虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展

許　微

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門新興邊緣的技術(shù)，研究?jī)?nèi)容涉及多個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用十分廣泛，被公認(rèn)為是21世紀(jì)重要的發(fā)展學(xué)科以及影響人們生活的重要技術(shù)之一。從虛擬現(xiàn)實(shí)的概念出發(fā)，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了充分論述，并展望了虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；研究現(xiàn)況；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：F061.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198(2009)02-0279-02

1虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)，又譯為臨境，靈境等。從應(yīng)用上看它是一種綜合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)及仿真技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)綜合發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的最新技術(shù)，也是力學(xué)、數(shù)學(xué)、光學(xué)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)等各種學(xué)科的綜合應(yīng)用。這種計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最新技術(shù)的特點(diǎn)在于以模仿的方式為用戶創(chuàng)造一種虛擬的環(huán)境，通過視、聽、觸等感知行為使得用戶產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺，并與虛擬環(huán)境相互作用從而引起虛擬環(huán)境的實(shí)時(shí)變化?，F(xiàn)在與虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的內(nèi)容已經(jīng)擴(kuò)大到與之相關(guān)的許多方面，如“人工現(xiàn)實(shí)”(Artifi- cial Reality)、“遙在”(Telepresence)、“虛擬環(huán)境”(Virtual Environment)、“賽博空間”(Cyberspace)等等。

2國外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)的發(fā)展提供了一種計(jì)算工具和分析工具，并因此導(dǎo)致了許多解決問題的新方法的產(chǎn)生。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展也同樣如此，概括的國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它主要涉及到三個(gè)研究領(lǐng)域：通過計(jì)算圖形方式建立實(shí)時(shí)的三維視覺效果；建立對(duì)虛擬世界的觀察界面；使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)加強(qiáng)諸如科學(xué)計(jì)算技術(shù)等方面的應(yīng)用。

2.1VR技術(shù)在美國的研究現(xiàn)狀

美國是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的發(fā)源地，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以追溯到上世紀(jì)40年代。最初的研究應(yīng)用主要集中在美國軍方對(duì)飛行駕駛員與宇航員的模擬訓(xùn)練。然而，隨著冷戰(zhàn)后美國軍費(fèi)的削減，這些技術(shù)逐步轉(zhuǎn)為民用，目前美國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面。

上世紀(jì)80年代，美國宇航局(NASA)及美國國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，并取得了令人矚目的研究成果，美國宇航局Ames實(shí)驗(yàn)室致力于一個(gè)叫“虛擬行星探索”(VPE)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃?，F(xiàn)NASA已經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護(hù)VR訓(xùn)練系統(tǒng)，空間站VR訓(xùn)練系統(tǒng)，并已經(jīng)建立了可供全國使用的VR教育系統(tǒng)。北卡羅來納大學(xué)的計(jì)算機(jī)系是進(jìn)行VR研究最早最著名的大學(xué)。他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術(shù)仿真、建筑仿真等。喬治梅森大學(xué)研制出一套在動(dòng)態(tài)虛擬環(huán)境中的流體實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。施樂公司研究中心在VR領(lǐng)域主要從事利用VRT建立未來辦公室的研究，并努力設(shè)計(jì)一項(xiàng)基于VR使得數(shù)據(jù)存取更容易的窗口系統(tǒng)。波音公司的波音777運(yùn)輸機(jī)采用全無紙化設(shè)計(jì)，利用所開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)將虛擬環(huán)境疊加于真實(shí)環(huán)境之上，把虛擬的模板顯示在正在加工的工件上，工人根據(jù)此模板控制待加工尺寸，從而簡(jiǎn)化加工過程。

圖形圖像處理技術(shù)和傳感器技術(shù)是以上VR項(xiàng)目的主要技術(shù)。就目前看，空間的動(dòng)態(tài)性和時(shí)間的實(shí)時(shí)性是這項(xiàng)技術(shù)的最主要焦點(diǎn)。

2.2VR技術(shù)在歐洲的研究現(xiàn)狀

在歐洲，英國在VR開發(fā)的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設(shè)備(包括觸覺反饋)設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究方面。在歐洲來說是領(lǐng)先的。英國Bristol公司發(fā)現(xiàn)，VR應(yīng)用的交點(diǎn)應(yīng)集中在整體綜合技術(shù)上，他們?cè)谲浖陀布哪承╊I(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。英國ARRL公司關(guān)于遠(yuǎn)地呈現(xiàn)的研究實(shí)驗(yàn)，主要包括VR重構(gòu)問題。他們的產(chǎn)品還包括建筑和科學(xué)可視化計(jì)算。

歐洲其它一些較發(fā)達(dá)的國家如：荷蘭、德國、瑞典等也積極進(jìn)行了VR的研究與應(yīng)用。

瑞典的DIVE分布式虛擬交互環(huán)境，是一個(gè)基于Unix的，不同節(jié)點(diǎn)上的多個(gè)進(jìn)程可以在同一世界中工作的異質(zhì)分布式系統(tǒng)。

荷蘭海牙TNO研究所的物理電子實(shí)驗(yàn)室(TNO- PEL)開發(fā)的訓(xùn)練和模擬系統(tǒng)，通過改進(jìn)人機(jī)界面來改善現(xiàn)有模擬系統(tǒng)，以使用戶完全介入模擬環(huán)境。

德國在VR的應(yīng)用方面取得了出乎意料的成果。在改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面，一是用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、降低成本，避免新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)；二是產(chǎn)品演示，吸引客戶爭(zhēng)取定單；三是用于培訓(xùn)，在新生產(chǎn)設(shè)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 Symposi- um on Virtual Reality Software and Technoogy大會(huì)，整體上促進(jìn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的深入發(fā)展。

2.3VR技術(shù)在日本的研究現(xiàn)狀

日本的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展在世界相關(guān)領(lǐng)域的研究中同樣具有舉足輕重的地位，它在建立大規(guī)模VR知識(shí)庫和虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲方面作出了很大的成就。

在東京技術(shù)學(xué)院精密和智能實(shí)驗(yàn)室研究了一個(gè)用于建立三維模型的人性化界面，稱為SpmAR NEC公司開發(fā)了一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，用代用手來處理CAD中的三維形體模型。通過數(shù)據(jù)手套把對(duì)模型的處理與操作者的手聯(lián)系起來；日本國際工業(yè)和商業(yè)部產(chǎn)品科學(xué)研究院開發(fā)了一種采用x、Y記錄器的受力反饋裝置；東京大學(xué)的高級(jí)科學(xué)研究中心的研究重點(diǎn)主要集中在遠(yuǎn)程控制方面，他們最近的研究項(xiàng)目是可以使用戶控制遠(yuǎn)程攝像系統(tǒng)和一個(gè)模擬人手的隨動(dòng)機(jī)械人手臂的主從系統(tǒng)；東京大學(xué)廣瀨研究室重點(diǎn)研究虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化問題。他們正在開發(fā)一種虛擬全息系統(tǒng)，用于克服當(dāng)前顯示和交互作用技術(shù)的局限性；日本奈良尖端技術(shù)研究生院大學(xué)教授千原國宏領(lǐng)導(dǎo)的研究小組于2004年開發(fā)出一種嗅覺模擬器，只要把虛擬空間里的水果放到鼻尖上一聞，裝置就會(huì)在鼻尖處放出水果的香味，這是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在嗅覺研究領(lǐng)域的一項(xiàng)突破。

3國內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究現(xiàn)狀

在我國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究和一些發(fā)達(dá)國家相比還有很大的一段距離，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程等技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)得到了相當(dāng)?shù)闹匾暎鹞覈鹘缛耸康呐d趣和關(guān)注，研究與應(yīng)用VR，建立虛擬環(huán)境!虛擬場(chǎng)景模型分布式VR系統(tǒng)的開發(fā)正朝著深度和廣度發(fā)展。國家科委國防科工委部已將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)和高校也都在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的研究和應(yīng)用并取得了一些不錯(cuò)的研究成果。

北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系也是國內(nèi)最早進(jìn)行VR研究、最有權(quán)威的單位之一，其虛擬實(shí)現(xiàn)與可視化新技術(shù)研究室集成了分布式虛擬環(huán)境，可以提供實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實(shí)演示環(huán)境、用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)等，并在以下方面取得進(jìn)展：著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現(xiàn)實(shí)中的視覺接口方面開發(fā)出部分硬件，并提出有關(guān)算法及

實(shí)現(xiàn)方法。

清華大學(xué)國家光盤工程研究中心所作的“布達(dá)拉宮”，采用了QuickTime技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大全景VR制；浙江大學(xué)CAD＆CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)系已經(jīng)成功地合成了人的高級(jí)行為中的特定人臉圖像，解決了表情的合成和唇動(dòng)合成技術(shù)問題，并正在研究人說話時(shí)手勢(shì)和頭勢(shì)的動(dòng)作、語音和語調(diào)的同步等。

4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城市規(guī)劃、軍事等方面應(yīng)用的不斷深入，在建模與繪制方法、交互方式和系統(tǒng)構(gòu)建方法等方面，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都提出來更高的需求。為了滿足這些新的需求，近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)技術(shù)研究遵循“低成本、高性能”原則取得了快速發(fā)展，表現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。主要表現(xiàn)在以下方面：

(1)動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。

虛擬環(huán)境的建立是VR技術(shù)的核心內(nèi)容，動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

(2)實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示技術(shù)。

三維圖形的生成技術(shù)已比較成熟，而關(guān)鍵是如何“實(shí)時(shí)生成”，在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是今后重要的研究?jī)?nèi)容。此外，VR還依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的虛擬設(shè)備還不能滿足系統(tǒng)的需要，有必要開發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術(shù)。

(3)適人化、智能化人機(jī)交互設(shè)備的研制。

雖然頭盔和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備能夠增強(qiáng)沉浸感，但在實(shí)際應(yīng)用中，它們的效果并不好，并未達(dá)到沉浸交互的目的。采用人類最為自然的視覺、聽覺、觸覺和自然語言等作為交互的方式，會(huì)有效地提高虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性效果。

(4)大型網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的研究與應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)是指多個(gè)用戶在一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)集合中，利用新型的人機(jī)交互設(shè)備介入計(jì)算機(jī)產(chǎn)生多維的、適用于用戶(即適人化)應(yīng)用的、相關(guān)的虛擬情景環(huán)境。分布式虛擬環(huán)境系統(tǒng)除了滿足復(fù)雜虛擬環(huán)境計(jì)算的需求外，還應(yīng)滿足分布式仿真與協(xié)同工作等應(yīng)用對(duì)共享虛擬環(huán)境的自然需求。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必須支持系統(tǒng)中多個(gè)用戶、信息對(duì)象(實(shí)體)之間通過消息傳遞實(shí)現(xiàn)的交互。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)可以看作是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，是可供多用戶同時(shí)異地參與的分布式虛擬環(huán)境，處于不同地理位置的用戶如同進(jìn)入到同一個(gè)真實(shí)環(huán)境中。目前，分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已成為國際上的研究熱點(diǎn)，相繼推出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在國家“八六三”計(jì)劃的支持下，由北京航空航天大學(xué)、杭州大學(xué)、中國科學(xué)院計(jì)算所、中國科學(xué)院軟件所和裝甲兵工程學(xué)院等單位共同開發(fā)了一個(gè)分布虛擬環(huán)境基礎(chǔ)信息平臺(tái)，為我國開展分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的研究提供了必要額網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和軟硬件基礎(chǔ)環(huán)境。

5結(jié)語

正如其它新興科學(xué)技術(shù)一樣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。隨著虛擬我們必須清醒地認(rèn)識(shí)到，雖然這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)潛力是巨大的，應(yīng)用前景也是很廣闊的，但仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未客服的技術(shù)保障?？陀^而論，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所取得的成就，絕大部分還僅僅限于擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)的接口能力，僅僅是剛剛開始涉及到人的感知系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的集合作用問題。只有當(dāng)真正開始涉及并找到對(duì)這些問題的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑時(shí)，人和信息處理系統(tǒng)間的隔閡才有可能被徹底地克服了。

雖然如此，但它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)特長(zhǎng)為各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了一個(gè)全新的突破口，同時(shí)，我們也相信，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)得到更為長(zhǎng)足的發(fā)展，必將更為廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域?yàn)槿祟惖纳a(chǎn)生活帶來全新的面貌。