetsofwholebody'sserialsectionsusingcryomacrotomytechnology.In2002professorDeLice,presenterofHumanGenomeProject,sponsoredglobal-widevirtualhumanproject.Newconjunctionpointsbetweengenomeanddig-italhumanresearchesarefound.Genomewillbecomealowestlevelinfuture.Thepaperreviewsnewestadvancesandresultsofdigitalhumanresearches.

KEYWORDS:Digitalhuman;Morphologyofhumanbody;Physiologicfunctions;Computersimulation

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