摘要:闡述了虛擬現實的定義、重要特徵和硬軟體基礎,研究了虛擬環境的體系結構、組成模組、實現方法和系統
分類方法,探討了其技術的主要套用領域.
關鍵字:
虛擬現實(VirtualReality,VR),又稱虛擬環境(VirtualEnvironment,VE)或靈境,是20世紀90年代最重要的成就之一,被稱為“放大智慧的工具”,也有人認為“21世紀的計算機是虛擬現實計算機”.
1虛擬現實的定義、重要特徵和硬軟體基礎
1.1虛擬現實的定義
虛擬現實技術可以定義為對現實世界進行五維時空的仿真,即除了對三維空間和一維時間仿真外,還
包含對自然互動方式的仿真.它由計算機生成,通過視、聽、觸覺等作用於用戶,使之產生身臨其境的互動式
場景仿真,是一種可以創造和體驗虛擬世界的計算機系統.一個完整的虛擬現實系統包含一個逼真的三維
虛擬環境和符合人們自然互動習慣的人機互動界面,分散式虛擬現實系統還要包含用於共享信息的人機交
互界面.
1.2虛擬現實的重要特徵
虛擬現實技術是計算機圖形學、人工智慧、計算機網路、信息處理等技術綜合發展的產物.它具有以下4
個特徵:(1)多感知性(Multisensory),所謂多感知性就是除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外,還有聽
覺感知、觸覺感知、力覺感知、運動感知,甚至包括味覺感知、嗅覺感知等.理想的虛擬現實環境應該包含對
人自然互動方式的模擬,能提供給用戶以視覺、聽覺、觸覺、嗅覺甚至味覺等多感通道.(2)存在感(Presence),
又稱臨場感(Immersion),在虛擬現實的環境中,用戶能感到自己成為了一個“發現者和行動者”.例如,視場中
的景物隨著人的走動或頭部的轉動甚至眼球的轉動而變動.理想的虛擬環境應該達到使用戶難以分辨真假
的程度.(3)互動性(Interaction),是指用戶可以對模擬環境中的物體直接操作,並從環境得到信息或感受.例
如,用戶可以用手去直接抓取模擬環境中的物體,這時手要有握著東西的感覺,並可以感覺物體的重量(其
實這時手裡並沒有實物),視場中被抓的物體也立刻隨著手的移動而移動.(4)自主性(Autonomy),是指虛擬
環境中的對象具有依據物理定律動作的能力.例如,當受到力的推動時,物體會向力的方向移動,或反倒,或
從桌面落到地面等[1].
虛擬現實技術是一種為改善人與計算機的互動方式,提高計算機可操作性的人機界面綜合技術.與其
它計算機系統相比,虛擬環境可提供實時互動性操作、三維視覺空間和多通道(視覺、聽覺、觸覺、嗅覺)的人機界面.虛擬環境的三維屬性和高保真性,使用戶從單純觀測計算結果中解脫出來,沉浸到計算機創造的環
境中,通過多種感測器和多維信息環境的互動作用,得到感性和理性的認識,從而深化概念並萌生新的創造思維.
1.3虛擬現實的硬軟體基礎
虛擬現實的主要硬體設備包括:高性能計算機;廣角(寬視野)的立體顯示設備;觀察者(頭、眼)的跟蹤
設備;人體姿勢的跟蹤設備;立體聲設備;觸覺、力反饋;語言輸入輸出等硬體設備[2].
系統互動性是虛擬現實系統的首要特性.為了允許人機互動,必須使用特殊的人機接口與外部設備,既
要允許用戶將信息輸入到計算機,也要使計算機能反饋信息給用戶.今天的外部設備在功能和目的上各不
相同.例如,身體運動由3-D位置跟蹤器跟蹤,手勢由感測手套數位化,視覺反饋傳送給立體顯示器,虛擬
聲音由3-D聲音生成器計算,觀察方向隨跟蹤球和操作桿改變等.
虛擬環境中採用的軟體有四類:(1)語言類:如C++、OpenGL、VRWL等.(2)建模軟體類:如AutoCAD、
SolidWorks、ProPEngineer、I-DEAS、CATIA等.(3)套用軟體類:指用戶自己的各種需求,選擇或者開發的自用
軟體.(4)通用的商用工具軟體包:幫助用戶建立虛擬環境的通用和基本的軟體,可以使用戶顯著地加快虛擬
現實系統的開發進程.可用於建立虛擬環境的圖形軟體包有:WTK、OpenGL、Java3D、VRML等.
2虛擬現實技術的體系結構
2.1虛擬環境的系統結構
虛擬環境(VirtualEnvironment,VE)是體現了虛擬現實所具備的功能的一種計算機環境.虛擬環境必須
具備與用戶互動、實時反映所互動的影像、用戶有自主性三個條件.虛擬環境體系結構如圖1所示.典型的虛
擬現實系統有VIDEOPLACE系統、VIEW系統、SuperVision系統等.VIEW系統是第一個走出實驗室進入工業
套用的虛擬環境系統,它允許操作者以自然的互動手段考察全視角的人工世界,目前大多數虛擬現實系統
體系結構都是由此發展而來的.
圖1虛擬現實硬體系統結構
2.2虛擬現實系統的組成模組
虛擬現實系統由以下模組組成:(1)輸入模組:是虛擬現實系統的輸入接口,其功能是檢測用戶的輸入信
號,並通過感測模組作用於虛擬環境.輸入模組一般是數據手套、頭盔顯示器上的感測器,用於感應手的動
作、手和頭部的位置;對於桌面現實系統而言,輸入模組一般是鍵盤、滑鼠、麥克風等.(2)感測器模組:是虛擬
現實系統中操作者和虛擬環境之間的橋樑.一方面,感測器模組接受輸入模組產生的信息,並將其作用於虛
擬環境;另一方面將操作後產生的結果反饋給輸入模組.(3)回響模組:是虛擬現實系統的控制中心.回響模
塊一般是軟體模組,其作用是處理來自感測器模組的信息,如根據用戶視點位置和角度實時生成三維模型根據用戶頭部的位置實時生成聲效.(4)反饋模組:是虛擬現實系統的輸出接口.其功能是將回響模組生成的
信息通過感測器模組傳給輸出設備,如頭盔顯示器、耳機等,實時渲染視覺效果和聲音效果.
從系統組成結構來看,虛擬現實的體系結構如圖2所示.
圖2虛擬現實系統組成結構
2.3虛擬環境的實現方法
產生虛擬環境的基本方法有兩種,即基於圖像的方法(Image-BasedMethod)和基於模型的方法(Model-
BasedMethod).
2.3.1基於圖像的方法:全景圖生成技術是基於圖像方法的關鍵技術.了解全景圖要先了解兩個概念:其
一,視點———是指用戶某一時刻在虛擬實景空間中的觀察點,觀測時所用的焦距固定.其二,視點空間———
是指某一視點處用戶所觀察到的場景.全景圖實際上是空間中一個視點對周圍環境的3600全封閉視圖.根
據視點全景圖允許瀏覽的空間自由度,全景圖可分為柱面全景圖和球面全景圖.
全景圖生成涉及圖像無縫連線技術和紋理映射技術,其原始資料是利用照相機的平移或鏇轉得到的部
分重疊的序列圖像技術樣本.紋理映射技術用於形成封閉的紋理映射空間,如柱面紋理映射空間和球面紋
理映射空間.用戶可以在柱面全景空間進行水平3600範圍內任意視線切換,在球面全景空間進行經緯3600
範圍內任意視線切換.
2.3.2基於模型的方法:又稱為基於景物幾何的方法,是以幾何實體建立虛擬環境.幾何實體可採用計算機
圖形學技術繪製,也可用已有的建模工具如AutoCAD、3Dstudio等建立模型,然後以統一數據格式輸出,進行
實時渲染.建立虛擬現實模型後,通過加入事件回響,實現移動、鏇轉、視點變換等操作,從而實現互動式虛
擬環境.
基於模型的方法主要涉及以下關鍵技術:(1)三維實體幾何建模技術.虛擬環境的建模是虛擬現實技術
的核心內容,動態建模則是建模技術的難點.動態建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據,並根據套用
的需要,利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型.(2)實時渲染技術.如果實時性不好,用戶在虛擬環
境中瀏覽或操縱時,會出現視覺或聽覺滯後;如果從一個視點轉向另一個視點,或操縱虛擬環境中的物體
時,需要等待很長時間,用戶很難在虛擬環境中獲得參與感和沉浸感.(3)碰撞檢測、干涉效驗及關聯運動.在
機械虛擬裝配、機械設備虛擬布局等技術中,碰撞檢測和干涉效驗顯得尤為重要.關聯運動則反映虛擬環境
中物體之間的連動關係.目前還沒有很好地解決碰撞檢測的完全性和唯一性問題的高效算法,對於虛擬環
境下關聯運動的研究還是空白.(4)物理屬性.包括實體表面光滑程度、光學效果、軟硬程度、密度、力學特性
等.軟觸覺與力反饋是基於模型的虛擬環境物理屬性的主要實現方法.由於軟體瓶頸的限制,虛擬環境的物
理屬性一直是虛擬技術的難點.
2.4虛擬環境系統的分類方法
根據顯示方式可分為桌面式、佩帶式和全景式[3].桌面式系統場景通過計算機螢幕顯示,用戶用立體眼
鏡觀察,聲音由台式或室內音響系統提供.佩帶式是用頭盔將用戶視聽覺與外界隔離,使用戶完全沉浸在計
算機生成的虛擬環境中,計算機通過位置跟蹤器、數據手套或跟蹤球等感知用戶的運動、姿態及行為,並反
饋到場景及聲音系統中,產生人在其中的效果.全景式虛擬現實系統是投影系統,生成洞穴式虛擬現實.觀
察者佩帶立體眼鏡和頭部跟蹤器,當觀察者移動時,立體投影生成器計算出各面牆上的圖像.
根據與外界真實世界的關係可分為封閉式與開放式兩類.封閉式虛擬現實系統不與真正世界發生交
互,任何操作不對外界產生直接影響,例如娛樂系統或單純的驗證預演、仿真系統.開放式虛擬現實系統則
通過感測器和控制器與外界構成互動作用,系統可根據用戶要求對外界產生直接作用並得到相應反饋信
息,例如遙控機器人、遙控空間站及遙控手術系統等.根據採用的計算機不同可以分為基於微機的系統、基
於工作站和分散式虛擬現實系統.基於微機的系統由486以上的計算機構成,由圖形加速卡將生成的壓縮圖
像信息,經解壓縮和制式轉換後分別送到左右眼顯示器顯示圖像;三維聲效卡產生三維聲音;位置跟蹤器跟
蹤頭部位置的變化.基於工作站的虛擬現實系統採用若干個UNIX工作站,通過乙太網構建伺服器接口.系
統採用Fastrak低頻磁場方向跟蹤器跟蹤操作手的位置,用RMⅡ力反饋手套檢測手指的彎曲姿態,伺服器
SUN4P380通過數據獲取板讀取力反饋手套RMⅡ的檢測數據,當檢測到虛擬手指與物體接觸時,根據物體的
物理機械特性向反饋手套輸出反饋數據,使操作手產生觸覺,並向圖像處理伺服器HP715P75輸出物體變形
數據,產生變形圖像.伺服器SUNELC運行聲音處理程式,發出相應聲音.分散式虛擬現實系統可以使設計
者和工程師用三維方式進行實時互動,及時消除設計上的缺陷,縮短產品投放市場的時間.
3虛擬現實技術的主要套用領域
3.1在汽車製造業的套用
近年來,虛擬現實技術在汽車製造業得到了廣泛的套用.例如,美國通用汽車公司利用虛擬現實系統
CAVE(Computer-AssistedVirtualEnvironment)來體驗置於汽車之中的感受,其目標是減少或消除實體模型,縮
短開發周期.CAVE系統同樣可用來進行車型設計,可以從不同的位置觀看車內的景像,以確定儀器儀表的
視線和外部視線的滿意性和安全性.1997年5月福特公司宣布,它已成為第一個著眼於“地球村”概念的采
用計算機虛擬設計裝配工藝的汽車廠商.使用“虛擬工廠”已經使得福特公司的產品開發節約時間、降低成
本,並使設計的汽車更適合組裝和維修,具有很高的質量.福特公司使用“虛擬工廠”的戰略目標是減少生產
中採用的90%的實體模型,這一目標的實現將為福特公司每年節省2億美元.據估計,使用“虛擬工廠”將在
推出一輛新車的過程中減少20%的因生產原因修改最初設計的事件.同時,福特公司正在嘗試全新概念的
發動機“虛擬樣機”設計.英國航空實驗室採用一個高解析度頭盔顯示器、一個數據手套、一個三維系統音響
和一台工作站為用戶提供了一個由計算機生成的虛擬轎車客艙,設計人員能夠精確研究轎車內部的人體工
程學參數,並且在需要時可以修改虛擬部件的位置,進而可以在仿真系統中重新設計整個轎車內部.雷諾汽
車公司採用了在“現實生活”的背景下加人“虛擬汽車”的方法來評估待開發的新車型.“CityFleet”就是虛擬
與現實相結合的產物,它將計算機生成的虛擬汽車和實際拍攝的城市場景鏡頭完美地結合在一起,以得到
真實車的感覺.因此不必製造物理原型就能夠檢測將要推向市場的汽車,檢驗造型與環境的匹配及適應性,
這對減少汽車新車型開發周期無疑將起積極作用.
3.2在飛行仿真領域的套用
飛行仿真系統由四部分組成,即飛行員的操縱艙系統、顯示外部圖像的視覺系統、產生運動感的運動系
統、計算和控制飛行運動的計算機系統.
計算機系統是飛行仿真系統的中樞,用它來計算飛行的運動、控制儀表及指示燈、駕駛桿等信號.視覺
系統和運動系統與虛擬現實密切相關,其中,視覺系統向飛行員提供外界的視覺信息.該系統由產生視覺圖
像的“圖像產生部”和將產生的信號提供給飛行員的“視覺顯示部”組成.在圖像產生部,隨著計算機圖形學
的發展,現在使用稱為CGI(ComputerGeneratedImagery)的視覺產生裝置.在CGI中利用紋理圖形駕駛可以產
生雲彩、海面的波浪等效果.此外,利用圖像映射駕駛可以從航空照片上將農田以及城市分離出來,並作為
圖像數據加以利用.視覺顯示部向飛行員提供具有真實感的圖像,圖像的顯示有無限遠顯示方式、廣角方
式、半球方式以及立體眼鏡和頭盔式顯示器等四種方式.作為飛行仿真系統的構成部分,運動系統向飛行員
提供一種身體感覺,它使得駕駛艙整體產生運動,根據自由度以及驅動方式的不同,可以分為萬向方式、互
·32·韶關學院學報(自然科學版)2004年
動型吊掛方式、互動型支撐方式以及互動型六自由度方式等.利用該運動系統,飛行員可以感覺到實際飛機
一樣的運動感覺.
3.3在虛擬實驗方面的套用
虛擬風洞:為了設計出阻力小的機翼,人們必須詳細分析機翼的空氣動力學特性.因此,人們發明了風
洞實驗方法,通過使用煙霧氣體使得人們可以用肉眼直接觀察到氣體與機翼的作用情況,因而大大提高了
人們對機翼的動力學特性的了解.虛擬風洞的目的是讓工程師分析多鏇渦的複雜三維性質和效果、空氣循
環區域、鏇渦被破壞時的亂流等,而這些分析利用通常的數據仿真是很難可視化的.
虛擬物理實驗室:虛擬物理實驗室的設計,使得學生可以通過親身實踐———做、看、聽成為可能.使用該
系統,學生們可以很容易的演示和控制力的大小、物體的形變與非形變碰撞、摩擦等物理現象.為了顯示物
體的運動軌跡,可以對不同大小和質量的運動物體進行軌跡追蹤,還可以停止時間的推移,以便仔細觀察隨
時間變化的現象.學生可以通過使用數據手套與系統進行各種互動.
虛擬電力控制室:在現行的電力控制室的設計中,控制台以及顯示器的設計一般是用與實物同等大小
的模型[4].研究人員使用虛擬現實技術研製了一個輔助設計控制室的系統.使用該系統可以自由地改變控制
室內的配色、照明、報警、顯示器的畫面構成,以及各種儀表的配置等室內環境.此外,用戶還可以在室內移
動,以便從不同方向觀察室內情況.
3.4在教育培訓領域的套用
虛擬環境在呈獻知識信息方面有著獨特的優勢,它可以在廣泛的科目領域提供無限的VR體驗,從而加
速和鞏固學生學習知識的過程.例如,核電站或霧中著陸等危險環境可在對受訓者毫無威脅的情況下進行
精確模擬.模擬器的容錯特點使受訓者能親身體驗到在現實生活中體驗不到的經歷.飛行模擬器、駕駛模擬
器是培訓飛行員和汽車駕駛員的一種非常有用的工具.因此,虛擬現實技術在教育領域有著十分廣泛的應
用前景.
例如,在建築工程學:互動性地參觀還沒有完工的辦公大摟,尋覓裝飾的構思;或者參觀房屋模型,學習
建築原理.參觀世界各地的經典建築,尋找建築設計的靈感.
在考古學方面:參觀世界上你不可能到達的博物館,研究從未對公眾開放過的私人收藏的繪畫或雕塑.
在生物教育方面:操縱分子模型,觀察不同藥物的立體結構圖像;或者沿著叢林小溪來研究海狸的習性,等等.
3.5在醫學領域的套用
2001年9月7日,一名美國紐約市的法國醫生通過遙控機器人為遠在大西洋彼岸的一名法國婦女成功
地實施了腹腔手術.醫生通過監視器,操作兩隻裝有內窺鏡、手術刀和鑷子等手術器械的機械臂,成功地切
除了病變的膽囊組織.
科學家們最近發明了一種“虛擬現實”裝置,使原本微小的細胞看上去有足球場那么大.這樣,就可以更
微觀地對細胞進行研究.這種“虛擬現實”裝置的外形,像一個頭盔,可以戴在頭上,它利用一個解析度極高
的顯微鏡獲取數據,然後再對這些數據進行加工,傳送到使用者的視野里,可以十分輕鬆地觀察到試管里的
研究對象.採用這種技術,可以更加方便地進行各種實驗,甚至能夠“感受”到顯微鏡下不同物體的組織結
構.
芝加哥的伊利諾斯大學採用虛擬現實技術分析神經系統的工作原理.項目主要包括電場可視化、大腦
皮層仿真及普爾欽神經效應仿真.該項目推動了低成本虛擬現實系統作為可視化工具的研究.G1aroGroup
Research、York大學及Division公司合作研究將虛擬現實套用於分子造型中,以弄清大分子的結構及其結構與
功能間的關係.
3.6在軍事上的套用
虛擬現實在軍事上有著廣泛的套用和特殊的價值,如新式武器的研製和裝備、作戰指揮模擬、武器的使
用培訓等都可以套用虛擬現實技術.虛擬現實技術已被用於探索、評價當今的士兵將怎樣在無實際環境支
持下掌握新武器的使用及其戰術性能等.人們希望虛擬域最終將提供與真實域相當的所有的現實性,而且
沒有費用、組織、天氣和時間等等方面的明顯缺陷.虛擬域是可重複的、互動的、三維的、精確的、可重配置的
和可連網的,它將成為軍事訓練的重要媒體.
美國陸軍設在阿伯丁試驗場的研究室目前正在進行虛擬現實套用於步兵訓練的研究.Thomson—CSF生
產了訓練坦克及裝甲車人員的模擬器;尾艙飛彈訓練模型已由挪威的TN0物理及電子實驗室研製出來;佛
羅里達州奧蘭多的NAWCTSD設計生產的協同戰術作戰模擬器(TTES)引入了Jack人體模型,該模擬器可用
於訓練士兵與敵人交戰時的反應能力,Jack充當敵方人員,並向士兵扔石頭和開火,士兵則在大螢幕投影前
面與虛擬敵人迸行交戰.為滿足美國國防部(DOD)的套用需求,位於加利福尼亞州的海軍研究生院(NPS)進
行了大規模虛擬環境的開發與套用研究.到1996年底為止,他們完成了NPSNET-Ⅳ完全系統的開發,該系
統提供的主要能力包括建築穿行、帶活動關節的人、連網能力、互操作性、地形資料庫集成等.
近年來,虛擬現實技術的套用,使得軍事演習在概念上和方法上有了一個新的飛躍,即通過建立虛擬戰
場來檢驗和評估武器系統的性能.例如一種虛擬戰場環境,它能夠包括在地面行進的坦克和裝甲車,在空中
飛行的直升機、殲擊機、飛彈等多種武器平台,並分別屬於紅、藍交戰雙方.作戰仿真系統的主要研究目的是
對飛機的飛行、火控、航空電子系統進行綜合研究,同時研究多機協同空戰戰術.1998年10月,我國空軍首
次在由126台計算機組成的遠程分散式網路系統上,成功地進行了一場高技術條件下的空軍戰役對抗演習,
從而實現了從“圖上談兵”到“網上演兵”.
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