论文部分内容阅读
摘 要：随着电子信息技术的不断发展和进步，虚拟现实 （Virtual Reality，简称VR） 技术逐渐成为行业研究的对象和关注的焦点，越来越多应用在科技开发、军事航天、医疗卫生、商业娱乐、教育培训等领域。通过计算机制造的模拟环境，实现虚拟的体验，从而表达信息，让使用户身临其境。虚拟现实技术的特点是同虚拟环境的对话性、虚拟环境的自律性、虚拟环境的表现和临场感。
关键词：虚拟现实 三维虚拟 交互
一、国内外研究情况
虚拟现实技术最早起源于20世纪中期的美国，并在20世纪80年代逐渐形成，目前虚拟现实技术仍处于不断探索和快速发展阶段。
1.美国。作为虚拟现实技术的发源地，美国虚拟现实技术的发展水平基本代表了世界先进水平，其基础研究主要聚焦在用户界面、后台软件、后台硬件以及感知等四个方面。早在20世纪40年代初，在美国出现了作为虚拟现实前身的飞行仿真器。20世纪60、70年代，林肯实验室便研制出了第一个头盔式显示器，并进一步加大研究力度，加入模拟力和触觉的反馈装置，研制出第一个功能比较齐全的头盔式显示器系统。20世纪80 年代以后，美国VPL探索公司陆续研发出较有用的头盔式三维显示器、能供應六个任意度的数据手套、立体声耳麦及相应的计算机配套系统。以开展虚拟现实研究最早的大学为例，北卡罗来纳大学的计算机系在分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等领域都取得了相应的研究成果。麻省理工学院成立了媒体实验室并进行虚拟现实环境的相关研究，其在人工智能、机器人和计算机图形学及动画等技术方面的研究均成为虚拟现实技术的基础。
2.日本。日本比较重视大规模虚拟现实技术知识库的创建研究，且在虚拟现实娱乐方面的研究居于领先位置。东京大学原岛研究室在人类面部表情特征提取、动态图像提取以及三维结构判定和三维形状表示等方面开展了大量研究工作。东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题，主要研究成果有人体测量和模型随动系统、飞行仿真器、虚拟全息系统等。筑波大学致力于力反馈显示方法的研究，开发出具有九自由度的触觉输入器、虚拟行走 的原型系统等。富士通实验室有限公司对虚拟生物和虚拟现实环境的相互作用方面具有一定研究成果，通过对虚拟现实中的手势识别的研究，开发出了一套神经网络姿势识别系统，不仅可以识别姿势，还可识别表示词的信号语言。京都先进电子通信研究所研发了能用Cyber数据手套操作或语音命令的三边会议虚拟现实系统、能够用图像处理来识别手姿和人面部表情的系统以及语音翻译系统等。
3.欧洲。欧洲各国纷纷加快在虚拟现实技术领域的研究和开发。英国发展较快，尤其在分布并行处理、辅助设备设计和应用研究（包括触觉反馈）方面居于领先地位。目前，英国已形成工业集团、英国航空公司布拉夫分部、Dimension International、Division Ltd、高级机器人研究有限公司等从事虚拟现实技术研究的中心，在工业设计与可视化、新型轻量显示头盔、图形引擎、灯光模拟等方面取得了显著成果。德国计算机图形研究所研发出了能评判虚拟现实技术对未来系统以及界面影响力的测试平台，还可向用户或生产者提供超前的可视化模拟技术以及虚拟现实技术的途径。西班牙早在20世纪90年代初，便开发了多用户虚拟奥运会项目，以奥运体育竞技作为研究重点，开发出了双人滑雪模拟器和以数字化的虚拟方式制作了巴塞罗那奥林匹克运动会的足球赛四人电影剧本。瑞典研究出基于Unix的异质分布式系统——DIVE 全分布式虚拟交互环境，较易推广到新的硬件和图形库，且不同节点上的多个进程可在同一世界中工作。荷兰玻璃研究所的物理电子实验室开发出模拟训练系统，以改进人机界面进而改善现有模拟系统，使使用者完全介入模拟环境。
4.中国。我国虚拟现实技术的研究始于20世纪80年代末，起步较晚，目前尚处于初级阶段，但仍取得了一定的研究成果。北京航空航天大学计算机系在国内开展虚拟研究较早，着重研究了虚拟环境中物体物理特性的处理，开发出了基于虚拟现实环境中的视觉接口方面的硬件，实现了分布式虚拟现实的网络设计，并且能够提供实时三维动态的数据统计库、虚拟现实的演示操作环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统以及应用系统开发平台等。西北工业大学航海工程学院利用OpenG和Visual C++，在高档计算机上模拟出了虚拟海洋环境，能够比较逼真的模拟出简单的鱼群、海洋植物和海流声音等海洋环境。
二、国内外应用现状
当前，虚拟现实技术多应用在教育培训、娱乐游戏、工业开发、规划设计等各个领域，极大的推动了经济的发展和社会的进步。
1.教育培训。虚拟现实技术还可以为学生营造逼真的、生动的虚拟现实的学习氛围，比如太空旅行、化合物的分子结构显示、物体的移动与速度等，并能够建立虚拟实训基地，完成包括军事演戏、医学手术、教育、娱乐、汽车驾驶、等各种职业技能的培训。如杭州市通过建立网上虚拟校园，实现教育资源和学习者资源的有效整合，从而实现大规模教育资源共享。在消防、石油、电力、轨道交通等重大安全行业，虚拟现实技术使上岗培训以及应急演练变得更加高效，通过利用动作捕捉高端交互设备和三维立体显示技术，为危险行业的工作人员提供了一个比较安全真实的虚拟环境。此外，美国早已将虚拟现实技术应用于军事航天领域，包括虚拟战场演习、单兵模拟训练、实施兵种联合军事演习、零重力环境模拟、水下训练等。
2.娱乐游戏。虚拟现实技术在视频游戏工具领域的应用发展较为迅猛。美国芝加哥开发了一个关于3025年的未来战争的虚拟现实娱乐系统，是世界上第一台大型的系统，并可供许多人同时使用；美国微软公司研发并上市了一款Holograms虚拟现实技术，可利用“HoloLens微软头盔”以实际环境作为载体实时处理、获取虚拟信息；英国开发了配有头戴式可视设备并具有较强真实感的称为“Virtuality”的虚拟现实游戏系统。天津市致力于打造集网络游戏、网络视听、工业设计、动漫、生活资讯等为一体的泛娱乐产业创新基地，利用虚拟现实技术为其发展提供支撑并促进产业发展。 3.工业开发。通过虚拟设计系统的开发，实现对船舶设计、船体创建、舾装、涂装一体化等一系列船舶虚拟设计系统的应用，通过管理一体化，提高船舶质量，减少船舶建造费用。在汽车开发过程中，利用汽车虚拟现实开发系统和工程，实现轿车的造型设计、试制压膜、冲压焊接以及总装等，极大缩短车辆开发设计周期。虚拟维修在安全性要求较高的场所，如现代化的煤矿铁矿、核电站等区域，或者在设备快速抢修前，都可以通过维修预演和仿真的设备拆装、故障维修等实现设备的逼真化维修，达到防患于未然的目的。此外，在可视化监测领域，虚拟现实技术发挥了重要作用。
4.规划设计。利用虚拟现实的技术，将城市地面、城市建筑物、城市街道以及城市设施进行三维立体模型的展示，展现现代城市的建筑以及街区景观，为城建规划、社区服务、物业管理、消防安全、旅游交通等提供可视化的空间地理信息服务。例如我国安徽马鞍山市充分利用三维仿真的技术，制作出覆盖全市辖区一百一十二平方公里的仿真地图，实现了对城市社区的网格化、精細化管理。福建省加快建设集视频、识别、位置等感知系统和感知传输网络为一体的感知平台，通过建设统一视频接入平台、图形图像分析处理平台、全省位置信息公共平台等，实现对城市运行的深度感知。洛阳市利用虚拟现实技术加快构建统一、精准的智慧洛阳“一张图”，涵盖全市建设规划、城市管理、交通管理、社区管理、教育卫生等各方面信息，为企业、公众提供旅游、交通、社区、商业等方面的便捷化地图服务。在高速公路、道路桥梁、轨道交通等规划设计与建设方面，通过三维虚拟现实平台软件等辅助工具，实现桥梁轨道、交通工具及环境的设计、装配及运行等。在室内装修设计、房地产开发等方面，虚拟现实技术成为最新型的房地产营销方式，在美国、加拿大等国及我国广州、上海、北京等地非常热门，通过鸟瞰、三维视角、内部畅游、动画播放等形式对房地产项目逐一表现和传播。同时，在项目设计、申报、宣传等方面对虚拟现实技术也都有着广泛的应用。
5.其他领域。利用虚拟现实技术建立虚拟现实数据库、三维地质模型、地下水水流模型、专业模型和实时预测模型，实现对含水层结构、地下水流、地下水质和环境地质等的虚拟表达，推动水文地质、能源开发等工作的开展和进行。在历史古迹方面，利用虚拟现实和网络技术，通过创建三维模型数据库，对需要保护的历史文物进行科学密封和保存，还可很好的实现文物资源的全面的、活灵活现的展示。电视节目制作方面，虚拟现实技术的重大应用便是虚拟演播室的出现，通过有效利用多种三维动画软件功能，创作出许多高质量的以及真实感较强的虚拟布景，具有较大的成本效益。此外，虚拟现实在“智慧旅游”领域的应用也较为广泛。南京市、苏州市致力于打造“智慧旅游”，通过构建三维景点系统、旅游境地的传感器网络等，实时感知旅游境地的景色、天气、路况、游客人数、旅馆餐饮等信息。成都市搭建了“成都旅游一点通”平台，综合运用三维虚拟技术和实景影像技术，利用手机即可实时观看景区影像，为成都创建全国首个“智慧景区”提供了有力支撑。
参考文献：
[1]吴迪，黄文骞.虚拟现实技术的发展过程及研究现状[J].海洋测绘，2002（6）：15～17.
[2]许微.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J].现代商贸工业，2009（2）：279～280.
[3]蒋庚全.国外VR技术发展综述[J].飞航导弹，2002 （1）：27～34.
[4]李志文，韩晓玲.虚拟现实技术研究现状与未来发展[J].信息技术与信息化，2005（3）：94～96.
[5]姜学智，李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报，2004（2）：238～240.
[6]姜红，王利，张兆臣.虚拟现实技术在医学中的应用[J].中国医疗设备，2008（8）：49～52.
[7]杭州市智慧城市建设总体规划[OL].中国电子政务网，2014.1.
[8]微软发布新虚拟现实技术Holograms和智能眼镜[OL].DoNews网，2015.3.
[9]天津虚拟现实技术项目落户天津武清商务区[N].天津日报，2015.3.
[10]李新社.全球智慧城市精选案例集[R].工业和信息化部电子科学技术情报研究所.
[11]福建省人民政府关于数字福建智慧城市建设的指导意见[OL].福建省政务网，2014.4.
[12]洛阳智慧城市发展规划（2014—2020年）[N].洛阳日报，2015.1.
[13]虚拟现实[OL].百度百科网，2015.4.
[14]南京市“十二五”智慧城市发展规划[OL].中国智慧城市网，2012.2.
[15]“智慧苏州”规划[OL].中国智慧城市网，2011.12.
作者简介：吴潇（1987—），女，籍贯：北京，助教，研究方向：动漫设计。
关键词：虚拟现实 三维虚拟 交互
一、国内外研究情况
虚拟现实技术最早起源于20世纪中期的美国，并在20世纪80年代逐渐形成，目前虚拟现实技术仍处于不断探索和快速发展阶段。
1.美国。作为虚拟现实技术的发源地，美国虚拟现实技术的发展水平基本代表了世界先进水平，其基础研究主要聚焦在用户界面、后台软件、后台硬件以及感知等四个方面。早在20世纪40年代初，在美国出现了作为虚拟现实前身的飞行仿真器。20世纪60、70年代，林肯实验室便研制出了第一个头盔式显示器，并进一步加大研究力度，加入模拟力和触觉的反馈装置，研制出第一个功能比较齐全的头盔式显示器系统。20世纪80 年代以后，美国VPL探索公司陆续研发出较有用的头盔式三维显示器、能供應六个任意度的数据手套、立体声耳麦及相应的计算机配套系统。以开展虚拟现实研究最早的大学为例，北卡罗来纳大学的计算机系在分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等领域都取得了相应的研究成果。麻省理工学院成立了媒体实验室并进行虚拟现实环境的相关研究，其在人工智能、机器人和计算机图形学及动画等技术方面的研究均成为虚拟现实技术的基础。
2.日本。日本比较重视大规模虚拟现实技术知识库的创建研究，且在虚拟现实娱乐方面的研究居于领先位置。东京大学原岛研究室在人类面部表情特征提取、动态图像提取以及三维结构判定和三维形状表示等方面开展了大量研究工作。东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题，主要研究成果有人体测量和模型随动系统、飞行仿真器、虚拟全息系统等。筑波大学致力于力反馈显示方法的研究，开发出具有九自由度的触觉输入器、虚拟行走 的原型系统等。富士通实验室有限公司对虚拟生物和虚拟现实环境的相互作用方面具有一定研究成果，通过对虚拟现实中的手势识别的研究，开发出了一套神经网络姿势识别系统，不仅可以识别姿势，还可识别表示词的信号语言。京都先进电子通信研究所研发了能用Cyber数据手套操作或语音命令的三边会议虚拟现实系统、能够用图像处理来识别手姿和人面部表情的系统以及语音翻译系统等。
3.欧洲。欧洲各国纷纷加快在虚拟现实技术领域的研究和开发。英国发展较快，尤其在分布并行处理、辅助设备设计和应用研究（包括触觉反馈）方面居于领先地位。目前，英国已形成工业集团、英国航空公司布拉夫分部、Dimension International、Division Ltd、高级机器人研究有限公司等从事虚拟现实技术研究的中心，在工业设计与可视化、新型轻量显示头盔、图形引擎、灯光模拟等方面取得了显著成果。德国计算机图形研究所研发出了能评判虚拟现实技术对未来系统以及界面影响力的测试平台，还可向用户或生产者提供超前的可视化模拟技术以及虚拟现实技术的途径。西班牙早在20世纪90年代初，便开发了多用户虚拟奥运会项目，以奥运体育竞技作为研究重点，开发出了双人滑雪模拟器和以数字化的虚拟方式制作了巴塞罗那奥林匹克运动会的足球赛四人电影剧本。瑞典研究出基于Unix的异质分布式系统——DIVE 全分布式虚拟交互环境，较易推广到新的硬件和图形库，且不同节点上的多个进程可在同一世界中工作。荷兰玻璃研究所的物理电子实验室开发出模拟训练系统，以改进人机界面进而改善现有模拟系统，使使用者完全介入模拟环境。
4.中国。我国虚拟现实技术的研究始于20世纪80年代末，起步较晚，目前尚处于初级阶段，但仍取得了一定的研究成果。北京航空航天大学计算机系在国内开展虚拟研究较早，着重研究了虚拟环境中物体物理特性的处理，开发出了基于虚拟现实环境中的视觉接口方面的硬件，实现了分布式虚拟现实的网络设计，并且能够提供实时三维动态的数据统计库、虚拟现实的演示操作环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统以及应用系统开发平台等。西北工业大学航海工程学院利用OpenG和Visual C++，在高档计算机上模拟出了虚拟海洋环境，能够比较逼真的模拟出简单的鱼群、海洋植物和海流声音等海洋环境。
二、国内外应用现状
当前，虚拟现实技术多应用在教育培训、娱乐游戏、工业开发、规划设计等各个领域，极大的推动了经济的发展和社会的进步。
1.教育培训。虚拟现实技术还可以为学生营造逼真的、生动的虚拟现实的学习氛围，比如太空旅行、化合物的分子结构显示、物体的移动与速度等，并能够建立虚拟实训基地，完成包括军事演戏、医学手术、教育、娱乐、汽车驾驶、等各种职业技能的培训。如杭州市通过建立网上虚拟校园，实现教育资源和学习者资源的有效整合，从而实现大规模教育资源共享。在消防、石油、电力、轨道交通等重大安全行业，虚拟现实技术使上岗培训以及应急演练变得更加高效，通过利用动作捕捉高端交互设备和三维立体显示技术，为危险行业的工作人员提供了一个比较安全真实的虚拟环境。此外，美国早已将虚拟现实技术应用于军事航天领域，包括虚拟战场演习、单兵模拟训练、实施兵种联合军事演习、零重力环境模拟、水下训练等。
2.娱乐游戏。虚拟现实技术在视频游戏工具领域的应用发展较为迅猛。美国芝加哥开发了一个关于3025年的未来战争的虚拟现实娱乐系统，是世界上第一台大型的系统，并可供许多人同时使用；美国微软公司研发并上市了一款Holograms虚拟现实技术，可利用“HoloLens微软头盔”以实际环境作为载体实时处理、获取虚拟信息；英国开发了配有头戴式可视设备并具有较强真实感的称为“Virtuality”的虚拟现实游戏系统。天津市致力于打造集网络游戏、网络视听、工业设计、动漫、生活资讯等为一体的泛娱乐产业创新基地，利用虚拟现实技术为其发展提供支撑并促进产业发展。 3.工业开发。通过虚拟设计系统的开发，实现对船舶设计、船体创建、舾装、涂装一体化等一系列船舶虚拟设计系统的应用，通过管理一体化，提高船舶质量，减少船舶建造费用。在汽车开发过程中，利用汽车虚拟现实开发系统和工程，实现轿车的造型设计、试制压膜、冲压焊接以及总装等，极大缩短车辆开发设计周期。虚拟维修在安全性要求较高的场所，如现代化的煤矿铁矿、核电站等区域，或者在设备快速抢修前，都可以通过维修预演和仿真的设备拆装、故障维修等实现设备的逼真化维修，达到防患于未然的目的。此外，在可视化监测领域，虚拟现实技术发挥了重要作用。
4.规划设计。利用虚拟现实的技术，将城市地面、城市建筑物、城市街道以及城市设施进行三维立体模型的展示，展现现代城市的建筑以及街区景观，为城建规划、社区服务、物业管理、消防安全、旅游交通等提供可视化的空间地理信息服务。例如我国安徽马鞍山市充分利用三维仿真的技术，制作出覆盖全市辖区一百一十二平方公里的仿真地图，实现了对城市社区的网格化、精細化管理。福建省加快建设集视频、识别、位置等感知系统和感知传输网络为一体的感知平台，通过建设统一视频接入平台、图形图像分析处理平台、全省位置信息公共平台等，实现对城市运行的深度感知。洛阳市利用虚拟现实技术加快构建统一、精准的智慧洛阳“一张图”，涵盖全市建设规划、城市管理、交通管理、社区管理、教育卫生等各方面信息，为企业、公众提供旅游、交通、社区、商业等方面的便捷化地图服务。在高速公路、道路桥梁、轨道交通等规划设计与建设方面，通过三维虚拟现实平台软件等辅助工具，实现桥梁轨道、交通工具及环境的设计、装配及运行等。在室内装修设计、房地产开发等方面，虚拟现实技术成为最新型的房地产营销方式，在美国、加拿大等国及我国广州、上海、北京等地非常热门，通过鸟瞰、三维视角、内部畅游、动画播放等形式对房地产项目逐一表现和传播。同时，在项目设计、申报、宣传等方面对虚拟现实技术也都有着广泛的应用。
5.其他领域。利用虚拟现实技术建立虚拟现实数据库、三维地质模型、地下水水流模型、专业模型和实时预测模型，实现对含水层结构、地下水流、地下水质和环境地质等的虚拟表达，推动水文地质、能源开发等工作的开展和进行。在历史古迹方面，利用虚拟现实和网络技术，通过创建三维模型数据库，对需要保护的历史文物进行科学密封和保存，还可很好的实现文物资源的全面的、活灵活现的展示。电视节目制作方面，虚拟现实技术的重大应用便是虚拟演播室的出现，通过有效利用多种三维动画软件功能，创作出许多高质量的以及真实感较强的虚拟布景，具有较大的成本效益。此外，虚拟现实在“智慧旅游”领域的应用也较为广泛。南京市、苏州市致力于打造“智慧旅游”，通过构建三维景点系统、旅游境地的传感器网络等，实时感知旅游境地的景色、天气、路况、游客人数、旅馆餐饮等信息。成都市搭建了“成都旅游一点通”平台，综合运用三维虚拟技术和实景影像技术，利用手机即可实时观看景区影像，为成都创建全国首个“智慧景区”提供了有力支撑。
参考文献：
[1]吴迪，黄文骞.虚拟现实技术的发展过程及研究现状[J].海洋测绘，2002（6）：15～17.
[2]许微.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J].现代商贸工业，2009（2）：279～280.
[3]蒋庚全.国外VR技术发展综述[J].飞航导弹，2002 （1）：27～34.
[4]李志文，韩晓玲.虚拟现实技术研究现状与未来发展[J].信息技术与信息化，2005（3）：94～96.
[5]姜学智，李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报，2004（2）：238～240.
[6]姜红，王利，张兆臣.虚拟现实技术在医学中的应用[J].中国医疗设备，2008（8）：49～52.
[7]杭州市智慧城市建设总体规划[OL].中国电子政务网，2014.1.
[8]微软发布新虚拟现实技术Holograms和智能眼镜[OL].DoNews网，2015.3.
[9]天津虚拟现实技术项目落户天津武清商务区[N].天津日报，2015.3.
[10]李新社.全球智慧城市精选案例集[R].工业和信息化部电子科学技术情报研究所.
[11]福建省人民政府关于数字福建智慧城市建设的指导意见[OL].福建省政务网，2014.4.
[12]洛阳智慧城市发展规划（2014—2020年）[N].洛阳日报，2015.1.
[13]虚拟现实[OL].百度百科网，2015.4.
[14]南京市“十二五”智慧城市发展规划[OL].中国智慧城市网，2012.2.
[15]“智慧苏州”规划[OL].中国智慧城市网，2011.12.
作者简介：吴潇（1987—），女，籍贯：北京，助教，研究方向：动漫设计。