多媒体技术结课论文_多媒体技术结课论文
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多媒体技术结课论文
————多媒体技术在虚拟现实领域的应用
姓名张宏亮
班级10信科1班
学号10780107
系部电子与信息工程系
摘要：本文全面回顾了虚拟现实技术的发展历史和研究背景，介绍了虚拟现实技术的构成和技术特点，分析了虚拟现实系统在遥现技术、仿真技术、对象可视化技术等方面的应用现状，并论述了虚拟现实系统的发展。
关键词：虚拟现实 虚拟环境 虚拟现实系统
首先，我们来说一下什么是虚拟现实技术，虚拟现实技术（Virtual Reality），又称灵境技术，是90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时；同时，它在许多不同领域的应用，可以带来巨大的经济效益。
1965年，Sutherland在篇名为>的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。随后的1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一个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Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词。
80年代，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。1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy 和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站（VIEW）项目中，他们又开发了通用多传感个人仿真器和遥现设备。
进入90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。[1]
其次，纵观虚拟现实的研究现状，VR 技术最早在20 世纪中期由美国VPL探索公司和它的创始人JaronLanier 提出这一概念, 后来美国宇航局(NASA)的艾姆斯空间中心利用流行的液晶显示电视和其它设备,开始研制低成本的虚拟现实系统,推动了该技术硬件的进步。目前,虚拟现实技术已获得了长足的发展。在国内,20 世纪80 年代末开始进行研究,目前还处于初级阶段。
美国作为VR 技术的发源地,其研究水平基本上就代表国际VR 发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。[2]
美国宇航局(NASA)的Ames实验室研究主要集中在以下方面:将数据手套工程化,使其成为可用性较高的产品;在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真;大量运用了面向座舱的飞行模拟技术;对哈勃太空望远镜的仿真。现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”(VPE)的试验计划。[3] 现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR 训练系统,空间站VR训练系统,并且已经建立了可供全国使用的VR 教育系统。北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR 研究最早的大学,他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。
LomaLinda 大学医学中心的DavidWarner 博士和他的研究小组成功地将计算机图形及VR 的设备用于探讨与神经疾病相关的问题,首创了VR 儿科治疗法。
麻省理工学院(MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋,这些技术都是VR 技术的基础,1985年MIT成立了媒体实验室,进行虚拟环境的正规研究。
华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(HITLab),将VR 研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。从90 年代初起,美国率先将虚拟现实技术用于军事领域,主要用于以下四个方面:虚拟战场环境;进行单兵模拟训练;实施诸军兵种联合演习;进行指挥员训练。
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,英国是领先的,尤其是在欧洲。英国主要有四个从事VR 技术研究的中心：[4]
Windustries(工业集团公司),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;BritishAerospace(英国航空公司BAe)的Brough分部,正在利用VR技术设计高级战斗机座舱;DimensionInternational, 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;DivisonLTD公司在开发VISION、ProVision 和Su2pervision系统P模块化高速图形引擎中,率先使用了Transputer和i860 技术。
日本主要致力于建立大规模VR 知识库的研究,在虚拟现实的游戏方面的研究也处于领先地位。
京都的先进电子通信研究所(ATR)正在开发一套系统,它能用图像处理来识别手势和面部表情,并把它们作为系统输入;富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与VR 环境的相互作用,他们还在研究虚拟现实中的手势识别,已经开发了一套神经网络姿势识别系统,该系统可以识别姿势,也可以识别表示词的信号语言。[2] 日本奈良尖端技术研究生院大学教授千原国宏领导的研究小组于2004 年开发出一种嗅觉模拟器,只要把虚拟空间里的水果拉到鼻尖上一闻,装置就会在鼻尖处放出水果的香味,这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破。
我国VR 技术研究起步较晚,与国外发达国家还有一定的差距,但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视,并根据我国的国情,制定了开展VR 技术的研究计划。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR 列入了研究项目。国内一些重点院校,已积极投入到了这一领域的研究工作。
北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR 研究、最有权威的单位之一,并在以下方面取得进展:着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理;在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件,并提出有关算法及实现方法;实现了分布式虚拟环境网络设计,可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。
浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统,还研制出了在虚拟
环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法;哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题;清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究;西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——立体显示技术进行了研究,提出了一种基于JPEG 标准压缩编码新方案,获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度;北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一,中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心。
再次，虚拟现实技术的构成，从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。
虚拟现实的定义可以归纳如下：虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场等），通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实技术因此具有以下四个重要特征：[5]
所谓多感知性就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。
又称临场感，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。
交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。
是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。
虚拟现实系统的模型表示如图1。用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它 反馈信息（如触觉、力觉反馈等）。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用（如遥操作等）。
虚拟现实系统主要由以下六个模块构成检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。
反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。
传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面 将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。
控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。
建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。
最后，来说一下虚拟现实技术的实际应用，虚拟现实技术的应用前景是很广阔的。它可应用于建模与仿真、科学计算可视化、设计与规划、教育与训练、遥作与遥现、医学、艺术与娱乐等多个方面，遥现技术[6]是指当实际上在某一个地方时，可以产生在另一个地方的感觉。虚拟现实涉及到体验由计算机产生的三维虚拟环境，而遥现则涉及到体验一个遥远的真实环境。遥现技术在实际应用中需要虚拟环境的指导。例如，在遥控宇宙空军站的开发计划中，从安全性以及费用的角度考虑，我们有必要使用空间机器人。这种空间机器人的特点是由地面上的操作员进行遥操作，或进行部分自主操作。对于像零件更换的固定操作可以完全自主进行，而对于故障检修等难以预测的操作则有必要依赖于遥操作。这时，虚拟现实技术和遥现技术将发挥重要的作用。为研究新一代空间机器人的遥操作技术，日本开发了宇宙开发地面实验平台。该实验平台有人－机交互、计算机系统以及机器人系统所构成。现在，在该实验平台上进行了零件更换等空间机器人的典型操作实验，实现了实验平台的基本功能。
虚拟环境是计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。因此，虚拟环境是一种新发展的、具有新含义的一种人机交互系统。
飞行仿真系统由四部分组成，即飞行员的操纵舱系统显示外部图象的视觉系统产生运动感的运动系统计
算和控制飞行运动的计算机系统。
计算机系统是飞行仿真系统的中枢，用它来计算飞行的运动、控制仪表及指示灯、驾驶杆等信号。视觉系统和运动系统与虚拟现实密切相关，其中，视觉系统向飞行员提供外界的视觉信息。该系统由产生视觉图象的“图象产生部”和将产生的信号提供给飞行员的“视觉显示部”组成。在图象产生部，随着计算机图形学的发展，现在使用称为CGI（Computer Generated Imagery）的视觉产生装置。在CGI中利用纹理图形驾驶可以产生云彩、海面的波浪等效果。另外，利用图象映射驾驶可以从航空照片上将农田以及城市分离出来，并作为图象数据加以利用。视觉显示部向飞行员提供具有真实感的图象，图象的显示有无限远显示方式、广角方式、半球方式以及立体眼镜和头盔式显示器等四种方式。
作为飞行仿真系统的构成部分，运动系统向飞行员提供一种身体感觉，它使得驾驶舱整体产生运动，根据自由度以及驱动方式的不同，可以分为万向方式、共动型吊挂方式、共动型支撑方式以及共动型六自由度方式等。利用该运动系统，飞行员可以感觉到实际飞机一样的运动感觉。
研究人员设计了一种与虚拟生物对话的仿真系统。在该系统中，虚拟世界中的虚拟生物和现实世界中的生物一样，可以决定自己的行动，并且能够动态地应付周围的情况。对于人的挑逗也能够根据情况的不同作出各种复杂的反应，甚至能够进行对话。通过引进虚拟生物，可以实现系统的自主性、交互性及其自然的魅力。
各个国家在传统上习惯于通过举行实战演习来训练军事人员和士兵，但是这种实战演练，特别是大规模的军事演习，将耗费大量资金和军用物资，安全性差，而且还很难在实战演习条件下改变状态，来反复进行各种战场态势下的战术和决策研究。近年来，虚拟现实技术的应用，使得军事演习在概念上和方法上有了一个新的飞跃，即通过建立虚拟战场来检验和评估武器系统的性能。例如一种虚拟战场环境，它能够包括在地面行进的坦克和装甲车，在空中飞行的直升机、歼击机、导弹等多种武器平台，并分别属于红、兰交战双方。
在科学研究中，人们总会面对大量的随机数据，为了从中得到有价值的规律和结论，需要对这些数据进行认真分析。例如，为了设计出阻力小的机翼，人们必须详细分析机翼的空气动力学特性。因此人们发明了风洞实验方法，通过使用烟雾气体使得人们可以用肉眼直接观察到气体与机翼的作用情况，因而大大提高了人们对机翼的动力学特性的了解。虚拟风洞的目的是让工程师分析多旋涡的复杂三维性质和效果、空气循环区域、旋涡被破坏时的乱流等，而这些分析利用通常的数据仿真是很难可视化的。[7] 在学习过程中，学生总有许许多多的疑问有待解答。虚拟物理实验室[8]的设计使得学生可以通过亲身实践―做、看、听来学习的方式成为可能。使用该系统，学生们可以很容易的演示和控制力的大小、物体的形变与非形变碰撞、摩擦系数等物理现象。为了显示物体的运动轨迹，可以对不同大小和质量的运动物体进行轨迹追踪。还可以停止时间的推移，以便仔细观察随时间变化的现象。学生可以通过使用数据手套与系统进行各种交互。
在现行的电力控制室的设计中，控制台以及显示器的设计一般是用和实物同等大小的模型。研究人员使用虚拟现实技术研制了一个辅助设计控制室的系统。使用该系统可以自由地改变控制室内的配色、照明、报警、显示器的画面构成，以及各种仪表的配置等室内环境。另外，用户还可以在室内移动，以便从不同方向观察室内情况。
现在人们正在研究将图形与实际图象进行融合的系统。使用该系统可以用虚拟空间监视远方的现场，也可以给用户一种自由往返于虚拟空间和远方现场的感觉。但是，目前还没有合适的输出装置。相信这种需要必将会促进虚拟现实技术中硬件装置的研制。
正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。
它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等[9]。我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题，还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程[10]。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息
处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。我们期待这有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。
参考文献
[1] 汪成为，高文，王行仁.灵境（虚拟现实）技术的理论、实现及应用 清华大学出版社 1996.[2] 姜学智,李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报,2004,23(2):2382240
[3] 蒋庆全.国外VR 技术发展综述[J].飞航导弹,2002,(1):27234
[4] 吴迪,黄文骞.虚拟现实技术的发展过程及研究现状[J].海洋测绘,2002,22(6):15217
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