虚拟现实技术简介.pdf

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1、 1 虚拟现实简介及行业发展前景 一、虚拟现实简介 虚拟现实(Virtual Reality，简称 VR，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。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、没有限制地观察三度空间内的事物 百科内容：VR 是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。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

2、 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。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“

3、投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。2 二、虚拟现实分类 行业概况：北京傲唯刃道科技有限公司甘健先生认为：供求关系是一个行业能否快速发展的前提。目前来看，市场需求是很大的，而供应方面却略显不足，尤其是拥有核心知识产权，专利产品及服务质量过硬的企业并不多，行业整体缺乏品牌效应。在需求旺盛的阶段，行业需求巨大，发展前景好，这是毋庸置疑的。但如何保持行业的健康，稳定且可持续发展，需要业内企业的共同努力，尤其需要发挥吃毛求疵的研发精神，进一步提高研发技艺，降低成本，真正解决客户的实际困难，严把质量关，提供最可靠的产品及服务。当前，北京傲唯刃道科技有限公司比较关注

4、的领域包括：（AR、增强现实、VR、虚拟现实、多点触摸、多点触控、云技术、云端、云智慧、数字沙盘、电子沙盘、数字城市、数字社区、数码城市、智慧城市、互联网城市、数字地产、虚拟旅游、数字旅游、汽车仿真、军事仿真、多媒体沙盘、互动沙盘、数字家庭、数字农业、数字地球、数字校园、地理信息系统、城市作息化、Ipad 售楼、边缘融合、三维数字仿真、全息技术、数字模型、环幕投影、虚拟楼盘、文物古物复原、展品复原、电子翻书、虚拟仿真、建筑动画、三维图形、企业宣传片、仿真技术、立体投影、影视动画、非线性编辑、电脑动画、数字媒体、虚拟制造、视景仿真、人工智能、虚拟世界、产品动画、虚拟社区、增强实境、体感游戏、体感

5、手机、体感运动机、体感技术、体感控制、数字互动媒体、人机交互等）3 三、空间信息可视化的形式 地图是空间信息可视化的最主要的形式，也是最古老的形式。在计算机上，将空间信息用图形和文本表示，是在计算机图形学出现的同时也就出现了。这是空间信息可视化的较为简单而常用的形式，可以说是一维形式，多媒体技术的产生和发展，使空间信息可视化进入一个崭新的时期。可视化的形式也五彩缤纷，呈现多维化的局面，并正在发展，现把空间信息可视化主要形式介绍于下：1、地图：它有两种形式：纸质或其它介质地图及屏幕上的电子地图。由于计算机技术的发展，这两种形式仅是计算机上数字地图的硬、软拷贝的差别。硬拷贝的是纸质地图，软拷贝-屏

6、幕上的电子地图比前者具有更多的优点：其制作灵活，形式极其多样，修改制作方便，周期短，色彩丰富，动态性强，查询方便、快捷。从而使人们能从不同的高度、不同的方式、不同的角度和不同的详细程度来观察空间客体信息；2、多媒体地学信息：综合、形象地表现空间信息的使用文本、表格、声音、图像、图形、动画、音频、视频各种形式逻辑地联接并集成为一个整体概念，是空间信息可视化的重要形式。各种多媒体形式能够形象、真实地表示空间信息某些特定方面，作为全面地表示空间信息的不可缺少的手段。3、三维仿真地图 三维仿真地图是基于三维仿真和计算机三维真实图形技术而产生的三维地图，经具有仿真的形状、光照、纹理，也可以进行各种三维的

7、量测和分析。4 4、虚拟现实 虚拟现实是空间信息可视化进一步研究和发展的新方式。它是由计算机和其它设备如头盔、数据手套等组成的高级人-机交互系统，以视觉为主，也结合听、触、嗅甚至味觉来感知的环境，使人们有如进入真实的地理空间环境之中并与之交互作用。四、地学可视化的类型 GIS 的多维可视化是指采用 2.5 维、3 维和 4 维等地图表现形式反映地理实体的多维特征。包括：地图可视化 GIS 可视化 专业应用领域可视化 1、地图可视化类型（1）虚拟地图，在计算机屏幕上产生的地图。（2）动态地图，由于地学数据存储于计算机内存，可以动态显示地学数据的不同角度的观察，不同方法的表示结果，或者随时间的变化

8、结果。（3）交互交融地图，是指人可与地图进行相互作用和信息交流。交互即相互改变显示行为，交融即投入感和沉浸感。（4）超地图，多媒体地图。是与超文本概念对应的。地理可视化的范围大于地图可视化。5 2、GIS 可视化：主要指真三维的可视化、2.5 维、动态可视化等。3、专业可视化：专业应用领域的计算、模拟和结果在GIS 支持下的可视化显示。4、VR-GIS（虚拟地理信息系统）虚拟现实技术和 GIS 技术的结合。对于 GIS 系统来说，目前还不需要数字头盔、数据手套、数字外衣等设备，它使用虚拟现实建模语言（VRML）技术，实现 GIS 可视化的技术。是虚拟现实技术和 GIS技术结合的产物。主要是充实

9、 GIS 可视化的技术内容。五、虚拟现实技术简介 虚拟现实技术：又称灵镜技术。是指通过数字头盔、数据手套、数字外衣，以及三维立体显示器、三维鼠标、立体声耳机等使人能完全沉浸计算机生成创造的一种特殊三维图形环境，并且人可以操作三维图形环境，实现特殊的目的。虚拟现实技术是计算机硬件、软件、传感、人工智能、心理学及地理科学发展的结晶。它是通过计算机生成一个逼真的环境世界，人可以与此虚拟的现实环境进行交互的技术。从本质上讲，虚拟现实技术（VR）是一种崭新的人机交互界面，是物理现实的仿真。它的出现彻底改变了用户和系统的交互方式，创造了一种完全的、令人信服的幻想式环境，人们不但可以进入计算机所产生的虚拟世

10、界，而且可以通过视觉、听觉、触觉，甚至嗅觉和味觉多维地与该世界沟通。这是一种具有巨大意义和潜力的技术，正在迅速的发展之中。6 1、VR 硬件：VR 的硬件目前并不定形，主要有以下几种(1)图像生成器，它的作用是快速进行图形运算；(2)操纵和控制设备：实现位置跟踪和控制的鼠标器，跟踪球和游戏杆；数据手套，其手指部分装有传感器；数据紧身衣；最新的操纵是通过眼睛和思维操纵，这是通过测定神经系统的微小电流来操作的；(3)位置跟踪装置：机械盔甲：提供快速准确的跟踪；超声波传感器；光学位置跟踪器；惯性跟踪器；(4)立体视见装置：采用偏光眼镜或屏幕分割或立体镜产生图像的左右视差等手段来产生立体。(5)头盔：

11、产生立体图像或二维地图。2、VR 的硬件级别 1初级 VR 是以 PC 机或低档工作站为硬件基础；2基本 VR 是在初级 VR 上，增加立体观察器，3D 或 6D 鼠标或游戏杆和数据手套等；7 3高级 3D 是在上述基础上增加图像加速器，帧缓存等，对于 PC 机则是必须增加 3D 加速卡和 3D 音卡；4沉浸式 VR，其中必须增加沉浸显示装置，如多个大型投影式显示器，还可以增加触觉、力感和接触反馈等交互设备。5驾驶舱仿真器：这是一个封闭式的虚拟环境，设备个人化并较为昂贵；6DIVE（Distributed Interactive Virtual Environment）分布式交互虚拟环境，这是

12、一个 Internet 上开发基于多个网络用户的虚拟环境、其用户界面及地域广阔，用户众多，分布式交互，共享性高；基于其享式或3D 综合环境等应用系统上的实验平台，这完全称得上是一个小型的世界；7SIMNET 和作战仿真互联网（Defense Simulation Internet）是目前世界上最大的 VR 项目，目的是使不同的仿真器可在网络上互联，用于部队的联合训练和演习，即位于德国的坦克仿真器可与位于美国的坦克仿真器一起联合进行军事演习。上述 7 种 VR，硬件部分一级比一级复杂、投入也高得多。3、软件系统 共分两类：一类是工具包，即程序库，往往需要程序员根据具体需要来进行编程；另一类是创作

13、工具，后者不需要复杂的编程，有较多不同层次的商品软件:1免费VR：这些是 VR 系列的入门级产品，代表产品为 Rend386、Maltiverse。一般可从国际互联网上免费下载。2低价VR程序：代表产品为 Dimension International 的 Virtual Reality Stud10（VRS）。3中档VR软件包：它们一般可称是优秀的专业软件包，而且仅要 8 求计算机作为基本硬件，这类代表产品有Vitus 的 Virtus Walkthrough,Quick Time Vr 以及 Sense 8 的 World Tollkit For Windows。4高价VR软件：是高档的精

14、彩的VR 产品，需要多种硬件支持。代表产品有 Straylight 公司的 MotoVB,Dimension,International 的Superscape VRTB 等。4、VR 的分类 VR 的类型是根据它的交互性质来分的，也即是根据它能实现人的视感、听感、触感、嗅感和传感器的程度和质量来区分。根据目前所见资料，可分下列几种：1世界之窗（WOW:Window on World System）它仅用显示器和音卡来显示虚拟世界，它的衡量标准是看起来真实，听着真实，物体的行为真实；2视频映射 它在上述 WOW 基础上把用户的轮廓剪影作为视频输入与屏幕二维图形合成，屏幕上显示用户身体和虚拟世界

15、的交互过程；3 沉浸式系统 完全的 VR 系统把用户的视点和其它感觉，完全沉浸到虚拟世界中，它可以是头盔加其它交互硬件，也可以是多个大型投影仪产生的一个洞穴；4遥视、遥作 遥视把用户的感觉和真实世界中的远程传感器、遥测仪连接起来，并用机器人，机器手进行远程操作。实际上，阿波曼登月计划和网络会诊，网络手术已显现了这方面的实际进展；5混合现实 遥现和虚拟现实的结合产生了混合现实和无缝仿真，例如脑外科手术时，脑外科医生看到的是由真实场景，预先得到的扫描图像和实时超声图像组合而成的场景；领航员则在它的头盔或显示屏上既看到电子地图和数据，又看到真实景象。9 5、VR 的意义 由上已完全可以见 VR 具有

16、极大深远的意义。它将组成人们的环境-一个极其广阔的世界级环境，它本身是共享的，协同的，分布的。这个环境是虚拟的现实，必须是真实世界的仿真，因而地理信息的可视化将是第一位的。世界是不能试验的，大的环境工程也不能试验。甚至小到一个雕塑、一个零件，进而一栋房屋，一项工程，大而言之一场战争，其实际运作需要很多时间和经费，而且大型的过程无法重新进行，现在可能以在虚拟现实中进行模拟和实验，找出最佳方案。VR 技术使用前景是无可估量的，其意义是极其巨大的，它是影响整个 21 世纪及未来的信息技术。要制造好一个虚拟现实，就必须加深理解我们的现实世界，尤其是地学环境，这是不可缺的。途径几千年历史长河的地学科学，

17、它对地学环境的描写，对浩瀚信息的综合概括，层次化图形符号的模型化表达是正在迅速发展中VR 的基石和向导。相对而言 VR 技术的发展，对地理信息的可视化将提出更高、更复杂的要求。5、VR 技术的应用 VR 技术最先进的应用领域就是军事国防。飞行模拟：飞行员的飞行训练是一件十分昂贵、危险和困难的事，由于飞行费用昂贵，飞行均在高速中进行，天空中对飞行员的保护又很有限，对飞机的保护几近于零。一个细小的疏忽，就会造成机毁人亡的严重事故。因此，世界上 VR 的应用均首先从飞行模拟开始。飞行员载上头盔，坐在 VR 装备的飞行座仓内，由 VR 制作的飞行气氛和电子地图及飞行仪表的显示，以及驾驶员进行操作，机械

18、和仪表的相 10 应运作及反馈，使飞行员在虚拟的飞行状态中进行各种训练。大大提高了飞行员训练密度、强度和质量以及降低了训练的费用。战斗模拟：VR 应用不仅用于飞机，而且还用于船舰、坦克通讯及步兵演习。随着网络 VR 技术的出现，美军得以在被其称为防御模拟互联网的全球范围内实施 Simnet 坦克战斗计划。最先广泛应用的场合是海湾战争，Simnet 几乎可以使每场战斗或战役之前在 VR 中进行模拟训练。海湾战场已变成大规模的电子沙盘实景，用于其中的地形环境仿真。实际上，今后的VR 技术在利用电子地图技术制作大型电子沙盘实景，给出战斗、战役的地形地貌环境，使每场战斗之前能够进行模拟实习，将大大提高战争艺术，减少伤亡，争取胜利是十分有利的。制作虚拟现实环境与利用地理信息，制作数字地图，三维电子地图，具有直接的联系，在 VR 技术中，存放在世界数据库中的 VR 环境数据是不可缺少的部分。VR 是一个正在迅速发展的技术领域,其前景无可限量。