虚拟现实技术

虚拟现实技术（通用12篇）

虚拟现实技术 篇1

虚拟现实 (Virtual Rea Iity) , 简称VR技术。在百度百科中这样描述虚拟现实技术: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。

1、虚拟现实技术

虚拟现实的三个最突出的特征.即交互性、沉浸感和构想性。浸没感 (Immersion) 又称临场感, 指感受者作为主角存在于虚拟环境中的真实程度的感受。交互性 (Interactivity) 指感受者对虚拟环境内物体的进行操作和从虚拟环境中得到反馈的自然程度 (包括实时性) 。构想性 (Imagination) 又称 (想象性) , 强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间, 可拓展人类认知范围, 不仅可以真实再现真实的现实环境, 还可以创建出现实不存在的甚至是不可能发生的环境。

近年来随着计算机软硬件技术的飞速发展, 虚拟现实技术也得到了广泛应用, 主要表现在城市规划、大型工程漫游、旅游景观漫游、室内设计装修展示、房地产开发、各种虚拟展会、博物馆展示、教育培训等领域。

虚拟现实系统是由计算机生成虚拟世界, 感受者与这个虚拟世界进行视觉、听觉、触觉等进行交互, 同时这个虚拟世界可以进行及时相应。虚拟现实技术的关键是虚拟场景建模, 即虚拟世界的构造问题, 因为虚拟世界建模的好坏是产生沉浸感、真实感的关键, 同时场景的复杂程度又会影响实时性, 场景太过简单, 实时性虽然好, 但是感受者缺乏沉浸感, 真实感;反之, 场景逼真复杂, 就会增加交互性难度, 影响实时性。目前虚拟现实建模的技术主要有三种:

1.1 基于图形渲染的建模技术

基于图形渲染的建模方法是充分利用计算机图形学技术进行虚拟环境的建模和渲染。运用3dsmax软件创建虚拟场景的建模方法即属于此类。

1.2 基于图像的建模技术

基于图像的建模技术是利用照相机采集的离散图像或摄像机采集的连续视频为基础, 经过图像处理生成真实的全景图像。采用这种建模技术可以实现普通计算机上的真实感图形绘制。

1.3 基于图形与图像的混合建模技术

混合建模技术将上述两种建模方法进行结合, 用户与之交互的场景对象采用图形渲染的建模方法, 其他场景采用图像技术建模, 这样实现了构造真实感强、逼真度高、实时性好, 交互方便的理想虚拟现实建模要求。

2、3dsmax的建模技术

运用3dsmax软件创建虚拟场景, 是目前比较流行的做法。3dsmax是Autodesk公司的一套强大的三维建模软件, 由于它是基于Win NT或Win98平台的, 图形界面, 方便易学, 是目前个人PC上最为流行的三维建模软件之一。

3dsmax的建模技术主要有以下三种方式:

2.1 多边形建模方式

多边形建模是最为经典和传统的一种建模方式。3ds Max中的多边形建模主要有两个命令:可编辑网格 (Editable Mesh) 和可编辑多边形 (Editable Poly) , Editable Mesh方式建模兼容性好, 制作的模型占用系统资源较少, 运行速度比较快, 在较少的面数下可以制作较复杂的模型。它原理是将多边形划分为三角面, 通过推拉表面构建基本模型, 最后增加平滑网格修改器, 进行表面平滑, 并提高模型精度。这种技法主要使用点、线、面的编辑操作, 对空间控制能力要求比较高, 适合创建各种复杂的模型。CHn大爱无彊把我的最爱写成书CHn大爱无彊把我的最爱写成书

2.2 面片建模方式

面片建模是在多边形建模方式的基础上发展而来, 面片建模解决了多边形表面不易进行弹性编辑的难题, 可以使用类似编辑Bezier曲线的方法来编辑曲面。它通过调整表面的控制句柄来改变面片的曲率。面片建模的原理是编辑顶点较少, 使用较少的细节就能制作出光滑的物体表面。它非常适合创建生物模型。CHn大爱无彊把我的最爱写成书

2.3 NURBS建模方式

NURBS (非均匀有理B样条曲线) 是建立在数学原理的公式基础上的一种较新的建模方法。它基于控制节点调节表面曲度, 自动计算表面精度, 相对面片建模, NURBS可使用更少的控制点来表现相同的曲线, 但由于曲面的表现是由曲面的算法来决定的。NURBS建模特别适合创建复杂的生物表面和呈流线型的工业产品的外观, 如阿凡达等外星生物、流线型的高铁火车等等, 而不太适合创建规则的机械或建筑模型。

3、3dsmax制作虚拟场景教学总结CHn大爱无彊把我的最爱写成书

3dsmax软件应用领域很广, 广泛应用于影视广告、工业产品设计、建筑效果表现、多媒体设计制作、游戏以及工程可视化。在我国, 建筑效果图和建筑动画制作中, 3dsmax的使用率更是占据了绝对的优势。根据不同行业的特点对3dsmax的掌握程度也各不相同, 建筑效果表现方面, 它主要表现单帧的渲染效果和环境效果, 动画方面相对简单, 主要是漫游动画;游戏制作中对角色动画的要求很高;影视广告、片头动画则把3DS MAX的特效功能发挥到了极致。目前, 随着虚拟现实应用的广泛, 3dsmax也展现出其强大的优势。运用3dsmax进行虚拟场景建模流程如图1所示:

由于虚拟现实具有交互性、实时性, 因此在3dsmax中的建模要求和进行漫游动画制作、效果图制作、产品设计、片头动画制作的要求有很大不同。我校在多媒体设计专业设立了以虚拟现实为方向的3dsmax教学, 由于之前本人参与过虚拟现实项目制作, 因此在讲授这门3dsmax的课程比较有体会, 在进行3dsmax教学过程中一定要有针对性, 注意建模技法讲解, 其主要表现在模型的精度上, 建模的模型注意几个优化:模型个数优化、模型面数优化、场景贴图量优化。

3.1 场景模型创建

在进行虚拟场景建模讲解时, 模型的尺寸、模型对齐、建面的方法都要特别注意虚拟现实的特点, 主要如下:

(1) 虚拟现实是要模拟一个真实世界, 场景模型的尺寸需要特别注意, 在3dsmax的尺寸设定中要设计合理, 比如在3dsmax中创建一个边长100厘米*100厘米的大广场, 导入虚拟现实中, 就是一个1米*1米的小空地。

(2) 尽量减少每个模型面片数量, 模型的细节部分尽量使用贴图技术表现。

(3) 将需要对齐的物体面和顶点进行对齐, 尽量删除每一个模型中看不见的面, 三角面尽量为等边三角形, 不要出现细长条型, 合理分布模型密度。

(4) 对模型进行合理的命名和分组。

(5) 尽量控制场景模型的数量, 场景中的模型数量太多会给后面的工序带来很多麻烦, 推荐一个完整场景中的模型数量控制在2000个以内。

3.2 场景贴图

3dsmax的材质表现丰富, 可以创建出任何你能想象到的质感, 但是在虚拟现实场景建模时, 一般推荐3dsmax的标准材质, 在贴图格式、贴图尺寸上都有一定的要求。

(1) 模型的贴图一般只允许使用:jpg、bmp、tga、png、dds这个几种格式, 不支持其他格式贴图。贴图的大小建议使用216*216、512*512、1024*1024的尺寸大小。

(2) 透明贴图一般可以用png和tga两种格式的图像文件来表现, 如虚拟现实场景中主要表现花草、树木, 一般不是建模, 而是通过透明贴图实现, 如图2所示:

3.3 场景烘培

烘焙就是把3ds MAX中的物体表面的光影关系以贴图的方式带到虚拟现实场景中, 以求真实感;相反, 如果将物体不进行烘焙而直接导入到虚拟现实场景中, 其效果是不真实的。

在3ds Max中进行烘焙的工具是“Rendering|Render To Texture”命令。

在对场景烘培前必须对场景进行渲染, 并对渲染效果满意, 这样才进行场景的烘焙。其操作步骤如下:

(1) 在3ds Max中, 选择需要烘焙的模型。

(2) 单击【Rendering】|【Render To Texture】, 随后便会弹出Render To Textures对话框。

(3) 依次按照图3所示的参数进行设置, 图中提示部分是必须设置的, 其他为默认参数, 设置完毕后点击Render开始烘焙 (如图3) 。

3.4 将模型和制作的动画导出

根据虚拟现实制作软件的不同, 将模型、动画导出。

4、结语

面向虚拟现实的3dsmax教学, 不能简单地进行讲解3dsmax命令, 一定要面向虚拟现实的工作流程, 以项目化案例式教学模式为主导, 将理论与实践相紧密结合, 贯穿“学中做, 做中学”的教学方法, 让学生迅速掌握3dsmax软件, 快速准确创建虚拟现实场景, 成为企业需要的虚拟现实建模人才。

参考文献

[1]刘向铜, 熊助国, 曹秋香.基于3Dmax的虚拟现实的建立过程的探讨[J].西部探矿工程, 2009年02期.

[2]王正盛, 陈征.VRP10/3dsMax虚拟现实制作技能实训教程[M].北京:科学出版, 2010.

[3]刘艺, 张坤.3DSMax在虚拟校园立体图制作中的应用[J].大众科技, 2011年第7期.

[4]廖毅.3DSMAX建模技术在虚拟现实中的应用[J].中国科教创新导刊, 2011年第18期.

虚拟现实技术 篇2

专业：自动化

学号：20091336069

姓名：李璐

摘要

随着科技的进步，虚拟现实技术（VR技术）越来越体现出它的应用价值，在气象、军事、医疗等各个领域都出现了虚拟现实技术应用场合。本文分成四个部分，按顺序分别介绍了虚拟现实技术在大气粉尘扩散中的应用、虚拟现实技术在电视背景以及散打运动中的应用以及自己本学期学习虚拟现实技术的心得体会。

关键词： 虚拟现实技术

天气预报

军事应用

医学 心得体会

⒈ 虚拟现实技术在大气粉尘扩散中的应用。

虚拟现实技术可以建立三维场景，立体直观的现实出粉尘扩散的三维动态场景。为了建立粉尘动态扩散模型，本文以相关数学模型为基础，采用OpenGL开发了可精确地调整流场参数和观察视角的粉尘扩散三维动态场景，以及重力风速影响和射流作用下粉尘扩散的三维场景，该方法为更好的掌握粉尘扩散规律，提供处理预防措施。

1.1.粉尘扩散模型

点源粉尘在大气中的扩散模型是建立虚拟场景的核心，其扩散过程受到气流状态、粉尘理化性质、粒子的气溶胶特性等影响。由于因素较多，情况复杂，模型常以某种假设为前提，在各方向同性物质中，符合费克定律，即穿过单位面积的扩散物质的迁移速度与该面的浓度递减成正比【2】：

FDCCx

（1）

2C2C2CD

（2）

222tyzx

1.2粉尘扩散在虚拟场景中的实现

针对粉尘在大气中的扩散过程，以数学模型为基础，采用桌面VR系统，构建了粉尘颗粒在气流中扩散的三维场景，用户通过键盘、鼠标、显示器等标准输入输出设备与系统进行交互。下图分别给出了粉尘点源在无风不考虑重力影响与有风考虑重力影响下的图像。

由于建立的场景以科学计算和粒子系统为主，场景采用OpenGL开发，编程语言采用VC，建立的虚拟场景为三维场景，采用OpenGL视角变换技术，可以通过键盘和鼠标拖动方式来对场景进行三维旋转、移动和缩放等操作，让人们从不同的视角来观察粉尘颗粒在气流中的扩散过程，除此之外，建立的场景以模型为基础，可以通过改变参数来对虚拟场景进行变化。

除此应用之外，虚拟现实技术在气象中的其他领域也有广泛的应用。比如说在天气预报当中，通过虚拟三维场景模拟出大气气流以及气压场的变化，从而可以很好的预测分析出大气气象要素的变化情况，为天气预报提供精确可靠的信息。在气象科普知识当中，通过VR技术建立气象小游戏，让群众可以通过三维场景构建的气象小游戏来了解到大气科普知识。

2.虚拟现实技术在其他领域的一些应用。

2.1．VR技术在电视节目背景中的应用

计算机、多媒体技术的飞速发展，带动了虚拟现实技术的不断改进，在近年来的各个领域影响和改变着人们原先固有的思维。传统的电视节目背景需要根据节目的不同需求来进行布置，实背景搭建和拆卸需要投入大量的人力、物力，不仅增加了节目组的成本，还会因为其使用寿命和使用风格的限制导致现实中节目背景的使用周期比较短、需要更替的频率比较频繁，造成大量不必要的浪费，而通过虚拟现实技术建立的三维虚拟场景可以解决这些问题。

实现场景虚拟化可以按照如下的步骤来进行：

  还原实际场景中的蓝箱，设定虚拟摄像机。

建立蓝箱的目的是为了建立一个虚拟场景和现实之间的一个在真实的大小尺寸和距离上可以进行对照的参照物，为场景设计提供尺寸和位置上的依据，接下来就可以围绕虚拟蓝箱进行模型的搭建了。

2.2.虚拟现实技术在武术散打中的应用

散手作为中华武术的一个分支，以其“远踢、近打、贴身摔”的独特技法名扬世界武坛。近年来，随着各国的挑战赛，使散打运动不断发展，现在结合虚拟现实技术可以很好的训练散打人员的动作技术，为研究和提高运动员的技术、战术训练水平提供了一定的理论依据和方法。

虚拟现实技术在散手运动中的运用研究：  散手运动训练场景的生产：使用Vega生产虚拟现实场景，Vega是美国Multigen-Paradigm公司生产的用于虚拟现实、实时场景仿真、声音仿真以及其他可视化领域的应用软件。该系统制造出虚拟综合训练或者比赛的场景，给运动员真实的比赛的环境，这样可以减少比赛中的由于紧张而引起的失误，同时增强运 动员在比赛中的自信心。

运用动作捕捉技术（Motion capture）建立散手动作数据库：散手运动员穿上数据衣或者在关键部位设置跟踪器，让运动员将散手动作一一演练，由动作捕捉系统

【2】 捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后生产数据库中数据，加上视频资料的采集以及现场拍摄的方式，收集了大量有关散手的视频信息，利用VideoStudio将各种散手的技术动作特征单元提取出来，将所有的数据分类建立多个动作数据库，来调整控制虚拟人的运动。

虚拟现实中虚拟人的建立：利用3Dsmax、maya等三维动画软件制作出三维虚拟人物模型，在计算机表示的空间中生成逼真的三维虚拟人，虚拟人是人在计算机生成空间的几何特征和行为特征的体现。

 散手对练系统的生成。

2.3虚拟现实技术在中西医当中的应用

在中医药院校中，传统的教学方法是以课堂教学为主，再结合挂图、模型、标本、人体等辅助教学工具进行教学，并配以费用较高的动物实验、尸体解剖来加深学生的理解。由于医学领域与人类有着密切的、重要的和特殊 的关系，在这个领域里，人与人之间或人与现实之间的交互方式受一定的条件限制。虚拟现实技术的引入，能从根本上降低教学成本，减少危险性，激发学生的学习兴趣和主观能动性、提高教学质量、弥补教学条件的不足。

2.3.1中医远程脉诊系统

作为传统医学的瑰宝，中医的诊断有其 自身特点，诊断时仅需要望、闻、问、切，在这四诊中切脉往往是中医看病定性时最重要的依据。尽管中医的脉象诊断相对简单，但由于过多依赖医生的经验和感觉，再加上不同的中医对于不同脉象的定性都不尽相同，往往给人以玄妙奠测的印象。虽然历代医家发微解难，但 由于 “脉理精微，其体难辨”，仍难免 “在心易了，指下难明”，长期以来影响着脉学的传授和发展。应用虚拟现实技术的仿真技术的优势，能对客观系统的本质属性进行抽象和重演，因此可以使医生和患者在中医远程脉诊时获得如同身临其境的感受，这使中医远程医疗、虚拟社区医院等成为可能，结合数据挖掘技术，可以进一步生成脉诊专家数据库系统，有效地促进中医脉诊科学化和客观化。中医远程脉诊系统由场景生成子系统、声音生成子系统脉象探测子系统、脉象处理子系统、实时控制子系统、信号传输子系统和专家决策子系统等功能基本子系统组成，构成了基于虚拟现实技术的可调闭环远程脉诊系统。其中，场景生成子系统合成医生和病人的脉诊场景环境；声音生成子系统实现医生和病人的病情问讯功能；脉象探测子系统包括脉诊仿真器和脉诊探测器两部分，医生和病人分别通过脉诊仿真器和脉诊探测器进行脉象感应和探测；实时控制子系统实现医生和病人的切脉过程实时互动；脉象处理子系统实现脉象信号的处理与分类 ；信号传输子系统实现视频数据、音频数据、控制数据、脉象数据和诊断数据的信号传输；专家决策子系统辅助医生和病人进行病情决策和评估。

2.3.2数字化虚拟人体和微观物质的虚拟

数字化虚拟人体是指将人体结构数字化，通过计算机技术和图像处理技术，在电脑屏幕上 出现一个看似真实的模拟人体，再进一步将人体功能性的研究成果加以数字化，由信息技术将其转变为电脑的语言符号，赋加到这个人体形态框架上。经过虚拟现实技术的交叉融合，通过操作者的调控，这个 “虚拟人”将能模仿真人做出各种各样的反应

2.3.3虚拟手术模拟

虚拟手术系统是专门用来对手术全过程进行仿真的虚拟现实应用系统，主要包括虚拟建模、医学数据的可视化、人体组织器官的应力形变仿真、传感与反馈、高速图形显示与图像处理等几部分。虚拟手术的模拟主要应用于复杂手术过程的规划、演练及预测，指导手术进行。学生可以在计算机产生的三维虚拟手术环境中，利用虚拟手术器械进行相关的虚拟手术流程，应对各种突发情况，具有可避免手术失误、缩短培训时间、节约实训费用、降低手术风险、减少病人损伤、提高手术成功率等多项传统实训教学无法比拟的优势。

虚拟现实技术应用领域十分的广泛，除了上述的两个场景之外，在、军事演习【4】、土木 工程 【5】等等领域均有广阔的应用前景。

3.学习虚拟现实技术之后，我的体会与收获

本学期在刘佳老师的课程指导下，我学习而来虚拟现实技术这门很有前途的课程，在学习的过程中，我发现虚拟现实技术是一项新起的很有发展潜力的技术，现在正式起步发展阶段，在各个领域已经有了很好的应用，我觉得以后的社会发展离不开虚拟现实技术，正如我们现在的社会离不开因特网一样。下面我就说一下自己对于虚拟现实技术的认识以及感想。

随着网络通讯技术的迅猛发展．虚拟现实技术的优势越发明显，在某种意义上说它将改变人们的思维方式，甚至会改变人们对世界、自己、空间和时间的看法。它是一项发展中的、具有深远的潜在应用方向的新技术。利用它，我们可以建立真正的远程教室，在这间教室中我们可以和来自五湖四海的朋友们一同学习、讨论、游戏，就像在现实生活中一样。使用网络计算机及其相关的三维设备，我们的工作、生活、娱乐将更加有情趣。虚拟现实技术是本世纪发展的重要技术之一，作为一门科学和艺术将会不断走向成熟．在各行各业中将得到广泛应用，并发挥神奇的作用，二十一世纪将是虚拟现实技术的时代。

本学期学习内容讲的是虚拟现实技术。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，让使用者身临其境，可以及时、没有限制的观察三度空间内的事物。这段对虚拟现实的定义我最有感触的就是“可以及时、没有限制的观察三度空间内的事物”在不面对面的教学和相处过程中，大家只能凭借声音和文字去感受对方，这样似乎一切都变美好了。而关于虚拟教学这些优点也让我颇为赞同比如弥补远程教学条件的不足，避免真实实验或操作所带来的各种危险。这些优点也让我更深刻地去思考或许这种教学方式不单单是一种潮流，在更完善的技术发展过程中会有更多凸显 优点，我要拭目以待。

作为一名即将毕业的大四学生，能够在毕业前学到一门新的技术，感到很充实。虚拟现实技术作为一门新的技术，在未来的发展中会体现出更大的价值，比如拿游戏来说，应用虚拟的三维场景设计出游戏场景，让玩家可以很好的亲临其境，利用VR桌面系统可以很好的提高交互性，让玩家彻底的放松自己。现实的世界纷繁复杂，对于一个未开发的产品设计或者一个新的理念，甚至一幢设计中的建筑，我们都可以采用虚拟现实技术建立它的三维场景，当你需要推销你的楼盘时，你可以给你的楼盘建一个虚拟漫游场景，让没有进去过的人同样可以很好的领略到您的建筑的不同风格，促进购买者的兴趣，发现价值，当公司开会，您有一个好的产品设计理念时候，您可以利用虚拟现实技术创作一个您想要设计的产品原型，在公司部门的例行会议上展示新的理念产品。总之，这学期学习的虚拟现实技术是一门实用的新型的有前途的技术，在未来的科技、生活、工业等领域都会发生革命性的变化。

参考文献

【1】柳静默，陈宝智，王金波.《虚拟现实及其在粉尘扩散中的应用》.中国安全科学学报.Vol.10 No.6 【2】章海晨.《虚拟现实技术在散打运动中的应用研究》.搏击武术科学.2012.8 【3】宋清华，李静.《虚拟场景在电视节目背景中的应用》.Media Time 2012.12 【4】郑童.《浅谈土木工程中的虚拟现实技术》.工程技术.P175 【5】李湘德，彭斌.《虚拟现实技术发展综述》.创新论坛.2004.V25

虚拟现实技术的应用研究 篇3

关键词：虚拟现实科技开发电子娱乐教育游戏

虚拟现实技术中的“现实”是泛指在物理意义上与功能意义上，存在于世界上的任何事物或环境。该虚拟程序可以是实际上可实现的环境，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的环境。而“虚拟”是指用电脑生成的意思，因此，虚拟现实是指用电脑生成的一种特殊环境，人们可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现某种特殊的目的，即人是虚拟环境的主宰。

虚拟现实的特征：1、多感知性一所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。2、浸没感—又称临场感或存在感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度，好像在现实世界中的感觉一样!3、构想性一强调虚拟现实技术有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

虚拟现实技术运用在科技开发上，用它来设计新材料，可以预先了解改变成份对材料性能的影响。在材料还没有制造出来之前就可以知道用这种材料制造出来的零件在不同受力情况下是如何损坏的。虚拟现实在商业上的应用主要体现在对产品的展示。例如，在展示一些高科技产品时，为了让用户能了解到这种技术的功能，内部的结构，销售商就会运用虚拟技术来模拟商品，像一个真实的物品展现在消费者面前，给消费者一种身临其境的体验，如：楼房销售，旅游景点，汽车销售等都利用这项技术。

虚拟现实技术运用在电子娱乐上，通过虚拟现实技术在娱乐领域的运用，英国科学家研制出现的利用虚拟现实技术模拟的滑雪器通过操控者利用模拟的一些设备如：头盔、显示装置、身穿的滑雪服装、脚上穿着雪橇板、通过手中的滑雪棒，在室内通过观察显示器的过程中出现的画面，可以模拟出滑雪场现场的情况，跟真的在滑雪过程是一样的感受。

虚拟现实技术运用在教育上：1、虚拟校园，虚拟校园是把一个真实的学校，通过虚拟现实技术活生生的展现在计算机上或是在你的面前，突破了传统单一的浏览方式，让自己能真的身临其境的去观察物体的每一个角度，灵活的浏览校园情境。在1996年时，天津大学就尝试着虚拟校园，让很多没有去过天津大学的人，也可以身临其境的去领略这所知名的大学。伴随着科技网络技术的发展，现在很多大学也在开始逐步的使用这样的技术来推广自己的学校。2、虚拟教学为现代教学带来了很多便利，运用这种虚拟技术，我们可以模拟出我们无法直接观察出来的，或是无法在现实中真实体验测试的，如一些复杂系统的结构和动态，给学生一种更直观的感受。3、虚拟现实技术在培训上的贡献是非常卓越的，由于这项技术有沉浸性的特点，这样就能够给参与培训的人有一个虚拟现实的空间，让其在这个虚拟的空间中扮演一个角色，能让他进人状态，身临其境的去学习。这样对学生的学习训练非常有利，能够帮助学生去感受和理解教学的内容，切身去解决问题。很早以前，西南交通大学做过这样一个虚拟教学实例，他们开发的机车驾驶模拟装置，就可以真实的模拟出列车运行的各种状态，让学生有一个真实的感受。通过对这个模拟装置的各种设置，真实模拟出各种事故应急情况，不断的给学生做训练，操作熟练后能马上参与到相应的工作。

虚拟现实技术在互动游戏领域的运用。三维技术，不仅是虚拟现实技术重要的应用方向，而且牵引着虚拟现实技术的发展。虚拟现实的全部技术在三维游戏里面都能找出。创造一个逼真的虚拟世界来满足真实感游戏，一般需要三维软件，创建出的模型、三维人物动画、立体的声音和其他资源等。为了能逼真且实时地实现图像信息，模拟复杂的虚拟世界，就必须设计合理的模型组织结构，并对虚拟世界中的每个对象“精雕细琢”地搭建三维模型，这是在三维虚拟系统里构建过程的重要工作。只有逼真的、实时的、高成像的三维场景和一套复杂的交互感应设备，才能满足虚拟现实的搭建，达到人和环境的现实融合，并且利用操纵键盘来输入与输出。也就是说，我们利用三维技术生成的三维场景。通过一些特殊的显示设备来模拟现实世界里你所能看到，然后将利用环境产生的互动，获得最接近真实的体验过程。虚拟现实技术，为互動娱乐方式的突破提供新的机遇。在科技发展的今天，有着先进强大的虚拟现实硬件支持下，加之真实，互动，情节化，多人参与等特点，新一代的互动传播方式，将把人们体验虚拟世界的经验，带到一个崭新的，人类从未触及的世界当中。

虚拟现实技术运用在其他领域里面，不但能模拟出真实场景，还能模拟出真实的人来，如一些主持人，歌星和演员等等。日本电视台推出的歌星DiKi，不仅歌声迷人且风采翩翩，引得无数歌迷纷纷倾倒，许多追星族欲亲睹其芳容，迫使电视台只好说明她不过是虚拟的歌星。创造出虚拟演员也是迪斯尼计划中的事，这将使“演员”艺术青春常在、活力永存。明星片酬走向天价，是导致使用虚拟演员的另一个原因。当虚拟演员逐渐的取代电影主角后，电影可能成为软件产业其中一部分，虽然虚拟演员也能成为出色的演员，但是始终也取代不了真人的幽默和人情味。之前由计算机拍成的游戏节目《古墓丽影》片中的女主角人选全球知名人物，预示着虚拟演员时代即将来临。

虚拟现实技术及其应用 篇4

关键词：虚拟现实技术,系统组成,主要内容,基本特征,分类,应用

1 前言

虚拟现实 (Virtual Reality) 又简称VR, 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, 它可以是现实中能够实现的, 也可以是现实中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, 人们可以通过使用各种特殊的装置将自己“投射”到这个环境中去, 并通过操作、控制环境, 实现特殊的目的, 人则是这种环境的主宰。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。

2 虚拟现实系统

2.1 虚拟现实系统的组成

虚拟现实系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和演示设备等几个部分组成。虚拟现实技术的特征之一就是人机之间的交互性, 为了实现人机之间的充分信息交换, 必须设计出特殊的输入工具和演示设备, 以识别人的各种输入命令, 且提供相应反馈信息, 实现真正的仿真效果。不同的项目可以根据实际的应用, 有选择地使用如下工具, 主要包括有:头盔式显示器、传感手套、屏幕式或房式立体显示系统、三维立体声音生成装置等。

虚拟现实技术主要包括三个部分, 即三维计算机图形技术、多种功能传感器的交互式接口技术和高清晰度的显示技术。

2.2 虚拟现实技术

2.2.1 虚拟现实技术的主要内容

概括起来, 虚拟现实系统技术的内容主要表现在如下几方面:

(1) 虚拟现实首先是一种可视化界面技术, 可以有效地建立虚拟环境, 这主要集中在两个方面:一是虚拟环境能够精确表示物体的状态模型, 二是环境的可视化及渲染。

(2) 虚拟现实技术仅仅是计算机系统设置的一个近似客观存在的环境, 为用户提供逼真的三维视感、听感、触感和嗅感的感受, 它是硬件、软件和外围设备的有机组合。

(3) 用户可通过自身的技能, 以6个自由度在这个仿真环境里进行交互操作。

(4) 虚拟现实技术的关键是传感技术。

(5) 虚拟现实离不开视觉和听觉的新型可感知动态数据库技术。可感知动态数据库技术与文字识别、图像理解、语音识别和匹配技术关系密切, 并需结合高速的动态数据库检索技术。

(6) 虚拟现实不仅是计算机图形学或计算机成像生成的一幅画面, 更重要的是人们可以通过计算机和各种人机界面进行交互, 并在精神感觉上进入环境, 它还需要结合人工智能, 模糊逻辑和神经元技术。

2.2.2 虚拟现实技术的分类

虚拟现实技术可以分为四种类型, 即桌面级的虚拟现实、投入的虚拟现实、增强现实性的虚拟现实和分布式虚拟现实。

(1) 桌面级的虚拟现实

桌面级虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真, 计算机的屏幕用来作为用户观察虚拟境界的一个窗口, 各种外部设备一般用来驾驭虚拟境界, 并且有助于操纵在虚拟情景中的各种物体。这些外部设备包括鼠标, 追踪球, 力矩球等。它要求参与者使用位置跟踪器和另一个手控输入设备, 如鼠标, 追踪球等, 坐在监视器前, 通过计算机屏幕观察360°范围内的虚拟境界, 并操纵其中的物体, 但这时参与者并没有完全投入, 因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面级的虚拟现实最大特点是缺乏完全投入的功能, 但是成本也相对低一些, 因而, 应用面比较广, 常见桌面级虚拟现实技术有基于静态图像的虚拟现实技术、VRML (虚拟现实造型语言) 、桌面CAD系统等。

(2) 投入的虚拟现实

高级虚拟现实系统提供完全投入的功能, 使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备, 把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来, 并提供一个新的、虚拟的感觉空间, 并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身在虚拟环境中、并能全心投入和沉浸其中的感觉。

(3) 增强现实性的虚拟现实

增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界, 而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受, 也就是增强现实中无法感知或不方便感知的感受。这种类型虚拟现实的典型实例是战机飞行员的平视显示器, 它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上, 它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据, 从而可集中精力盯着敌人的飞机和导航偏差。

(4) 分布式虚拟现实

如果多个用户通过计算机网络连接在一起, 同时参加一个虚拟空间, 共同体验虚拟经历, 那虚拟现实则提升到了一个更高的境界, 这就是分布式虚拟现实系统。

3 虚拟现实技术在广播发射台的应用

Web3D技术是随着互联网与虚拟现实 (Virtual Reality) 技术的发展而产生的, 其目的在于在互联网上建立三维的虚拟世界。目前, Web3D技术在电子商务、远程教育、工程技术、计算机辅助设计等领域已经获得了广泛的应用。

将Web3D技术引入到仿真发射机工作过程中, 将虚拟发射机构建在Web之上, 具有其特殊的意义。虚拟发射机提供了与操作人员的交互和仿真效果, 更能使得全局各个发射台的操作人员在全国范围内通过Internet进行交流和学习。

“虚拟发射机”可以狭义的理解为与发射机真实的存在是相对应的, 是以计算机数据形式存在的虚拟发射机环境。真实的世界是具体而复杂的, 虚拟发射机环境只能是抽取真实世界的个别方面, 比如, 人们关心的外部空间的视觉要素, 发射机的形体构成等。虽然只是现实世界的个别方面, 但虚拟发射机却有重要的意义, 可为虚拟发射机的环境提供仿真效果。

目前, 在互联网上已经出现了不少采用Web3D技术构建的虚拟建筑。通过该技术, 人们可以随时随地的通过互联网访问该建筑。用户可以进入虚拟的建筑中, 在任何地点观察该建筑, 实现实时漫游, 设计人员则可借此更有效地推敲建筑与环境的空间关系, 建筑物、建筑环境、市政设施等都可以以三维数据的形式存储和再现, 从而为设计者提供更直观的设计依据, 更可以在Web环境下共享数据资源;同样, 用虚拟发射机仿真真实的发射机, 用户可以象操作真实的发射机一样对发射机进行操作, 与虚拟发射机进行交互, 达到学习了解和排除发射机故障的目的, 具体可实现如下功能:

(1) 以发射机为基础, 对其设备进行完整的再现, 并仿真出设备相应的功能。

(2) 通过设定不同的等级, 用仿真的形式学习和掌握设备的操作和应用。

(3) 仿真操作者对设备的故障进行判断和处理。

(4) 通过用户的操作, 在额定时间内完成, 可以评判出一定的分数, 并可以提升等级。

3.1 软件基本架构的划分

仿真发射机设计软件基本架构可分为实体图形部分、操作实现部分和基本信息部分。

(1) 实体图形部分

实体图形部分是本系统一个相当重要的部分, 它是仿真系统的基础。这部分的实现方法我们采用了最新的3DMAX建模技术, 最大化的与原形逼近。实体图形文件放在web服务器上, 在APPLET客户端通过URL访问文件。

(2) 操作实现部分

操作实现部分可实现几何体的放大、缩小、平移、旋转、拾取等功能。在java3D中调用显示3DMAX生成的模型文件, 对三维对象进行编程操作。

(3) 基本信息部分

该部分包括基本用户信息、几何体文件的存放路径等。这些基本信息的设计, 通过数据库实现, 基本信息存放在数据库中。

3.2 软件的架构和流程

仿真发射机整个软件系统可以分为四部分, 即培训学习、成长之路、考试、综合管理 (见图1) 。其中, 第一部分为数据输入模块, 可用Java编写, 它完成了初始数据输入、文件导入和将数据存储到数据库等功能, 其它三个部分也是用Java完成, 可以独立运行, 因为它们都是基于数据库的, 数据库就成为了它们之间的桥梁。

3.3 仿真发射机的实例

下面举一个“实习值班员从开始进入界面, 登陆后, 进入仿真发射机系统”的实例, 介绍虚拟技术的实际应用。

根据仿真发射机辅助培训系统第一期的目标, 我们软件方案的主要系统功能可以分为:培训学习、成长之路、考试、综合管理等四个方面 (见图1) 。

(1) 培训学习功能

培训学习的主要内容包括:规章制度的学习、发射机的部件认知讲解、开关机、检修、常用工具的使用以及故障的处理等部分。该功能可以不分等级、不计时间, 提供系统中的所有功能供操作人员学习。

(2) 成长之路功能

使用该功能模块的用户必须首先登陆该系统。如果是初次使用, 用户就需要注册。初次注册的用户积分是500。当用户登录以后, 系统会自动判断用户的级别, 根据该用户的级别显示该级别难度的操作;以后根据综合管理中设置的操作分数, 当一个操作正确完成后, 就给用户加分, 操作不正确不加分;当用户的积分累积增加到系统设定的更高级别的分数后, 用户的级别就自动提升。

(3) 考试功能

当需要进行考试时, 用户登录考试系统模块, 用户根据当前登录用户的级别, 自动生成该级别的试题, 在规定的时间内用户答题, 时间到后, 用户提交, 系统会自动给当前用户计分。

(4) 综合管理功能

(1) 定义发射台信息、发射台人员信息和等级设置等。

(2) 设备操作定义:定义某种型号发射机的操作和操作步骤, 定义操作步骤的分数。

(3) 故障定义:给某种设备操作步骤定义故障和定义解决该故障的分数。

(4) 检修定义:定义检修操作的分数和检修设备的流程。

(5) 常用仪器、仪表的使用:定义常用仪器、仪表的操作步骤和定义操作使用的分数。

4 小结

虚拟现实技术正广泛的应用于现代教育等技术理论与实践的诸多领域中, 为实验类课程的教学改革及现代远程教育提供了技术支持, 而且必将有助于人们的思维和创新, 成为对人们已有概念进行深化和获取新概念的有力工具。

虚拟现实技术发展的分析论文 篇5

论文关键词：虚拟现实技术矿山软件虚拟矿山

论文摘要：随着虚拟现实技术的不断发展，将其应用于矿山建设逐渐成为矿山研究热点之一。应用虚拟现实技术可以生成三维的“虚拟矿山”，直观地显示矿山的地质情况和巷道分布情况，可向设计者、审查者、公众展示…个三维的、动态的矿山。虚拟现实技术在矿山设计、技术改造及生产中具有重要作用。

1虚拟现实技术及软件简介

虚拟现实技术可利用计算机产生一个以自然的视、听、触等功能感受的三维环境，人们可以方便地对生成的“虚拟世界”进行交互式的观察、分析、操作和控制。它以仿真方式给用户创造了一个实时反映实体变化与相互作用的界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，它具有多媒体信息的感知性、沉浸性、交互性和自主性等特点。利用虚拟现实技术创建出逼真的矿山工程环境对优化系统设计具有重要的实用价值。

为了给用户创建一个能使其感到身临其境和沉浸其中的环境，必要的条件就是根据需要能在虚拟现实系统中逼真地显示出客观世界中的一切对象：不仅要求所显示的对象模型在外形上与真实对象酷似，而且要求在形态、光照、质感等方面十分逼真。

目前，相关软件发展迅速、种类较多，其中常用的软件有MultiGenGreator、Vega、OpenGI以及我国图灵公司的VRMAP、适普公司的IMAGIS等。

1．1模型构建软件

MultiGenCreator是美国MultiGenParadigm公司开发的三维建模软件，广泛用于视景仿真、虚拟城市、模拟设计、交互式游戏等。它在满足实时性的前提下可生成逼真的场景，可进行多边形建模、矢量建模和地形生成。它的层次细节、多边形筛选、逻辑筛选、绘图优先级、自由度设置等高级功能使得其数据格式OpenFlight在实时三维领域成为流行的图像生成格式。该软件可接受DXF、DEM和其它矢量格式的数据与AutoCAD和GIS软件结合方便。

1．2支持视景生成的语言——OpenGL

应该使用已有的商品化或标准化的图形库和程序设计语言来设计与实现虚拟环境，其中OpenGI(服务器)及其支持系统就是这样一种可选用的图形生成环境。OpenGI可按函数库的形式被C语言调用，也可以被窗口系统直接调用。OpenGI是使用专用图形处理软件接口，该接口目前由几百个过程函数组成，用以支持用户对高质量三维对象的图形和图像进行操作。

penGI指令的模型是客户／服务器模式，即一个程序(客户)提供指令，该指令由OpenGI解释并处理，它直接执行3D及2D图型的基本操作。这些操作包括转换矩阵、光照模型和光线跟踪、反混淆方法、z～Buf以及像素更新操作等。OpenGI也支持双缓冲技术，该技术提供了生成动画效果图形所需要的机制，使所生成的图形能够像电影一样平滑运动。

1．3视景漫游软件

Vega是MultiGen--Paradigm公司开发的应用于实时视景、声音仿真和虚拟现实等领域的高性能软件环境和开发平台，由Lynx图形化用户接口和Vega库组成。利用Vega库函数可在Lynx中建立漫游所需要的场景、窗口、通道、运动和碰撞方式，可以定义对象的初始化参数并建立对象之间的相互联系。

2地质构造情况的模拟

对于矿山技术人员来说地质构造情况非常重要，如果对煤层、岩层、含水层、流沙层以及断层和褶曲等情况的推断有偏差，或图形表现不直观易懂，则在建井或生产过程中就可能发生塌方、突水等事故，造成人员伤亡和经济损失。应用虚拟现实软件可以根据地质体的三维分布，使矿井的规划设计更加直观方便。

综合国内外现状，三维地质体的绘制有块段、表面、实体和断面建模法等。

MultiGenCreator中需要的曲面数据是ded或。dem格式，使用GIS软件Arolnfo、用插值方法生成不规则三角网(TIN)，然后转成USGSDEM格式，将其导入Creator就可以生成煤层曲面。然后，通过光照、着色、纹理、渲染等处理三维地质体更加逼真。

3地形地貌及地物的模拟

地形地貌和地物的建立需要相应的三维数据。如果有研究区域的纸质地形图，可以用扫描数字化的方法得到平面数据，按照图上的标注得到高程数据；如果已有该区域的电子地图，则可直接使用或通过数据格式转换得到需要的数据；如果没有上述数据源，则需要由野外测量获得。

地形生成与地质曲面生成过程类似，先用ArcInfo将地形图上的等高线和高程点进行数字化，把图上标注的高程值输入到属性表中，生成不规则三角网(TIN)，然后转成USGSDEM格式将其导入Creator生成三维地形。

对于建筑物、道路、围墙、河流、湖泊等的建立，先用Auto—CAD进行数字化，得到其平面位置。将得到的*．def文件导入Creator，并与地形匹配。如果建筑物比较规则，则直接将其底面按照高度拉伸为立体，如果建筑物造型比较复杂，则需要分成规则的几部分进行构建。

4矿山井下巷道建模

目前，矿山信息主要是通过CAD格式的双线采掘工程平面图来表达。首先根据采掘工程平面图上的高程信息，利用CAD中的`三维多线段重新描绘巷道，同时将高程信息赋予每个节点，实现巷道的单线显示，井筒和巷道设计要布置合理，尽量避免穿过断层、褶曲、含水层等不良地质构造，尽量减少矿井建设和生产地面的影响。

使用MultiGenCreator进行设计，用圆柱体表示井简，用半圆型截面的柱体表示岩巷，然后进行模拟生产，以发现生产中可能遇到的问题，对设计方案进行比较和选择。设计方案完成后可模拟不同设备、不同开采方式的生产系统进行生产，从而达到优化矿井设计和生产系统的目的。综合考虑地质和技术条件、经济、环境等各种因素，选择合理的方案。

5虚拟巷道系统的建立

虚拟巷道系统是对矿井真实巷道多分辨率的三维虚拟表示，建立的主要任务之一是实现基于web环境下的可交互的、真实巷道的三维可视化表达，用户可以从各个角度对巷道虚拟环境进行任意的浏览和观察，并可通过网络进行各种交互。

5．1矿井巷道的建模

矿井中各种实体大多是三维实体，其表面为不规则曲面，且内部矿体品位分布不均匀。对于矿体的外形，可用一个不规则的封闭曲面来确定。为确定矿体的范围，要经地表勘查、地下勘探及推估等手段来完成。在浏览器上发布三维实体模型，可通过将现有的三维矿体模型中存储的信息按照一定的规范转换为系统可接受的格式得到。要在MuhiGenCreator中构建三维矿井巷道模型，首先应进行简单的坐标转换，这是因为MuhiGenCreator中采用的坐标系和地学中实际采用的坐标系的含义有所不同。MultiGenCreator中采用的坐标系为符合右手规则的空间坐标系，是以MuhiGenCreator浏览器中用户区的中作为其坐标系的圆心，基底坐标为XOZ面，y表示高程。其坐标长度以米为单位，标准角度以弧度为单位。因此，为使它与人们通常采用的地学坐标系保持一致，应将原来矿井三维实体的(，Y，：)坐标转换为MuhiGenCreator坐标系中的(，Y，Z)。转换后的三维实体坐标应满足虚拟场景中所采用的局部坐标系显示的需要。由于矿井实体坐标的数值一般相当大，而实际显示坐标值的前几位高位数据对图形形状不产生任何影响，因此可将地理坐标数据各分量同时做一预选。

5．2虚拟巷道场景的绘制

对于规则格网构成的矿山地表模型及矿井实体的顶底板数字表面模型，可用ElevationGrid节点构建。该节点能很容易有效地设计创建一个位于局部坐标系X()Z平面上高低起伏的地域造型。该造型用高度值组成的标量阵列描述，阵列指定了表面每个格网点上的高度。和z方向的栅格点数量可以分别用xDimension和zDimension域建立。xSpacing和zSpacing域值指定了栅格行和列之间的空间。Height域的值指定了每一个栅格点的海拔高度，基底上的每一个栅格点都与height矩阵中的一个海拔值相对应；colorPerVertex域指定为TRUE或FAISE，表示color域中指定的颜色是用到ElevationGrid节点的每个顶点上(TRUE)，还是应用到每个四边形上(FAISE)；此外，通过建立solid域值，所有的海拔栅格都可以当作实体。

对于由不同的三角面构成的复杂地表模型，则需要用MUITIGENCREATO提供的万能几何节点IndexedFaceSet来创建，它有coord与coordlndex两个域，与IndexedFaceSet节点中的两个域类似，前者提供了一个节点，列出了构造面几种所有面的坐标。Coordlndex域的值提供了一张描述一张或多张面周界的列表。其中每一个值都是整型索引，并且每个索引都指定了在coord域内的坐标列表中的一个坐标。在实际的创建过程中，要求建立三角网的各个三角面按照法线方向向外的法则。

6结语

应用虚拟现实技术，生成一个逼真的矿山虚拟环境(VirtualEnvironment)。这样在矿山设计或研究阶段，科研人员可以置身于矿山虚拟环境下直观审视矿山，按照设计给定的工艺方法和参数，选择设备及确定生产模式。从基建到闭坑的全过程实时监控，发现问题进行实时修正。设计结束后，设计单位、矿山企业可向审查者、公众展示一个三维和动态的矿山。总之，虚拟现实技术在矿山设计、技术改造、生产中可广泛应用。

参考文献：

[1]古德生．金属矿山深部开采中的科学问题[A]．香山科学会议第175次学术讨论会[c]．北京：．

[2]乔林，费广正等．OpenGI程序设计[M]．北京：科学出版社，：130～134．

[3]齐安文等．三维地学模拟述评及其矿山应用关键问题．《中国矿业》．2001(5)：10．

[4张瑞新、任延祥．虚拟现实技术及采矿工程中的应用．《中国矿业大学学报》，(3)：27

虚拟现实技术的11个用途 篇6

电影

当你戴上虚拟现实眼镜时，它会阻止各因素的干扰，让你能更好地投入到电影当中去.这令虚拟现实技术成为观看电影的最佳选择，观众将会享受到身临其境的交互式观影体验.

游戏

自从20世纪90年代以来，虚拟现实技术就开始被应用到游戏中.可是，2016年才被广泛视为虚拟现实游戏真正腾飞的年份.包括索尼和Valve等开发商已经宣布支持虚拟现实技术，随着科技的不断发展，智能手机与虚拟现实头盔相连打游戏的设想即将成为现实.

虚拟旅游

自从虚拟现实可展示360度全景视频以来，它就开始被用于旅游行业.虚拟现实可被用于演示数以千计的纪念碑、博物馆以及热门旅游景点.它会影响真正的旅游业吗？或许，但至少它比在现实世界中旅游要省很多钱！

虚拟购物

城市购物正迅速演变成递送模式，从服装、鞋袜到百货日杂，任何东西都被融入应用中，下一步或将是虚拟现实购物.大型眼镜连锁店正在试验虚拟购物：你可以“走入”店内，搜索和检查想要购买的产品，然后将其添加到购物车中，你无须离开沙发，这些商品就会给你送到家.

重现犯罪现场

虚拟现实可以将你融入不同的地点和时间中.对于重现犯罪现场来说，这堪称是一种完美方式，因为它可以帮助找到和分析最初被忽略的东西.警方可使用先进相机拍摄现场照片，并制作成360度全景视频，调查人员只需戴上简单的虚拟现实眼镜，就可以环顾四周以便发现更多线索.

医疗

CT扫描可以很准确地发现异常.问题是，医生们只能在屏幕或打印的片子上查看扫描结果.有了虚拟现实技术后，医生们可以看到更多细节，并可在3D空间中操作它们，这将意味着更快、更好的诊断.虚拟现实在医学领域的其他应用包括远程操控手术工具、无风险培训医务人员甚至治疗病人.

军事训练

随着虚拟现实的发展，越来越多国家开始将此种新型技术应用到军事培训领域.比如，2013年加拿大军队进行了虚拟现实的模拟训练演习，韩国军队使用虚拟现实设备进行室内金属训练等.虚拟现实设备相比传统的训练舱等设施具有成本更低的优势，同时也能够让士兵获得更自由的活动空间，高度模拟的现实场景将有助于提升训练水平.

虚拟现实技术与应用 篇7

虚拟现实技术 (Virtual Reality, VR) , 又称为灵境技术, 主要通过对虚拟环境的数字化建立, 给人的视觉构造一个虚拟的“真实场景”, 让人能有超强的沉浸感, 通过一些输入设备, 检测人体运动的关键动作, 作为指令, 与虚拟环境时时的互动, 让人有种身临其境的感觉。

虚拟现实技术还有一项重要的学术名称, 叫视景仿真技术, 视景仿真采用计算机图形图像技术, 根据仿真的目的, 构造仿真对象的三维模型或再现真实的环境, 达到非常逼真的仿真效果, 实现用户与该环境直接进行自然交互。从而达到工程预演、人员培训的目的, , 让所有的工程项目可以未卜先知, 有方向有条理的进行, 同时也广泛应用于娱乐与游戏行业。

2 虚拟现实关键技术

虚拟现实是在计算机图形学, 图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等信息技术的基础上发展起来的, 是这些技术更高层次的集成和渗透。主要的技术包括:

(1) 动态环境建模技术。它是虚拟现实技术一个核心部分, 利用动态建模技术获取现实环境的三维数据, 并根据实际的需要, 建立相应的虚拟环境模型。

(2) 实时三维图像生成技术。为了达到实时的目的, 在不降低图像的质量的前提下, 提高刷新频率是技术的关键, 必须保证图像的刷新频率不低于每秒15帧, 最好高于30帧。

(3) 立体显示和传感器技术。这是实现人机交互的一个必不可少的条件、传输介质。虚拟现实技术主要依赖于立体显示和传感器技术, 立体显示技术涉及到人眼原来技术以及在计算机深度线索技术。现有的立体显示物理设备如头盔显示器、单目镜及可移动视觉显示器、光学显示器, 还存在很多的缺陷;传感器设备安全性、可靠性、精确性等相关的性能有待提高。

(4) 应用系统开发工具。为了提高虚拟现实技术的开发时间, 必须要面向应用, 研究相应的开发工具。目前, 常用的虚拟现实开发工具VRT, 是个可视化平台具有较高的交互性和网络出了能力;CG2公司的VTree是实时三维图形开发软件包可以实现仿真、实时场景生成等应用。

(5) 多种系统集成技术。虚拟现实技术最终集成是必然的, 包含大量表达信息模型, 必须根据设计意图合理组合。集成技术主要包括信息的同步、数据转换、模式识别与合成等技术。

3 虚拟现实技术发展简介

(1) VR技术的发展大致分为3个阶段: (1) 20世纪50年代到70年代末, 是VR技术的探索阶段; (2) 20世纪80年代初期到80年代中期, 是VR技术系统化、从实验室走向实用的阶段; (3) 20世纪80年代末期到达21世纪初, 是VR技术高速发展的阶段。

(2) 国外研究现状:1) 美国是VR技术的发源地。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR技术发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面;2) 英国在VR技术的研究与开发的某些方面, 如分布式并行处理、辅助设备 (触觉反聩设备等) 设计、应用研究等方面, 在欧洲是领先的;3) 在德国, 主要从事虚拟世界的感知、虚拟环境的控制和显示、机器人远程控制、VR在空间领域的应用、宇航员的训练、分子结构的模拟研究等;3) 日本主要致力于建立大规模VR知识库的研究, 另外在VR游戏方面的研究也做了很多的工作。

(3) 国内研究现状:1) 清华大学对虚拟现实及其临场感等方面进行了大量的研究;2) 北京科技大学成功开发出了纯交互式汽车模拟驾驶培训系统;3) 北京航空航天大学开发了直升飞机虚拟仿真器、坦克虚拟住仿真器、虚拟战场环境观察器、计算机兵力生成器。

4 虚拟现实技术的主要应用领域

(1) 虚拟现实技术一个主要应用时用于军事方面的联合演习, 包括对各个兵种培训, 能够在短时间提升军队整体协调性, 并且节省大量军费开支, 具体的应用实例:虚拟战场模拟, 多军种培训与联合演习, 指挥军官的策略的培训。

(2) 矿井的关键大型设备的模拟加工与制造, 对于矿井人员的培训, 矿井等方面多发事故场所模拟等等方面也逐渐有了应用。因为矿井属于灾难多发区, 对于技术人员和相关设备具有很高的要求, 并且一定要对施工项目进行预先的模拟与判断, 尽量减少事故的发生, 具有非常重要的意义, 具体应用实例:矿井设备矿井设备的虚拟设计和制造与模拟采矿, 矿井的安全隐患的模拟, 矿井作业的预演与相关人员的培训。

(3) 再就是在娱乐与游戏中的应用, 是虚拟现实技术应用最热门的领域, 人们在追求物质生活的同时, 对这种娱乐的感官享受越来越追求, 所以在游戏和娱乐中的虚拟现实技术, 是以后发展的重要方向, 也是主流方向。现在一些虚拟现实技术的应用的实例:杭州大学开发的虚拟故官游玩系统, 日本松下公司的“虚拟餐厅”。

5 结语

虚拟现实技术, 简单的说就是给你的眼睛建立了一个虚拟的世界, 通过一些传感器将你肢体互动的动作, 输入到虚拟的世界中, 实现你在虚拟场景中的各项操作。虚拟现实技术, 应用在各行各业, 都有一个突出的优点, 就是能够简便的对各种事件的模拟, 尽量减少实际操作的失误, 对于装备制造, 大型工程项目的施工, 具有很强的实际意义。在娱乐与游戏方面, 虚拟现实技术, 实现了人与游戏, 实景的真实互动, 让你有种身临其境的感觉, 是虚拟现实技术发展的一个非常迅速与热门的方向。

摘要：随着21世纪科技的飞速发展, 虚拟现实技术迅速兴起, 很多科研人员对这项技术充满了热情, 越来越多的科研人员投身这个科学研究领域, 致力于虚拟现实技术的研究、开发及应用推广, 成为当今世界的一个热门话题。虚拟现实技术给人视觉上的娱乐享受, 现在还广泛应用于一些工程项目预演、人员培训。

关键词：虚拟现实,三维建模,视景仿真

参考文献

[1]朱方文, 龚振邦.虚拟现实技术及其主要产品[J].机电一体化, 1998 (02) .

[2]魏锋.虚拟现实技术及其在煤矿中的应用[J].山西科技, 2005 (04) .

虚拟现实技术的应用研究 篇8

虚拟现实对于很多人来讲还是一个比较新的词汇, 也可能你听说过, 但并不了解, 只是认为佩戴显示设备, 观看虚拟出来的内容, 有身临其境之感, 以为这就是虚拟现实技术。不尽然, 那虚拟现实技术究竟指什么呢?本文将为读者解决这个困惑。

2 虚拟现实技术简介

2.1 什么是虚拟现实技术

虚拟现实技术即虚拟现实。虚拟现实 (Virtual Reality, 简称VR) 是近年来出现的高新技术。从本质上来说, 虚拟现实是一种先进的计算机用户接口, 它通过给用户同时提供视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段, 因此具有多感知性、存在感、交互性、自主性等重要特征。虚拟现实技术并不是一项单一的技术, 而是多种技术综合后产生的, 其核心的关键技术主要有动态环境建模技术、立体显示和传感器技术、系统开发工具应用技术、实时三维图形生成技术、系统集成技术等五大项。

2.2 虚拟现实技术特征

虚拟现实技术主要有四个特征: (1) 沉浸性:主要是指让计算机产生一种虚拟的环境, 让参与到其中的人有一种和现实世界一样的感觉, 就如身临其境一般。 (2) 交互性:主要是指用户对计算机模拟出的虚拟环境中的物体具有可操作性和从虚拟环境中的物体上得到的反馈。 (3) 想象力:主要是指虚拟现实技术它具有很广阔的想象空间, 不仅可以模拟出现实存在的世界, 而且还可以模拟出不存在的环境。 (4) 多感知性:主要是指这项技术不仅能够让我们感受到视觉和听觉这两种一般计算机就可以给我们提供的感觉外, 还可以给我们提供触觉、味觉等一般计算机难以模拟出的感觉。

3 虚拟现实技术的应用领域

虚拟现实技术在很多领域内均有比较理想的应用, 如教育与培训、娱乐与艺术、医学、军事、商业等领域, 下面我们将就其中几个比较典型的应用领域展开叙述。

3.1 教育与培训

虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。在教育领域中, 把虚拟现实技术的产品作为一种新的学习工具, 一方面可以使学习者从逼真的虚拟假想空间中获取真实世界中得不到或难以得到的经验和感受, 另一方面也使教师等教育工作者逐渐养成用数字时代的思维方式去教育学生的行为方式与习惯。

在教育领域的实践中, 虚拟现实技术在教育中的应用大致可分为以下几个方面: (1) 模拟训练 (2) 科学研究 (3) 虚拟学习环境 (4) 虚拟实验室 (5) 仿真虚拟校园等。

3.2 娱乐与艺术

如电视台使用的虚拟演播室也是一种虚拟现实技术。虚拟演播室系统是一种只需要有演员和道具, 不需要实际的真实场景的演播系统。这个让观众耳目一新的系统不但为电视制作人提供了广阔的创作空间, 而且在丰富节目包装方式、降低节目成本方面有着十分可观的优势。不过, 目前, 除中央电视台或凤凰卫视、北京电视台等大媒体外, 我国电视台或传媒机构对于虚拟现实技术的应用与研究还比较粗浅, 成功的实例还不是很多。

3.3 商业领域

网络购物相对于传统的购物方式具有方便、经济等一系列的优势, 同时随着近年来物流行业的迅速发展, 网络购物在时效性方面也有了很大的提高。但是由于网页技术的限制, 购物网站往往通过图片和文字来展示网站商品。通过网页中的图片, 消费者很难完整和准确地掌握产品的信息, 过多的文字介绍也让购物过程变得繁琐和枯燥无味。而将虚拟现实技术引入到网络购物中来, 用该技术创建能够与用户产生互动的三维虚拟超市场景, 使人置身于真实的互动的三维购物场景之中, 将使网络购物变得更加真实。将传统购物与传统的网络购物特点相结合, 使网络购物的用户体验性能得到极大的提高。

4 虚拟现实技术研究现状与前景

4.1 目前存在的问题

(1) 硬件的限制。一般情况下, 想要实现一个高质量虚拟现实系统, 外部设备的规格就要非常高, 而且设备的精度、舒适度等方面还有待提高。 (2) 图形生成速度滞后。图形生成速度就是虚拟现实中场景要随着人的动作的变化而做出相应的改变, 而以我们现在的技术想要做好还是很难。 (3) 三维数据量大。虚拟现实技术中有很多的模型, 其占用的空间很大, 而以我们现在的宽带的速度跟不上, 而且会对计算机带来很大的负载。 (4) 缺少人性化。我们现在只能通过鼠标、键盘、头盔等简单的工具实现虚拟化, 犹如机器人一般, 所以要增加人性化处理。

4.2 未来发展方向

发展方向与上面提到的瓶颈是相对的, 所以未来虚拟现实技术将主要朝着以下几个方面去发展: (1) 人机交互界面; (2) 感知研究领域; (3) 高效的虚拟现实软件和算法; (4) 廉价的虚拟现实硬件系统; (5) 智能虚拟环境。

5 结语

虚拟现实技术经历大半个世纪科学研究, 从一开始的简单仿真到现在涉及到了人的感觉、触觉等, 在这大半世纪里, 有许多的科学研究者付出了自己毕生的心血。

而随着科技和社会的不断发展, 虚拟现实技术也在向我们展示它未来广阔的前景。作为新世纪最有前途的技术之一, 它一定会不停的带给我们惊喜。同时我们也希望我国科学家们能够努力研究, 让我国的虚拟现实技术的研究处于世界领先水平。

摘要：随着计算机技术的迅猛发展, 虚拟现实技术的应用日趋广泛和深入。基于此, 本文将深入浅出地对虚拟现实技术的定义、应用领域、未来的发展前景和存在的问题进行介绍, 重点阐述虚拟现实技术的应用领域以及相关研究, 以期使读者对于虚拟现实有一个相对明晰的认知。本文内容介绍:在第2部分会对虚拟现实技术进行简单介绍;第3部分将部分应用虚拟现实技术的领域进行介绍;第4部分描述虚拟现实技术研究现状和前景;在第5部分对全文进行总结。

关键词：虚拟现实技术,虚拟现实发展前景,研究现状,虚拟现实应用

参考文献

[1]李袁.虚拟现实技术在数字图书馆中的应用[J].科技情报开发与经济, 2009, 19 (36) :3-5.

[2]陈浩磊, 邹湘军, 陈燕, 刘天湖.虚拟现实技术的最新发展与展望[J].中国科技论文在线, 2011 (3) :21-22.

虚拟现实技术及其应用综述 篇9

1. 虚拟现实的概念

"虚拟现实"这一术语是从英文Virtual Reality一词翻译而来, 又译为"灵境"。虚拟现实技术的渊源可以追溯到上世纪50年代, 那时产生的立体电影和球幕电影, 以深度感和大视野的电影图像加上声响的配合, 使得人可以置身于图像环境之中, 后来这种方式也被用来进行航空航天训练, 这种系统可以看作是虚拟现实系统的最初雏形。

从60年代中期起, 目标明确的虚拟现实技术研究开始形成, 并在几十年的时间里取得了一系列显著的成果, 涌现出了一大批诸如VR集成系统、VR系统附加硬件、VR开发系统等有价值的成果, 但是学术界和企业界对于"虚拟现实"一直没有一个统一的、明确的标准定义。直到1990年在美国达拉斯召开的SIGGRAPH国际会议上对VR技术进行了集中讨论, 并首次用以下三个构成技术对VR进行了定义:三维计算机图形学技术, 采用多功能传感器的交互式接口技术, 以及高清晰度显示技术。这也是迄今为止, 学术界普遍接受的定义方式。

虚拟现实技术正是综合利用以上三种技术创建一个虚拟环境, 人在真实世界中所能感受到的一切 (包括视觉、听觉、触觉、味觉等) 在这个虚拟世界中都能感受到, 人们想象的超越当前现实的虚幻世界同样也能在这个虚拟世界中被感受到。因此, "虚拟现实"的内涵体现在一下三个方面:

(1) 虚拟现实是一种基于计算机图形学的多视角三维实时动态环境。这个虚拟的世界既可以是当前客观世界的映射, 也可以是人们脑海中主观世界的映射。

(2) 进入虚拟世界的用户可以以人类自身的自然技能和思维方式与其进行交互。

(3) 在虚拟世界中, 人作为一种实时数据源构成虚拟世界的行为主体, 而不仅仅是虚拟世界的观察者。

2.虚拟现实的特征

1993年Burdea G在Electro 93国际会议上发表的"VirtualReality System an Application"一文中, 提出了虚拟现实技术三个显著特征, 即:沉浸感 (Immersion) 、交互性 (Interaction) 和构想性 (Imagination) 。人们形象地将其称为I3, 它们共同支撑起虚拟现实技术, 如图1所示。此外多感知性、自主性等也是虚拟现实的主要特征。术的三个显著特征

沉浸感被通俗地解释为身临其境, 这意味着用户将不仅仅是以双眼和大脑介入虚拟环境, 而是以完整的生物个体融入虚拟现实系统。从这种意义上讲, 沉浸感意味着体验, 意味着逻辑与形象的结合、认知与感知的统一。正是这种特点, 使得虚拟现实技术成为身体在知识探求过程中的能动作用得以保证的第一个智能技术。

交互性反映了虚拟现实与通常CAD系统所产生的模型以及传统的三维动画的区别。虚拟现实构造的不是一个静态的世界, 而是一个开放、互动的环境。虚拟现实环境可以通过控制与监视装置影响用户或被用户影响, 即虚拟现实系统的使用者可以通过三维交互设备直接操纵计算机所给出的虚拟环境中的对象, 虚拟环境中的对象也能够实时地做出相应的反应, 体现了用户对虚拟环境中的物体可操作程度、从虚拟环境中得到的反馈的自然程度和对虚拟环境进行重新布置的方式。虚拟现实系统中参与者与虚拟环境之间的交互作用, 使得虚拟现实技术中的人机关系具有了新的涵义。

构想性是指虚拟现实系统可以构造出那些现实世界中不存在或不易观察到、而只出现在人们想象中的情景。用户可以从定性和定量综合集成的虚拟环境中得到感性和理性认识, 从而可以深化概念, 萌发新意, 产生认识上的飞跃。

3.虚拟现实系统的结构

一个完备的虚拟现实系统由计算机硬件、计算机软件和各种传感器设备组成。计算机硬件既可以是一台大型计算机, 也可以是微型计算机, 还可以是工作站。计算机软件主要由检测模块、反馈模块、传感器模块、控制模块和建模模块组成。其中, 检测模块检测用户的操作指令, 并通过传感器模块作用于虚拟环境。反馈模块接受来自传感器模块的信息, 为用户提供实时反馈传感器设备包括三维显示头盔、数据手套、全方位监视器以及大屏幕显示屏等位置跟踪设备和交互设备, 它们产生信号与计算机实现交互功能。控制模块对传感器进行控制, 使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。建模模块用于获取现实世界组成部分的三维表示, 并由此构成对应的虚拟环境。

一个典型的虚拟显示系统的结构如图2所示:

4.虚拟现实系统的分类

实际应用中的虚拟现实系统, 按照其功能的强弱, 可以分为以下四类:

(1) 简易型虚拟现实系统

简易型虚拟现实系统又称为桌面型虚拟现实系统或者窗口中的虚拟现实。这是最简单的一种虚拟现实系统, 利用一套普通的台式计算机系统即可实现, 用户通过键盘和鼠标等便可与虚拟环境进行交互。严格来说, 这种系统并不能称为真正意义上的"虚拟现实系统"。但是由于结构简单, 成本低廉, 有利于普及推广, 目前普遍应用在CAD、CAM、建筑设计以及三维游戏开发等方面。

(2) 沉浸型虚拟现实系统

沉浸型虚拟现实系统比较复杂, 它将用户与外界隔离, 排除了外界的干扰, 使用户能够全身心地投入到虚拟环境之中。用户通过头盔显示器、数据手套、数据衣服等传感器设备与虚拟环境进行交互。这种系统虽然能够为用户创造一个完备的虚拟世界, 但是价格昂贵, 难以普及使用。

(3) 分布式虚拟现实系统

分布式虚拟现实系统一般是沉浸式虚拟现实系统的发展。它利用网络将分布在不同地理位置的沉浸式虚拟现实系统连接起来, 为了实现某种共同目的, 充分利用分布于不同地理位置的各种资源, 协同创建一个虚拟环境。

(4) 增强型虚拟现实系统

增强型虚拟现实系统又称为混合现实系统。它将真实环境与虚拟环境进行交汇融合, 以虚拟环境取代部分真实环境, 既可以降低构成真实环境的开销, 又可以对某些真实物体进行操作, 真正达到了虚拟与现实有机结合的境界。增强型虚拟现实系统是今后的发展方向。

二.虚拟现实的关键技术

虚拟现实系统十分复杂, 它所涉及的技术包括计算机图形学、图象处理与模式识别、智能接口、人工智能、传感器技术、语音处理技术、网络、并行处理、系统建模仿真、系统集成等。其中人机接口技术、虚拟现实计算平台技术、虚拟现实应用系统开发工具和系统集成技术是虚拟现实的四大关键技术。

1. 人机接口技术

虚拟现实系统的人机接口是指向用户显示信息, 并接受用户控制行动与反应的所有设备。由于操作者沉浸于虚拟环境之中, 因而接口覆盖了人类感知世界的多重信息通道, 包括视觉、听觉、触觉等。另外, 接口还包括位置跟踪、运动接口、语言交流以及生理反应等多种子系统。目前, 人们投入较大力量进行研究的主要领域包括视觉、听觉、触觉、位置跟踪等接口技术。

2. 虚拟现实计算平台技术

虚拟现实计算平台是指在虚拟现实系统中处理各种输入信息并产生作用于用户的交互性输出结果的计算机系统。虚拟现实系统的信息加工是实时的, 虚拟环境的建模、I/O设备的开销、三维真实感图形的实时生成都需要进行大量的计算。在虚拟环境的创建过程中, 虚拟物体的物理、运动学等性能建模以及I/O设备的快速存取一般由CPU进行处理。而真实的动态视觉效果则需要专门的图形加速设备来实现。这是因为真实的视觉效果对虚拟现实系统的沉浸感至关重要。目前计算机系统的性能还未能完全满足虚拟现实技术实际应用的要求, 高度并行的计算结构及分布式系统是两个重要的研究方向。高度并行总线的计算结构采用多个图形处理器并联及高速的总线装置来提高性能, 目前这种结构正处于原形研究阶段。分布式系统是将计算载荷分配到网络上的多个工作站中。

3. 虚拟现实应用系统开发工具

虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象, 即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发的质量。为了达到这一目的, 必须研究各类通用或者专用的虚拟现实开发工具和软件包。

4.系统集成技术

由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型, 系统集成技术起着统一管理和协调这些感知信息和模型的关键作用。系统集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。

三.虚拟现实技术的研究现状

1.国外研究现状

当前, 西方的发达国家在虚拟现实技术的基础研究和实际应用方面都居于领先地位。

美国作为虚拟现实技术的发源地, 其研究水平基本上代表了目前国际上虚拟现实的发展水平。目前美国在该领域的研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。美国宇航局 (NASA) 的Ames实验室的研究工作主要集中在以下方面:在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真;大量运用了面向座舱的飞行模拟技术;对哈勃太空望远镜的仿真。现在NASA己经建立了航空、卫星维护虚拟现实训练系统和空间站虚拟现实训练系统, 并且己经建立了可供全国使用的虚拟现实教育系统。除了国家科研机构外, 美国的一些高校也积极投入虚拟现实技术的研究当中, 北卡罗来纳大学 (UNC) 的计算机系是进行虚拟现实技术研究最早的大学, 它们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。麻省理工学院 (MIT) 是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋, 这些技术都是虚拟现实技术的基础,

日本的一些高校、企业和科研机构, 在机械手、数据手套、实时三维成像等领域也取得了一些令人瞩目的成果。筑波大学根据自己研究的一些力反馈显示方法, 开发了九自由度的触觉输入器和虚拟行走原型系统。东京大学的高级科学研究中心开发的一套系统可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂。京都的先进电子通信研究所开发的一套系统可以识别手势和面部表情, 并把它们作为系统输入。

而在虚拟现实系统的分布并行处理、辅助设备 (包括触觉反馈) 设计和应用研究方面, 英国处于领先地位。

2.国内研究现状

我国的虚拟现实技术研究起步较晚, 与发达国家相比还有一定的差距, 但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视。"九五"规划以后, 国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把虚拟现实技术列入了重点研究项目。国内一些重点院校和科研机构, 已积极投入到了这一领域的研究工作。

北京航空航天大学计算机系是国内最早进行虚拟现实技术研究的单位之一。在虚拟环境中物体物理特性的表示与处理、视觉接口部分软硬件的研制、分布式虚拟环境网络设计、实时三维动态数据库开发等方面都取得了很多有意义的成果。此外, 他们还成功研制了虚拟现实演示环境、基于虚拟现实的飞行员训练系统、虚拟现实应用系统开发平台等实用系统。

清华大学计算机科学和技术系主要对虚拟现实的沉浸感进行了研究, 例如对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提出了不少独特的方法。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。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, 他们还提出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。

此外, 西北工业大学CAD/CAM研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所、国防科技大学计算机研究所以及中国科技开发院等单位也进行了一些研究工作和尝试。

四.虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术在很多方面都有着广泛的应用, 涉及到航天、军事、通信、医疗、教育、艺术、娱乐、建筑和商业等各个领域。

1.虚拟现实技术在军事中的应用

近年来, 虚拟现实技术的应用, 使得军事演习在概念上和方法上有了一个新的飞跃, 即通过建立虚拟战场来检验和评估武器系统的性能。在军事领域, 虚拟现实主要应用于以下四个方面:一是虚拟战场环境;二是进行单兵模拟训练;三是实施诸军兵种联合演习;四是建立一个"虚拟战场"使参战双方同处其中, 进行指挥员训练。

2.虚拟现实技术在现代教学中的应用

在现代教学领域, 虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境, 学生能够成为虚拟环境中的一名参与者, 扮演一个角色, 提高了学生的想象力、激发了学生的学习兴趣, 这对调动学生的学习积极性, 突破教学的重点难点、培养学生的技能都起到积极的作用, 学习效果十分显著。

3.虚拟现实技术在医疗中的应用

虚拟现实技术在医疗中的应用大致上分为两类。一类是虚拟人体, 也就是数字化人体, 通过这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能。另一类是虚拟手术系统, 可用于指导手术的进行。

Pieper及Satara等学者在上世纪90年代初, 研制成功了一个基于两个SGI工作站的虚拟外科手术训练器, 用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯、虚拟的外科工具 (如手术刀、注射器、手术钳等) 以及虚拟的人体模型与器官等。借助于头盔显示器及数据手套, 用户可以对虚拟的人体模型进行手术。

4. 虚拟现实在建筑设计中的应用

在建筑设计领域, 设计师可以不受条件的制约, 在虚拟的世界里任意去创作、观察和修改自己设计的每一个建筑, 也可以设计成各种建筑形式并比较其优劣, 而不再像以前那样只在头脑中想象。大大增加了建筑设计师们的工作效率和建筑表现的直观性。

5. 虚拟现实在商业娱乐中的应用

对于那些期望与顾客建立直接联系的公司, 尤其是那些在他们的主页上向客户发送电子广告的公司, 虚拟系统的应用有可能大幅度改善顾客购买商品的经历。顾客可以访问虚拟世界中的商店, 在那里挑选商品, 然后通过Internet办理付款手续, 商店则及时把商品送到顾客手中。

娱乐领域是分布式虚拟现实系统的一个重要应用领域。它能够提供更为逼真的虚拟环境, 从而使人们能够享受其中的乐趣, 带来更好的娱乐感觉。

五.虚拟现实技术的发展趋势

虚拟现实技术是许多相关学科领域交叉、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、计算机图形学、智能控制、心理学等, 因此这个领域的技术潜力是巨大的, 应用前景也很广阔的。

摘要：本文全面回顾了虚拟现实技术的发展历史, 介绍了虚拟现实技术的基本特征、结构、分类及关键技术, 阐述了虚拟现实技术的发展现状及在不同方面的应用。

关键词：虚拟现实,沉浸感,交互性

参考文献

[1].方小峰.基于虚拟现实的城市规划三维仿真系统[J].计算机仿真, 2004, 24 (3) :230-234.

[2].张正兴.虚拟现实及其在军事上的应用[J].抗恶劣环境计算机, 1995, 9 (1) :16-18.

[3].梅中义, 范玉青, 胡世光.虚拟现实技术及其应用前景[J].航空工艺技术, 1996, 3:3-5.

[4].孙秀伟, 阎丽, 李彦锋.虚拟现实技术在医疗中的应用展望[J].医疗保健器具, 2007, 5:21-23.

展望虚拟现实技术的前景 篇10

虚拟现实 (Virtual Reality) 是一个由计算机和电子技术创造的新世界, 是一个看似真实的模拟环境。通过多种传感设备, 用户可根据自身的感觉, 使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作, 参与其中的事件。虚拟现实技术汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、计算机仿真技术、传感器技术、高度并行的实时计算机技术和人的行为学研究等多项关键技术, 是一门基于多种学科发展起来的计算机领域的高新技术。由于网络的飞速发展, 仿真世界需要运行在通过网络连接的多台计算机上, 因此产生了分布式虚拟现实技术, 它是虚拟现实技术和网络技术结合的产物, 其目标是建立一个可供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境, 使处于不同地理位置的用户可以不受物理时空的限制, 通过姿态、声音和文字等“在一起”进行交流、学习、研讨、训练和娱乐, 甚至协同完成同一件比较复杂的产品设计或进行同一艰难任务的演练。

1.1 虚拟现实技术的主要特征

VR有3个主要特征, 即3个“I”, 它们分别是交互—沉浸—构想, 其相互之间的关系如图1所示。

(1) 沉浸。

是指用户借助各类先进的传感器进入虚拟环境, 由于用户所看到的、听到的和感受到的一切内容非常逼真。因此, 相信这一切都是“真实”存在, 即用户具有身临其境之感。

(2) 交互。

是指用户进入虚拟环境后, 可以用自然的方式对虚拟现实环境中的物体进行操作, 即用户的动作和意图可实时地影响和改变虚拟环境的构成。

(3) 构想。

是VR逼真性与实时交互性而使用户产生的更丰富的联想, 扩大用户的认知领域, 提高认知能力。

1.2 虚拟现实系统的分类

①桌面式VR系统

桌面式VR系统以计算机显示器或其它台式显示器的屏幕为虚拟环境的显示装置。其特点是虚拟系统视野小, 沉浸度差, 是一种初级的虚拟现实系统。但它的成本与制作要求低, 易于普及和实现。

②大屏幕式VR系统

针对桌面虚拟系统视野狭小和虚拟效果不甚理想的缺点, 人们研制出大屏幕VR系统, 它包括弧型宽屏幕、360°环形屏幕甚至全封闭的半球型屏幕。这种视野的虚拟环境可以把人和虚拟环境较完美的融合起来。但是, 该虚拟方式的实现技术非常复杂, 开发和运行费用相当高, 一般只用在特殊的用途。

③头盔式VR系统

头盔式VR系统是对上述两种系统的折中, 它将观察景物的屏幕接近到观察者眼前, 这样便大大扩展了观察者的视角。由于头盔把观察者与周围的现实环境隔离开来, 反过来增加了身临其境的效果。另外, 在头盔上安装的立体声和一些控制装置, 更增强它的沉浸感。目前, 头盔式显示器是人们研究的主要虚拟环境显示系统。

1.3 虚拟现实系统构成

虚拟现实系统构成如图2所示。

①检测模块:

检测用户的操作命令, 并通过传感器模块作用于虚拟环境。

②反馈模块:

接受来自传感器模块的信息, 为用户提供实时反馈。

③传感器模块:

一方面接受来自用户的操作命令, 并将其作用于虚拟环境;另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。

④控制模块:

对传感器进行控制, 使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。

⑤3D模块:

现实世界各组成部分的三维表示, 并由此构成对应的虚拟环境。

⑥建模模块:

获取现实世界各组成部分的三维数据, 并建立它们的三维模型。

目前, VR技术在很多领域应用已相当成熟。在生产方面, 通过建模和模拟的方法, 使方案论证、设计、生产、使用、维护等方面都几乎可以在人工合成的环境下进行模拟, 大大提高了生产效率。在医疗领域, VR技术可以用于解剖教学、复杂手术过程的规划、在手术过程中提供操作和信息上的辅助、预测手术结果等。在娱乐业中, 人们可以利用VR技术逼真的模拟“太空旅行”, 感受其中的趣味和惊险。可以戴上头盔, 骑上固定的摩托车, 在各种变换的道路上飞驰。

2 虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术可应用于建模与仿真、科学计算可视化、设计与规划、教育与训练、医学、艺术与娱乐等多个方面。以下列举了典型实例。

2.1 在军事方面的应用

美国加州Monterey的海军研究院在SGI工作站 (240VGX, 内存64MB, 每秒可画1兆个三角形) , 用六年时间开发了一个虚拟现实环境, 其中包括:FOG-M导弹模抉器, VEH飞行模拟器, 可移动平台模拟器, 自动水下运输模拟器等。用此环境能显示飞行器在地面和空中的运动, 展现地面建筑、道路、地表等景象, 用户可以选择各种车辆和飞行器 (多达500种) , 并能控制它的六个自由度。根据虚拟实现景物的复杂程度及地表特征, 其显示速度可达6帧/秒至9帧/秒。此系统的研究目的是为了使远程的、有危险的环境成为可见, 并可使用户能与其进行交互操作。

2.2 远程操作

这是早期VR系统工作的动力, 最初的NASA/AMES项目的目的就是规划在轨道中工作的机器人的远程操作 (如保持空间状态) 。

美国海军海洋系统中心Nalte Aviles等人的水下机器人也是正在进行中的一个项目。水下环境虽然比外层空间更易于获得, 但就很多方面而言其对人体更为恶劣。在受限视觉环境下, 触觉和听觉反馈尤为重要。FtPierce海洋学研究所的Authy Young和Donna Kocak开发了一个高强度激光探测器的远程可视系统, 该系统产生水下机器人 (甚至在能见度较低的条件下) 前面物体的三维图象, 这种几何信息可用于指导远程手臂澡作。

2.3 在设计中的应用

虚拟现实技术在建筑CAD中的应用是非常生动和有意义的。用户可以在建筑物建成以前, 走进虚拟的建筑物 (即在计算机中存储的建筑物模型) , 对建筑设计和内部装瑞进行评价审核。UNC在这方面进行了7年的研究, 他们的计算机系统在建造前就使用虚拟现实技术进行了模拟, 经过反复修改设计方案后才建造的。

2.4 在医疗中的应用

在使用放射疗法怡疗癌症病人时, 必须寻找最佳光线照射角度, 使得癌细胞能有效地被杀死, 而周围的健康组织最小限度地受到损害。使用虚拟现实技术时手术医师头戴头盔显示器看着虚拟的病人解剖模型, 手戴指套或数据手套模拟X光机发射出射线, 试验着各种不同的照射位置, 从而找到最合理的治疗方案。

2.5 教育与培训

美国佛罗里达中央大学已开发出用于公众教育的, 低成本的网络虚拟环境ExploreNet, 学生们可以在其上玩游戏, 还可以在提问下解决各种教学问题。每个参加者在屏幕上有一个模拟象, 并放在共享世界中, 网上所有的PC (在任何地方:学校或各个城市) 都可显示在这个世界, 当一个学生移动他的模拟象或执行动作时, 所有参与者都能看到结果。

美国Michigan州立大学的通讯技术实验室同工业界合作, 开发了SIZE机, 这个虚拟环境支持规棋搜索, 即它允许用户视角动态地发展和收缩。

2.6 娱乐和艺术应用

加拿大Albert大学为艺术家研制了署期虚拟环境工作站, 在工业界赞助下, 艺术家有机会溶于科学家中, 并学会如何使用虚拟设备和虚拟环境工具, 创造出可表达他们思想的虚拟世界。

3 结束语

虚拟现实是由多种媒体构成的三维信息空间, 虚拟现实技术的发展为仿真训练系统提供了广阔的应用前景, 它的发展必将对各领域产生重大影响。

参考文献

[1]陈小群.虚拟现实技术与三维动画技术探析, 艺术评论, 2007-02.

[2]郑宇;王文君;马志强.虚拟现实技术在军事领域的应用现状与前景展望.科技资讯, 2007-02.

[3]张森, 等.MATLAB仿真技术[M].机械工业出版社, 2004.

探究基于网络的虚拟现实技术 篇11

关键词：VRML；虚拟现实技术；网络虚拟

中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2013) 06-0000-02

随着计算机与网络技术的快速发展，人类对计算机的广泛应用已经进入到一个崭新阶段，也许虚拟现实技术就是我们未来在计算机领域里一个至关重要的技术。这项技术会给我们的生活带来乐趣，随着这项技术的改进与完善，人们利用这种技术可以模拟任何事物，比如：茫茫的宇宙和极其微小的分子结构。目前，这种技术在医学、科研、娱乐上都已得到的广泛的应用。

1虚拟现实技术

虚拟现实是由计算机来形成的一种三维环境系统，人们在这一系统中，有一种身临其境的感觉，并且使用者可以操控存在于系统中某个物体的直接感受。这种技术的出现，给人们带来了很多生活乐趣，同时也以一种全新的方式实现了人与机器的相互交流，使用者可以本色的与计算机中出现的各种信息打交道，计算机可以识别人们的各种表情，如：人们的肢体语言、神色、声音，这样，人们可以像是生活在现实世界中一样，可以听到，看到，感觉到计算机显示的各种信息。在虚拟现实中，应有尽有，比如，一只小鸟飞过来，身临其中的人们可以避开它，也可以伸手抓住它。这是一种任何人都可以感知的人造世界。在一个计算机的系统中，除了使用者本人是真实的，其它一切都是有计算机来虚拟的，在这样的世界当中身临其境的用户只能一个人孤独地遨游，可能有的时候用户更渴望在那个虚拟世界里可以遇到很多朋友，可以和他们谈笑风生，使用肢体语言进行彼此交流，共同享受这样的一个虚拟世界。这种有计算机来形成的、彼此有互交性的又具有沉浸感的世界，就是网络虚拟现实技术的三个要素。如今，网络技术的快速发展，为这种可能发生在虚拟现实中的一切想象都提供了可能，这就是所谓的网络虚拟现实，即虚拟现实与网络技术的融合体。

这就好比一个人在一个三维空间中阅读一本小说，通过小说中的文字给人脑的反射，这样人脑中就形成了小说中的人物与环境，一个虚拟现实环境就形成了。在一台计算机中要形成这种身临其境的感觉，就要借助于计算机的各种设备，实现人机互交。而目前，我们的虚拟技术还处在一个初期阶段，但人们利用各种科技的传感控制，为未来人们完全实现虚拟现实做好的充足的准备。实现这一技术就要全方位的了解人的特征，人类很大程度上都依赖于有效的视觉活动，只有视觉活动才能让在这样的虚拟世界中产生沉浸感，因此，在立体图形技术中，动画技术和建模技术的使用时实现虚拟技术的关键，另外，人们在触觉与听觉上的效果也是必不可少的。在虚拟世界中，整个环境共享和局部坐标系统之间的相互转换是非常重要的，不同的系统中局部某个坐标是要转换到整个环境共享中的全局坐标，以确保在一个环境中处在每个位置和视点上的图形在不同的系统中都能显示出正确性和一致性。

2网络虚拟现实

这种技术结合了网络通信技术和虚拟现实的网络虚拟世界，是一种由人们创建还可以供人们体验的虚拟世界计算机系统。在此系统中，不管显示出位于哪一个地理位置上的用户或者是很多的虚拟环境都可以通过网络进行相互交流和信息共享。这项虚拟现实技术当中涵盖了多个技术，如：图形技术、数据管理等各个方面。随着科技的发展，这项系统也处于快速的发展中，是当今网络技术领域的一大热点。目前，网络虚拟现实技术有20多种，如雨后春笋一般，迅速的成长起来。

写实图像就是把各种图像制作成为球的形状，从圆圈的中心环视四周的方式，另外一种方式就是凌乱的位置拍摄图片，然后进行综合。这种方法制作简单，画面也很漂亮。目前，这项技术使用广泛，使用中各项功能也非常灵活，使用者使用这项技术是可以将其旋转360度，还可以环顾四周。

三维空间也就是我们现在电影中常用到的3D效应，这项技术实际上是三维空间，形成的而不是图形，它的作用就是用以翻译和解释实际场景中模型文件的语言，并同时渲染来自服务器的场景模型的文件，可以使用户在看到形象逼真的3D图形。同时，通过有效的绘制来增加虚拟空间里强烈的现实感，可以完美的把动画和语言表现出来从而组成一个三维空间。同时再对其加以渲染。VRML（虚拟现实建模语言）是使用与网络中的新技术，涉及的范围广，如：因特网、多媒体通讯以及虚拟现实领域，使用这项技术的目标就是实现使用者在因特网上有效的相互交流。我们可以自己制作这项技术，通过虚拟现实建模语言，制作者可以把现实世界的特征模仿到虚拟现实里面，从而生成属于自己的虚拟世界，还可以提供给别人进来访问。来访者通过虚拟现实建模语言系统，浏览到制作者在网络上生成的三维实境。虚拟现实建模语言系统可以描述动态的三维图像还可以描述静态的三维图像，还可以描述其它媒体类型。虚拟现实建模语言浏览器和生成虚拟现实建模语言文件的相关工具，都可以广泛的使用于多个计算机，经过允许使用后，使用者可以增加多个交互对象。

3网络虚拟现实技术在我们生活中的应用

网络虚拟现实技术在航天事业上也的到广泛的应用，美国航天局将从火星上探索回来的数据输入到计算机系统中，研究人员可以像头盔一样的显示器，看到火星表面景象的全部事物。这项技术既可以帮助航天研究员遨游太空，还可以帮助研究人员观看一颗小分子内部的结构，而以前，科学家只能通过显微镜查看分子的踪迹。

在军事上虚拟现实技术也得到了广泛使用。在美国，他们利用这项技术来训练飞行员与指挥官。通过虚拟图像训练飞行员作战，这种无烟的训练既环保又方便使用，而且通过虚拟图像的训练，战士们从中也可以学到不少“实战”经验。另外，使用这项技术可以避免接受训练人员因为指挥上的错误，而导致的灾难性事件。

而体育训练又是虚拟现实技术广泛应用另一个领域。比如说滑雪训练，在虚拟现实技术中，运动员头戴具有显示器的头盔，穿上滑雪靴，计算机系统就会使运动员像在滑雪道里一样来回移动，计算机的图像系统就会在显示器里提供给运动员相应的图像，这样，就好像运动员真的在滑雪场，有那种身临其境的真实感觉。同时运动员佩戴在手指上的传感器会自动测量运动员全省血液的流动速度，进而根据运动员的血液流动速度来调整滑雪道的坡度，这样就既控制了运动员运动量，还不会让运动员在训练中有过度劳累的现象。

医学领域也在广泛使用虚拟现实技术。医生可以佩戴有显示器的头盔，就可以看到孕妇体内胎儿的具体图像。虚拟现实技术还可以帮助医生准确地判断肿瘤在病人大脑中的位置，借此医生可以拟定有效的治疗方案。另外，实习医生还以运用虚拟现实的人体做各种练习，这样即使医生有失误也是没有关系的。

虚拟现实技术在娱乐界也得到了广泛的应用。在电子游戏中，玩家可以和虚拟世界中的人进行打斗，即使是真刀真枪的打斗也是没有关系的，还可以虚拟乐器弹奏出美妙的音乐。人们可以带上一套传感装置，就可以控制屏幕中动画人物的动作、表情和动画人物的位置，这项技术是动画人物与娱乐者互相融为一体。这样就将娱乐效果发挥到了极致。

4结束语

目前，我们对于这项虚拟现实技术的研究才刚刚开始，而各种具有高性能的计算机处理技术，尤其是网络带宽，是网络虚拟现实技术发展的障碍。可以这样说，要提高虚拟现实中的交互性，研究人员要花费大量的时间与精力来提高各种技术的数量级。但是，计算机的发展往往是超出人们的预想，计算机更新换代的速度是非常快的，大约每18个月，计算机的能力就会翻一番，而有些人仍然预测未来时，另一部分人早就已经将他们创造出来了。真正将网络虚拟现实技术运用到现实当中已经离我们不远了。

参考文献：

[1]李健,邓家褆.基于网络的虚拟现实技术[J].计算机工程与应用,2008(8).

[2]袁平.简介虚拟制造中的网络虚拟现实技术[J].装备制造技术,2009(3).

[3]柯文.走进奇妙的世界--浅谈虚拟现实技术[J].中国学术发表公报,2013(2).

虚拟现实技术 篇12

关键词：体感交互,Kinect镜头,实验教学,教学改革

近年来, 体感交互技术的研究和应用在教育领域逐渐成为热点, 如在课堂教学[1]、教学游戏项目[2]和仿真实验[3,4]等方面都有一定的成果。本文以浙江师范大学数理与信息工程学院开设的研究生课程《虚拟现实技术》为例, 研究了基于微软公司的体感捕捉设备——Kinect镜头的体感交互实验系统开发方法, 并给出了应用于教学中的实验项目实例。

虚拟现实技术课程的特点

依托浙江师范大学计算机软件与理论重中之重学科的虚拟现实与动作捕捉实验室, 面向计算机和软件工程专业研究生开设的《虚拟现实技术》课程侧重学生实验技能和职业素养的培养。课程以项目化教学的方式 进行, 在介绍虚拟现实技术理论知识的基础上, 重点讲授虚拟现实系统硬件环境的搭建及使用、三维模型构建及优化、交互技术和开发平台Quest3D等方面的知识, 最终通过实际横向项目开发的方式巩固学生的理论知识, 并使学生掌握虚拟现实技术项目开发的流程和业界规范。

通过几年的课程建设和教学实践, 总结出课程的特点如下:

(1) 知识的综合性:课程的教学内容包括了计算机图形学、数字图像处理、模式识别和多媒体技术等计算机专业的相关知识, 也涉及信号处理与传输、网络通信等网络工程专业的内容, 同时又要求学生有较好的程序开发基础, 课程具有非常强的综合性。

(2) 教学的创新性:虚拟现实技术的应用日益增多, 从最初的简单展示三维模型, 发展到对展示对象或环境进行交互控制, 到现在的体感交互和沉浸式环境, 技术的进步和应用的需求互相促进, 不断创新。这就需要教师在教学过程中能引入较新的技术或成果, 引起学生学习兴趣, 调动学生学习热情, 启发学生创新思维。同时, 学生在学的时候也需注意对发现新问题、找到新方法的创新性思想的培养。

(3) 实验的应用性:虚拟现实技术具有很强的工程应用性, 对课程的理论知识和相关算法进行实验验证并不是实验教学的主要目的, 使学生通过真实项目的开发, 掌握到虚拟现实技术项目开发需要的技术、开发的流程和开发的规范才是教学的重点。

随着体感交互技术应用的流行, 根据课程的上述特点, 将体感交互作为教学的重点内容是适合的。在教学计划中, 安排了16学时的体感交互技术内容, 具体如下页表所示。

教学内容以Kinect镜头作为体感捕捉设备, 以Kinect SDK开发技术为理论重点, 设计了两个实验项目。实验项目1为三维建筑漫游, 要求学生实现手臂动作的捕捉, 并完成手臂控制虚拟摄像机进行场景漫游的交互设计, 通过实验使学生掌握简单体感交互项目的开发方法。实验项目2为机械拆装, 要求学生实现抓取、吸附移动、碰撞检测和作用域控制等较深入的交互控制方式, 此项目在项目1的基础上增加了难度, 使学生通过实验能掌握较高级的体感交互系统开发技术, 为以后工作中的项目开发打下基础。同时, 由于实验项目2的内容较为综合, 覆盖到课程的内容比例较大, 因此将其作为整个课程考核的组成部分, 在最终的总评成绩中占40%。

体感交互技术教学实验环境的搭建

《虚拟现实技术》课程的体感交互技术实验统一安排在浙江师范大学计算机软件与理论学科的虚拟 现实与动作捕捉实验室, 选用的体感采集设备为微软公司的Kinect镜头 (如图1) , 镜头采用USB口与计算机相连, 即插即用, 硬件设置简单易行。基于Kinect镜头和计算机平台的体感交互实验开发环境可以用如图2所示。

图2中①为硬件基础层, 核心部件是Kinect的传感器, 包括有镜头角度驱动马达、摄像头和麦克风阵列。实验中主要用到的是镜头组, Kinect的镜头共有两个, 一个用于RGB彩色图像采集, 一个用于深度信息采集, 还有一个红外发射器, 具体的原理可以参阅微软公司的Kinect产品网页。

层②为镜头设备的驱动层。实验室选用DELL公司的INSPRIRON通用计算机, Windows 7操作系统作为开发平台, 设备通用性较高, 开发的系统具有良好的平台移植能力。Kinect镜头的驱动安装非常简单, 需要调用的部分主要是设备访问、视频流控制和镜头组堆栈。

层③是自然人机接口NUI的API部分, 也包括有音频识别等功能的API。

软件方面为基于微软发布的Kinect SDK, 主要提供了软件类库和开发工具, 通过它可以捕获体感交互中需要的自然数据, 如人体的骨骼信息 (动作信息) 、深度信息 (距离信息) 和图像信息等。Kinect镜头采集的体感数据交换流程如图3所示。

体感交互技术教学实验项目的设计

下面以课程的实验项目1建筑漫游为例, 说明体感交互技术教学实验项目的设计。

1.项目概述

传统的三维建筑漫游一般采用鼠标或键盘来控制摄像机, 实现前后左右移动、旋转、上下视角改变和镜头缩放 (变焦) 等功能, 使用户最大程度地接近真实世界中人在建筑群或室内等建筑环境中的游览方式, 也能实现真实世界中不能提供的方式, 如透视、鸟瞰和变焦等。

鼠标或键盘操作远不如手势操作简单自然, 实验项目基于Kinect镜头, 通过捕捉用户的手臂姿态动作实现上述建筑漫游时需要的交互控制功能, 其体感交互情境如图4所示。

2.系统的逻辑结构

系统分为三层, 由下到上分别是Kinect设备层、手臂姿态识别层和应用层, 如图5所示。

Kinect设备层基于Kinect SDK进行人体骨骼、深度图像和RGB彩色图像的实时采集, 帧速率为30FPS, 图像大小可达640×480像素。系统可以实现两人的骨骼动作跟踪, 并设定主要操作人员 (距离镜头较近者) 。深度图像和彩色图像提取出轮廓信息, 融合骨骼信息后基于DTW算法进行手臂姿态跟踪和识别。识别并标签后的手臂动作作为驱动信息提供给应用层。应用层中采用交互设计软件Quest 3D读取用户的手臂动作, 并命令系统作出反馈, 如左右转向、前进和后退等。

3.实验设计

本实验需4学时, 分两次课进行, 中间间隔1周, 使得学生有较充分的课下准备时间。第1次课要求学生实现Kinect数据采集及基本处理。使用到的硬件为计算机和Kinect镜头, 软件为Visual Studio 2010和Kinect SDK V1.7, 语言为C#。为了使学生的精力主要集中在数据处理和手臂姿态识别算法上, 数据采集部分在Kinect Toolkits提供的算法基础上做了滤波优化。

第2次课要求学生基于DTW算法完成手臂动作的训练和整个识别算法, 并借助课程前面实验中开发的Quest 3D建筑场景验证算法的有效性。

通过本次实验项目的开发, 学生将完整地掌握基于Kinect镜头的体感数据捕捉和处理、常用的人体动作识别算法和体感交互开发方法, 熟悉体感交互系统逻辑结构和数据交换流程, 为将来进行体感交互设计系统研发打下牢固的基础。

实验项目同时培养了学生的创新性思维, 使学生学习的内容紧跟科技进步的最新成果, 把握应用市场流行的脉搏。

结论

体感交互技术相关的系统开发涉及知识多, 对学生的理论知识和实验能力都有较高要求, 但也能扎实地培养学生在此领域的专业技能, 在2个专业、共计4轮的《虚拟现实技术》教学实验中, 师生反响热烈。课程将自然人机交互的新成果Kinect体感交互技术融入到教学中, 结合实际项目, 构造虚拟教学情境, 提高学生学习的主动性和参与度, 实现了科技化教学。

参考文献

[1]陈静.基于Kinect的手势识别技术及其在教学中的应用[D].上海:上海交通大学, 2013.

[2]马建荣, 章苏静, 李凤.基于体感技术的亲子互动游戏设计与实现[J].中国电化教育, 2012, (308) :85-88.

[3]廖宏建, 曲哲.基于Kinect体感交互技术的虚拟装配实验系统开发[J].实验技术与管理, 2013, 30 (7) :98-102.