虚拟现实技术期末考试论文Word格式文档下载.docx
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任课教师:
北京邮电大学
时间:
2013年12月31日
浅谈虚拟现实技术
肖文鑫
(北京邮电大学电子工程学院北京100876)
摘要虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身历其境一般,可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。
本文简要地介绍了虚拟现实的概念、特征及应用领域,从多个技术方面分别阐述了虚拟现实涉及的关键技术,展示了国内外虚拟现实研究的最新进展。
关键词虚拟现实、计算机技术、三维模型、VR系统
虚拟现实,简称VR技术,也称灵境技术或人工环境,是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身历其境一般,可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。
使用者进行位置移动时,电脑可以立即进行复杂的运算,将精确的3D世界影像传回产生临场感。
该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果,是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。
[1]虚拟现实利用计算机技术,对现实的运动进行模拟和声像演示。
在虚拟机过程中,操纵者可以身临其境地感觉到这个过程的运动情况,可以对设备进行操纵,可以查看生产过程、实验过程、施工图过程、供应过程、物流过程等活动的各种技术参数的动态值,从而确认现实的系统是否有能力完成预定的任务和如何去完成,也可从中发现运动过程的缺陷和问题,予以改进。
一、虚拟现实技术的主要特征:
(1)沉浸感。
简单来说就是让人有一种身临其境的感觉,也就是说这一技术可以使人不单单从视觉和听觉上进入虚拟世界,而是让人以一个整体的形式融入到虚拟现实系统中去,让人们从切身实际出发,真正用身体去感知知识和思维过程。
(2)交互性。
这一特征主要体现在虚拟现实与传统CAD模型和三维动画之间的差别,利用虚拟现实技术创建的是一个互动的开放环境,这一环境可以利用相关的监控设备来对使用者或被使用者所影响。
也就是说使用者可以利用相关的设备来控制虚拟环境中的对象,实现了使用者对虚拟环境的操作性,相应的对象也可以通过己的行为来影响虚拟环境,计算机系统通过对虚拟环境变化的程度,进行相关虚拟环境的调整和改变。
这也真正意义上实现了使用者与虚拟现实技术之间的交互作用。
(3)构想性。
利用虚拟现实系统可以创建出一些现实生活中根本不存在的,只是停留在人们思想中的场景。
使用者可以通过在虚拟环境中的各种活动获得相应的不同认识,进而对相关的知识进行更加深刻的理解,产生更具创意的想法,真正实现了人们认知和思维方式的飞跃。
[2]
(4)多感知性。
多感知性指除了视觉感知之外的其他感知,包括通过虚拟现实技术可以实现力觉感知、听觉感知、触觉感知、运动感知、味觉感知甚至嗅觉感知等等。
理想中的虚拟现实技术应该同真实的人类感知系统一样,具有一切的感知功能。
目前虚拟现实技术所具有的感知功能介于当前传感技术的限制,在视觉、听觉、力觉、触觉、运动感等几种感知类型上较为成熟,其他感知功能的模拟还有待进一个开发。
(5)临场感。
临场感指用户在模拟环境的存在感,对模拟环境感觉的真实度。
用户理想中的模拟环境应该是难分真假的,只有越真实的模拟环境,用户才能越全身心地投入到三维虚拟环境中。
这种计算机模拟出来的环境,让用户把一切看上去都是真的,甚至听上去、动起来、闻起来、尝起来都是真实的,如同现实世界中的感觉一样。
二、虚拟现实技术的应用领域:
1.城市规划。
在城市规划的各个方面虚拟现实技术可以得到广泛的应用:
展现规划方案、规避设计风险、加快设计速度、加强宣传效果。
2.旅游景观。
通过3D影装或互动技术模拟真实的景区场景,甚至在网上构建一个三维的虚拟景区。
用户可在三维的景区环境中直接试玩旅游景点,景点管理人员或导游也可以在线主动推荐特色旅游景点,更好的推广旅游景点。
同时,也可以通过这个平台,听取游客的建议及点评,更好的规划与建设现实中的旅游景点。
3.医学。
外科医生在真正动手术之前,通过虚拟现实技术的帮助,能在显示器上重复地模拟手术,寻找最佳手术方案并提高熟练度,对术后监测也可发挥重大作用。
4.文化教育。
1)娱乐和游戏领域。
现有的很多游戏设备和电影院都广泛的使用了基于三维的虚拟现实技术。
2)艺术领域。
虚拟现实技术在艺术领域具有巨大的应用潜力,它为用户提供的特有的临场参与感和交互能力可以将原来静态体现的艺术转化为动态表现,能使观赏者更好地欣赏及参与艺术家的思想和行为。
3)教育领域。
通过虚拟现实技术模拟的教育场景,能够为学生提供更逼真和生动的学习环境,学生通过虚拟的体验,能够更快的学到知识,知识的消化和接受效果也会更好。
例如,我们可以通过虚拟现实技术,建立不同的虚拟实验室,包括地理、汽车、土木、物理、化学、生物等等,虚拟实验室带来的优势是传统实验室无法比拟的,比如:
降低成本、规避风险(例如:
虚拟的飞机驾驶教学系统)、打破空间、时间的限制。
另外,通过虚拟现实技术创建的实训场地,所有的设备和器材都是计算机虚拟的,根据不同的要求和计算,可以随时生成新的设备,教学内容也可以灵活的更新,实践内容和手段及时跟上时代的发展。
5.室内设计。
虚拟现实不仅仅是一个演示媒体,还是一个设计工具,实可以把设计构思变成看得见的虚拟物体和环境大大提高了设计和规划的质量与效率。
6.房产开发。
虚拟现实技术能够为房地产行业带来最新型的营销方式,无论国内外,通过虚拟现实技术展示自己房产项目的营销方式都非常热门,它的运用是房地产开发商综合实力的象征和标志。
7.工业仿真。
全球各大企业在工业仿真领域对虚拟现实技术的广泛地应用,对提高企业生产能力,加强企业挂历能力、降低决策失误概论,提高企业稳定性等方面起到重要作用。
8.应急推演。
应急演练领域对虚拟现实技术的应用为提供其工作开展提供了一种全新的模式,例如,虚拟场景中模拟事故现场,即能够降低了成本,提高推演的效果,又能让用户能够身临其境学到面对应急情况是的应对措施。
9.能源领域。
能源的开采和开发涉及到很多模块,很多行业,常常需要对大量数据进行分析管理,运用三维虚拟技术不但能够实现庞大数据的有效管理,还能够创建一个具有高度沉浸感的三维虚拟环境,满足企业对石油矿井、电力、天然气等高要求、高难度职位的培训要求,有效提高员工的培训效率,提升员工的业务素质。
[3]
三、虚拟现实涉及的关键技术:
由于虚拟现实是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术,它依托于计算机科学、数学、力学、声学、光学、机械学、生物学乃至美学和社会科学等多种学科,在计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等信息技术的基础上迅速发展起来。
它涉及到计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、并行实时计算技术及仿真技术等多种高科技技术领域,是这些技术更高层次的集成和渗透。
被专家学者们公认为是21世纪可能促使社会发生巨大变化的几大技术之一。
虚拟现实涉及的关键技术和研究内容主要包括:
(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。
三维数据的获取可采用CAD技术,但是更多情况下则必须采用非接触式的视觉建模技术,只有两者的有机结合才可以有效提高数据获取的效率。
建立虚拟环境是虚现实拟技术的核心,动态环境建模技术目的在于获取实际环境的三维数据,并结合应用需要,通过采用获取的三维数据建立相对应的虚拟环境模型。
(2)实时三维图形生成技术:
三维图形的生成技术已较成熟,而关键是如何“实时生成”,图形生成是虚拟现实技术的重要瓶颈。
为了达到实时的目的,至少要保证图形的刷新频率不低于15帧/秒,最好高于30帧/秒。
在不降低图形的质量和复杂程度的前提下,如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。
同时,计算机图形技术,仿真技术的提高对其发展都会产生重要影响。
这里,图形生成的硬件体系结构以及在虚拟现实的真实感图形生成中用于加速的各种有效技术是关键。
三维图形的生成技术已较成熟,为了达到实时的目的,必须保证图形的刷新频率在15帧/秒和30帧/秒之间。
在不降低图形的复杂程度和质量的前提下,如何提高刷新频率是该技术的主要研究内容。
通过实时三维图形系统,可生成具有纹理和阴影、三维全彩色、明暗等特征的有逼真感的图像,图形。
由此可见,虚拟现实是一种先进的交互式计算机显示技术,通过双向对话为虚拟环境提供了一种新的人机接口。
(3)立体显示和传感器技术:
VR依赖于立体显示和传感器技术的发展。
现有的VR设备还不能满足系统的需要,例如头盔式三维立体显示器有以下缺点:
过重(15~20kg)、分辨率低、刷新频率慢、跟踪精度低、视场不够宽、眼睛容易疲劳等;
同样,数据手套、数据衣等都有延迟大、分辨率低、使用不便等缺点;
因此,有必要开发新的三维显示技术。
而各种传感器则是有效进行视、听、动等高级人交互技术的关键。
比如人抓取物体时,机器应感应其动作,并对虚拟环境作相应的变化。
现有的虚拟现实设备并不能满足系统需要,比方说头盔式三维立体显示器因为刷新频率较慢、跟踪的精度较低、自身过重、操作者眼睛极易疲劳、分辨率也较低、视场不够宽缺点,数据手套、数据衣等又因为延迟较大、分辨率也较低并且操作起来不够便捷等缺点,但是虚拟现实依赖于立体显示和传感器技术的发展,因此我们有必要开发出新的能够满足用户需求的三维显示技术。
(4)应用系统开发工具:
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。
寻找较为合适的场合和对象是虚拟现实应用的关键,为了达到如何发挥想象力和创造性,选择适当的应用对象可以极大地提高效率和操作的舒适度,因此研究虚拟现实的开发工具迫在眉睫。
(5)多种系统集成技术:
由于VR系统中包含大量的感知信息和模型,因此系统的集成技术起着至关重要的作用。
集成技术包括信息的同步、模型的标定、数据转换、数据管理模型、模式识别与合成等技术。
[4]
四、国内外虚拟现实研究的最新进展:
在军事领域,虚拟现实在提高军队训练质量、节省训练经费,缩短武器装备的研制周期,提高指挥决策水平等方面都发挥着极其重要的作用。
如海湾战争的美国士兵对周边的环境不觉得陌生,是由于虚拟现实曾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。
虚拟军事训练有3种训练模式:
单兵模拟训练、近战战术训练和联合指挥训练。
单兵模拟训练包含战斗机虚拟训练模拟器;
近战战术训练供作战人员在人工合成环境中完成作战训练任务;
联合指挥训练是在网络技术的支持下,在VR环境下进行对抗作战演习和训练,如同在真实的战场上。
此外,虚拟制造技术也广泛应用于武器的研制上。
在工业仿真中,利用虚拟样机技术可对模型进行各种动态性能分析,并改进样机设计方案,用数字化形式代替传统的实物样机试验,可减少产品开发费用和成本,提高产品质量及性能。
该项技术一出现就受到了工业发达国家有关科研机构和企业的重视,著名的实例就是波音777飞机利用虚拟现实成功设计出来。
清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学和浙江大学等在虚拟样机上有比较成熟的研究成果。
虚拟现实在建筑上可以实施视觉模拟,如实现建筑物、室内设计、城市景观、施工
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