虚拟现实技术应用

时间:2022-03-31 01:47:50 作者:雪莉 阅读量:45

一.概述

虚拟现实技术,又称灵界技术,是20世纪末出现的一种全新的综合性信息技术。它融合了信息技术的许多分支,如数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等,从而极大地推动了计算机技术的发展。虚拟现实系统是利用各种先进的硬件技术和软件工具,设计合理的硬件、软件和交互手段,使参与者能够交互式地观察和操纵系统生成的虚拟世界。虚拟现实技术是目前计算机领域的热门技术。它用计算机模拟的三维环境来模拟真实的场景环境。用户可以走进这个环境,控制浏览方向,操纵场景中的物体进行人机交互。

从概念上讲,任何一个虚拟现实系统都可以用三个“我”来描述其特性,这三个“我”就是“沉浸感”、“交互性”和“想象力”。这三个“我”反映了虚拟现实系统的关键特征,即系统与人的充分互动,强调了人在虚拟现实环境中的主导作用。

专家预测,21世纪初,人类将迅速进入虚拟现实的新技术时代。经过20多年的研究和探索,虚拟现实技术在80年代末走出实验室,开始进入实用阶段。目前,世界上少数发达国家已经开始在经济、艺术乃至军事领域广泛应用这一新技术,并取得了显著的综合效益。

虚拟现实技术可分为两大类:虚拟现实技术(如故宫博物院的虚拟参观)和虚拟现实技术(如虚拟现实环境生成、波音777飞机的虚拟设计等。).虚拟现实技术的应用领域和交叉领域非常广泛,几乎到了无所不包的地步。应用于虚拟现实技术战场环境、虚拟现实作战指挥仿真、飞机、舰船、车辆的虚拟现实驾驶训练、飞机、导弹、舰船、汽车的虚拟制造(包括系统化虚拟设计)、虚拟现实建筑物的展示与参观、虚拟现实手术训练、虚拟现实游戏、虚拟现实影视艺术等领域。虚拟现实技术的发展不仅将从根本上改变人们的工作方式和生活方式,而且将真正实现劳逸结合,使人们在愉快的环境中工作,并在工作的过程中获得乐趣。而且虚拟现实技术与美术、音乐等文化艺术的结合,将催生人类的第九艺术。随着计算机技术的发展,在PC机上实现虚拟现实技术成为可能。

二,虚拟现实技术的设计目标

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虚拟现实系统的设计应达到以下目标:

首先,参与者应该有“真实”的体验。这种体验就是“沉浸”或“投入”,即全心投入,简而言之就是在虚拟世界中产生的幻觉。理想的虚拟环境应该达到用户难以分辨真假,甚至比真实更“真实”的程度。这种沉浸感的意义在于可以让用户产生注意力。为了实现这个目标,我们必须具备多重感知能力,而理想的虚拟现实系统应该具备人类所具备的所有感知能力,包括视觉、听觉、触觉,甚至味觉和嗅觉。

第二,系统应该能够提供方便、丰富的主要基于自然技能的人机交互手段。这些手段使参与者能够实时操纵虚拟环境,从虚拟环境中获得反馈信息,帮助系统了解参与者关键部位的位置、状态、变形等系统需要了解的数据。实时性很重要。如果交互出现大的延迟,与人的心理体验不符,自然技能的交互就无从谈起,也很难得到沉浸感。为了实现这个目标,高速计算和处理是必不可少的。

参与者在虚拟环境中的活动或体验有两种形式,一种是主观参与(第一人称活动),另一种是客观参与(第二人称活动)。在主观参与中,参与者是整个体验的中心,一切都围绕着参与者;在客观参与时,参与者可以看到自己与虚拟环境中其他对象的交互。

交互性和沉浸感是任何虚拟现实体验的两个本质特征,因此可以根据虚拟现实的不同应用,即沉浸感的程度,将其分为不同的类别。早期的虚拟现实系统可能只有虚拟现实的一些特征,比如环屏电影或者立体电影。有些应用,如增强现实系统,不需要完全沉浸和投资。在实际应用中,不同的虚拟现实系统设计有不同的侧重点和约束条件。比如由于资金的限制,设备无法配备最先进的硬件设备,或者硬件本身的性能达不到要求,那么系统的运算速度和交互手段都可能受到影响。这时只能从软件上弥补缺陷,产生了很多基于软件的技术,比如基于静止图像的虚拟现实系统、虚拟仿真等。因为虚拟现实本身并不限制使用的技术范围,只要能达到目的,就可以有效整合各种技术,设计出成功的虚拟现实系统。

第三,虚拟现实系统的架构

虚拟现实技术的体系结构分为分布式虚拟现实和非分布式虚拟现实。

非分布式虚拟现实系统的架构——VUE(Veridical User Environment),这是一个事件驱动的虚拟现实系统,按照一组规则处理并发事件,将单个虚拟世界分解为多个客户机/服务器进程,这些进程可以在不同的处理器上执行,并通过消息传输相互通信。该系统由三个VR组件组成:设备服务器、应用程序进程(也作为服务器进程管理)和会话管理DM(对话管理器)。设备管理器管理输入和输出设备;会话管理是设备服务器的客户端程序,同时也是应用程序进程的服务器。它定义了虚拟世界的交互规则,将输入设备服务器产生的事件协调传递给应用进程,然后将响应事件传递给输出设备服务器。会话管理通过异步消息传递与其他服务器通信,并根据规则传输事件。

分布式虚拟现实系统是通过网络支持多人实时交互的虚拟现实系统。每个用户在VR环境(逼真的3D立体图形,stereo)中通过联网的计算机与其他用户进行交互。DVR的研发早在20世纪80年代就开始了。近年来,网络技术的快速发展进一步推动了DVR的研究和发展。

1.分布式虚拟现实系统的特点

DVR系统应具有以下特征:

①共享虚拟工作室空;

②伪实体的现实行为;

③支持实时交互,共享时钟;

④多个用户以各种方式相互通信;

⑤资源信息共享,允许用户自然操作环境中的对象。

2.分布式虚拟现实系统的需求

DVR系统有四个基本组成部分:图形显示、通信和控制设备、处理系统和数据网络。DVR系统是分布式系统和VR系统的有机结合,其需求可以用以下两种方式描述:VR本身的需求和分布式系统的需求。

VR最本质的特点是用户沉浸在虚拟场景中。根据用户参与VR的不同形式和沉浸程度的不同,我们可以将各类虚拟现实技术分为四类:

1)桌面虚拟现实

桌面虚拟现实是由个人计算机和低级工作站模拟的。计算机屏幕被用作用户观察虚拟领域的窗口。各种外部设备通常用于控制虚拟领域并帮助操纵虚拟场景中的各种对象。这些外部设备包括鼠标、轨迹球、扭矩球等。它要求参与者使用位置跟踪器和另一种手控输入设备,如鼠标、轨迹球等。,坐在显示器前,通过电脑屏幕观察360度范围内的虚拟境界,操纵其中的物体。但是,这时候参与者并没有完全参与进来,因为还是会受到周围真实环境的干扰。桌面虚拟现实最大的特点是缺乏全投入的功能,但成本相对较低,因此应用广泛。常见的桌面虚拟现实技术包括:

基于静止图像的虚拟现实技术:该技术不使用传统的计算机生成图像的方式,而是使用连续拍摄的图像和视频,在计算机中进行拼接,构建现实生活中的虚拟空房间,能够以很小的计算成本获得高度复杂和高度逼真的虚拟场景,从而使虚拟现实技术在PC平台上实现成为可能。

VRML(虚拟现实建模语言):它是一种很有前途的互联网应用技术。它使用描述性文本语言来描述基本三维对象的建模。通过一定的控制,这些基本的三维建模被组合成一个虚拟场景。当浏览器浏览文本描述信息时,在本地对其进行解释和执行,生成虚拟三维场景。VRML最大的特点是用文本来描述三维空空间,大大减少了互联网上传输的数据量,从而使需要大量数据的虚拟现实在互联网上得以实现。

桌面CAD系统:虚拟世界采用Open GL、DirectDraw等桌面三维图形渲染技术建模,由计算机显示器观察,视点和视角可自由控制。这种技术在某种意义上也是一种虚拟现实技术,通过计算机计算生成3D模型,真实感受到了模型的复杂和台式计算机计算能力的局限。

2)虚拟现实投资

先进的虚拟现实系统提供了充分参与的功能,使用户感觉像是在一个虚拟的境界。它使用头盔显示器或其他设备来关闭参与者的视觉、听觉和其他感觉,并提供一个新的和虚拟的感觉空房间。它还使用了位置跟踪器、数据手套、其他手控输入设备、声音等等,让参与者感觉自己置身于一个虚拟的环境中,能够完全投入并沉浸其中。常见的浸没系统有:

基于头盔显示器的系统:在该系统中,虚拟体验的参与者要佩戴头盔显示器,他们的视听感知与外界隔绝。根据不同的应用,该系统将提供立体视觉和三维空房间,可以通过头部的旋转来生成。通过语音识别、数据手套和数据服装等先进的接口设备,参与者可以像在现实世界一样,以自然的方式与虚拟世界进行交互。这是目前沉浸感最高的虚拟现实系统。

投影虚拟现实系统:它允许参与者从屏幕上看到自己在虚拟世界中的图像。为此,利用中国电视技术中的“钥匙”技术,参与者站在某一纯色(通常为蓝色)背景上,参与者面前的摄像头拍摄参与者的图像,图像数据通过连接线传输到后台处理计算机,计算机将参与者的图像从纯色背景中分离出来。把它改成一个虚拟空房间,连接在电脑上的视频投影仪会把参与者的图像和虚拟领域本身投射到参与者观看的屏幕上,让参与者在虚拟空房间里看到自己的活动。参与者还可以与虚拟空房间进行实时交互。计算机可以识别参与者的动作,并根据用户的动作改变虚拟空房间,例如来回拿一个虚拟球或四处走动,这可以使参与者感觉好像在真实的空房间中。

临场感系统:临场感系统是虚拟现实与机器人控制技术相结合的系统。当一个地方的参与者操纵虚拟现实系统时,结果发生在另一个地方。参与者通过与远程摄像机连接的立体显示器获得深度感。运动跟踪与反馈装置跟踪操作者的运动,反馈远程运动过程(如阻尼、碰撞等。),并将运动传输到远程位置以完成。

3)虚拟现实增强真实感。

增强现实(Augmented reality)虚拟现实不仅仅是利用虚拟现实技术来模拟真实世界和现实世界,还可以利用它来增强参与者对真实环境的感受,即增强他们在现实中不易察觉或不便感知的感受。这类虚拟现实的一个典型例子是战斗机飞行员的平视显示器,它可以将仪表读数和武器瞄准数据投影到安装在飞行员面前的穿透屏幕上,它可以使飞行员不必低头看驾驶舱中的仪表数据,从而可以专注于盯着敌人的飞机和导航偏差。

4)分布式虚拟现实

如果多个用户通过计算机网络连接起来,同时参与一个虚拟空房间,共同体验虚拟体验,那么虚拟现实就被提升到了一个更高的层次,这就是分布式虚拟现实系统。目前最典型的分布式虚拟现实系统是作战仿真互联网和SIMNET,国防仿真互联网(DSI)是目前最大的VR项目之一。这个项目是美国国防部推动的标准,目的是使各种模拟器在一个巨型网络上互联。它是美国国防高级研究计划局在1980年提出的SIMNET计划的产物。SIMNET由网络连接的坦克模拟器(驾驶室型)组成,用于部队联合训练。通过SIMNET,德国的模拟器可以和美国的模拟器运行在同一个虚拟世界中,参加同样的战斗演习。

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