虚拟人系统研究现状,虚拟现实技术现状

1、虚拟与现实在国内外的现状 用途(应用到哪些方面) 前途(远景) 作题

   虚拟现实(iaual Reality，R)作为一种综合计算机图形

技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立

体显示技术以及仿真技术等多种科学技术而发展起来的计

算机领域的新技术，目前所涉及的研究应用领域已经包括军

事、医学、心理学、教育、科研、商业、影视、娱乐、制造业、工程

训练等。R技术已经被公认为是世纪重要的发展学科

以及影响人们生活的重要技术之一。

1 虚拟现实技术的内涵与特征

R技术最早起源于年代的美国，发展至今也

还处于不断探索阶段。同时由于软硬件环境的限制和研究

应用方向的不同，人们对虚拟现实技术的理解也仁者见仁智

者见智。综合来说，R技术是一种综合应用各种技术制造

逼真的人工模拟环境，并能有效地模拟人在自然环境中的各

种感知系统行为的高级的人机交互技术。虚拟环境通常是

由计算机生成并控制的，使用户身临其境地感知虚拟环境中

的物体，通过虚拟现实的三维设备与物体接触，从而真正地

实现人机交互。可以说人处在虚拟环境之中跟现实环境是

没有差别的R技术的发展始终围绕它的三个特征而前进，即沉浸感、交互性和构想。这三个重要特征与其相邻近的技术(如

多媒体技术、计算机可视化技术等)相区别。沉浸感，是指计

算机生成的虚拟世界能给人一种身临其境的感觉，如同进入

了一个真实的客观世界；交互性，是指人能够很自然地跟虚

拟世界中的对象进行交互操作或者交流；构想，是指虚拟环

境可使人沉浸其中并且获取新的知识，提高感性和理性认

识，从而深化概念并萌发新意。因而可以说，虚拟现实可以

启发人的创造性思维。

2 国外虚拟现实技术的研究现状

R技术最早在世纪中期由美国PL探索和它

的创始人Jamn IJaIlier提出这一概念，后来美国宇航局

(NASA)的艾姆斯空间中心利用流行的液晶显示电视和其它

设备，开始研制低成本的虚拟现实系统，推动了该技术硬件

的进步。目前，虚拟现实技术已获得了长足的发展。在国

内，年代末开始进行研究，目前还处于初级阶段。

2．1 美国虚拟现实技术的研究动态

美国作为R技术的发源地，其研究水平基本上就代表

国际R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。美国宇航局(NASA)的Ames实验室研究主要集中在以

下方面：将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品；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。现在正

致力于一个叫“虚拟行星探索”(vPE)的试验计划o[3 3现在

NASA己经建立了航空、卫星维护R训练系统，空间站R

训练系统，并且已经建立了可供全国使用的R教育系统。

北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行R研究最早

的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、

建筑仿真等。

Loma lAnda大学医学中心的David Warner博士和他的研

究小组成功地将计算机图形及R的设备用于探讨与神经疾

病相关的问题，首创了R儿科治疗法。

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R技术的基础，

年M1T成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。

华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室

(1ilT lab)，将R研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。

从年代初起，美国率先将虚拟现实技术用于军事领

域，主要用于以下四个方面：虚拟战场环境；进行单兵模拟训

练；实施诸军兵种联合演习；进行指挥员训练。

2．2 英国和日本虚拟现实技术的研究与开发

在R开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设

备(包括触觉反馈)设计和应用研究方面，英国是领先的，尤

其是在欧洲。英国主要有四个从事R技术研究的中心：[4：

Windustries(工业集团)，是国际R界的著名开发机

构，在工业设计和可视化等重要领域占有一席之地；British

Aerospace(英国航空BAe)的Brough分部，正在利用R

技术设计高级战斗机座舱；Dimension International，是桌面R

的先驱。该生产了一系列的商业R软件包，都命名为

Superscape；Divin LTD在开发ISION、Pro ision和su—

pervision系统／模块化高速图形引擎中，率先使用了Tmnsputer

和i技术。

日本主要致力于建立大规模R知识库的研究，在虚拟

现实的游戏方面的研究也处于领先地位。

京都的先进电子通信研究所(ATR)正在开发一套系统，

它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统

输入；富士通实验室正在研究虚拟生物与R环境

的相互作用，他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开

发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也

可以识别表示词的信语言。_2 日本奈良尖端技术研究生院

大学教授千原国宏领导的研究小组于年开发出一种嗅

觉模拟器，只要把虚拟空间里的水果拉到鼻尖上一闻，装置

就会在鼻尖处放出水果的香味，这是虚拟现实技术在嗅觉研

究领域的一项突破。

3 我国虚拟现实技术的研究现状

我国R技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定

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，并根据我国的国情，制定了开展R技术的研究计划。九

五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等

都把R列入了研究项目。国内一些重点院校，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R研究、

最有权威的单位之一，并在以下方面取得进展：着重研究了

虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视

觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；

实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数

据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、

虚拟现实应用系统的开发平台等。

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，还研制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；哈尔

滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸

图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题；清华大

学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了

研究；西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技

术——立体显示技术进行了研究，提出了一种基于JPEG标

准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压

速度；北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机

动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制

作的科教片《相似》就出自该中心。

4 虚拟现实技术发展趋势

R技术是高度集成的技术，涵盖计算机软硬件、传感器

技术、立体显示技术等。R技术的研究内容大体上可分为

R技术本身的研究和R技术应用的研究两大类。

根据vR所倾向的特征的不同，目前虚拟现实系统主要

划分为四个层次：即桌面式、增强式、沉浸式和网络分布式虚

拟现实。R技术的实质是构建一种人能够与之进行自由交

互的“世界”，在这个“世界”中参与者可以实时地探索或移动

其中的对象。沉浸式虚拟现实是最理想的追目标，实现的

主要方式主要是戴上特制的头盔显示器、数据手套以及身体

部位跟踪器，通过听觉、触觉和视觉在虚拟场景中进行体验。

桌面式虚拟现实系统被称为“窗口仿真”，尽管有一定的局限

性，但由于成本低廉而仍然得到了广泛应用。增强式虚拟现

实系统主要用来为一群戴上立体眼镜的人观察虚拟环境，性

能介于以上两者之间，也成为开发的热点之一。总体上看，

纵观多年来的发展历程，R技术的未来研究仍将遵循“低成

本、高性能”这一原则，从软件、硬件上展开，并将在以下主要

方向发展： J

4．1 动态环境建模技术

虚拟环境的建立是R技术的核心内容，动态环境建模

技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相

应的虚拟环境模型。

4．2 实时三维图形生成和显示技术

三维图形的生成技术已比较成熟，而关键是如何“实时

生成”，在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高

刷新频率将是今后重要的研究内容。此外，R还依赖于立

体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系

统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术。

4．3 新型交互设备的研制

虚拟现实实现人能够自由地与虚拟世界中的对象进行

交互，犹如身临其境，借助的输入输出设备主要有头盔显示

器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器

等。因此，新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成

为未来研究的重要方向。

4．4 智能化语音虚拟现实建模

虚拟现实建模是一个比较繁复的过程，需要大量的时间

和精力。如果将R技术与智能技术、语音识别技术结合起

来，可以很好地解决这个问题。我们对模型的属性、方法和

一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据，

然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、

导航和评价，将基本模型用对象表示出来，并逻辑地将各种

基本模型静态或动态地连接起来，最后形成系统模型。在各

种模型形成后进行评价并给出结果，并由人直接通过语言来

进行编辑和确认。

4．5 大型网络分布式虚拟现实(Distributed irtual Reality，

DR)的应用

网络分布式虚拟现实将分散的虚拟现实系统或仿真器

通过网络联结起来，采用协调一致的结构、标准、协议和数据

库，形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟，合成环境，参

与者可自由地进行交互作用。目前，分布式虚拟交互仿真已

成为国际上的研究热点，相继推出了DIS、mA等相关标准。

网络分布式R在航天中极具应用价值，例如，国际空间站的

参与国分布在世界不同区域，分布式R训练环境不需要在

各国重建仿真系统，这样不仅减少了研制费设备费用，而且

也减少了人员出差的费用和异地生活的不适。

5 总结

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。