虛擬現實技術的發展



虛擬現實是一種由計算機和電子技術創造的新世界,是一個看似真實的模擬環境,通過多種傳感設備,用戶可根據自身的感覺,使用人的自然技能對虛擬世界中的物體進行考察和操作,參與其中的事件,同時提供視、聽、觸等直觀而又自然的實時感知,并使參與者“沉浸”于模擬環境中。



虛擬現實技術(VR)主要包括模擬環境、感知、自然技能和傳感設備等方面。模擬環境是由計算機生成的、實時動態的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應該具有一切人所具有的感知。除計算機圖形技術所生成的視覺感知外,還有聽覺、觸覺、力覺、運動等感知,甚至還包括嗅覺和味覺等,也稱為多感知。自然技能是指人的頭部轉動,眼睛、手勢、或其他人體行為動作,由計算機來處理與參與者的動作相適應的數據,并對用戶的輸入做出實時響應,并分別反饋到用戶的五官。傳感設備是指三維交互設備。常用的有立體頭盔、數據手套、三維鼠標、數據衣等穿戴于用戶身上的裝置和設置于現實環境中的傳感裝置,如攝像機、地板壓力傳感器等。



VR具有以下四個重要特征:

① 多感知性。指除一般計算機所具有的視覺感知外,還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知,甚至還包括味覺、嗅覺、感知等。理想的虛擬現實應該具有一切人所具有的感知功能。

② 存在感。指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該達到使用戶難辨真假的程度。

③ 交互性。指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度。

④ 自主性。指虛擬環境中的物體依據現實世界物理運動定律動作的程度。

虛擬現實的關鍵技術主要包括:動態環境建模技術、實時三維圖形生成技術、立體顯示和傳感器技術、應用系統開發工具、系統集成技術。

 
國外虛擬現實技術的研究現狀

美國

美國是VR技術的發源地。美國VR研究技術的水平基本上就代表國際VR發展的水平。目前美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。

美國宇航局的Ames實驗室:將數據手套工程化,使其成為可用性較高的產品。在約翰遜空間中心完成空間站操縱的實時仿真。大量運用了面向座艙的飛行模擬技術。對哈勃太空望遠鏡的仿真?,F在正致力于一個叫“虛擬行星探索”(VPE)的試驗計劃?,F在NASA己經建立了航空、衛星維護VR訓練系統,空間站VR訓練系統,并且已經建立了可供全國使用的VR教育系統。

北卡羅來納大學(UNC)的計算機系是進行VR研究最早最著名的大學。他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術仿真、建筑仿真等。

Loma Linda大學醫學中心的David Warner博士和他的研究小組成功地將計算機圖形及VR的設備用于探討與神經疾病相關的問題,首創了VR兒科治療法。

麻省理工學院(MIT)是研究人工智能、機器人和計算機圖形學及動畫的先鋒,這些技術都是VR技術的基礎,1985年MIT成立了媒體實驗室,進行虛擬環境的正規研究。

SRI研究中心建立了“視覺感知計劃”,研究現有VR技術的進一步發展。1991年后,SRI進行了利用VR技術對軍用飛機或車輛駕駛的訓練研究,試圖通過仿真來減少飛行事故。

華盛頓大學華盛頓技術中心的人機界面技術實驗室(HIT Lab)將VR研究引入了教育、設計、娛樂和制造領域。伊利諾斯州立大學研制出在車輛設計中支持遠程協作的分布式VR系統。

喬治梅森大學研制出一套在動態虛擬環境中的流體實時仿真系統。從90年代初起,美國率先將虛擬現實技術用于軍事領域,主要用于以下四個方面:一是虛擬戰場環境。二是進行單兵模擬訓練。三是實施諸軍兵種聯合演習。四是進行指揮員訓練。



歐洲

在歐洲,英國在VR開發的某些方面,特別是在分布并行處理、輔助設備(包括觸覺反饋)設計和應用研究方面,在歐洲來說是領先的。英國Bristol公司發現,VR應用的交點應集中在整體綜合技術上,他們在軟件和硬件的某些領域處于領先地位。英國ARRL公司關于遠地呈現的研究實驗,主要包括VR重構問題。他們的產品還包括建筑和科學可視化計算。

歐洲其它一些較發達的國家如:荷蘭、德國、瑞典等也積極進行了VR的研究與應用。

瑞典的DIVE分布式虛擬交互環境,是一個基于Unix的,不同節點上的多個進程可以在同一世界中工作的異質分布式系統。

荷蘭海牙TNO研究所的物理電子實驗室(TNO-PEL)開發的訓練和模擬系統,通過改進人機界面來改善現有模擬系統,以使用戶完全介入模擬環境。

德國在VR的應用方面取得了出乎意料的成果。在改造傳統產業方面,一是用于產品設計、降低成本,避免新產品開發的風險;二是產品演示,吸引客戶爭取定單;三是用于培訓,在新生產設備投入使用前用虛擬工廠來提高工人的操作水平。

2008年10月27-29日在法國舉行的ACM Symposium on Virtual Reality Software and Technology大會,整體上促進了虛擬現實技術的深入發展。



亞洲

在亞洲,日本虛擬現實技術研究發展十分迅速,同時韓國、新加坡等國家也在積極開展虛擬現實技術方面的研究工作。

在當前實用虛擬現實技術的研究與開發中日本是居于領先地位的國家之一,主要致力于建立大規模VR知識庫的研究。另外在虛擬現實的游戲方面的研究也做了很多工作。

東京技術學院精密和智能實驗室研究了一個用于建立三維模型的人性化界面。

NEC公司開發了一種虛擬現實系統,它能讓操作者都使用“代用手”去處理三維CAD中的形體模型,該系統通過數據手套把對模型的處理與操作者手的運動聯系起來。


京都的先進電子通信研究所(ATR)正在開發一套系統,它能用圖像處理來識別手勢和面部表情,并把它們作為系統輸入。

日本國際工業和商業部產品科學研究院開發了一種采用X、Y記錄器的受力反饋裝置。

東京大學的高級科學研究中心將他們的研究重點放在遠程控制方面,最近的研究項目是主從系統。該系統可以使用戶控制遠程攝像系統和一個模擬人手的隨動機械人手臂。

東京大學原島研究室開展了3項研究:人類面都表情特征的提取、三維結構的判定和三維形狀的表示、動態圖像的提取。

東京大學廣瀨研究室重點研究虛擬現實的可視化問題。為了克服當前顯示和交互作用技術的局限性,他們正在開發一種虛擬全息系統。

筑波大學研究一些力反饋顯示方法,開發了九自由度的觸覺輸入器,虛擬行走原型系統。

富士通實驗室有限公司正在研究虛擬生物與VR環境的相互作用。他們還在研究虛擬現實中的手勢識別,已經開發了一套神經網絡姿勢識別系統,該系統可以識別姿勢,也可以識別表示詞的信號語言。



虛擬現實技術的幾個瓶頸問題

(1)虛擬環境表示的準確性。為使虛擬環境與客觀世界相一致,需要對其中種類繁多、構形復雜的信息做出準確、完備的描述。同時,需要研究高效的建模方法,重建其演化規律以及虛擬對象之間的各種相互關系與相互作用。

(2)虛擬環境感知信息合成的真實性。抽象的信息模型并不能直接為人類所直接感知,這就需要研究虛擬環境的視覺、聽覺、力覺和觸覺等感知信息的合成方法,重點解決合成信息的高保真性和實時性問題,以提高沉浸感。

(3)人與虛擬環境交互的自然性。合成的感知信息實時地通過界面傳遞給用戶,用戶根據感知到的信息對虛擬環境中事件和態勢做出分析和判斷,并以自然方式實現與虛擬環境的交互。這就需要研究基于非精確信息的多通道人機交互模式和個性化的自然交互技術等,以提高人機交互效率。

(4)實時顯示問題。盡管理論上講能夠建立起高度逼真的,實時漫游的VR,但至少現在來講還達不到這樣的水平。這種技術需要強有力的硬件條件的支撐,例如速度極快的圖形工作站和三維圖形加速卡,但目前即使是最快的圖形工作站也不能產生十分逼真,同時又是實時交互的VR。其根本原因是因為引入了用戶交互,需要動態生成新的圖形時,就不能達到實時要求,從而不得不降低圖形的逼真度以減少處理時間,這就是所謂的景物復雜度問題。

(5)圖形生成。圖形生成是虛擬現實的重要瓶頸,虛擬現實最重要的特性是人可以在隨意變化的交互控制下感受到場景的動態特性,換句話說,虛擬現實系統要求隨著人的活動(位置、方向的變化)即時生成相應的圖形畫面。

(6)智能技術(Artificial Intelligence,簡稱AI)。在VR中,計算機是從人的各種動作,語言等變化中獲得信息,要正確理解這些信息,需要借助于AI技術來解決,如語音識別、圖像識別、自然語言理解等,這些智能接口領域的研究課題是VR技術的基礎,同時也是VR技術的難點。本質上,上述6個問題的解決使得用戶能夠身臨其境地感知虛擬環境,從而達到探索、認識客觀事物的目的。概括地說,圍繞著虛擬現實展開的研究都是圍繞著這6個基本問題的。

 
虛擬現實技術的未來發展趨勢

VR技術的實質是構建一種人為的能與之進行自由交互的“世界”,在這個“世界”中參與者可以實時地探索或移動其中的對象。沉浸式虛擬現實是最理想的追求目標,實現的方式主要是戴上特制的頭盔顯示器、數據手套以及身體部位跟器,通過聽覺、觸覺和視覺在虛擬場景中進行體驗??梢灶A測短期內游戲玩家可以戴上頭盔身著游戲專用衣服及手套真正體驗身臨其境的“虛擬現實”游戲空間,它的出現將淘汰現有的各種大型游戲,推動科技的發展??v觀VR的發展歷程,未來VR技術的研究仍將延續“低成本、高性能”原則,從軟件、硬件兩方面展開,發展方向主要歸納如下:

(1)動態環境建模技術。虛擬環境的建立是VR技術的核心內容,動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據,并根據需要建立相應的虛擬環境模型。

(2)實時三維圖形生成和顯示技術。三維圖形的生成技術已比較成熟,而關鍵是怎樣“實時生成”,在不降低圖形的質量和復雜程度的基礎上,如何提高刷新頻率將是今后重要的研究內容。此外,VR還依賴于立體顯示和傳感器技術的發展,現有的虛擬設備還不能滿足系統的需要,有必要開發新的三維圖形生成和顯示技術。

(3)新型交互設備的研制。虛擬現實技術實現人能夠自由與虛擬世界對象進行交互,猶如身臨其境,借助的輸入輸出設備主要有頭盔顯示器、數據手套、數據衣服、三維位置傳感器和三維聲音產生器等。因此,新型、便宜、魯棒性優良的數據手套和數據服將成為未來研究的重要方向。

(4)智能化語音虛擬現實建模。虛擬現實建模是一個比較繁復的過程,需要大量的時間和精力。如果將VR技術與智能技術、語音識別技術結合起來,可以很好地解決這個問題。我們對模型的屬性、方法和一般特點的描述通過語音識別技術轉化成建模所需的數據,然后利用計算機的圖形處理技術和人工智能技術進行設計、導航以及評價,將模型用對象表示出來,并且將各種基本模型靜態或動態地連接起來,最終形成系統模型。人工智能一直是業界的難題,人工智能在各個領域十分有用,在虛擬世界也大有用武之地,良好的人工智能系統對減少乏味的人工勞動具有非常積極的作用。

(5)分布式虛擬現實技術的展望。分布式虛擬現實是今后虛擬現實技術發展的重要方向。隨著眾多DVE開發工具及其系統的出現,DVE本身的應用也滲透到各行各業,包括醫療、工程、訓練與教學以及協同設計。仿真訓練和教學訓練是DVE的又一個重要的應用領域,包括虛擬戰場、輔助教學等。另外,研究人員還用DVE系統來支持協同設計工作。近年來,隨著Internet應用的普及,一些面向Internet的DVE應用使得位于世界各地多個用戶可以進行協同工作。將分散的虛擬現實系統或仿真器通過網絡聯結起來,采用協調一致的結構、標準、協議和數據庫,形成一個在時間和空間上互相耦合的虛擬合成環境,參與者可自由地進行交互作用。特別是在航空航天中應用價值極為明顯,因為國際空間站的參與國分布在世界不同區域,分布式VR訓練環境不需要在各國重建仿真系統,這樣不僅減少了研制費和設備費用,減少了人員出差的費用以及異地生活的不適。

 
近幾十年來,通信技術、計算機的同步發展和相互促進成為世界上信息技術與產業飛速發展的主要特征。特別是網絡技術的迅速崛起與普及,使得信息應用系統在深度和廣度上發生了質的變化。虛擬現實主要依靠人機交互的發展,目前技術上已初步解決人腦數據的讀取,在不久的將來,開發者將完全解決通過神經系統自動進入虛擬現實環境的“人腦——計算機接口”問題,通過對人腦提取和反饋神經信號使人完全融入“虛擬現實”世界。當然從技術角度,我們應該對基于多用戶虛擬環境進行必要的技術研究。因為將來的VR技術將越來越重視人在其中的交互。虛擬現實充滿活力、具有無限的應用前景的高新技術領域,但仍然存在許多有待解決與突破的問題。為了提高系統的交互性、逼真性和沉侵性,在新型傳感和感知肌理、幾何與建模新方法、高性能計算,特別是高速圖形圖像處理,以及人工智能、心理學、社會學等方面都有許多具有挑戰性的問題有待我們進一步解決。

虛擬現實技術是本世紀發展的重要技術之一,作為一門科學和藝術將會不斷走向成熟,在各行各業中將得到廣泛應用,并發揮神奇的作用,二十一世紀將是虛擬現實技術的時代。

掃描二維碼分享到微信

白带发黄外阴特痒_网络黄色片_yy0048高清影院理论_在线观看视频精品_欧美精品狠狠色丁香婷婷_美码5码是中国多少码_