虚拟现实技术调研报告

虚拟现实技术调研报告

1.概述

1.1 虚拟现实技术简介

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，可借助传感头盔、数据手套等专业设备，让用户进入虚拟空间，实时感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而通过视觉、触觉和听觉等获得身临其境的真实感受。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的融合，是一门富有挑战性的交叉技术。

1.2 国内外发展状况

虚拟现实技术在美国的研究现状。美国是虚拟现实技术的发源地，对于虚拟现实技术的研究最早是在20 世纪40 年代。到了现在，已经建立了空间站、航空、卫星维护的VR 训练系统，也建立了可供全国使用的VR 教育系统；乔治梅森大学研制出了一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统；波音公司利用了虚拟现实技术在真实的环境上叠加了虚拟环境，让工件的加工过程得到有效的简化。传感器技术和图形图像处理技术是上述虚拟现实项目的主要技术，从目前来看，时间的实时性和空间的动态性是虚拟现实技术的主要焦点。

我国对于虚拟现实技术的研究和国外一些发达国家还存在相当大的一段距离，但随着计算机系统工程以及计算机图形学等技术的发展速度越来越快，国内许多高校和研究机构也都在积极的进行虚拟现实技术的研究以及应用，并取得了不错的成果：北京航空航天大学建立了一种分布式虚拟环境，可以提供虚拟现实演示环境、实施三维动态数据库、用于飞行员训练的虚拟现实系统以及虚拟现实应用系统的开发平台等等，并对虚拟环境中物体物理特性的表示和处理着重进行了研究，并在虚拟显示的视觉接口硬件方面进行开发，并提出了相关的算法和实现方法。清华大学国家光盘程研究中心采用了QuickTime 技术实现了大全景VR 制布达拉宫；哈尔品工业大学计算机系成功解决了表情和唇动合成的技术问题等。

2.虚拟现实技术的原理与关键技术

2.1 虚拟现实技术原理

（1）显示原理：由于人们的两只眼睛的位置不同，人在看周围的事物得到的图像也略有不同，这些图像在人脑中融合就形成了一个周围事物的整体景象，这个景象也包括距离远近的信息。根据这一原理，在VR 系统中采用了双目立体视觉特点，系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。

（2）声音原理：在水平方向上，人们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向，因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的，所以会有一种方向感。现实生活里，当头部转动时，听到的声音的方向就会改变。但目前在VR 系统中，声音的方向与用户头部的运动无关。

（3）感觉反馈原理：在一个VR 系统中，人可以看到一个杯子，可以设法去抓住它，但无法有抓杯子的感觉，只会穿过杯子表面。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。

（4）语音原理：在VR 系统中，语音的输入输出也很重要。这就要求虚拟环境能听懂人的语言，并能与人实时交互。而让计算机识别人的语音是相当困难的，因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。使用人的自然语言作为计算机输入目前有两个问题，首先是效率问题，为便于计算机理解，输入的语音可能会相当啰嗦。其次是正确性问题，计算机理解语音的方法是对比匹配，而没有人的智能。

下图2.1所示的虚拟现实技术原理图，人在物理交互空间通过传感器集成等设备与由计算机硬件和VR 引擎产生的虚拟环境交互。

图2.1 虚拟现实技术原理图

计算机硬件+VR 引擎

渲

染 显

示

物理交互空间 传感器、设备 传感器集成

虚拟现实技术的基本特征包括3个最突出的特征：交互性、沉浸性和想象性。它是由美国科学家Burdea G.和Philippe Coiffet在1993年世界电子年会上提出的。基于VR虚拟现实的沉浸性、交互性的特点,以及网络传输速率的制约，如何实时逼真的动态环境是虚拟现实系统能否实现的保证。以下介绍的技术正确实施是虚拟现实系统设计实现的关键技术。

（1）VR渲染技术。典型的渲染技术是Nvidia 推出了MRS多重分辨率着色渲染技术，采用将整体渲染画面分区域模式，按照从中央到两边采用不同的分辨率方法，降低GPU 渲染压力。国内某公司研发的焦点渲染（Foveated rendering）技术，主要针对多重分辨率着色渲染技术渲染区域划分较为粗糙，采用眼球追踪技术使之精细化。

（2）VR屏显技术。VR显示屏幕主要包括OLED、LCD 两种类型，其中OLED 采用有源阵列有机发光能够做到低余晖，不过在每个像素间存在分割网格的问题；LCD 采用背投光源显示，每个像素都被动发光，相对较为容易产生严重余晖现象。

（3）VR定位技术。VR 沉浸式体验主要来自于立体化显示和精准的定位技术，使得用户产生的自身身体运动融入VR 虚拟环境中，主要定位技术有：红外定位、激光定位、可见光定位、低功耗蓝牙定位等。

虚拟现实技术是在当今社会经济、文化以及科学信息技术水平不断提升的必然产物，属于新型计算机技术手段。虚拟现实技术正不断发展，它广泛地应用于军事、建筑、工业仿真、考古、医学、文化教育、农业和计算机技术等方面，改变了传统的人机交换模式。

3.1教育领域的应用

VR 技术已改变了传统教育模式，由督促教学的被动学习模式转变为学习者通过自身与信息环境的相互作用获取知识、技能的主动学习模式。

3.1.1 虚拟现实技术教育应用的优势

学习动虚拟现实技术的沉浸感、交互性、想象性的特征有效的克服了传统的枯燥教学环境限制。其优势包括两个方面：一是激发学习动机，增强学习体验。二是实现情景学习，促进知识迁移。学习动机不仅受学习者个体内部因素影响受学习环境等外部因素影响。虚拟现实技术可创造逼真的场景，提供动态的高交互设置，学习者在其显示出较高的学习动机和参与度。无论是虚拟仿校园、模拟飞行空间，还是数字博物馆，虚拟现实术都能将学习者置身于解决真实问题的情境中。另外，在虚拟现实学习中的角色扮演可以激发学习者的创造力和想象力。传统教学仅仅是给学习者灌输知识，脱离具体真实的情境，导致学生知识迁移能力不足。虚拟现实技术支持情境学习的发生。虚拟现实技术能够提供丰富的感知线索以及多通道( 如听觉、视觉、触觉等) 的反馈，帮助学习者将虚拟情境的所学迁移到真实生活中，满足情境学习的需要。

3.1.2 虚拟现实技术教育应用的进展

（1）学习环境的创设。在虚拟仿真环境中，学生做他们在真实世界中无法做到的事，比如他们可以触碰按钮从而改变虚拟森林环境四季的变化等。虚拟现实技术为师生创设了直观的学习环境，便于学生理解和应用知识，便于教师及时调整教学方法。基于构建主义学习理论，学生在已有虚拟环境中，通过探究建构知识，例如“怪物卡车”学习项目，学生想要到达星球表面，必须先学习了解星球的特征和车辆工程学知识。这种基于活动的方法其实是非常有效。

“第二人生”( Second Life) 是早期典型的基于Web 3D 技术的多用户虚拟环境。研究表明，“第二人生”的学习环境使用基于项目的方法能够有效促进学科的发展和交流。使用创造体验式教学设计，让学生有机会开展社会实践项目，能够正向增强他们的学习体验。

VＲChat 是当前国际上最流行的虚拟现实应用软件，加拿大不列颠哥伦比亚大学利用VＲChat 开展远程与沉浸式教学，在一定程度实现了虚拟现实技术与教育的结合。

（2）技能实训。虚拟实训是利用网络技术、多媒体技术、仿真技术等基于虚拟实训系统的一种新的模拟实训方式。飞行模拟器训练是虚拟现实技术在职业技能实训中的应用。飞行员在“真实”的飞行环境中进行训练，视觉、听觉、触觉有“真实”的感受，有助

于提高飞行技能。除职业技能培训外，虚拟实验也是当下虚拟现实技术在教育中的应用热

点。在模拟性试验中，学习者利用化学药品、天平、祛码等实验工具，操作类型多样的化学实验，近距离地观察燃烧、爆炸等化学现象。

（3）语言学习。传统的语言学习仅仅是掌握一门语言的语法和单词，以英语学习为例大部分学生的笔试往往能够取得很好成绩，但在口语表达方面十分欠缺，这都是由于缺少实际的语言环境。虚拟现实技术可以为学习者提供所需的语言环境，在虚拟现实创设的游戏场景中学习语言。研究结果证明了虚拟现实环境提升了学生的表达能力，尤其是日常生活中容易害羞的学生。

3.2生物医学领域的应用

在医学界，虚拟现实技术主要是用于虚拟解剖、虚拟实验室和虚拟手术等方面。虚拟现实技术在医学的应用促进了医学的发展，具有很好的前景。随着计算机技术的进一步发展，可以预期，在未来几年虚拟现实技术将会成为数字医学最主要的应用工具之一。以下介绍了虚拟现实技术在医学各方面的应用。

（1）数字人。数字人是生命科学与信息科学的结合的一个新的研究领域，即通过信息技术、计算机技术，将人体结构数字化，经过三维重建和虚拟现实技术的处理，得到可以看的见的、能够调控的虚拟仿真人体模型。在虚拟解剖方面，德国在20世纪90 年代初用人体切片重构为数字人，逼真地重现了人体解剖现场，而无须担心成本、伦理等问题。

（2）虚拟手术系统。利用计算机技术来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，在时间段上包括了术前、术中、术后；在实现目的上有手术计划制定，手术排练演习，手术教学，手术技能训练，术中引导手术、远程手术、术后康复等。虚拟手术系统可协助建立手术方案，帮助医生合理、定量地定制手术方案。另外，可以预演手术的整个过程以便事先发现手术中可能出现的问题，使医生能够依靠术前获得的医学影像信息，建立三维模型，在计算机建立的虚拟环境中设计手术过程、切口部位、角度，提高手术的成功率。

（3）远程手术。利用虚拟现实技术，通过远程控制操作设备与远距离医院建立起远程医疗系统，医生只需对虚拟患者进行手术，并通过因特网将其动作传递到远端的手术机器人，由机器人对患者进行手术。比如日本研制出的远程控制血管缝合机器人，它可以实现直径1mm血管的远程操作缝合手术。

（4）虚拟实验室。许多医学教育中的实验、临床相关实验以及药学实验都可以在虚拟实验室中进行。例如，一种药品从研制成功到投入应用，要经过大量实验室或临床试验，而利用虚拟药学实验不仅可以加快测试过程，降低成本，还可以避免药物可能对人体造成的损害。美国北卡罗来纳大学研制的应用技术进行复杂分子合成实验，研究人员在境界中控制药物分子模型，通过所模拟分子的分子力反馈测试出把该药物分子安放在其他分子的结合基上的最佳方向，即所谓的“分子人位”。利用计算机生成的分子模型，把所有相关类型的药物连接在一起，并将其锁定在病原体上，从而解除病原体的致病能力。

3.3建筑景观设计的应用

3.3.1虚拟现实技术的应用优势

虚拟现实技术在建筑景观设计中有着非常明显的优势，主要包括以下三种优势。

（1）能够创造虚拟世界。将虚拟现实技术应用于建筑景观设计中，能够使设计过程可视化，建筑师能够产生一种正在身处设计场地的感觉，并对建筑物的布局、功能、优缺点等有详细的了解，从而设计出更加科学的图纸。

（2）拥有强大的图形处理能力。虚拟现实技术拥有强大的计算与图形处理能力。它最大的特点是能够脱离原物体而对其视觉、嗅觉、听觉等进行具体表现。例如在对已经被毁坏的建筑群进行复原设计时，就可以利用该技术对这些已经不存在的建筑进行复原。

（3）能够对复杂的施工方案进行计算。利用该技术能够在虚拟环境下对待建场地、周围场景、机械设备、结构构件等进行创造，形成三维模型，并且模型具有动态性能。然后使模型进行虚拟的模拟操作，如此即可对复杂的施工方案中的具体情况进行观察，并对不合理的地方进行修改。

3.3.2虚拟现实技术的应用场景

虚拟现实技术在建筑景观设计领域有多个应用场景，包括文化遗产的复原、新型建筑的设计、城市规划等。

（1）文化遗产的复原。虚拟现实技术能够在现有技术的基础上对文化遗产的原貌进行修复，或对已经消失的文化遗产进行创造，使人们能够看到它们当时的风貌。例如在对残破的古村落进行修复时，可按照如图3.1所示的流程进行。

图3.1利用虚拟现实进行文化遗产复原

（2）新型建筑的设计。新型建筑物设计是相对于建筑复原而言的。新型建筑物的设计既要进行形象的空间思维，又要将用户的感受考虑进去。而且一旦开始施工所产生的成本都是不可逆转的，因此对设计的准确性提出了很高的要求。虚拟现实技术能够创造出一个真实的场景，使设计师产生一种身在待建场地的感觉，极大的增加了设计的准确性、科学性及可行性，同时节省了时间及设计成本，并提高了设计质量。

（3）城市规划。虚拟现实技术在城市规划中的应用非常广泛，例如制作大比例尺的城市模型、对城市的环境及规划进行考虑等。在城市规划中使用虚拟现实技术，能够将各种设计方案与现实环境融入起来，且能够观察出设计方案对现实环境的影响，从而对方案的合理性及科学性进行评估，最终缩短设计时间、节约设计成本，同时提高设计的可行性及建成之后的美观度。

4.虚拟现实技术的总结和展望

虚拟现实技术依赖于计算机的高速运算和传输。高速运算和传输能解决虚拟现实环境的复杂逼真的环境构造和海量数据处理的问题，从而解决因计算和传输滞后引起参与者的心理疾病。虚拟现实技术的真实感主要体现在视觉和听觉上，“多感知交互”正在成为热点。对力反馈系统的进一步研究、嗅觉、味觉和体表感受都是未来虚拟现实的内容。基于互联网的虚拟现实伴随互联网的发展而成为热点。

虚拟现实技术对各个行业的发展都起着重要的推动作用。但目前该技术受自身一些缺陷及技术方面的制约，使其作用的发挥受到阻碍。因此要加大对相关技术及设备的研究力度，使虚拟现实技术能够更好的为社会进步和人们生活质量的提高做出自己的贡献。