三维虚拟现实技术

三维虚拟现实技术

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、语音识别器等，直至现在虚拟窗口立体显示器、多屏立体显示器等。另外，多通道同步立体投影虚拟现实系统的应用、多管道图形加速卡的问世为 VR 技术的应用提供了更好的硬件技术和低的成本。我国中科院戴国忠研究员、北京大学董士海教授等学者在人机交互方面作了研究，从不同的角度论述