综述虚拟现实技术及其应用1.docx

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综述虚拟现实技术及其应用1

虚拟现实技术的发展及其在测绘领域的应用

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虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，在最近几年发展迅速，其应用领域设计到教育、军事、娱乐和医学等许多行业。

本文概述了虚拟现实技术的概念、基本特征和技术分类，提出了虚拟现实技术发展的技术瓶颈，阐述了虚拟现实技术应用和优势。

一，虚拟现实技术的概念

虚拟现实技术（VirtualRealityTechnology）是一项综合集成技术，它的出现是计算机图形学、人机交互技术、传感器技术、人机接口技术以及人工智能技术等交叉与综合的结果。

它利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、嗅觉等各种感觉，使用户通过适当装置，自然地对虚拟现实世界进行体验和交互作用。

简单地说，虚拟现实技术就是用计算机创造现实世界。

二、虚拟现实技术特征

1993年BurdeaG在Electro93国际会议上发表的“VirtualRealitySystemandApplication”一文中，提出了虚拟现实技术三个特征，即：

沉浸感、交互性、想象性。

沉浸感是指用户可以沉浸于计算机生成的虚拟环境中和使用户投入到计算机生成的虚拟场景中的能力，用户在虚拟场景中有“身历其境”之感。

它所看到的、听到的、嗅到的、触摸到的，完全与真实环境中感受的一样。

它是虚拟现实系统的核心。

交互性是指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力。

它是人机和谐的关键性因素。

用户进入虚拟环境后，通过多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用，用户可以进行必要的操作，虚拟环境中做出的相应响应，亦与真实的一样，如拿起虚拟环境中的一个篮球，你可以感受到球的重量，扔在地上还可以弹跳。

交互性包含对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度、虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等，例如，当物体受到力的作用时，物体会沿着力的方向移动、翻到或者从桌面落到地面等。

想象性是指通过用户沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟环境进行了各种交互作用，从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而可以深化概念，萌发新意，产生认识上的飞跃。

因此，虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可以使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。

这种构思结果输入到系统中去，系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。

如此反复，这是一个学习——创造——再学习——再创造的过程，因而可以说，虚拟现实是启发人的创造性思维的活动。

三、虚拟现实技术的分类

虚拟现实是从英文VirtualReality一词翻译过来的，Virtual就是虚假的意思，Reality就是真实的意思，合并起来就是虚拟现实，也就是说本来没有的事物和环境，通过各种技术虚拟出来，让你感觉到就如真实的一样。

实际应用的虚拟现实系统可分为四类：

1、桌面虚拟现实系统，也称窗口中的虚拟现实。

它可以通过桌上型机实现，所以成本较低，功能也最简单，主要用于CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、建筑设计、桌面游戏等领域。

2、沉浸虚拟现实系统，如各种用途的体验器，使人有身临其境的感觉，各种培训、演示以及高级游戏等用途均可用这种系统。

3、分布式虚拟现实系统，它在因特网环境下，充分利用分布于各地的资源，协同开发各种虚拟现实的利用。

它通常是浸沉虚拟现实系统的发展，也就是把分布于不同地方的沉浸虚拟现实系统，通过因特网连接起来，共同实现某种用途。

美国大型军用交互仿真系统NPSNet以及因特网上多人游戏MUD便是这类系统。

4、增强现实又称混合现实系统。

它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，既可减少构成复杂真实环境的开销（因为部分真实环境由虚拟环境取代），又可对实际物体进行操作（因为部分系统即系真实环境），真正达到了亦真亦幻的境界，是今后发展的方向。

四、虚拟现实技术发展的瓶颈

虚拟现实技术的发展过程中遇到的问题很多，可以归结为3大难题：

1|、虚拟现实设备的“贵族化”。

要构建一个高质量的虚拟现实系统，首先需要昂贵的外部设备，无论是高分辩率的头盔显示器HMD，还是立体投影显示器，无论是空间定位器，还是高精度的数据手套，都是价格不菲。

其次，为完成复杂场景的实时渲染，还需要高性能的图形工作站以及相应的软件。

在一些专用领域，但普通的信息系统用户可能会望而却步。

2、繁琐的三维建模。

基于图形的虚拟环境首先要解决的问题便是三维造型。

当图形渲染技术在向实现真实感大踏步前进的时候，生成精确三维模型的过程还像二十几年前一样困难。

在三维激光扫描技术上的进步提供了简化模型构造过程的一些承诺。

然而，这些自动化模型获取方法也验证了真实世界的几何是极端复杂的。

大部分的模型仍需要人工绘制，而且需要聘请高水平的专业人士，所以其费用是相当惊人的。

比如在电影《坦克尼克号》中，为实现场景三维建模及各种特技处理所花的人工费用高达2500万美元，这笔钱足以制造一艘同样规模的真船。

繁琐的三维建模也是制约虚拟现实技术发展的严重障碍。

3、数据量大。

虚拟现实技术要想得到很大的发展，需要与Internet结合，这恐怕已是不争的事实。

目前虚拟现实技术应用的数据量仍然很大，在现有网络整体速度较慢的情况下，Internet用户必须等待较长时间，这往往令人难以忍受。

我们应该在虚拟现实系统中考虑数据压缩问题，这个问题可能现在还未引起人们的重视，但是随着应用的深入，这是一个不可回避的问题。

五、虚拟现实技术的应用前景和优势

虚拟现实技术的应用极为广泛，Helsel与Doherty在1993年对全世界范围内已经进行的805项虚拟现实研究项目作了统计，结果表明：

目前在娱乐、教育及艺术方面的应用占据主流，其次是军事与航空，医学，商业，另外在可视化计算、制造业等方面也有相当的比重。

下面简要介绍其部分应用。

（1）医学虚拟现实技术应用大致上有两类。

一是虚拟人体，也就是数字化人体，这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能。

另一是虚拟手术系统，可用于指导手术的进行。

Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两个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（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。

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。

但该系统有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指导下工作等。

（2）娱乐、艺术与教育丰富的感觉能力与3D显示环境使得虚拟现实技术成为理想的视频游戏工具。

由于在娱乐方面对虚拟现实的真实感要求不是太高，故近些年来虚拟现实技术在该方面发展最为迅猛。

如Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的虚拟现实娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的虚拟现实游戏系统，配有HMD，大大增强了真实感；1992年的一台称为“LegealQust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度虚拟现实产品奖；

（3）军事与航天工业模拟与练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为虚拟现实技术提供了广阔的应用前景。

美国国防部高级研究计划局DARPA自80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统，以提供坦克协同训1练，该系统可联结200多台模拟器。

利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的多快好省的研究战争、培训指挥员的方法。

战争实验室在检验预定方案用于实战方面也能起巨大作用。

1991年海湾战争开始前，美军便把海湾地区各种自然环境和伊拉克军队的各种数据输入计算机内，进行各种作战方案模拟后才定下初步作战方案。

后来实际作战的发展和模拟实验结果相当一致。

（4）商业虚拟现实技术常被用于推销。

例如建筑工程投标时，把设计的方案用虚拟现实技术表现出来，便可把业主带入未来的建筑物里参观，如门的高度、窗户朝向、采光多少、屋内装饰等，都可以感同身受。

它同样可用于旅游景点以及功能众多、用途多样的商品推销。

因为用虚拟现实技术展现这类商品的魅力，比单用文字或图片宣传更加有吸引力。

（5）科技开发虚拟现实技术可缩短开发周期，减少费用。

例如克莱斯勒公司1998年初便利用虚拟现实技术，在设计某两种新型车上取得突破，首次使设计的新车直接从计算机屏幕投入生产线，也就是说完全省略了中间的试生产。

由于利用了卓越的虚拟现实技术，使克莱斯勒避免了1500项设计差错，节约了8个月的开发时间和8000万美元费用。

利用虚拟现实技术还可以进行汽车冲撞试验，不必使用真的汽车便可显示出不同条件下的冲撞后果。

在虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起，成为人类探索客观世界规律的三大手段。

用它来设计新材料，可以预先了解改变成分对材料性能的影响。

在材料还没有制造出来之前便知道用这种材料制造出来的零件在不同受力情况下是如何损坏的。

以上仅列出虚拟现实技术的部分应用前景，可以预见，在不久的将来，虚拟现实技术将会影响甚至改变我们的观念与习惯，并将深入到人们的日常工作与生活。

六、虚拟现实技术在测绘领域的应用

1、三维激光扫描测量技术及在测绘领域的应用

随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，人们对空间三维信息的需求更加迫切。

基于测距测角的传统工程测量方法，在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟，新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量，GPS可以全天候、一天24小时精确定位全球任何位置的三维坐标，但它们多用于稀疏目标点的高精度测量。

随着传感器、电子、光学、计算机等技术的发展，基于计算机视觉理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流，但它在由三维世界转换为二维影像的过程中，不可避免地会丧失部分几何信息，所以从二维影像出发理解三维客观世界，存在自身的局限性。

因此，上述获取空间三维信息的手段难以满足应用的需求，如何快速、有效地将现实世界的三维信息数字化并输入计算机成为解决这一问题的瓶颈。

三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，为信息数字化发展提供了必要的生存条件。

20世纪90年代，随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格的逐步下降，它在测绘领域成为研究的热点，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。

使用国产地面激光扫描仪扫描的输电线三维模型

三维激光扫描测量技术的特点

   　三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。

它具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，可以极大地降低成本，节约时间，而且使用方便，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。

目前，生产三维激光扫描仪的公司有很多，它们各自的产品在测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同，可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后，选用不同的三维激光扫描仪产品。

机载激光雷达生成的三维地表模型

　　三维激光扫描技术发展

   　激光雷达（LightDetectionandRanging，简称LIDAR）是利用激光测距原理确定目标空间位置的新型测量仪器，通过逐点测定激光器发射信号与目标反射信号的相位（时间）差来获取激光器到目标的直线距离，再根据发射激光信号的方向和激光器的空间位置来获得目标点的空间位置。

通过激光器对物体表面的密集扫描，可获得物体的三维表面模型。

三维激光扫描测绘技术的测量内容是高精度测量目标的整体三维结构及空间三维特性，并为所有基于三维模型的技术应用而服务；传统三维测量技术的测量内容是高精度测量目标的某一个或多个离散定位点的三维坐标数据及该点三维特性。

前者可以重建目标模型及分析结构特性，并且进行全面的后处理测绘及测绘目标结构的复杂几何内容。

如：

几何尺寸、长度、距离、体积、面积、重心、结构形变，结构位移及变化关系、复制、分析各种结构特性等；而后者仅能测量定位点数据并且测绘不同定位点间的简单几何尺寸，如：

长度、距离、点位形变、点位移等。

按照空间位置分类，三维激光扫描设备可分为:

机载类和地面类。

2、三维激光扫描测量技术及在测绘领域的应用

1．机载扫描激光雷达

机载激光雷达简称LIDAR是指在飞机上搭载激光雷达、数字相机和定位定姿装置，以获取具有影像真实感的高精度数字表面模型（DSM）和数字高程模型（DEM）的新型测绘装备。

LIDAR系统通过扫描装置，沿航线采集地面点三维数据，通过特定方程解算处理成适当的影像值，生成LIDAR数据影像和地面高程模型DEM。

系统可自动调节航带宽度，使其与航摄宽度精确匹配。

在不同的实地条件下，平面精度可以达到0.15至1米，高程精度可达到10厘米，间隔可达到2-12米。

LIDAR是为综合航摄影像和空中数据定位而设计的，其独特性在于能快速为数字制图和GIS应用提供精确的地面模型数据。

由于激光脉冲不易受阴影和太阳角度影响，从而大大提高了数据采集的质量。

其高程数据精度不受航高限制，比常规摄影测量更具优越性。

LIDAR应用多光束返回采集高程，数据密度可达到常规摄影测量的三倍，可提供理想的数字高程模型DEM，大大提高了正射影像纠正精度。

LIDAR数据经过处理，可以直接与其它类型要素或影像数据合并，生产内容更为丰富的各类专题地图。

机载激光雷达系统与数字航摄仪、机载GPS及惯性导航系统（INS）相结合，使用大容量高速计算机，经过专用软件处理，可在空中完成地面高程模型DEM及数字正射影像图DOM的大规模生产，将大大提高航测成图的作业生产效率，减少生产环节，缩短生产周期，提高成图精度，提供更为丰富的地理信息。

2．地面激光扫描雷达（激光扫描仪）

地面激光扫描雷达也称激光扫描仪，地面激光扫描雷达按照平台分为地面、车载、船载和手持等类型。

地面激光雷达（Ground一BasedLightDetectionandRanging,Ground-BasedLIDAR）小型便捷、精确高效、安全稳定、可操作性强，能在几分钟内对所感兴趣的区域建立详尽准确的三维立体影像，能提供准确的定量分析，可广泛应用于各相关领域，如快速建立局部城市三维模型、古建筑测量与文物保护、逆向工程应用、复杂建筑物施工、地质研究、建筑物形变监测等领域。

地面三维激光扫描是在地面利用激光扫描装置自动、系统、快速（准实时）获取对象表面的三维坐标的测量技术。

它是一种高精度的测量手段,中、长距离的地面激光扫描仪的单点定位精度在±2毫米至±25毫米之间。

激光扫描与传统的单点测量（如全站仪、GPS测量）不同,可以获取被扫对象表面成千上万个点的三维坐标，而且可以获取对象表面的深度影像信息。

目前有瑞士Leica，美国的Tremble等公司有商用产品，每台在150万元左右，作用距离大多在100米以内。

国内已经有很成功的地面激光扫描仪，当前最大测距为200米，成本是进口的一半，换装大功率激光器后可以增大测量距离，根据需要可以达到1000米以上。

三维激光扫描技术的数据处理

利用三维激光扫描仪获取的点云数据构建实体三维几何模型时，不同的应用对象、不同点云数据的特性，三维激光扫描数据处理的过程和方法也不尽相同。

概括地讲，整个数据处理过程包括数据采集、数据预处理、几何模型重建和模型可视化。

数据采集是模型重建的前提，数据预处理为模型重建提供可靠精选的点云数据，降低模型重建的复杂度，提高模型重构的精确度和速度。

数据预处理阶段涉及的内容有点云数据的滤波、点云数据的平滑、点云数据的缩减、点云数据的分割、不同站点扫描数据的配准及融合等；模型重建阶段涉及的内容有三维模型的重建、模型重建后的平滑、残缺数据的处理、模型简化和纹理映射等。

实际应用中，应根据三维激光扫描数据的特点及建模需求，选用相应的数据处理策略和方法。

三维激光扫描技术的应用探讨

随着三维激光扫描测量技术、三维建模的研究以及计算机硬件环境的不断发展，其应用领域日益广泛，如制造业、文物保护、逆向工程、电脑游戏业、电影特技等，逐步从科学研究发展到进入了人们日常生活的领域。

三维激光扫描技术的介入促进了应用领域的发展，同时应用领域的大量需求成为其研究的动力，三维激光扫描测量技术在测绘领域有广泛的应用。

激光扫描技术与惯性导航系统（INS）、全球定位系统（GPS）、电荷耦合（CCD）等技术相结合，在大范围数字高程模型的高精度实时获取、城市三维模型重建、局部区域的地理信息获取等方面表现出强大的优势，成为摄影测量与遥感技术的一个重要补充。

同时在工程、环境检测和城市建设等方面均有成功的应用实例，如断面三维测绘、绘制大比例尺地形图、灾害评估、建立3D城市模型、复杂建筑物施工、大型建筑的变形监测等。

下面简要介绍一下主要应用：

①立体模型的建立：

此项功能是三维激光扫描技术的强项，主要用于物体立体模型的建立（房屋、桥梁、城堡、厂区设备等）、考古与文物保护、工业设备计测、三维数字地面模型建立、三维城市漫游建立，满足未来3D数据采集等方面。

②借助机载和船载激光扫描设备可以完成水地和地面地形测量。

③滑坡监测和确定滑坡区域：

通过比较两次或多次扫描数据，从而进行分析和确定滑坡区域和对滑坡区域检测，达到减灾防灾和对灾害造成范围的确定。

④逆向工程中的应用，是针对一现有工件样品或模型，利用手持三维激光扫描仪准确快速地将轮廓坐标测得，并加以建构曲面，编辑、修改后传输到CAD模型系统，再由工路径送至加工机，制作所需模具或送到快速成型机将样品模型制作出来。

三维激光扫描技术是快速获取三维空间信息的重要手段之一，特别对于测绘领域来说，伴随三维激光技术的不断完善与发展，以及三维控制信息需求的增加，三维空间技术将和现代经典测量技术相互融合，作为一种新的空间数据采集手段，三维激光扫描技术将具有广阔的发展空间，成为一种普遍在测绘领域应用的新技术手段。

七、总结：

虚拟现实技术是本世纪发展的重要技术之一，作为一门科学和艺术将会不断走向成熟，在各行各业中将得到广泛应用，并发挥神奇的作用，二十一世纪将是虚拟现实技术的时代。

当然，虚拟现实技术还是一门年轻的科学技术，尚存在不少有待解决的问题。

例如，在计算机生成的虚拟环境中，操作者每次转动头部，计算机必须更新三维图像，由于更新的数据太大，以致计算机还无法完成实时运算。

这就造成了系统滞后。

再如，美空军的虚拟现实模拟器产生的视觉运动信号与人的感觉之间也存在差异，容易引起头痛、眩晕等。

但不管怎样，虚拟现实技术毕竟开辟了富有发展潜力的新领域，它会随着时间的推移日臻完善，发挥的作用也将会越来越大。