虛擬現實技術的國內外研究現狀與發展

許　微

摘要：虛擬現實技術是一門新興邊緣的技術，研究內容涉及多個領域，應用十分廣泛，被公認為是21世紀重要的發展學科以及影響人們生活的重要技術之一。從虛擬現實的概念出發，對虛擬現實技術的國內外研究現狀進行了充分論述，并展望了虛擬現實的發展趨勢。

關鍵詞：虛擬現實；研究現況；發展趨勢

中圖分類號：F061.3文獻標識碼：A文章編號：1672-3198(2009)02-0279-02

1虛擬現實

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)，又譯為臨境，靈境等。從應用上看它是一種綜合計算機圖形技術、多媒體技術、人機交互技術、網絡技術、立體顯示技術及仿真技術等多種科學技術綜合發展起來的計算機領域的最新技術，也是力學、數學、光學、機構運動學等各種學科的綜合應用。這種計算機領域最新技術的特點在于以模仿的方式為用戶創造一種虛擬的環境，通過視、聽、觸等感知行為使得用戶產生一種沉浸于虛擬環境的感覺，并與虛擬環境相互作用從而引起虛擬環境的實時變化。現在與虛擬現實有關的內容已經擴大到與之相關的許多方面，如“人工現實”(Artifi- cial Reality)、“遙在”(Telepresence)、“虛擬環境”(Virtual Environment)、“賽博空間”(Cyberspace)等等。

2國外虛擬現實技術研究現狀

計算機的發展提供了一種計算工具和分析工具，并因此導致了許多解決問題的新方法的產生。虛擬現實技術的產生與發展也同樣如此，概括的國內外虛擬現實技術，它主要涉及到三個研究領域：通過計算圖形方式建立實時的三維視覺效果；建立對虛擬世界的觀察界面；使用虛擬現實技術加強諸如科學計算技術等方面的應用。

2.1VR技術在美國的研究現狀

美國是虛擬現實技術研究的發源地，虛擬現實技術可以追溯到上世紀40年代。最初的研究應用主要集中在美國軍方對飛行駕駛員與宇航員的模擬訓練。然而，隨著冷戰后美國軍費的削減，這些技術逐步轉為民用，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。

上世紀80年代，美國宇航局(NASA)及美國國防部組織了一系列有關虛擬現實技術的研究，并取得了令人矚目的研究成果，美國宇航局Ames實驗室致力于一個叫“虛擬行星探索”(VPE)的實驗計劃。現NASA已經建立了航空、衛星維護VR訓練系統，空間站VR訓練系統，并已經建立了可供全國使用的VR教育系統。北卡羅來納大學的計算機系是進行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。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。施樂公司研究中心在VR領域主要從事利用VRT建立未來辦公室的研究，并努力設計一項基于VR使得數據存取更容易的窗口系統。波音公司的波音777運輸機采用全無紙化設計，利用所開發的虛擬現實系統將虛擬環境疊加于真實環境之上，把虛擬的模板顯示在正在加工的工件上，工人根據此模板控制待加工尺寸，從而簡化加工過程。

圖形圖像處理技術和傳感器技術是以上VR項目的主要技術。就目前看，空間的動態性和時間的實時性是這項技術的最主要焦點。

2.2VR技術在歐洲的研究現狀

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 Symposi- um on Virtual Reality Software and Technoogy大會，整體上促進了虛擬現實技術的深入發展。

2.3VR技術在日本的研究現狀

日本的虛擬現實技術的發展在世界相關領域的研究中同樣具有舉足輕重的地位，它在建立大規模VR知識庫和虛擬現實的游戲方面作出了很大的成就。

在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，稱為SpmAR NEC公司開發了一種虛擬現實系統，用代用手來處理CAD中的三維形體模型。通過數據手套把對模型的處理與操作者的手聯系起來；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的研究重點主要集中在遠程控制方面，他們最近的研究項目是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的主從系統；東京大學廣瀨研究室重點研究虛擬現實的可視化問題。他們正在開發一種虛擬全息系統，用于克服當前顯示和交互作用技術的局限性；日本奈良尖端技術研究生院大學教授千原國宏領導的研究小組于2004年開發出一種嗅覺模擬器，只要把虛擬空間里的水果放到鼻尖上一聞，裝置就會在鼻尖處放出水果的香味，這是虛擬現實技術在嗅覺研究領域的一項突破。

3國內虛擬現實技術研究現狀

在我國虛擬現實技術的研究和一些發達國家相比還有很大的一段距離，隨著計算機圖形學、計算機系統工程等技術的高速發展，虛擬現實技術已經得到了相當的重視，引起我國各界人士的興趣和關注，研究與應用VR，建立虛擬環境!虛擬場景模型分布式VR系統的開發正朝著深度和廣度發展。國家科委國防科工委部已將虛擬現實技術的研究列為重點攻關項目，國內許多研究機構和高校也都在進行虛擬現實的研究和應用并取得了一些不錯的研究成果。

北京航空航天大學計算機系也是國內最早進行VR研究、最有權威的單位之一，其虛擬實現與可視化新技術研究室集成了分布式虛擬環境，可以提供實時三維動態數據庫、虛擬現實演示環境、用于飛行員訓練的虛擬現實系統、虛擬現實應用系統的開發平臺等，并在以下方面取得進展：著重研究了虛擬環境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現實中的視覺接口方面開發出部分硬件，并提出有關算法及

實現方法。

清華大學國家光盤工程研究中心所作的“布達拉宮”，采用了QuickTime技術，實現大全景VR制；浙江大學CAD＆CG國家重點實驗室開發了一套桌面型虛擬建筑環境實時漫游系統；哈爾濱工業大學計算機系已經成功地合成了人的高級行為中的特定人臉圖像，解決了表情的合成和唇動合成技術問題，并正在研究人說話時手勢和頭勢的動作、語音和語調的同步等。

4虛擬現實技術的發展趨勢

隨著虛擬現實技術在城市規劃、軍事等方面應用的不斷深入，在建模與繪制方法、交互方式和系統構建方法等方面，對虛擬現實技術都提出來更高的需求。為了滿足這些新的需求，近年來，虛擬現實相關技術研究遵循“低成本、高性能”原則取得了快速發展，表現出一些新的特點和發展趨勢。主要表現在以下方面：

(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，而關鍵是如何“實時生成”，在不降低圖形的質量和復雜程度的前提下，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)適人化、智能化人機交互設備的研制。

雖然頭盔和數據手套等設備能夠增強沉浸感，但在實際應用中，它們的效果并不好，并未達到沉浸交互的目的。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，會有效地提高虛擬現實的交互性效果。

(4)大型網絡分布式虛擬現實的研究與應用。

網絡虛擬現實是指多個用戶在一個基于網絡的計算機集合中，利用新型的人機交互設備介入計算機產生多維的、適用于用戶(即適人化)應用的、相關的虛擬情景環境。分布式虛擬環境系統除了滿足復雜虛擬環境計算的需求外，還應滿足分布式仿真與協同工作等應用對共享虛擬環境的自然需求。分布式虛擬現實系統必須支持系統中多個用戶、信息對象(實體)之間通過消息傳遞實現的交互。分布式虛擬現實可以看作是基于網絡的虛擬現實系統，是可供多用戶同時異地參與的分布式虛擬環境，處于不同地理位置的用戶如同進入到同一個真實環境中。目前，分布式虛擬現實系統已成為國際上的研究熱點，相繼推出了相關標準，在國家“八六三”計劃的支持下，由北京航空航天大學、杭州大學、中國科學院計算所、中國科學院軟件所和裝甲兵工程學院等單位共同開發了一個分布虛擬環境基礎信息平臺，為我國開展分布式虛擬現實的研究提供了必要額網絡平臺和軟硬件基礎環境。

5結語

正如其它新興科學技術一樣，虛擬現實技術也是許多相關學科領域交叉、集成的產物。隨著虛擬我們必須清醒地認識到，雖然這個領域的技術潛力是巨大的，應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保障。客觀而論，目前虛擬現實技術所取得的成就，絕大部分還僅僅限于擴展了計算機的接口能力，僅僅是剛剛開始涉及到人的感知系統和肌肉系統與計算機的集合作用問題。只有當真正開始涉及并找到對這些問題的技術實現途徑時，人和信息處理系統間的隔閡才有可能被徹底地克服了。

雖然如此，但它獨特的優勢特長為各個領域的發展提供了一個全新的突破口，同時，我們也相信，隨著計算機技術，尤其是網絡技術的飛速發展虛擬現實技術將會得到更為長足的發展，必將更為廣泛地應用于各個領域為人類的生產生活帶來全新的面貌。