收稿日期:2002-06-24;修订日期:2002-08-293基金项目:高等学校重点实验室访问学者基金资助(02117)虚拟现实技术的发展过程及研究现状吴　迪1　黄文骞1,2(11海军大连舰艇学院海洋测绘系,辽宁大连　116018;21武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉　430079) 【摘要】　分析了虚拟现实(VR )技术区别于相邻近的技术的重要特征,回顾了虚拟现实技术发展的三个阶段。

介绍了虚拟现实技术在美国等国家的研究现状、主要技术及关键技术的开发状况。

【关键词】　虚拟现实技术　发展过程　研究现状1　引　言虚拟现实(VR )技术是近年来发展最快的信息技术之一,它与多媒体技术、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。

与其他高新技术一样,客观需求是虚拟现实技术发展的动力。

近年来,在仿真建模、计算机辅助设计、可视化计算、遥控机器人等领域,提出了一个共同的需求,即建立一个比现有计算机系统更为直观的输入输出系统,成为能与各种传感器相联、更为友好的人机界面、人能沉浸其中、超越其上、进出自如、交互作用的多维化信息环境[1]。

VR 技术是人工智能、计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、网络技术、并行计算技术等多种技术的集成。

它是一种有效的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。

2　发展过程211　VR 的概念虚拟现实(Virtual Reality -VR ),是一种最有效的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术,是综合计算机图形技术、多媒体技术、并行实时计算技术、人工智能、仿真技术等多种学科而发展起来的20世纪90年代计算机领域的最新技术。

VR 以模拟方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界,在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中,使参与者可直接探索虚拟对象在所处环境中的作用和变化,仿佛置身于虚拟的现实世界中,产生沉浸感(immersive )、想象(imaginative )和实现交互性(interactive )。

212　VR 技术的特点VR 技术的每一步发展,都是围绕它的三个特征而前进的。

这三个特征为沉浸特征、交互特征和构想特征。

这三个重要特征用以区别相邻近的技术,如多媒体技术、计算机可视化技术[4]。

沉浸特征,即在VR 提供的虚拟世界中,使用户能感觉到是真实的进入了一个客观世界;交互特征,要求用户能用人类熟悉的方式对虚拟环境中的实体进行观察和操纵;构想特征,即“从定性和定量综合集成环境中得到感性和理性的认识,从而深化概念和萌发新意”(汪成为,1996)。

213　VR 技术发展的三个阶段VR 技术的发展大致可分为三个阶段:20世纪50年代至70年代,是VR 技术的准备阶段;80年代初至80年代中期,是VR 技术系统化、开始走出实验室进入实际应用的阶段;80年代末至90年代初,是VR 技术迅猛发展的阶段。

第一阶段,50～70年代,为虚拟现实的探索阶段。

1965年由美国的M orton Heileg 开发了一个称做Sens orama 的摩托车仿真器,不仅具有三维视频及立体声效果,还能产生风吹的感觉和街道气味。

1968年,美国计算机科学家I 1E 1Sutherland 在哈佛大学组织开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器H MD 及头部位置跟踪系统,成为VR 技术发展史上的一个重要里程碑,为虚拟现实的发展奠定了基础。

第二阶段,80年代初至80年代中期,开始形成VR 技术的基本概念,开始由实验进入实用阶段,其重要标志是:1985年在Michael Mc G reevy 领导下完成的VIEW 虚拟现实系统,装备了数据手套和头部跟踪器,提供了手势、语言等交互手段,使VIEW 成第22卷第6期2002年11月海　洋　测　绘HY DROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTINGVol.22,No.6Nov.,2002为名副其实的虚拟现实系统,成为后来开发虚拟现实的体系结构。

其他如VP L公司开发了用于生成虚拟现实的RB2软件和DataG love数据手套,为虚拟现实提供了开发工具。

第三阶段,80年代末至90年代初,为虚拟现实全面发展阶段。

虚拟现实技术已经从实验室的试验阶段走向了市场的实用阶段,对虚拟现实技术的研究也从基本理论和系统构成的研究转向应用过程中所遇到的具体问题的探讨。

在虚拟现实系统中只有各种交互设备还不够,还必须提供基本的软件支撑环境,用户能方便地构造虚拟环境并与虚拟环境进行高级交互。

为了使VR技术得到广泛应用,很有必要分析虚拟现实系统软件支撑环境体系结构,例如Dialogue系统,提出了一种通过基于事件驱动的中驱用户接口管理系统(UMIS),能进行多进程通讯的软件体系结构,解决了虚拟现实的动态灵活性问题,推进了软件支撑环境的发展。

为了满足虚拟现实对计算复杂性的几乎是无限的要求,虚拟现实系统必须提供足够强的灵活性及可扩充性。

要做到这一点,可以从软件与硬件两方面来考虑,在硬件体系结构方面,DI VIS ON公司在Super Vision系统中提出了一种基本的并行模型,开发了相关的并行处理器件和DVS操作系统,使虚拟现实得以全面发展。

3　VR技术的国内外研究现状311　VR技术在美国的研究开发20世纪40年代初,作为虚拟现实前身的飞行仿真器在美国出现。

1966年,美国的MIT林肯实验室在海军科研办公室的资助下,研制出了第一个头盔式显示器(H MD),随后又将模拟力和触觉的反馈装置加入到系统中。

1970年,研制出了第一个功能较齐全的H MD系统。

自80年代后期起,美国VP L 公司陆续研制出较实用的头盔式三维显示器、能提供六个自由度的数据手套、立体声耳机及相应的计算机软硬件系统。

80年代初,美国的DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)为坦克编队作战训练开发了一个实用的虚拟战场系统SI MNET。

SI MNET系统中的每个独立的模拟器都能单独模拟M1坦克的全部特性,包括导航、武器、传感和显示等性能,对坦克装置上的武器、传感器和发动机等的模拟是在特定的作战环境下进行的。

DPRPA计划进一步扩大仿真数据库,从目前的1000个对象扩大到100000个(2000年前完成)。

北大西洋公约组织(NAT O)计划把各个不同国家的兵力逐步“汇集入SI MNET而成为一个虚拟战场”,然后把空战仿真系统(AWSI MS-Air Warfare Simulation System)和海战仿真系统(NWSI MS-Naval Warfare Simulation System)与SI MNET相联。

另外,美国NAS A积极地将VR技术应用于对航天运载器外的空间活动研究、空间站自由操纵研究和对哈勃空间维修的研究等项目中。

图形图像处理技术和传感器技术是以上VR项目的主要技术。

就目前来看,空间的动态性和时间的实时性是这项技术的最主要焦点。

312　VR技术在欧洲的研究开发31211　VR在英国的研究与开发。

VR应用的关键是寻找合适的场合和对象,即如何发挥想象力和创造性。

选择适当的应用对象可大幅度地提高效率,减轻劳动强度,提高产品质量。

为了达到这一目的,必须研究VR的开发工具。

例如,VR系统开发平台、分布式VR技术等,这些都直接与计算机技术、多媒体技术的快速发展密切相关。

在VR开发的某些方面,特别是在分布并行处理、辅助设备(包括触觉反馈)设计和应用研究方面,在欧洲英国是领先的。

以下是英国从事VR的四个主要中心。

Windustries(工业集团公司)位于英国Leicester,是国际VR界的著名开发机构,在工业设计和可视化等重要领域占有一席之地。

British Aer ospace(英国航空公司BAe)的Br ough分部正在利用VR技术设计高级战斗机座舱,BAe开发的大项目VE CT A(Virtual Envir onm ent C on figurable T raining Aid)是一个高级测试平台,用于研究VR技术以及考察用VR替代传统模拟器方法的潜力。

VE CT A的子项目R A VE(Real And Virtual Envir onm ent)就是专门为在座舱内训练飞行员而研制的。

Dimension International,位于英国南部的Aldermas on,是桌面VR的先驱。

该公司生产了一系列的商业VR软件包,都命名为Superscape。

Superscape软件包的前端主要由图形编辑器、世界编辑器和可视化模块三个部分组成。

图形编辑器用于创建三维物体,预定义图形放置在世界编辑器的世界坐标系中,可视化程序允许用户在虚拟世界中移动并与之交互,通过空间球和鼠标发布命令。

Division Ltd,创建于1989年,位于布里斯托尔。

该公司在开发Vision、ProVision和Supervision系统/模块化高速图形引擎中,率先使用了T ransputer和i860技术。

该公司的软件是按客户/服务器体系结构模式设计的。

31212　VR在欧洲其他国家的应用与开发。

其他一61吴　迪,等　虚拟现实技术的发展过程及研究现状第22卷些发达的欧洲国家如法国、德国、瑞典、西班牙等也积极进行了VR 的开发与应用。

如西班牙在SG 上做的多用户VR 项目———虚拟奥运会,以奥运体育竞技作为其研究重点,目的是开发用于如下两方面的VR 环境:一是双人滑雪模拟器,二是以数字化虚拟方式制作1992年巴塞罗那奥运会足球赛的四人电影剧本。

虚拟现实中的人—机交互效应主要由传感技术来完成。

如将数据手套、手势等显示及时地输入到计算机中进行处理,达到在虚拟环境中人与虚拟物体的交互效果。

德国的计算机图形研究所(IG D )的测试平台,用于评估VR 对未来系统和界面的影响,以及向用户和生产者提供通向先进的可视化、模拟技术和VR 技术的途径。

瑞典的DI VE 分布式虚拟交互环境,是一个基于Unix 的异质分布式系统,易推广到新的硬件和图形库;DI VE 又是全分布式的,不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作。

荷兰海牙T N O 研究所的物理电子实验室(T N O -PE L )开发的训练和模拟系统,通过改进人机界面来改善现有模拟系统,以使用户完全介入模拟环境。

这些系统使用的基本技术是并行处理系统结构,应用的基本构件是通用处理器,从而形成了灵活可伸缩系统,无论从硬件还是软件上讲都易于适应特定应用。

由于使用了这些强有力的系统结构,现在的视景生成系统以相纹(Ph oto -T exture )实时可视化为特色。

313　VR 技术在我国的研究开发我国对VR 技术的研究起步于20世纪90年代初,发展到现在已初步取得了成果。