虚拟现实技术的探析和应用的详解

    虚拟现实(Virtual Reality),简称VR或称灵境技术,实际上是一种可创建和体验虚拟世界(Virtual World)的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成,可以是现实世界的再现,亦可以是构想中的世界,用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界,并通过头盔显示器(HMD)、数据手套等辅助传感设备,提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面,使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化,产生沉浸感。VR技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。它同时具有沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和构想性(imagination),使人们能沉浸其中,超越其上,出入自然,形成具有交互效能多维化的信息环境。

      沉浸性是指用户对虚拟世界中的真实感,此种真实感将使用户难以觉察、分辨出其自身正处于一个由计算机生成的虚拟环境中;交互性是指用户对虚拟世界中的物体的可操作性;构想性是指用户在虚拟世界的多维信息空间中,依靠自身的感知和认知能力可全方位地获取知识,发挥主观能动性,寻求对问题的完美解决。研究和开发VR技术的根本目的旨在扩展人类的认知与感知能力,建立和谐的人机环境。

      VR技术是系统仿真中新兴技术之一,它实际上是一种采用计算机技术制作仿真的假想世界的技术,采用计算机产生一个被仿真世界的动态、三维视觉环境,使操作者产生一种身临其境的感觉。采用此项新技术,参与者使用硬件,如键盘、数据手套、三维鼠标器、跟踪球、操纵杆、空间球、眼球跟踪装置、超声波头部跟踪器、头盔显示器、摄录像设备、大屏幕彩色投影机、立体护目镜、音响、耳机、语音识别与合成装置、工作站及数据服等以获得所需的感知,来体验计算机世界境况。

    一、VR系统的构成

      VR环境系统包括建模、控制和媒体数据源三大部分。建模系指利用物理的或数学的方法,对需要仿真的实际系统进行描述获得近似的数学模型。这是进行数字仿真或半实物仿真必不可少的步骤。地物的几何建模技术是虚拟地景仿真中最为重要的研究领域之一。虚拟地形环境(Virtual Terrain Environment)是应用VR技术在数字地图的基础上建立起来的,逼真地描述地球表面及其现象的实时、交互的地形场景。虚拟地形环境的研究,提供了一种新的空间环境认知手段,必将促进地图学、地理学等相关信息科学理论的发展与深入;它是未来数字化战场测绘的保障方式;它的研究将会促进VR技术进一步的研究与发展,提高VR技术的应用水平,为诸如数字化城市、数字化社会及数字化地球的实用化提供有效的技术积累。

      基于图像的建模(Image-Based Modeling,IBM)技术近来发展迅速,它采用一组采样图像来建立VR环境的模型,而不是使用传统基于几何建模所采用的几何图元,从而使VR技术能在个人计算机(PC)上得到应用与推广。其技术包括:场景的采样;VR环境的表示;由场景的采样转化为VR环境表示的建模技术。VR系统是一种由计算机局部或全部生成的多维虚拟感觉环境,给参与者产生各种感官信息,如视觉、听觉、手感、触感、味觉及嗅觉等,能体验、接受并认识客观世界中的客观事物。三维立体显示是其一项必不可少的关键设备,它是系统向用户输出反馈信息的主要手段。双眼视觉对产生VR系统环境至关重要。VR系统可由如下各部分构成:

    ①高性能计算机系统、计算机图像的特征采样与图形交互作用技术。

    ②虚拟环境生成器,军事训练模拟中的视景生成技术是当前研究的一个重要内容。智能虚拟环境(IVE)是VR、人工智能及人工生命技术的有机结合,目前,有关IVE的研究工作在国外亦刚刚起步,有众多关键技术仍需作进一步的研究。现从事IVE研究的人员大多来自人工智能和知识工程领域,随着对IVE技术研究的深入,该领域必将会得到重大的突破,具有高度行为真实感的、支持多个参与者的、具有生命特征的智能虚拟世界将会日趋涌现。当前VR研究中的一个热门课题是分布式虚拟环境(DVE)。

    ③计算机网络。

    ④三维视景图像生成及立体显示系统,基于图像的视景生成技术需解决的问题是显示的模型及如何在模型上产生出图像。这主要有柱面模型和球面模型两种,战场环境仿真是作战仿真的重要内容,逼真的战场环境实时仿真是作战仿真之基础,因此充分利用VR及计算机图形学最新研究成果的战场可视化系统便应运而生。

    ⑤立体音响生成与扬声系统,它是虚拟环境多维信息中的一个重要组成部分。听觉是仅次于视觉的感知途径,它向用户提供的辅助信息,可增强视觉的感知,弥补视觉效果之不足,增强环境的逼真性。利用不同声源到达某一特定位置的时间差、相位差及声压差等进行虚拟环境的声音跟踪是实物虚化的重要组成部分;声波传播时间测定法和相位相干测定法属于实现声音定位跟踪的两种基本方法。若给综合战场环境中加入虚拟声音,将会增强综合战场环境的逼真性与完整性,可给作战指挥员提供强烈的沉浸感和临场感,减弱大脑对视觉的依赖性,并能获得更多的信息。

    ⑥力反馈触觉系统,参与者在虚拟环境中产生沉浸感的重要因素之一是用户在用手或身体操纵虚拟物体时,能感受到虚拟物体与虚拟物体之间的作用力与反作用力,从而产生出触觉和力觉的感知。

    ⑦人体的姿势、头、眼、手位置的跟踪测量系统,运动跟踪作为人与虚拟环境之间信息交互的一个重要因素,是近年来VR技术发展的一个重要领域。人体行为交互是人际之间除语音外的一种重要交互方法,行为表现模型的建立是一个技术关键。信息社会的显著特点与基础是数字化技术,人类自身的数字化便显得颇为重要,需进行深入的研究,这便是虚拟人合成的研究目的及其意义所在,最终使得计算机与人之间可实现自然化的交互。

    ⑧人机接口界面及多维的通信方式,这些技术目前主要集中反映在头盔显示器和数据手套这两类交互设备中。

    ⑨各种数据库(地形地貌、地理信息、图像纹理、气动数据、武器性能参数、导航数据、气象数据、背景干扰及通用模型等)。

    ⑩软件支撑环境,需建立并开发出虚拟世界数据库;在底层支撑软件及三维造型软件的支撑下,建立起VR系统的开发工具软件;在输入输出传感器等硬件支撑下,建立起人机交互图形的界面。

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