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虚拟现实技术

历史，应用，技术与未来

Tomasz Mazuryk and Michael Gervautz Institute of Computer Graphics

Vienna University of Technology, Austria

[mazuryk|gervautz]@cg.tuwien.ac.at http://www.cg.tuwien.ac.at/

摘要

虚拟现实（VR），有时也被称为虚拟环境（VE），在过去的几年里已引起了广泛的关注。媒体的广泛报道使大家对这种技术的兴趣快速增长，但是极少数人真正知道虚拟现实技术是什么，以及它的基本原理和它所解决的问题。在本文里对虚拟现实技术的历史回顾中提出了它的基本定义，并将虚拟现实技术系统的类别都列了出来，然后介绍了虚拟现实技术在科学，工作和娱乐领域中的应用前景。通过对典型的虚拟现实系统的分类的研究，虚拟现实技术的应用程序以及它们之间的相互关系的所有成分都彻底得进行了分析：输入设备，输出设备和软件。此外人为因素及虚拟环境技术的设计目的的意义行了讨论。最后，虚拟现实技术的未来在技术和社会两个方面考虑。新的研究方向，技术展望和潜在的应用领域被指明。推测出虚拟现实技术对普通民众生活可能产生的正面和负面影响。

. 介绍

历史

如今计算机图形学在我们生活的许多领域得到使用。在20世纪末，这是很难去想象一名建筑师，工程师或室内设计师在没有图形工作站的情况在工作。在过去的几年里，微处理器技术的暴风雨式的发展使得计算机越来越快的进入市场，这些机器都配备了更好更快的显卡，价格的迅速下降，使得一个普通用户进入的计算机图形学的世界提供了可能。这种对于一个新的（IR）现实的迷恋往往开始于电脑游戏并不断地持续下去，可以从其他的角度看到周围的世界，并体验到不会再现实生活中接近甚至尚未建立的东西。此外，三维图形的世界里既没有国界，也没有限制，并可以通过我们自己所想去创建和操纵 - 我们可以通过一个第四个维度完成它：我们的想象......

但是还样还不够：人们总是想要的更多。他们想踏入这个世界，并与之交互 - 而不是仅仅观看显示屏上的图像。在目前十年里这个技术变成空前的流行时是被称为虚拟现实技术（VR）。它的初始的想法是由伊万·萨瑟兰在1965年提出的：“让在窗口（虚拟）世界看起来真实，听起来真实，手感真实，切实给观众的行为作出反应”[Suth65]。自从那时起，已经完成大量的研究和文献：“应许之地的萨瑟兰的挑战还没有达到，但我们至少可以看到它”[Broo95]。

让我们对过去三十年虚拟现实的研究和它的亮点，有一个短暂的一瞥[Bala93a, Cruz93a, Giga93a, Holl95]:

• • • Sensorama – 在年1960到1962年间，莫顿海利希创建了一个拥有多感官体验的模拟器。一个有画面和立体声的预录影片，增加了双耳听到的声音，气味，风和震动的体验经验。这是第一次尝试建立一个虚拟现实系统，它有特定的环境中的所有功能，但它不是互动。
    • The Ultimate Display – 1965年伊万·萨瑟兰提出虚拟现实的终极解决方案：一个人造的世界建筑概念，它包括交互式图形，力触觉反馈，声音，嗅觉，味觉。
    • “The Sword of Damocles” – 第一个虚拟现实系统是在硬件上实现的，而不是在概念上。伊万·萨瑟兰构造了第1头戴显示器（HMD），用适当的头部跟踪装置。它支持根据用户的头部的位置和方向正确更新立体图。
    • GROPE – 1971年北卡罗来纳大学（UNC）实现第一个反馈力系统的原型。
    • VIDEOPLACE –1975年迈伦·克鲁格创建了人造现实 - “一个不存在的概念环境”。该系统用摄像机抓住了用户的剪影投射在大屏幕上。参与者与其他人能够交互通过可以确定2D屏幕空间的位置的图像处理技术
    • VCASS – 1982年托马斯·弗内斯在美国空军的阿姆斯特朗医学研究实验室开发出基于视觉的机载系统模拟器 - 一个先进的飞行模拟器。战斗机飞行员穿头虚拟现实头盔，通过描述目标或最优的飞行路径信息增强窗外的视域。
    • VIVED – 虚拟视觉环境显示器 - 美国宇航局埃姆斯研究中心在1984年利用现成的技术将一个有立体影像感的黑白场景的虚拟现实头盔改造出的。
    • VPL – 该VPL公司生产了很受欢迎的数据手套（1985）和虚拟现实头盔（1988） - 第一款商用虚拟现实设备。

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• • • 全方位监视器 – 由 Fake Space Labs在1989年商业化。 全方位监视器是包含可通过眼睛孔观察到两个阴极射线管显示器的小盒子。用户可以抓取方格，通过眼睛保持它，并通过虚拟世界移动，随着机械手臂确定格子的位置和方向。.
    • 虚拟北卡罗莱纳大学建筑漫游 – 1980下半年，北卡罗莱纳大学开发出建筑漫游的应用程序。组建了若干虚拟现实装置，以提高该系统的质量：头戴式显示器，光学跟踪器和像素平面图形引擎。.
    • 虚拟风动 – 美国宇航局艾姆斯研究应用中心在90年代初开发，在全方位监视器和仿真数据手套的帮助下对流场的观察和调查。 (see also section 1.3.2).
    • 基于投影的沉浸式虚拟现实显示系统 – 1992年基于投影的沉浸式虚拟现实显示系统（CAVE自动虚拟环境）提出的是一个虚拟现实和科学计算可视化系统。代替使用头戴式可视设备，它在房间的墙壁上投出立体图像（用户必须佩戴液晶快门眼镜）。相对来讲，这种方法可以确保基于头戴式可视设备系统卓越的品质和观看的影像分辨率和比较的角度更广泛的领域。(see also section 2.5.1).
    • 增强现实技术(AR) – “提出了丰富的虚拟世界，而不是取代现实世界”的一种技术[Brys92c]。这是通过透视头戴式可视设备的手段叠加虚拟三维物体在真实物体上来实现的。这项技术以前用于充实战斗机飞行员的视野添加额外的飞行信息（VCASS）。由于其巨大的潜力- 人类视觉的增强- 在90年代初增强现实技术成为了众多研究项目的焦点。 (see also section 1.3.2).

什么是虚拟现实？

在20世纪90年代初在虚拟现实领域的发展变得更加热烈的时候，虚拟现实这个术语本身变得非常受流行。我们可以听到关于虚拟现实在几乎所有类型的媒体，人们经常用这个词，他们也在很多情况下滥用它。其原因是，这种新的有前途的和迷人的技术取代了计算机图形学引起了人们更大的兴趣。这种状态下的结果是，时下3D计算机图形和虚拟现实之间的边界变得模糊。因此在以下一些段落给出虚拟现实的定义和其基本原理。

基本定义和术语

虚拟现实（VR）和虚拟环境（WE）在计算机界中可互换使用。这些术语是最流行和最经常使用的，但也有许多其他的。仅举几个最重要的：合成经验，虚拟世界，人工世界或人造现实。所有这些名字的意思是相同的：

• • • • “实时交互式图形与三维模型，通过显示技术，提供用户在模型世界和直接操作之间一种浸没感。” [Fuch92]
      • “这是一种人造的环境幻象，而不是这样环境的外在观察。 虚拟现实依赖于一个三维的，立体头部跟踪显示器，手/身体跟踪和双声道立体声的声音。 虚拟现实是一种身临其境的多感官体验。” [Giga93a]
      • “计算机仿真使用三维图形处理技术和设备，如数据手套，以允许用户与模拟交互。” [Jarg95]
      • “虚拟现实是指身临其境的，互动的，多感官的，以用户为中心的，三维计算机生成的环境，来建立这些环境需要的技术的结合” [Cruz93a]
      • “虚拟现实可以让你拥有6个自由度实时地浏览和查看三维的世界。 （......）从本质上说，虚拟现实是物质现实世界的克隆。” [Schw95]

虽然有这些定义存在一些差异，但在本质相同的。它们都意味着虚拟现实是在虚拟（自主）世界的互动和身临其境的（与存在的感觉）体验。[Zelt92] (see fig. 1.2.1.1) – 这一措施，我们将用它来预先确定虚拟现实系统的水平。

(1,0,0) (1,1,0)

Autonomy

(1,0,1)

(1,1,1)

Virtual Reality

(0,0,0)

Interaction

(0,1,0)

Presence

(0,0,1) (0,1,1)

Figure 1.2.1.1. Autonomy, interaction, presence in VR – Zeltzerrsquo;s cube (adapted from [Zelt92]).

很多人，主要是研究人员喜欢使用虚拟环境，而不是虚拟现实这一术语；“因为人们大肆宣传和相关的不切实际的期待。”[Giga93a]. 此外，还有一些必须谈论虚拟现实时提到的两个重要术语：网真和网络世界。它们都紧密结合虚拟现实，但是具有略微不同的上下文：

• • • • 网真 – 是模拟一个真实的，但远程（在距离或规模而言）环境中一种特定的虚拟现实。另一个更精确的定义说，当“在工作现场，操纵器具有灵巧以允许操作员执行正常人体功能发生临场感;在控制站，所述操作者接收足够数量和的感官反馈使在工作现场提供实际存在的感觉“ [Held92].
      • 赛伯空间 – 由威廉·吉布森定义和发明，为“数十亿合法经营者（...）从人体系统的每一台计算机的银行提取数据的图形表示的一个协商一致的日常经历幻觉”[Gibs83]. 今天，网络世界一词是和娱乐系统与万维网（互联网）相关联。

虚拟现实系统的级别

在虚拟环境系统的计算机生成被递送到人类感官的感官印象。这些类型和印象的质量决定沉浸的水平和虚拟现实存在的感觉。理想的是，高清晰度，高品质的和以上所有显示器一致，信息应该被呈现给用户的所有感官[Slat94]. 此外，该环境本身要对用户的操作切实作出反应。然而实践中，对这一理想的情况下非常不同。许多应用程序仅对一种或一些感官的具有低质量和不同步的信息起作用，。我们可以根据他们提供给用户的沉浸程度对虚拟现实进行划分。(compare with [Isda93, Schw95]):

• • • • 桌面虚拟现实 – 这是一套基于普通PC平台的小型桌面虚拟现实系统，这是VR应用的最简单类型。它采用的是传统的监视器和图形工作站。不支持任何其他感官输出。
      • 鱼缸虚拟现实 – Desktop VR的改良版。支持头部跟踪，从而可以通过运动视差效应提供“身临其境”之感。他们仍然使用传统显示器，但一般不支持感知输出。
      • 沉浸式系统 – VR的最终版本，通过头戴式显示器，根据用户的位置和方向，提供立体式场景。这些系统可以通过音频、触觉和感觉接口来增强体验。

虚拟现实的应用

使用虚拟现实的动机

毫无疑问虚拟现实在过去几年中吸引了人们的不少兴趣。作为用户界面的新模式它提供了许多应用领域的极大好处。它提供了一个方便，功能强大，直观的人机交互方式。用户可以在我们在现实世界的行为用相同的方式在模拟环境中观看和操纵，而无需学习复杂（通常笨拙）用户界面如何工作。因此，许多应用，如飞行模拟器，建筑漫游和数据可视化系统进行了比较快的发展。后来，当然虚拟现实已被应用在娱乐区有遥操作机器人的协作中。

数据和建筑可视化

长期以来人们一直在收集各种大量数据。兆甚至千兆字节的信息的管理是不容易的任务。为了使充分利用它，特别可视化技术的开发工作。他们的目标是使数据感知对人类很方便。配备有可视化的设备和简单的接口设备的台式计算机是远非用于数据表示和操纵的最佳解决方案。虚拟现实有望实现相互作用的更直观的方式。第一次试图作为一个可视化工具是建筑漫游系统虚拟现实应用。在这一领域的开创性作品是1986年后开始在北卡罗莱纳大学所做的[BROO86]，随着不断开发的新代系统[BROO92B]. 许多其他研究小组创建了令人印象深刻的应用程序， – 只是例举对梵蒂冈圣彼得大教堂的可视化的提出在斯图加特在虚拟现实World95大会或商业虚拟厨房设计工具。虚拟现实使其优于标准的计算机图形太有意思的地方在哪？在场的感觉和空间中的虚拟的建设，这甚至不能由最逼真静

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