沈阳工业大学软件学院虚拟现实技术的发展与应用学生姓名：汤常珩学号：141201206专业班级：1402指导教师：马广焜二零一六年九月二十一日虚拟现实技术的发展与应用摘要虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统它利用计算机生成一种模拟环境是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。
虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。
模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。
关键词：虚拟现实；模拟；仿真技术目录第一章引言 (4)第二章发展历史 (4)第三章关键技术 (4)3.1显示 (5)3.2 声音 (5)3.3 语音 (5)第四章应用 (6)4.1 医学 (6)4.2 军事 (7)4.3 游戏 (7)第五章结论 (8)参考文献 (8)第一章引言虚拟现实（Virtual Reality，VR）是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。
虚拟现实是人类在探索自然、认识自然过程中创造产生，逐步形成的一种用于认识自然、模拟自然，进而更好地适应和利用自然的科学方法和科学技术。
随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行业对VR技术的需求日益旺盛，人们对VR技术的研究日益重视，VR技术也取得了巨大进展，并逐步成为一个新的科学技术领域。
第二章发展历史1956年，Heileg M. 开发了一个摩托车仿真器Sensorama，具有三维显示及立体声效果，并能产生振动感觉。
他在1962年的“Sensorama Simulator”专利已具有一定的VR技术的思想。
计算技术和计算机的小型化的发展，推动了仿真技术的发展，逐步形成了计算机仿真科学技术学科。
1965年，计算机图形学的重要奠基人Sutherland博士发表了一篇短文“The ultimate display“，以其敏锐的洞察力和丰富的想象力描绘了一种新的显示技术。
他设想在这种显示技术支持下，观察者可以直接沉浸在计算机控制的虚拟环境之中，就如同日常生活在真实世界一样。
同时，观察者还能以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互，如触摸感知和控制虚拟对象等。
Sutherland的文章从计算机显示和人机交互的角度提出了模拟现实世界的思想，推动了计算机图形图像技术的发展，并启发了头盔显示器、数据手套等新型人机交互设备的研究。
1966年，Sutherland I. E. 等开始研制头盔式显示器，随后又将模拟力和触觉的反馈装置加入到系统中。
1973年，Krueger M. 提出了“Artificial Reality”一词，这是早期出现的VR词语。
由于受计算机技术本身发展的限制，总体上说20世纪六七十年代这一方向的技术发展不是很快，处于思想、概念和技术的酝酿形成阶段。
20世纪90年代以后，随着计算机技术与高性能计算、人机交互技术与设备、计算机网络与通信等科学技术领域的突破和高速发展，以及军事演练、航空航天、复杂设备研制等重要应用领域的巨大需求，VR技术进入了快速发展时期。
[1]第三章关键技术3.1显示虚拟现实技术是多种技术的结合体，其中包括了计算机三维技术，立体显示技术，语音输入输出技术，对观察者头、手、眼的跟踪技术，以及触觉/力觉的反馈等技术。
人们在看周围的世界的时候双眼是至关重要的，两只眼睛的位置不同得到的图像也是不同的。
这些图像经过大脑的处理，就形成了一个关于周围世界的图像。
它包括了信息。
在VR系统中，双目立体视觉起到了很重要的作用。
用户的两只眼睛看到的不同的图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。
当用户带上特殊的眼镜之后，一只眼睛只能看到奇帧图像，二另一只眼镜只能看到偶帧图像，奇偶帧之间的不同也就是产生了立体感。
用户（头、眼）的跟踪：在人造环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态，而用户也是如此。
用户看到的景象是由用户的位置和头（眼）的方向来确定的。
跟踪头部运动的虚拟现实头套：在传统的计算机图形技术中，视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的，用户的视觉系统和运动感知系统是分离的，而利用头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来，感觉更逼真。
另一个优点是，用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动去观察环境。
3.2声音人能够很好地判定声源的方向。
在水平方向上，我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向，因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。
常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的，所以会有一种方向感。
现实生活里，当头部转动时，听到的声音的方向就会改变。
但目前在VR系统中，声音的方向与用户头部的运动无关。
3.3语音语音技术分为语音识别技术和语音合成技术。
语音的输入输出也很重要。
这就要求虚拟环境能听懂人的语言，并能与人实时交互。
而让计算机识别人的语音是相当困难的，因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。
语音识别是指将人说话的语音信号转换为可被计算机识别的文字信息。
语音识别的过程分为：参数提取、参数模式建立、模式识别等过程。
举一个例子来说明，当我们对着话筒讲话，这句话传入到系统中，系统先把他转换成数据文件，然后相应的软件便开始识别，主要是把用户输入的样本与事先存储好的样本进行对比，系统选出它认为最像的声音序列号，通过这些序列号的拼接，可以知道用户刚才念的是什么意思，然后执行相应的操作。
语音合成技术是指用人工的方法生成语音的技术，相当于是语音识别的逆过程。
一般来说，用户对于语音的要求是可懂、清晰、自然、具有表现力。
[2]第四章应用4.1 医学虚拟人体构建技术：数字化可视人体，或称虚拟可视人体，是根据人体解剖学研究的全部数据综合构成的一系列数字化三维图像，而且可以虚拟地进行人体的一切生理活动。
这种数字化可视人体可用于进行医学教学、模拟临床手术和放射治疗等，效果显著。
可视人计划发端于10 多年前的美国，该计划是世界上第一个获取人体数字图像信息的实验。
所获取的数据集是数字解剖学的基础，它的研究引起了广泛的关注。
目前国内正在开展建造具有东方人种特征的中国数字人。
人体结构的三维成像构造或数字化人体的概念是在医学领域提出来的。
构建数字化人体的过程式是，先利用三维或高维内科成像将人体组织的事件储存为一个三维数据库，再利用计算机技术将人体或人体的组织构建成三维的图像。
这样就可以在数字化的人体中进行对真正人体或人体的组织的回顾性观察和分析，而且，这种操作通过现代的计算机网络系统可以远程进行。
以某机构构建的人脑为例，先以人脑核磁图像为基础，利用虚拟现实建模语言对人体脑部结构进行三维重建可以对感兴趣的脑结构的空间形状、空间位置有更加直观的了解，并可进行人机交互式的操作，从各个方向、各个角度对之进行交互式观察。
原始数据来自MNI(蒙特利尔神经所)，共有人脑核磁图像 181层，层间距为一毫米。
人工提取坐标点数据，共制作了人脑外部轮廓、脑室系统、苍白球、豆状核、丘脑、尾状核等结构的网格状模型和面状模型，下图为虚拟器官虚拟解剖训练：于真实人体解剖的数字化虚拟人体研究结合医学科学与计算机技术构建一个像真人一样的计算机模型，在数字解剖、手术计划与培训和很多非医学领域有广泛应用价值。
连续解剖切片图像的三维重建和显示，是一种重要的形态学研究方法。
三维重建过程中，首先要对连续切片图像进行配准，为三维显示奠定基础。
以构建颅面部组织为例，先基于网络重建颅面部组织的三维图像，并进行虚拟解剖。
用人头面部 Light-SpeedCT 扫描的原始数据，经对原始图像传输，读取后，兴趣区选择，利用Java编制基于网络运行的三维重建软件对其进行重建和解剖虚拟。
结果重建出的颅面部图像逼真，分层显示，能任意角度旋转，任意厚度多次切割和恢复。
同时能三维显示切除的组织结构。
实现了颅面部组织在Internet网上的重建和解剖虚拟，为计算机辅助解剖提供一条新的软系统。
虚拟手术训练：虚拟手术(Virtual Surgery)作为这一领域正在发展起来的研究方向，其目的是利用各种医学影像数据，采用虚拟现实技术，在计算机中建立一个模拟环境，医生借助虚拟环境中信息进行手术计划制定，手术演练手教学，手术技能训练。
虚拟手术仿真器是虚拟现实技术在医学上的一个重要应用。
[3]4.2军事20 世纪 90 年代初，美国率先将虚拟现实技术用于军事领域，近几年，随着科学技术的发展，虚拟现实技术已经渗透到军事生活的各个方面，并开始在军事领域中发挥着越来越大的作用。
世界各国都将虚拟现实技术在军事领域的应用列为高度军事机密。
目前，虚拟现实技术在军事领域的应用主要集中在虚拟战场环境、军事训练和武器装备的研制与开发等方面。
虚拟战场环境它是指利用虚拟现实技术，通过计算机系统和其他辅助设备对获取或存贮的战场要素数据，比如：战场地形、战场场景、战场态势、战场人员、战场武器装备等进行处理，最终显示出近似逼真的立体战场环境。
它能够使使用者有一种身临实际战场的感觉，将它用于军事训练能够大大提高训练的质量。
美国现在已经研制出一种被称为“激光沙盘”的虚拟现实系统，它能够产生虚拟战场环境。
军事训练虚拟现实技术为军事训练提供了新的方法。
将虚拟现实技术应用于军事训练既能比实兵演练节省大量的人力、物力，使官兵“身临其境”，又能够提高保密性，达到封锁消息不为外界所知的理想效果。
虚拟现实技术用于军事训练可实现战斗力的系统集成，并将军事训练推向实战化。
目前，虚拟现实技术在军事训练中的应用主要集中在单兵训练、战术训练和诸军兵种联合战役训练等方面。
[4]4.3游戏实际上，游戏本身就是一种特殊的虚拟现实技术，游戏自产生以来就一直向着虚拟现实技术去发展。
从最初的文字游戏，到二维游戏、三维游戏再到网络游戏。
电子游戏一直保持着它的实时性和交互性。
应用与游戏中的虚拟现实技术有体感交互技术、立体显示技术和三维虚拟声音生成技术以及触觉反馈技术。
体感交互作为一种进行虚拟现实交互的新型操作方式，可以完全摆脱传统的鼠标键盘和复杂的动作捕捉设备，用户通过使用自己身体和/或自己周围物体的移动（非遥控器，控制器、键盘、鼠标等）来操纵化身或应用的其他方面。
对虚拟现实应用来说，大大降低了使用的门槛，扩大了虚拟现实应用的范围，增加了虚拟现实表现的真实感，带来了一次全新的革命。
显示是游戏中最重视的部分，所以这部分的技术很重要，当然声音也很重要三维虚拟声音与人们熟悉的立体声音不同，三维虚拟声音，能使用户能够感觉到声音是来自围绕听着双耳的一个球形中任何地方，即声音可能出现在头部的上方、前方或后方。