2011-2012学年第1学期期末考试
论 文
考试科目： 虚拟现实技术
学 院： 信息与通信工程学院
专 业： 通信工程
班 级：
班内序号： 04
学 号： 10210559
姓 名： 徐瑞强
任课教师： 黄 海
北京邮电大学
时间：2011年12月29
日
我对虚拟现实技术的理解和体会
徐瑞强
北京邮电大学信息与通信工程学院
摘要：虚拟现实技术是人类进入信息时代后发展起来的一门快速进步的学科，尤其是进入二十一世纪后，虚拟现实的发展更是方兴未艾，借助逐渐成熟的电子制造产业与计算机技术，虚拟现实的发展进入了一个新的高度。目前虚拟现实在生活中的诸多领域都发挥着不可
或缺的作用。
关键词：计算机科学与技术，反馈，感官，处理，交互
1 引言
虚拟现实技术（简称VR），就像黄海老师在第一节课中给我们入门的时候讲的一样，“虚拟”和“现实”这两个词，表面上看起来貌似是一对矛盾的词语：虚拟，指的是非真实的事物；而现实，则是真真实实的事物实体。但是这两件似乎毫无关系的两件事，结合起来却成就了精彩的世界。如今我们生活中的各个方面，都可以或多或少的看到虚拟现实的影子。虚拟现实技术，现在正在越来越大程度上影响着我们的生活。
2在学习虚拟现实技术前我对虚拟现实的理解
之间很少听说过这个词语，只是大致听说过这方面的技术。如电影中特效的制作，游乐场的4D电影，全息成像技术等。总体感觉虚拟现实技术是离我们生活比较远的一种虚无飘渺的技术。在学习了这门课程后，我发现其实虚拟现实技术远比之前想象的丰富的多，已经渗透到了我们生活中的方方面面。
2虚拟现实简介
虚拟现实技术的定义，可以从广义上和
狭义上来定义。现在对虚拟现实技术的了
解，主要集中在广义的程度上。狭义上，虚
拟现实技术被称为“基于自然的人机界面”，
在此环境中，用户看到的时彩色的，立体的
景象，听到的是虚拟环境中的声响，手脚等
可以感受到虚拟环境反馈给他的作用力，由
此使用户产生一种身临其境的感觉。换言
之，人以与感受真实世界一样的（自然的）
方式来感受计算机生成的虚拟世界，具有与在真是世界中一样的感觉。广义上的虚拟现实，即对虚拟想象（三维可视化的）或真实的三维世界的模拟。它不仅仅是一种界面，更主要的部分是内部的模拟。人机交互界面采用虚拟现实的方式界面，对某个特定环境真实再现后，用户通过自然的方式接受和响应模拟环境的各种感官刺激，与虚拟世界中的人及物体进行思想和行为等方面的交流，是用户产生身临其境的感觉。在各个百科网站上，对虚拟现实的定义也各不相同，例如，在维基百科中，对“虚拟现实”这个词条的定义如下：虚拟现实，或虚拟实境（Virtual Reality），简称VR技术，也称灵境技术或人工环境，是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。可见，这种定义是偏向广义的一种定义。查阅其它百科网站，会发现大部分定义都是侧重于虚拟现实的广义定义，从这个侧面可以看出，目前对人类社会产生显著广泛影响的还是虚拟现实广义定义这方面。因此在以下对虚拟现实的讨论中，着重论述虚拟现实的广义定义。综上所述，虚拟现实技术的定义可归纳如下：虚拟现实技术是指采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视，听，触觉等一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互，相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验。这里所谓虚拟环境是指计算机生成的具有色彩鲜明的立体图形，它可以使某一特定现实世界的真实体现，也可以使纯粹构想的虚拟世界，必要的设备指包括立体头盔式显示器，数据手套，数据衣等穿戴于用户身上的设备和设置于现实环境中的传感设备（不能直接穿戴于身上）。自然交互是指日常使用的方式对虚拟环境内的物体进行操作并得到实时立体反馈，如手的移动，头的转动，人的走动等。
3虚拟现实基本特征
从技术的角度来说，虚拟现实系统具有下面三个基本特征：即三个“I”：immersion，interaction，imagination（沉浸，交互，想象）。它着重强调了在虚拟
现实技术中的人的主导作用。传统的交互人只能从计算机系统的外部去观测处理的结果，是一种被动的接受信息的方式。现在虚拟现实的发展已经使得人能够“沉浸”到计算机系统所创建的环境中。在过去人只能通过键盘、鼠标与计算环境中的单维数字信息发生作用，现在技术的发展已经使得人能够用多种传感器与多维信息的环境发生交互作用；在过去的人只能以定量计算为主的结果中启发从而加深对事物的认识，而现在已经发展到人有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感知和理性的认识从而深化概念和萌发新意。总之，在虚拟系统中，人们的目的是使这个由计算机及其它传感器及其他设备所组成的信息处理系统去尽量
“满足”人的需要，而不是强迫人去“凑合”那些不是很亲切的计算机系统，实现人和系统的交互。
1. 沉浸性：沉浸性又称浸入性，是指用户感觉到好戏那个完全置身于虚拟
世界中一样，被虚拟世界所包围。虚拟现实技术的主要技术特征就是让
用户觉得自己是计算机系统所常见的虚拟世界中的一部分，是用户由被
动的观察者编程主动的参与者，沉浸于虚拟世界之中，参与虚拟世界的
各种活动。虚拟系那是的沉浸性来源于对虚拟世界的多感知性，除了我
们常见的视觉感知，触觉感知，运动感知，味觉感知，嗅觉感知，身体
感觉等。由于目前科学技术的局限性，在虚拟现实系统中，研究与应用
比较成熟或者相对成熟的主要是视觉沉浸，听觉沉浸，触觉沉浸和嗅觉
沉浸，有关味觉等其他感知的技术正在研究之后总，还很不成熟。
2. 交互性
在虚拟现实系统中，交互性的实现和传统的多媒体技术有所不同。传统
的多媒体技术中，人际之间的交互工具从计算机发明到现在，主要是通
过键盘与鼠标进行一维二维的交互。虚拟现实系统强调人与虚拟现实世
界之间要以自然的方式进行交互，入人的走动，头的转动，手的移动等，通过这些，用户与虚拟世界进行交互，并且借助于虚拟现实系统中特殊
的硬件设备（如数据手套，力反馈设备等），以自然的方式与虚拟世界进
行交互，实时产生在真实世界中一样的感知，甚至连用户本人都意识不
到计算机的存在。它的特点是虚拟环境中的人参与与反馈，人机交互的
有效性，人机交互的实时性。
3. 想象性
想象性是指虚拟环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者相应
的思想，因而可以用来实现一定的目标。所以说虚拟现实技术不仅仅是
一个媒体或一个高级用户界面，它同时还可以为解决工程问题，医学问
题，军事等方面的问题而由开发者设计出来相应的软件，通常它以夸大
的形式反映设计者的思想，虚拟现实系统的开发是虚拟现实技术与设计
者并行操作，为发挥它们的创造性而设计的。
总之，虚拟现实技术的应用，为人类认识世界提供了一种全新的手法与手段，可以使人类突破时间和空间，去经历和体验世界上早已发生或尚未发生的事情，可以使人类进入宏观或微观的世界进行研究和探索；也可以完成那些因为某些条件限制难以完成的事情。
4虚拟现实的发展历程
早在20世纪50年代中期就有人提出了虚拟现实的设想，但当初并没有引起人们的注意。当时由于计算机普及程度以及电子技术发展的限制，导致虚拟现实的发展缺乏相应的技术支持，缺少合适的产波载体以及硬件处理设备。知道20世纪80年代末，随着计算机技术的高速发展与互联网技术的普及，虚拟现实技术得到了广泛的应用。在授课期间，老师为我们介绍了虚拟现实技术发展的三大阶段：
1.20世纪50年代到20世纪70年代，是虚拟现实技术的探索阶段；
2.20世纪80年代初期到20世纪80年代中期，是虚拟现实技术系统化，从实验室走向实用的阶段；
3.20世界80年代末期到本世纪初期，是虚拟现实技术高速发展的阶段。 5我眼中的虚拟现实技术在当今生活中的应用
虚拟现实技术的发展导致其成果纷繁复杂，在我眼中虚拟现实主要有以下几个比较突出的方面，这几个方面虚拟现实技术对我们生活的影响最大，也最容易感受到虚拟现实的独特魅力。
首先是电影特效的制作：虽然借助一些类似于“障眼法”的门道，可以实现电影拍摄特效的精彩化，但是有些场景是人类无法模拟的。虚拟现实在这方面就大放异彩。在上课期间黄海老师给我们提到了电影《星球大战》里面发出亮光的
武器的电影制作技术，那时候尚处在虚拟现实技术发展的起步阶段，所以特效技术制作起来很难，但是经过了制片方的努力仍然取得了令人惊异的效果，在当时掀起了新的浪潮。如图就是当初引起轰动效果的星际战士手中发亮的武器，在当时下课后，我又查阅了下
具体实现的方式：首先在
拍摄的时候，演员手中拿
着的知识普通的木棒，在
后期制作的时候，技术人
员对影片中每次出现的
木棒进行渲染处理，从而
达到了这种梦幻的效果。
其次是在众多游乐
设施中的“4D电影”，传统的电影到3D电影已经吸引了众多观众的眼球，而4D电影则更是让电影的体验感上升到了一个新的高度。比如说我曾经亲身体验过的位于北京的欢乐谷中就有一个这样的小电影院，不过和当前世界上先进的技术还有很大差距，但基本可以看出虚拟现实技术在这领域的应用。所谓的“4D电影”，就是在给观众以立体感的3D电影的基础上，利用虚拟现实技术，给观众以感觉上得互动。在当时，印象比较深刻的是每个座位上都有很多可以动的凹凸处，在电影播放的过程中，凹凸处会配合场景来给观众相应的感觉。比如在当时我看的电影中，有这样一个场景：一个人走在路上，被从身后飞来的石头砸中了背，这是，位于座椅背部的部分突然有小幅度的突出，给人以相应的感受。出了这种意外，还有配合相应的声，光，气的变化，使得电影的欣赏达到了一个新的高度。
最后比较重要的一个方面就是电脑游戏技术和其他的娱乐技术，最突出的就是全息成像。在刚开始上虚拟现实选修课的时候，黄海老师给我们播放了几部电影，都或多或少的提到了这种惊人的技术。三维全息成像也称360全息成像、三维全息影像，它是由透明材料制成的四面锥体，观众的视线能从任何一面穿透它，通过表面镜射和反射，观众能从锥形空间里看到自由飘浮的影像和图形。四个视频发射器将光信号发射到这个锥体中的特殊棱镜上，汇集到一起后形成具有真实
维度空间的立体影像。在很多科技馆，展览馆，公园，文化宫，名胜古迹处等都
可以看到全息成像技术的影子。利用全息成像技术，可以表现出物体的细节或内部结构，如钟表，机械构造，珠宝首饰，其他产品，也可表现人物，卡通形象等，这种技术给观众的感觉是物体完全浮现在空气中，可以实现从屏幕的二维世界像三维世界的跳跃。另外一个方面就是电脑游戏方面，现在的3D游戏大都是采用相应的计算算法来使得平面的屏幕产生3D的效果，这已经是现在游戏画面的主流发展趋势。而著名的计算机硬件厂商nvidIA公司则是独树一帜，借助多个显卡以及先进的技术实现了游戏真实的3D化，但由于其技
术要求高价格昂贵等原因普及率还有待提升，这里就不再
赘述。右图为nvidIA公司的LOGO，该公司在虚拟现实的
其他设备的制造方面也远远的走在了世界的前列，如其他
的一些虚拟现实设备如数据手套等。
6虚拟现实的关键技术
经查阅，虚拟现实实现的关键技术主要有以下几个方面：环境建模技术，立体声合成和立体显示技术，触觉反馈技术，交互技术，系统集成技术。以下分条介绍这几种关键技术。
1. 环境建模技术：
主要指基于图像的虚拟环境建模技术。随着计算机技术的发展,虚拟
场景的绘制技术已经成为虚拟现实研究的重要组成部分。传统的虚拟场
景造型方法是基于几何的，其研究是以计算机图形学为基础,其特点是便
于用户与虚拟场景中的对象进行交互,并能直接获取虚拟形体的深度信
息,且视点自由,但由于该方法的研究对于场景的几何复杂度具有依赖性,难以在普通的硬件平台上实现。而基于图像的虚拟场景绘制方法是利用
图像像素作为基本的绘制元素,绘制速度独立于场景复杂性,仅与图像的
分辨率有关。所以,当前针对虚拟场景建模方法的研究主要集中在图像建
模领域,尤其是基于图像的绘制(IBR)技术和基于图像的建模(IBM)技术。
2. 立体声合成和立体显示技术：
着重介绍裸眼立体显示技术。裸眼立体显示技术是一种立体图像显
示方法，观众不需要配戴3D眼镜便可观赏到立体图像，所以这种技术也被称为免眼镜3D显
示技术。具体实现裸
眼立体显示技术的方
法比较多，我们日常
生活中接触最多的算
是三维立体画。如图
所示。其他裸眼显示
技术则是应用光学技
术如光的偏振和光栅
现象来实现3D效果。
3. 触觉反馈技术
触觉反馈技术是触觉学科的一种，是指通过与计算机进行互动来实
现虚拟触觉。利用特殊的计算机输入/输出设备(如游戏杆、数码手套或
者其他设备)，用户可以通过与计算机程序交互来获得真实的触觉感受。目前应用最广泛的是触屏手机的触觉反馈技术，而应用更为深入的技术
的发展还有待提高。
4. 交互技术
交互技术(Human-Computer Interaction Techniques)是指通过计算机
输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。它包括机
器通过输出或显示设备给人提供大量有关信息及提示请示等，人通过输
入设备给机器输入有关信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输入
有关信息，回答问题等。人机交互技术是计算机用户界面设计中的重要
内容之一。它与认知学、人机工程学、心理学等学科领域有密切的联系。
5. 系统集成技术
系统集成技术是指将不同的系统，根据应用需要，有机地组合成一
个一体化的、功能更加强大的新型系统的过程和方法。具体地说，所谓
系统集成（SI，System Integration
），就是通过结构化的综合布线系统和
计算机网络技术，将各个分离的设备(如个人电脑)、功能和信息等集成
到相互关联的、统一和协调的系统之中，使资源达到充分共享，实现集
中、高效、便利的管理。系统集成应采用功能集成、网络集成、软件界
面集成等多种集成技术。系统集成实现的关键在于解决系统之间的互连
和互操作性问题，它是一个多厂商、多协议和面向各种应用的体系结构。这需要解决各类设备、子系统间的接口、协议、系统平台、应用软件等
与子系统、建筑环境、施工配合、组织管理和人员配备相关的一切面向
集成的问题。
7虚拟现实在我国的发展现状
在我国虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比还有很大的一段距离，随着计算机图形学、计算机系 统工程等技术的高速发展，虚拟现实技术已经得到了相当的重视，引起我国各界人士的兴趣和关注，研究与应用VR，建立虚拟环境!虚拟场景模型分布式VR系统 的开发正朝着深度和广度发展。国家科委国防科工委部已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目，国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用并取 得了一些不错的研究成果。
北京航空航天大学计算机系也是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，其虚拟实现与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等，并在以下方面取得进展：着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法。
清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”，采用了苹果公司的 QuickTime技术，实现大全景VR制；浙江大学CAD＆CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统；哈尔滨工业大学计算机系已经 成功地合成了人的高级行为中的特定人脸图像，解决了表情的合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等。这些成果，都标志着我国在虚拟现实技术方面已经处于全球领先地位，而且这一技术，正在我国受到越来越高度的重视。
8虚拟现实技术的发展趋势
随着虚拟现实技术在城市规划、军事等方面应用的不断深入，在建模与绘制方法、交互方式和系统构建方法等方面，对虚拟现实技术都提出来更高的需求。为了满足 这些新的需求，近年来，虚拟现实相关技术研究遵循“低成本、高性能”原则取得了快速发展，表现出一些新的特点和发展趋势。主要表现在以下方面：
(1)动态环境建模技术。
虚拟环境的建立是VR技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。
(2)实时三维图形生成和显示技术。
三维图形的生成技术已比较成熟，而关键是如何“实时生成”，在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外，VR还依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术。
(3)适人化、智能化人机交互设备的研制。
虽然头盔和数据手套等设备能够增强沉浸感，但在实际应用中，它们的效果并不好，并未达到沉浸交互的目的。采用人类最为自然的视觉、听觉、触觉和自然语言等作为交互的方式，会有效地提高虚拟现实的交互性效果。
(4)大型网络分布式虚拟现实的研究与应用。
网 络虚拟现实是指多个用户在一个基于网络的计算机集合中，利用新型的人机交互设备介入计算机产生多维的、适用于用户(即适人化)应用的、相关的虚拟情景环境。分布式虚拟环境系统除了满足复杂虚拟环境计算的需求外，还应满足分布式仿真与协同工作等应用对共享虚拟环境的自然需求。分布式虚拟现实系统必须支持系统中多个用户、信息对象(实体)之间通过消息传递实现的交互。分布式虚拟现实可以看作是基于网络的虚拟现实系统，是可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境，处于不同地理位置的用户如同进入到同一个真实环境中。目前，分布式虚拟现实系统已成为国际上的研究热点，相继推出了相关标准，在国家“八六三”计划的支持下，由北京航空航天大学、杭州大学、中国科学院计算所、中国科学院软件所和装甲兵工程学院等单位共同开发了一个分布虚拟环境基础信息平台，为我国开展 分布式虚拟现实的研究提供了必要额网络平台和软硬
姓名：徐瑞强
学号：10210559
件基础环境。
9期望进一步学习的知识点
在学习了一个学期的虚拟现实技术后，对虚拟现实技术有了一个大致的了解，但是，对于很多具体的细节还是不够明白，有些个人比较感兴趣的内容希望能够进一步的了解。比如虚拟现实技术中人物模型的建立，以及建模使用的一些软件如3DMAX等。另外一些具体的方法希望老师能够加大问题的难度和深度，因为很多基础的学科像《数据结构与STL》等我们都已经掌握，因此可以适当地给我们讲解些建模编程之类的知识。因为在这个学期我参加了北京市大学生物理创新实验大赛，我们的课题是《下推式动态磁悬浮装置》，我们小组联合制作了下推式动态磁悬浮装置，其中很多和虚拟现实相关的理论在处理的时候遇到了困难，比如说关于面片理论和PID算法（我们的动态磁悬浮装置是基于PID算法并且采用ARDUINO开发板来进行控制的）等。所以希望老师能给我们以补充深度和难度，以便在今后遇到这种问题时能够圆满解决。
参考文献
1．《真实感图形技术中光照模型的研究与实现》——中国学术期刊全文数据库：优秀硕士学位论文
2.《虚拟设计》——高等教学参考书全文数据库；
3.《虚拟现实中三维显示技术的研究与应用》——北邮记忆数据库；
4.《面向虚拟现实的数据手套设计》——CNKI中国重要会议论文全文数据库；
5.《虚拟现实中三维显示技术的研究与应用》——BUPT: Thesis(China)；
6.《论虚拟现实中人的主体性》——万方数字资源：学位论文；
7.《交互式多媒体体验几种实现方案的探讨》——维普中国科技期刊数据库；
8.《虚拟现实技术在美军模拟训练中的应用和发展》——维普中国科技期刊数据库；
9.《虚拟现实的作用与局限》——读秀知识库；
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