三维虚拟现实技术

虚拟现实技术的演变发展及在军事地形学研究的影响

——《三维虚拟现实技术》研究报告

（姓名：刘栋学号:2009202140087）

一．前言

随着计算机科学的飞速发展，虚拟现实技术已渗透进入了军事、工程、医学、教育等各个方面，并且在这些领域中起着重要的作用。如海湾战争的美国士兵对周边的环境不觉得陌生，是由于虚拟现实已把他们带入那漫无边际的风尘黄沙让他们身临其境感受到大漠的荒凉。

三维虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中去。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、网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术、前沿学科和研究领域。

三维虚拟现实技术具有以下四个重要特征①多感知性。指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。②存在感。指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度。③交互性。指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。④自主性。指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。

虚拟现实的关键技术主要包括：动态环境建模技术，实时三维图形生成技术，立体显示和传感器技术，应用系统开发工具，系统集成技术。

二．三维虚拟现实技术的演变发展及我国研究现状

2.1 演变发展史

虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段:有声、形、动态的模拟是蕴涵虚拟现实思想的第一阶段(1963年以前)、虚拟现实萌芽为第二阶段（1963 年—1972年）、虚拟现实概念的产生和理论初步形成为第三阶段（1973年—1989年）、虚拟现实理论进一步的完善和应用为第四阶段（1990—2004年）。

2.1.1虚拟现实技术的前身

虚拟现实技术是一种有效地模拟生物在自然环境中的视、听、动等行为的交互技术，其概念是发展的和变化的。

虚拟现实技术与仿真技术的发展是息息相关的，它可追溯到中国古代(公元前468 年前376 年)的战国时期，据<<墨子.鲁问>>篇记载，“公输般竹木为鹊，成而飞之，三日不下”，其原材料是极薄的木片或竹片。后来人们在风筝上系上竹哨，利用风吹竹哨，声如筝鸣，故称“风筝”。模拟飞行动物发明的有声风筝，这是有关中国古代人试验飞行器模型的最早记载。

当人们在放风筝时，远远望去栩栩如生的模拟飞行动物和人之间互动的大自然场景与其发出悦耳清新的筝鸣。风筝的拟真、拟声、互动的行为是仿真技术从古至今在人们生活中的应用，这一阶段历经了漫长的历史。

后来该技术传到西方，西方人称风筝为飞行器。利用风筝的原理发明了飞机。

人们由动物飞的行为得到了启发，产生了丰富的想象力，它推动了仿真技术的发展，也是虚拟现实技术的前身，蕴涵了虚拟现实的思想。仿真和计算机的发展促使了虚拟现实技术的萌芽。

2.1.2虚拟现实技术的萌芽阶段

60年代到70年代初是虚拟现实思想萌芽阶段。

60 年代初Ivan Sutherland教授在他的博士论文对有关计算机图形交互系统方面作了论述。65年他发表的论文“the ultimate display”提出了感觉真实、交互真实的人机协作新理论。1968 年他开发了头盔式立体显示器，后来他开发了一个虚拟系统，可称得上是第一个虚拟现实系统。它是基于传统习惯、花费又大、模型又过分简化了的一个虚拟世界。Ivan Sutherland 的论文和一个过于简单的虚拟世界是具有初始意义的虚拟现实技术，也正是虚拟现实技术的萌芽。由于在图形方面的显示和交互，因此人们称他为图形学之父。

2.1.3虚拟现实概念和理论的初步形成

1973年到1989年为虚拟现实技术的第三阶段。

1973年Myron Krurger 提出了“Artificial Reality”这是早期出现的虚拟现实的词。从字面上来看，它具有虚拟现实的含义。

80年代初到中期，美国国家航空和宇宙航行局(NASA)及美国国防部开始研究外层空间环境。1984年NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy和J.Humphries博士开发了虚拟环境视觉显示器用于火星探测，将探测器发回地面的数据输入计算机，构造了火星表面的三维虚拟环境。

之后NASA 又投入了资金对虚拟现实技术进行研究和开发，像非接触式的跟踪器。85年以后(89年)，由Fisher的加盟在Jaron Lanier的接口程序的基础上作了进一步的研究。随后在虚拟交互环境工作站（VIEW）项目中，他们又开发了通用多传感个人仿真器等设备。

参加该项目的Warren Robinett 是一个交互式计算机图形软件的设计者设计了虚拟工

作站，可以称得上是NASA's虚拟现实项目的先驱。

很快由美国的Stone 和Hennequin共同发明了数据手套。第一个数据手套被NASA 用于虚拟现实，由Warren Robinett构思和实现手套与虚拟世界的交互技术。可以说手套、头盔是实现VR 的硬件，交互式接口技术是实现VR 的软件。

2.1.4虚拟现实理论的完善和全面应用

1990年到2004年为虚拟现实技术的第四阶段

Burdea G和Coiffet在1994年出版的虚拟现实技术一书中描述了VR 的三个基本特征3I （Imagination、Interaction、Immersion），这是在James. D. Foley 教授1987年提出的的三个关键元素（2I+ B）的基础上作了进一步完善，Burden认为在2I的基础上增加I(Immersion) 能更好地表示任何VR 系统的属性。因此，他用3I 精辟地概括VR 的特征。这是对VR 技术和理论的进一步完善。

1992年Sense8公司开发了“WTK”开发包，为VR技术提供更高层次上的应用。

1994年3月在日内瓦召开的第一届WWW大会上，首次正式提出了VRML 这个名字。后来又出现了大量的VR建模语言，如：X3D ，Java3D等。

增强现实(Augmented Reality)技术成为VR 的一个分支，北京理工大学王涌天教授在这方面的研究取得了一些成果。

大容量显示器的开发是VR发展的结果。美国的Jesse Eichenlaub 于1986 年提出开发一个全新的三维可视系统，其目标是使观察者不要那些立体眼镜、头跟踪系统、头盔等笨重的辅助东西也能达到同样效果的三维逼真的VR 世界。

经过十年以后,2D/3D 转换立体显示器(DTI 3D display)问世，用肉眼直接从虚拟窗口看到的小轿车好像从屏幕中开了出来。

虚拟窗口的显示器原理是根据左右眼视差，采用一个棱镜(prism)及面罩置于平面显示装置的象素柱前、一个眼跟踪器、一个置于平面显示后面的立体照相机、一个眼跟踪单元等装置组成虚拟窗口立体显示器。这种三维显示器还有用全息光衍原理来实现的。

人机交互技术是VR早期研究的关键，也是热点，为了构造VR 世界，实现VR 的三个基本元素和特征。人们在鼠标和键盘的基础上发明了数据手套、立体眼镜、头盔式显示器、