本文用 : virt ual reality (J . Lanier , 1989) , 中文用 “虚拟现实”
关于虚拟现实的概念 ,1992 年 ,Lavroff 在《虚拟现 实游戏室》中这样描述 :使你进入一个真实的人工环境 里 ,并对你的一举一动所作的反应与在真实世界中的 一模一样 。
Kalawskey 在 1993 年版的《虚拟现实与虚拟环境 科学》一书中说 ,虚拟现实是“一种合成的传感体验 ,它 把物理的或抽象的部件传递给人或参与者 。”
拟现实是 “: 潜在地提供了一种新的人机接口方式 , … 通过用户在计算机创造的世界中扮演积极的参与者角 色 ,虚拟现实正在试图消除人机之间的差别 。”
综上所述 ,本人认为应该这样加以广义描述 : 20 世纪末发展起来的一项涉及计算机 、传感与测 量 、仿真 、微电子技术于一体 ,利用计算机生成的一种 虚拟环境 ,通过视 、听 、触 、甚至味觉 ,使用户身临其境 , 并能够与之发生交互作用 。以下称为 VR 技术 。 VR 技术以高性能计算机为内核和驱动 ,包括图 形学 、光学 、图象处理 、模式识别 、网络 、通信等领域 ,甚 至与气象 、地理 、美学 、心理学和社会学等学科相关 。 该技术反映和传递以往的经验 ,经过嵌入或组合来模 仿创造新的现实 ,对主体的感官刺激由弱变强 ,由单独 感官到感官集成 ,由部分到整体 ,主体对客体的认知也 由间接转为直接 ,使认知对象新鲜活泼 、具象反映 ,主 客体交互发生作用 。
第一个提出把计算机显示屏幕作为观看虚拟世界 窗口的人是美国的博士研究生 Ivan Sut hLand ,他在其 论文《 Ultimate Display》中论述了他的观点 。1966 年 , Ivan Sut hLand 在麻省理工学院的林肯实验室开始研 制人 类 第 一 个 头 盔 显 示 器 ( head mounted display HMD) ,这个头盔显示器有六个系统组成 ;一台 TX - 2 计算机 ,一个限幅除法器 ,一个矩阵乘法器 ,一个矢量 生成器 ,一个头部位置跟踪器及头盔 ,采用阴极射线管 (CR T) 作为显示 。Ivan Sut hLand 在论中文这样写到 :
味觉嗅觉 品尝 、嗅
视觉 看
表 1 虚拟现实技术作用于人体器官综合列表
连机
人体器官
行为
刺激源
信息判断
机械和重力感 受装置
耳的前庭
定位和平衡
引力或加速度
引力或加速方向或方 位变化
声波接受器 耳蜗
定向和兴奋 声波
发声实物性质
热 、动传感器
皮 肤 、肌 肉 、关 节
刺激反应
物理和化学作用
物体表面性态物体特 性
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2004 年 第 25 卷 第 6 期
终极显示当然要提供这一个空间 ,计算机要能够控制 空间中的一切 ,房间中的凳子要能坐 ,手铐要能铐住 人 ,子弹几乎能致命 ,总之 ,能创造一个爱丽丝漫游的 幻境 。1970 年 , Ivan Sut hLand 在犹他大学演示了这 个头盔显示器 ,由 Ivan Sut hLand 的学生 Daniel vickers 编写了程序 。被实验者看到了一个根本不存在的物 体 ,因 此 , 获 得 初 步 的 成 功 。今 天 的 HMD 仍 然 与 Sut hLand 的一样原理 ,只不过把阴极射线管换成液晶 显示器 (L CD) ,并进一步改装了头盔 , 使头盔更加轻 巧实用 。Ivan Sut hLand 并没有满足 , 他又利用小型 PDP 计算机设计出了有三个自由度的机械装置 ,尽管 十分简陋 ,但人们毕竟可以去控制虚拟空间中的物体 了。
Pimentel 和 Teixeira 在 1993 年版的《虚拟现实 : 透过新式眼镜》一书中 ,这样定义虚拟现实 “: 一种浸入 式体验 ,参与者戴着 被跟踪的头盔 ,看着立体图象 ,听 着三维声音 ,在三维世界里自由的探索并与之交互 。”
这些都带有发展中的痕迹 ,1994 年 , Ellis 和 Lari2 jani 在同一年出版的《计算机图形与应用》《虚拟现实 初阶》中开始深入探讨虚拟现实的定义 ,他们认为 ,虚
1972 年 ,Nolan Bushnell 开发了第一个 交互电子 游戏 ,称为 Pong ,参加游戏的人在电视屏幕前可以操 纵一个弹跳的乒乓球 ,这个游戏由于它的交互性而被 受关注 。
同年 ,美国北卡罗那大学的 Frederick Brooks 把力 反馈和计算机图形联系在一起 ,系统中使用了一个力 显示器和景象显示器 ,将一个控制机器人手臂的遥控 器接到计算机上 ,以提供在虚拟环境中的操作能力 。 Frederick Brooks 在做出以上成绩的同时 ,又试图建立 一个有六个自由度的虚拟环境 ,在这个环境中 ,可以用 桌上的钳子去操纵控制虚拟的积木 ,当积木之间碰撞 , 将会发出声音 ,限于计算机的计算能力 ,仅仅能提供三 个平移运动 。
Ξ 【收稿日期】2003 - 06 - 21 【作者简介】李湘德 (1970 - ) ,男 ,江苏连云港人 ,副教授 ,研究方向 :科技哲学 。
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李湘德 ,彭 斌 :虚拟现实技术发展综述
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术体系可以分为硬件和软件 ,硬件有窗口显示器 、头盔 显示器 、数据手套 、立体环绕声音设备 、多功能传感器 等 ;虚拟现实软件系统是支撑硬件运作的程序和原理 。
最先用手去控制虚拟世界中的物体当属麻省理工 学院的 J . Zimmermn 和 J aron. lanier ,他们合作发明了 数据手套 ,与计算机相连 ,就使手的动作输进了计算 机 。1989 年 ,两人创建了 V PL 公司 ,J aron. lanier 首先 正式使用了 Virtual Reality 词汇 ,使虚拟现实产品开 始商业化 。
1960 年 ,美国麻省理工学院的 Licklidr 教授提出 了交互计算的观点 ,他预言“用不了很多年 ,人脑和计 算机将会紧密的结合在一起 ,其结果将使两者之间的 关系变成人类意想不到的样子 ,处理数据的方法与今
天我们所知道的信息处理的方法完全不同 。”他认为 “不久的将来 ,电脑将以人脑的思维处理信息 。”Lick2 lidr 教授因此话而成为虚拟现实的预言家 。
化学感受器 口腔 、鼻腔
滋味 、气味反应 气体 、食物
气体 、食物的性质
光学仪器
眼睛
瞳孔变化 、刺激 反应
光线
大小 、形状 、距离 虚拟现实有 4 个关键成分 ,即软件 、计 算机 、输入设备 、输出设备 ,虚拟现实软件提供三维模 型和环境数据库 ,及其适时反应的能力 ,输入设备有三 维鼠标 、游戏杆和定位跟踪器 ,输出设备显示虚拟现实 时空 ,包括显示器和头盔 。这是最简单的桌上虚拟现 实系统 ,参与者参与时先激活输入设备 ,软件接纳后再 根据参与者的要求和创新能力适时更新和创造 ,完成 互动 。
2 技术体系
虚拟现实技术涉及到计算机图形学 ,人机接口技 术 ,图象处理与模式识别 ,多传感器技术 ,语音处理与 音响技术 ,网络技术 ,并行处理技术 ,高性能计算机系 统 ,人工智能等 ,需要的不仅有计算机专家 ,还要有人 类工程学专家 ,心理学专家等 。
具体讲 ,按照计算机为主的技术特点 ,虚拟现实技
虚拟现实的基本特征 , G. Burdea 在《虚拟现实系 统和它的应用》一文中 ,用三个“I”、“Immersion”、“In2 terraction”“、Imagination”来说明虚拟现实的特征 ,即 沉浸 、交互 、想象 ,三者缺一不可 。学界基本都认同此 观点 。
3 发展现状
1929 年 ,美国的 Edwin Link 设计了一种乘坐飞 行器 ,坐在里面有一种坐飞机的感觉 。40 年代初 , Ed2 win Link 创建了公司 ,与 Admiral Deflorez 公司一起研 制飞行模拟器 ,成为为数很少较早设计和制作飞行模 拟器的公司 。但是没有计算机的出现 ,是一种纯机械 的装置 ,且笨重呆板 。
Frederick Brooks 同时致力于生物化学分子结构 的显示机理研究 ,当时的 VAX 计算机尽管有了一些 进步 ,比如计算速度提高了 100 多倍 ,但面对生物化学 复杂的原子分子结构 ,其能力也只能停留在每秒处理 3 幅画面 ,通过减少复杂性使计算机处理速度加快 ,但 也不超过 20 帧每秒 。
按照以人为主体 、以人的接受为分类方法 ,可把虚 拟现实技术系统分为 :视觉软硬件系统 ,听觉软硬件系
统 ,触觉软硬件系统 ,甚至嗅觉 、味觉软硬件系统 。 有了这些软硬件 ,综合而成系统 ,系统组合对人
发生作用 。人机互动通过以下一些装置和过程 ,如表 1 所示 。
感知 方位 听力 触觉
表现 起点 、平衡 听 接触
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2004 年 第 25 卷 第 6 期
虚拟现实技术发展综述
李湘德1 ,彭 斌2 Ξ
(11 解放军理工大学理学院社科部 ,江苏 南京 211101 ;21 东南大学哲科系 ,江苏 南京 210096)
摘 要 分析了虚拟现实的概念 ,透视了虚拟现实技术体系 ,回顾和评述了虚拟现实技术的发展和概况 ,指出虚拟 现实技术发展的方向 。 关键词 虚拟现实技术 ;概念 ;体系 ;发展 中图分类号 :C02 文献标识码 :A 文章编号 :167227312 (2004) 0620010205
威斯康星大学的博士研究生 Myron Krueger 提出 了人工现实 (Artificial Reality) 的概念 ,称之为 Video2 place 。Myron Krueger 作为计算机科学家 ,受 Cage 的 人机实验影响 ,创新地提出非强制进入虚拟环境的思 想 ,并从 1969 年就和一部分艺术家和工程师开始研究 制作非强制进入沉浸系统 ,努力使虚拟环境对应与参 与者的手势和姿态 ,他制作了一个精细的系统 ,包括有 感应的地板 、桌子还有摄像机 ,计算机吸收并反应人的 动作 ,看起来 ,就像人在控制环境 。Myron Krueger 称 他设计的房间为“responsive environment s”,参加者触 动计算机生成的轮廓和剪影 ,计算机分析人的半身象 ,