浅谈虚拟现实技术

浅谈虚拟现实技术及其对教育的影响第一章虚拟现实技术概论1.1虚拟现实技术概述虚拟现实技术（简称VR），又称“灵境技术”、“虚拟环境”等。虚拟现实从英文“VirtualReality”一词翻译过来，“Virtual”的含义即这个世界或环境是虚拟的，不是真实的，是由计算机生成的，存在于计算机内部的世界；“Reality”的含义是真实的世界或现实的环境，把两者合并起来就称为虚拟现实，也就是说采用计算机等设备，并通过各种技术手段创建出一个新的环境，让人感觉到就如同处在真实的客观世界一样。虚拟现实技术是20世纪以来科学技术进步的结晶，集中体现了计算机技术、计算机图形学、多媒体技术、系统仿真技术、传感技术、显示技术、人体工程学、人机交互理论、人工智能等多个领域的最新成果。虚拟现实技术现在已成为信息领域中及多媒体技术、网络技术之后被广泛关注及研究、开发与应用的热点，也是目前发展最快的一项多科学综合技术。虚拟现实技术的应用前景十分广阔。它始于军事和航空航天领域的需求，但近年来，虚拟现实技术的应用已大步走进工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐等方面。它正在改变着我们的生活。1.2虚拟现实技术的特性虚拟现实技术系统提供了一种先进的人机接口，它通过为用户提供视觉、听觉、触觉等多种直观而自然的实时感知交互的方法与手段，最大程度地方便了用户的操作，从而减轻了用户的负担、提高了系统的工作效率，其效率主要由系统的沉浸程度与交互程度来决定。美国科学家BurdeaG.和PhilippeCoiffet在1993年世界电子年会上发表了一篇题为“VirtualRealitySystemandApplications”（虚拟现实系统与应用）的文章，在该文中提出一个“虚拟现实技术的三角形”，它表示虚拟现实技术具有的3个突出特征：沉浸性、交互性和想象性。1.沉浸性沉浸性（Immersion）又称浸入性，是指用户感觉到好像完全置身于虚拟世界之中一样，被虚拟世界所包围。虚拟现实技术的主要特征就是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由被动的观察者变成主动的参与者，沉浸与虚拟世界之中，参与虚拟世界的各种活动。比较理想的虚拟世界可以达到使用户难以分辨真假程度，甚至超越真实，实现比现实更逼真的效果。虚拟现实的沉浸性来源于对虚拟世界的多感知性，所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知、听觉感知之外，还有力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知、身体感知等。从理论上来说，虚拟现实系统应该具有一切人在现实生活中所具有的所有感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实系统中，研究与应用中较为成熟或相对成熟的主要是视觉沉浸、听觉沉浸、触觉沉浸、嗅觉沉浸，有关味觉等其它的感知技术正在研究之中，不是很成熟。2.交互性在虚拟现实系统中，交互性（Interactivity）的实现与传统的多媒体技术有所不同。从计算机发明到现在，在传统的多媒体技术中，人机之间的交互工具主要是通过键盘与鼠标进行交互，而虚拟现实系统强调人与虚拟世界之间要以自然的方式进行，如人的走动、头的转动、手的移动等，通过这些，用户与虚拟世界交互，并且借助于虚拟系统中特殊的硬件设备（如数据手套，力反馈设备等），以自然的方式，与虚拟世界进行交互，实时产生在真实世界中一样的感知。例如，用户可以用手直接抓取虚拟世界中的物体，这时手有触摸感，并可以感觉物体的重量，能区分所拿的东西，并且场景中被抓的物体也立刻随着手的运动而移动。虚拟现实技术的交互性具有以下特点：1)拟环境中人的参与与反馈虚拟现实系统中人是一个重要的因素，这是产生一切变化的前提，正是因为有了人的参与和反馈，才会有虚拟环境中实时交互的各种要求与变化。虚2)人机交互的有效性人与虚拟现实系统之间的交互是基于真实感情的虚拟世界，并与人进行自然的交互，人机交互的有效性是指虚拟场景的真实感，真实感是前提和基础。3)人机交互的实时性实时性是指虚拟现实系统能够快速响应用户的输入。例如头的转动后能立即在所显示的场景中产生相应的变化，并且能得到相应的其它反馈；用手移动虚拟世界的一个物体，物体位置会立即发生相应的变化。没有人机交互的实时性，虚拟环境就失去看真实感。3.想象性想象性（Imagination）指虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。所以说虚拟现实技术不仅仅是一种媒体或一种高级用户接口，它同时还是为解决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件，通常它以夸大的形式反映设计者的思想，虚拟现实系统开发是虚拟现实技术与设计者并行操作，为发挥它们的创造性而设计的。例如当你在设计一座大楼之前，传统的方法是绘制建筑设计图纸，无法形象展示建筑物更多的信息，而现在可以采用虚拟现实系统来进行设计与仿真，非常形象直观。制作的虚拟现实作品反映的就是某个设计者的思想，只不过它的功能远比那些呆板的图纸生动强大的多。这就是虚拟现实的想象性的特性。1.3虚拟现实系统分类在虚拟现实系统中，对于虚拟现实技术的“沉浸性”程度，我们可以将虚拟现实系统分为不同类型的系统，分别有沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统、增强式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统。对于这几种虚拟现实系统，下面做简单介绍：沉浸式虚拟现实系统（ImmersiveVR）是一种叫高级、较理想的虚拟现实系统，因为它可以提供一个完全虚拟的体验，使用户体验到置身于真实世界中一样。在虚拟现实系统中，它通常采用洞穴式立体显示装置或头盔式显示装置等设备，首先把用户的视觉、听觉、和其他感觉封闭起来，由于采用多种输入和输出设备营造一个虚拟环境，所以用户感觉起来一般具有高度的实时性和沉浸感，似乎使用户与外界隔离一样，并不受外界真实环境影响。增强式虚拟现实系统（AugmentedVR）既可以使用户看到真实世界，也可以使用户看到真实世界中叠加的虚拟对象，其实增强式虚拟现实系统就是把虚拟环境和真实环境组合在一起的系统，在增强式虚拟现实系统中，用户可以利用虚拟对象所提供的信息来加强现实世界的了解。桌面式虚拟现实系统（DesktopVR）也称窗口虚拟现实系统是利用个人计算机或初级图形工作站等设备，以计算机屏幕作为用户观察虚拟世界的一个窗口，采用立体图形、自然交互等技术，产生三维立体空间。桌面式虚拟现实技术中，用户一般需要借助于一些硬件设备（如立体眼镜）和交互式设备（如数据手套和空间跟踪器）来感受虚拟世界，从而产生一些沉浸感。此时，用户不完全处于沉浸的环境，他仍然会感受到周围的现实环境的存在，受到现实环境的干扰。分布式虚拟现实系统（DistributedVR）是虚拟现实技术和网络技术发展和结合的产物，它的目标是在“沉浸式“的基础之上，使分布在不同地理位置的多用户或多个虚拟世界通过网络联系在一起，将每个用户参与到一个虚拟环境中，计算机通过网络进行交互，共同体验虚拟经历，达到工作的目的。第二章虚拟现实系统的硬件设备虚拟现实系统和其他类型的计算机应用系统一样，有硬件和软件两大部分组成。要建立一个虚拟现实系统，硬件设备是基础。在虚拟系统中，硬件设备主要由3个部分组成：输入设备、输出设备。2.1虚拟现实系统的输入设备有关虚拟现实系统的输入设备分为两大类，一类是基于自然的交互设备，如数据手套、三维控制器、三维扫描仪等设备，另一类是三维定位跟踪设备，如电磁跟踪系统、声学跟踪系统、光学跟踪系统、机械跟踪系统、惯性位置跟踪系统等。数据手套（DataGlove）是美国VPL公司推出的一种传感手套，它已成为一种被广泛使用的输入传感设备，它是一种穿戴在用户手上，作为一只虚拟的手用于虚拟现实系统进行交互，可以在虚拟世界中进行物体抓取、移动、装配、操作、控制，并把手指和手掌伸屈时的各种姿势转换成数字信号传送给计算机。三维控制器(3DMouse)包括三维鼠标和力矩球（SpaceBall）,和平常鼠标相比，普通鼠标只能感受在平面的运动，而三维鼠标可以让用户感受到在三维空间中的运动，其工作原理是在鼠标内部装有超声波或电磁发射器，利用配套的接收设备可检测到鼠标在空间中的位置与方向。力矩球通常被安装在固定平台上，用户可以通过手的扭动、挤压、来回摇摆等操作，来实现相应的操作。它是采用发光二极管和光接收器，通过安装在球中心的几个张力器来测量手施加的力，力矩球既简单有耐用，而且可以操纵物体。三维扫描仪（3DimensionalScanner）有称为三维数字化仪或三维模型数字化仪，是一种较为先进的三维模型建立设备，是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具，三维扫描仪与传统的平面扫面仪相比有很大区别，首先扫面对象的不同，传统的扫描仪的对象是平面图案，而三维扫描仪的对象是立体的实物。其次，三维扫面仪通过扫面，可以获得物体的三维空间坐标，而且它所输出的不是二维图像，而是三维空间坐标。电磁跟踪系统是一种常见的跟踪器，其原理是利用磁场的强度来进行位置和方位跟踪。根据所发射磁场的不同，电磁跟踪系统又可以分为交流电发射器型与直流电发射器型。声学跟踪系统利用超声发射器发射声波，然后利用超声接收器接受信号，一般轻便的超声接收器部分安装在头盔上，超声发射器安装在天花板上。声学跟踪器的优点是：不受电磁干扰，不受临近物体的影响，轻便的接收器易于安装在头盔上，但是工作范围有限，信号传输易受到温度、气压、湿度等因素影响，还受到环境反射声波的影响。光学跟踪技术也是一种比较常见的跟踪技术，通常利用摄像机等设备获取图像，然后利用立体视觉计算。这种技术最明显的优点是速度快，实时性比较强，在许多军用的虚拟现实系统中都使用光学跟踪系统。但是由于光学跟踪系统受光的影响，所以容易受视线阻挡的限制。2.2虚拟现实系统的输出设备在虚拟现实系统中，人置身与虚拟世界中，要是人体得到沉浸的感觉，所以虚拟世界需要提供各种感受模拟人在现实世界中的多种感受，如视觉、听觉、触觉、味觉等，对于现在的技术水平，我们现在只有视觉、听觉和触觉感知的设备。下面来介绍几种虚拟现实系统是输出设备：1)视觉感知的设备一般有头盔式显示器、洞穴式立体显示装置等：头盔式显示器（Head-MountedDisplay,HMD）是虚拟现实系统中常用的一种立体显示设备，它一般安装在头部，头盔显示器上配有空间位置跟踪设备，能实时检测出头部的位置，虚拟现实系统能在头盔显示器的屏幕上显示出反映当前位置的场景图像。洞穴式立体显示装置（ComputerAutomaticVirtualEnvironment,CAVE），主要包括专业虚拟现实工作站、多通道立体投影系统、虚拟现实多通道立体投影软件系统、房间式立体成像系统四部分。CAVE把高分辨的立体投影技术和三维计算机图形技术、音响技术、传感器技术等综合在一起，产生一个完全沉浸的虚拟环境。一般这个虚拟环境是一个立方体，像洞穴一样，所以成为洞穴式立体显示装置。CAVE系统可用于各种模拟与仿真、游戏等。2)听觉感知设备对于我们来讲比较熟悉，一般有耳机和喇叭等，不同的耳机有不同的电声特性，有护耳式耳机和插入式耳机（或耳塞）。喇叭与耳机相比，具有自己的一些特点，比如声音比较大，可使多数人感受等。3)触觉反馈装置主要局限于手指触觉反馈装置。一般有基于视觉、电刺激式、神经肌肉刺激式、充气式和振动式等。基于视觉的触觉反馈装置就是用眼睛来判别两个物体之间是否有接触，这是虚拟系统中常用的方法。电刺式是指用电脉冲来刺激皮肤，通过皮肤感觉反馈来达到目的，而神经肌肉刺激式是通过生成的刺激信号去直接刺激用户相应的感受器官的外壁，所以电刺激式和神经肌肉刺激式都有一定的危险性。较安全的方法一般是充气式和振动式，在充气压力式触觉反馈装置中，手套中一般都配置了一些微小的气泡，这些气泡可以按需要来压迫刺激皮肤达到触觉反馈的目的。振动式触觉反馈装置的系统是采用轻型的形状记忆合金作为传感器制成的装置，其基本原理是把记忆合金做成一定的形状与手指放在一起，当记忆合金丝通电加热时，它产生收缩，从而拉动触头，是触头顶出表面，接触手指皮肤而产生触觉感知。第三章虚拟现实系统的相关技术3.1环境建模技术在虚