虛擬現實交互技術的研究和探討-資料下載頁

【導讀】虛擬現實交互技術的研究和探討。蘇州大學本科生畢業設計（論文）。蘇州大學應用技術學院06電子/信息/計算機張芳

　　

【正文】 造過程的一些承諾。然而，這些自動化模型獲取方法也驗證了真實世界的幾何是極端復雜的。大部分的模型仍需要人工繪制，而且需要聘請高水平的專業人士，所以其費用是相當驚人的。比如在電影《坦克尼克號》中，為實現場景三維建 模及各種特技處理所花的人工費用高達 2500 萬美元，這筆錢足以制造一艘同樣規模的真船。繁瑣的三維建模也是制約虛擬現實技術發展的嚴重障礙。 3． 數據量大。虛擬現實技術要想得到很大的發展，需要與 Inter 結合，這恐怕已是不爭的事實。目前虛擬現實技術應用的數據量仍然很大，在現有 網絡 整體速度較慢的情況下， Inter 用戶必須等待較長時間，這往往令人難以忍受。我們應該在虛擬現實系統中考慮數據壓縮問題，這個問題可能現在 還未引起人們的重視，但是隨著應用的深入，這是一個不可回避的問題。 第 虛擬現實交互技術的研究現狀 . 在國外的研究現狀 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。 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。最初蘇州大學本科生畢業設計（論文） 第 27 頁 共 31 頁 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. VR 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。 2020 年 10 月 2729 日在法國舉行的 ACM Symposi um on Virtual Reality Software and Technology 大會，整體上促進了虛擬現實技術的深入發展。 3． VR 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，它在蘇州大學本科生畢業設計（論文） 第 28 頁 共 31 頁 建立大規模 VR 知識庫和虛擬現實的游戲方面 做出 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 2020 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。 . 在國內的研究現狀 從某種意義上講，我國才是 VR 的發源地，早在戰國時期，《墨子 .魯問》篇中就記載著“公輸般竹木為鵲，成而飛之，三日不下”，其原材料是極薄的木片或竹片。后來人們在風箏上系上竹哨，利用風吹竹哨，聲如箏鳴，故稱“風箏。模擬飛行動物發明的有聲風箏，這是有關中國古代人試驗飛行器模型的最早記載。后來該技術傳到西方，利用風箏的原理才發明了飛機。 但我國對 VR 技術的正式研究起步卻很晚，大概在 20 世紀 90 年代初，發展到現在已初步取得了成果 但與發達國家相比還有很大的差距。其研究概述如下。 國內最早開展此項技術試驗的是西安虛擬現實工程技術研究中心；北京航空航天大學計算機系也是國內最早研究 VR 的單位之一，它在 VR 視覺接口方面獲得了一部分研究成果；北京大學設計了基于 PC 機的 VR 系統；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 CADamp。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；西安交大信息工程研究所對 VR 中的關鍵技術 —立體顯示技術進行了研究；中國科技開發院威海分院研究了視覺接口技術，完成了 VR 中的體視圖及軟件接口；北方工業大學 CAD 中心是我國最早開展計算機動畫研究的單位之一，完成了通訊圖像顯示系統的多媒體平臺及相關音頻資料庫 , 并且中國第一部完全用計算機動畫技術制作的科教片《相似》就出自該中心；上海大學 CIMS 中心開發了一套基于 IRIX的虛擬科技園區環境實時漫游系統；另外，上海交通大學圖像處理模式識別研究所，長沙國防科技大學計算機研究所、華東船舶工業學院計算機系、安 徽大學電子工程與住處科學蘇州大學本科生畢業設計（論文） 第 29 頁 共 31 頁 系等單位也進行了一些研究工作和嘗試。 第 虛擬現實交互技術未來發展趨勢 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 的 網絡平臺和軟硬件基礎環境。 蘇州大學本科生畢業設計（論文） 第 30 頁 共 31 頁 參考文獻 [1]. 徐艷 .虛擬現實技術在教育教學中的應用研究 [J].中國科技信息 .. 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