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摘要:虚拟现实技术作为一种综合多种科学技术的计算机领域新技术,是国内外计算机仿真应用研究的热点,涉及众多发展和应用领域,极大地丰富了我们的生活。本文针对虚拟现实的历史、发展、应用现状进行了简要的概述,同时还对虚拟现实未来发展方向做了初步的展望。
关键词:虚拟现实交互技术虚拟环境
一、虚拟现实技术的发展概述
VR的发展概括起来大致为三个阶段:20世纪50年代到70年代,是虚拟现实技术的探索阶段;80年代前中期,是虚拟现实技术从实验室走向实用的阶段;80年代末到21世纪初,是虚拟现实技术快速发展时期。1965年“虚拟现实技术之父”Lvan Sutherland博士在《终极的显示》的论文中首次提出了具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想,随后几年又展开了头盔式显示器(HMD)的研制工作,取得了显著的成绩,因此这一理论影响至今。在第一个HMD的样机完成不久,研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年,出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以来所取得的一系列成就,美国的JaronLanier在上世纪80年代正式提出了“VirtualReality”一词。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。
二、虚拟现实技术的应用现状
1、军事与航空航天
虚拟现实的技术根源可以追随到军事领域,军事应用是推动虚拟现实技术发展的主要力量,是虚拟现实系统最为重要的应用领域。模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题,这为VR提供了广阔的应用前景。海湾战争的美国士兵对周边的环境不觉得陌生,是由于虚拟现实已把他们带入那漫无边际的风尘黄沙,让他们“身临其境”感受到大漠的荒凉。美国国防部先进研究课题局(DARPA)自80年代初起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统,这个课题结果产生了仿真网络,连到美国和德国200多个坦克仿真器。在航空航天方面,宇航员利用虚拟现实系统进行各种训练,美国航空航天局计划将虚拟现实系统用于国际空间站组装、训练等工作。
2、医学方面
虚拟人体在医学方面的应用十分重要。借助于跟踪球、HMD、感觉手套探索工具,可以很容易了解人体内部器官结构,经过3D可视化,可以更好的展示人体各器官和组织且还可以进行功能性的演艺。Pieper和Satara等研究者在90年代基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器,用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯,虚拟的外科工具,虚拟的人体模型和器官等。借助于HMD及感觉手套,使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。另外,对于危急病人,还可以实施远程手术。在远程遥控外科手术、复杂手术的计划安排、手术过程的信息指导、手术后果预测及改善残疾人生恬状况,新型药物的研制等,VR技术都有十分重要的意义。
3、工程管理
VR在工程管理方面也显示出无与伦比的优越性。设计新型建筑物时,可以在动工之前用VR技术显示建筑物,为安全生产和管理工程奠定基础;当财政发生危机时,可以帮助其分析股票、债券等方面的数据分析以找到最佳的处理对策等等。
4、建筑设计与城市规划设计
德国是运用VR技术在建筑设计最早的行业。自1991年起,德国多家研究所和公司探索和研究交互效果的“虚拟设计”。当时城市规划、工程建筑设计的辅助开发工具就在全力使用虚拟现实技术,把虚拟现实技术作为其规划的视觉依据。
5、娱乐与教育领域
娱乐领域是分布式虚拟现实系统的一个重要应用领域。它能够提供更为逼真的虚拟环境,从而使人们能够享受其中的乐趣,带来更好的娱乐感觉。把分布式虚拟现实系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、化合物分子结构显示等领域,由于数据更加逼真,大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习兴趣,学习效果十分显著。
三、虚拟现实技术的发展方向
纵观VR的发展历程,未来VR技术的研究仍将延续“低成本、高性能”原则,从软件、硬件两方面展开,发展方向主要归纳如下:
1、动态环境建模技术。虚拟环境的建立是VR技术的核心内容,动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据需要建立相应的虚拟环境模型。
2、实时三维图形生成和显示技术。三维图形的生成技术已比较成熟,而关键是怎样“实时生成”,在不降低图形的质量和复杂程度的基础上,如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。
3、新型交互设备的研制。虚拟现实技术实现人能够自由与虚拟世界对象进行交互,犹如身临其境,借助的输入输出设备主要有头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此,新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。
4、智能化语音虚拟现实建模。虚拟现实建模是一个比较繁复的过程,需要大量的时间和精力。如果将VR技术与智能技术、语音识别技术结合起来,可以很好地解决这个问题。
5、分布式虚拟现实技术的展望。分布式虚拟现实是今后虚拟现实技术发展的重要方向。随着众多DVE开发工具及其系统的出现,DVE本身的应用也渗透到各行各业,包括医疗、工程、训练与教学以及协同设计。仿真训练和教学训练是DVE的又一个重要的应用领域,包括虚拟战场、辅助教学等。另外,研究人员还用DVE系统来支持协同设计工作。
虚拟现实主要依靠人机交互的发展,目前技术上已初步解决人脑数据的读取,在不久的将来,开发者将完全解决通过神经系统自动进入虚拟现实环境的“人脑――计算机接口”问题,通过对人脑提取和反馈神经信号使人完全融入“虚拟现实”世界。当然从技术角度,我们应该对基于多用户虚拟环境进行必要的技术研究。
参考文献:
[1]薛大维.虚拟现实技术的研究与分析[J].交通科技与经济,2006,8(4)
[2]韩晓玲.虚拟现实技术发展趋向浅析[J].电脑知识与技术,2007(2)
[3]胡小强.虚拟现实技术[M].北京邮电大学出版社,2005