2022年三维虚拟现实技术 .pdf

虚拟现实技术的演变发展及在军事地形学研究的影响三维虚拟现实技术研究报告（姓名：刘栋学号 :2009202140087）一前言随着计算机科学的飞速发展，虚拟现实技术已渗透进入了军事、工程、医学、 教育等各个方面， 并且在这些领域中起着重要的作用。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。三维虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境， 是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中去。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术、前沿学科和研究领域。三维虚拟现实技术具有以下四个重要特征多感知性。指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。存在感。 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辨真假的程度。交互性。 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。自主性。 指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。虚拟现实的关键技术主要包括：动态环境建模技术，实时三维图形生成技术，立体显示和传感器技术，应用系统开发工具，系统集成技术。二三维虚拟现实技术的演变发展及我国研究现状2.1 演变发展史虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段:有声、形、动态的模拟是蕴涵虚拟现实思想的第一阶段(1963 年以前 )、虚拟现实萌芽为第二阶段（1963 年1972 年） 、虚拟现实概念的产生和理论初步形成为第三阶段（1973 年1989 年） 、虚拟现实理论进一步的完善和应用为第四阶段（19902004 年） 。2.1.1 虚拟现实技术的前身虚拟现实技术是一种有效地模拟生物在自然环境中的视、听、动等行为的交互技术，其概念是发展的和变化的。虚拟现实技术与仿真技术的发展是息息相关的，它可追溯到中国古代(公元前468 年前 376 年)的战国时期， 据篇记载， “公输般竹木为鹊， 成而飞之， 三日不下”，其原材料是极薄的木片或竹片。后来人们在风筝上系上竹哨，利用风吹竹哨，声如筝鸣，故称“风筝”。 模拟飞行动物发明的有声风筝，这是有关中国古代人试验飞行器模型的最早记载。当人们在放风筝时， 远远望去栩栩如生的模拟飞行动物和人之间互动的大自然场景与其发出悦耳清新的筝鸣。风筝的拟真、 拟声、 互动的行为是仿真技术从古至今在人们生活中的应用，这一阶段历经了漫长的历史。后来该技术传到西方，西方人称风筝为飞行器。利用风筝的原理发明了飞机。人们由动物飞的行为得到了启发，产生了丰富的想象力，它推动了仿真技术的发展，也是虚拟现实技术的前身，蕴涵了虚拟现实的思想。仿真和计算机的发展促使了虚拟现实技术的萌芽。2.1.2 虚拟现实技术的萌芽阶段60 年代到70 年代初是虚拟现实思想萌芽阶段。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 60 年代初 Ivan Sutherland 教授在他的博士论文对有关计算机图形交互系统方面作了论述。 65 年他发表的论文“the ultimate display ”提出了感觉真实、交互真实的人机协作新理论。 1968 年他开发了头盔式立体显示器，后来他开发了一个虚拟系统，可称得上是第一个虚拟现实系统。它是基于传统习惯、花费又大、模型又过分简化了的一个虚拟世界。Ivan Sutherland 的论文和一个过于简单的虚拟世界是具有初始意义的虚拟现实技术，也正是虚拟现实技术的萌芽。由于在图形方面的显示和交互，因此人们称他为图形学之父。2.1.3 虚拟现实概念和理论的初步形成1973 年到1989 年为虚拟现实技术的第三阶段。1973 年 Myron Krurger 提出了“ Artificial Reality ”这是早期出现的虚拟现实的词。从字面上来看，它具有虚拟现实的含义。80 年代初到中期，美国国家航空和宇宙航行局(NASA)及美国国防部开始研究外层空间环境。 1984 年 NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy 和 J.Humphries 博士开发了虚拟环境视觉显示器用于火星探测，将探测器发回地面的数据输入计算机，构造了火星表面的三维虚拟环境。之后 NASA 又投入了资金对虚拟现实技术进行研究和开发，像非接触式的跟踪器。85年以后 (89 年)，由 Fisher 的加盟在Jaron Lanier 的接口程序的基础上作了进一步的研究。随后在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等设备。参加该项目的Warren Robinett 是一个交互式计算机图形软件的设计者设计了虚拟工作站，可以称得上是NASAs虚拟现实项目的先驱。很快 由美国的Stone 和 Hennequin 共同发明了数据手套。第一个数据手套被NASA 用于虚拟现实，由Warren Robinett 构思和实现手套与虚拟世界的交互技术。可以说手套、头盔是实现VR 的硬件，交互式接口技术是实现VR 的软件。2.1.4 虚拟现实理论的完善和全面应用1990 年到2004 年为虚拟现实技术的第四阶段Burdea G和 Coiffet 在 1994年出版的虚拟现实技术一书中描述了VR 的三个基本特征3I （Imagination 、Interaction 、Immersion ） ，这是在James. D. Foley 教授1987 年提出的的三个关键元素 （2I+ B）的基础上作了进一步完善，Burden 认为在 2I 的基础上增加I(Immersion) 能更好地表示任何VR 系统的属性。 因此，他用3I 精辟地概括VR 的特征。 这是对VR 技术和理论的进一步完善。1992 年 Sense8 公司开发了“ WTK”开发包，为VR 技术提供更高层次上的应用。1994 年 3 月在日内瓦召开的第一届WWW 大会上， 首次正式提出了VRML 这个名字。后来又出现了大量的VR 建模语言，如：X3D ，Java3D等。增强现实 (Augmented Reality) 技术成为VR 的一个分支，北京理工大学王涌天教授在这方面的研究取得了一些成果。大容量显示器的开发是VR发展的结果。美国的Jesse Eichenlaub 于 1986 年提出开发一个全新的三维可视系统，其目标是使观察者不要那些立体眼镜、头跟踪系统、 头盔等笨重的辅助东西也能达到同样效果的三维逼真的VR 世界。经过十年以后,2D/3D 转换立体显示器(DTI 3D display)问世，用肉眼直接从虚拟窗口看到的小轿车好像从屏幕中开了出来。虚拟窗口的显示器原理是根据左右眼视差，采用一个棱镜(prism)及面罩置于平面显示装置的象素柱前、 一个眼跟踪器、 一个置于平面显示后面的立体照相机、一个眼跟踪单元等装置组成虚拟窗口立体显示器。这种三维显示器还有用全息光衍原理来实现的。人机交互技术是VR 早期研究的关键，也是热点，为了构造VR 世界，实现VR 的三个基本元素和特征。 人们在鼠标和键盘的基础上发明了数据手套、立体眼镜、 头盔式显示器、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 语音识别器等， 直至现在虚拟窗口立体显示器、多屏立体显示器等。另外，多通道同步立体投影虚拟现实系统的应用、多管道图形加速卡的问世为VR 技术的应用提供了更好的硬件技术和低的成本。 我国中科院戴国忠研究员、北京大学董士海教授等学者在人机交互方面作了研究，从不同的角度论述了无所不在的计算对人类的挑战，并在这方面取得了成果。2.2 国虚拟现实技术的研究现状和一些发达国家相比，我国vR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展vR技术的研究。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。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校， 已积极投入到了这一领域的研究工作。国内最早开展此项技术试验的是挂靠在西北工业大学电子工程系的西安虚拟现实工程技术研究中心。该中心的成立， 对发挥学校电子信息工程学院等其他院系和研究所在虚拟现实、虚拟仿真与虚拟制造等方面的研究优势将具有积极作用。北京航宇航天大学计算机系也是国内最早进行vR研究、最有权威的单位之一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并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，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境 提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。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，采用了层面迭加绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外， 他们还研制出， 在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进刚格的快速生成算法。哈尔滨工业大学已轻成功地虚拟出了人的高级行为巾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，井正在研究人说话时头势和手势动作，话音和语调的同步等。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，例如球面屏幕显示和图像随动、 克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。他们还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三堆结构的新颖算法。三、虚拟技术在军事地形学研究中的应用3.1 军事地形学的重要作用军事地形学 是军事科学的重要分支，是专门研究作战活动与地形之间的依存、制约关系，揭示作战与地形之间规律的一门应用性学科，是军队学历教育院校各专业学员的必修课。良好的军事地形学综合应用能力在部队任职工作中发挥着非常重要的作用。军事斗争准备对军事地形学的现实需求也日益清晰，集中体现在指挥人员对战场环境的认知能力培养、运用测绘导航信息系统提高分析和利用地形的能力等方面，要贯穿到指挥机关筹备谋划和指挥作战的全过程。3.2 虚拟技术研究的意义随着信息技术的迅猛发展，特别是数字地球概念的提出和各种网络应用的广泛普及，使各国都加强了国家信息基础设施在提高包括军事在内的综合国力中的作用的研究。在我国许多省、市把它作为经济发展的一个重要战略，以虚拟现实为核心的空间信息技术是建设数字城市的基础技术， 它与无线通信、 宽带网络和无线网络的融合，将为作战和训练提供立体的、多层面的信息服务。此项技术在上世纪90 年代在我国起步，经过十余年的发展，已经成为整合了计算机图形学、网络技术、虚拟现实技术、增强现实技术、 海量数据挖掘技术的信息化终端。 在军事上， 也成为指挥自动化系统中对战场关键因素地形显示和利用的有效平名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 台。是我军信息化发展的重要发展基础。军内多项重大科研改革都与其息息相关。但在军事教育方面，其发挥的作用还不甚明显。3.3 与军事地形研究的联系军事地形学对学员的实际动手能力要求较高，需要学员进行实际的操作和不断的将地形与手中地图进行对照，使学员加强对地图的社会与自然要素认知的能力。虚拟技术可使学员野外用图训练的效率增加，直观性增强，能力形成周期缩短。部分代替野外训练，增加训练效益。构建信息化条件下与作战需求相适应的军事地形学训练内容体系，通过深化训练内容改革，解决信息化条件下军事地形学“训什么、怎么训”的问题。将逐步运用于地形分析和辅助决策的测绘导航信息系统和具备导航定位功能的测绘装备应用性训练纳入军事地形学教学内容体系之中。纸质地图，这是学员训练的基础，建设地图+虚拟现实相结合的教学新方法， 能实现多视角、形象、直观的对地图的理解和地形信息的把握，高质量地完成各种图上量测、 标图的作业， 能有效解决直观感受和空间想象的距离问题，促进课堂的师生互动环节，能够直观的完成某一地域的地域分析和局部地形分析。同时， 在训练中引入卫星导航定位系统的使用，能迅速确定站立点，实时验证学员判断结果，减少盲目性。四虚拟现实技术的进一步展望虚拟现实技术是许多相关学科领域交义、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、计算机图彤学、智能控制、心理学等。虽然这个领域的技术潜刀是巨大的， 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加工处理成为人对客观世界的认识” 这一重要过程。 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町能被彻底的克服。我们期待着有朝一日，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郭齐胜战场环境仿真M 北京：国防工业出版社，20052何江华，郭果敢.计算机仿真与军事应用M 北京：国防工业出版社，2006 3洪炳铭，蔡则苏，唐好选虚拟现实及其应用M 北京：国防工业出社20054巫影 .虚拟现实技术综述J计算机与数字工程，2002. 5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. 6蒋庆全 .国外 vR技术发展综述 J飞航导弹， 2002. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -