第21卷　第1期计　算　机　仿　真2004年1月 文章编号:1006-9348(2004)01-0018-04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:A1　引言虚拟现实(Virtual reality,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。

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Morton Heilig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Ivan Sutherlan发表了“终极显示”(The Ultimate Display)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(Force Feedback)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H MD(Head-Mounted Display)。

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。

1989年,美国Jaron Lanier正式提出“Virtual Reality(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, NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.M cGreevy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(Defense Ad-vanced Research Project Agency)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。

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限制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。

各专家学者为了不限制其发展,并没有给出一个统一的定义。

笔者综合各种信收稿日期:2002-12-11图1　虚拟现实技术的研究内容以及分支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。

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)。

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。

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图2　城市规划与布局现代城市规划中,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。