虚拟现实及其演变发展

摘要：本文首先简单介绍了虚拟现实技术，然后以几个在VR研究方面具有代表性的国家（主要是美国）为例，详述了VR的演变发展史。

关键词：虚拟现实 研究现状 发展 技术
 
1 虚拟现实技术
虚拟现实是从英文Virtual Reality一词翻译过来的。Virtual就是虚假的意思，Reality就是真实的意思，合并起来就是虚拟现实。国内也有人译为“灵境”或“幻真”。虚拟现实是一项融合了计算机图形学、人机接口技术、传感技术、心理学、人类工程学及人工智能的综合技术。
目前，有关虚拟现实研究现状方面的资料很多，但关于这方面的记载都不够系统和全面，本文仅以几个具有典型性的国家为例，对其在VR方面的发展状况作一综述。
2 美国的研究现状
美国是在VR技术方面最具权威性的国家。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。首先让我们先来回顾一下美国数十年来虚拟技术的发展历程。发展历程基本上可分为三个阶段： 20世纪 70年代以前为第一阶段；80年代初到80年代中期为第二阶段；第三阶段从80年代末期至今。
2.1 虚拟现实技术思想的产生
1929年，Edwin A.Link发明了飞行模拟器，使乘坐者的感觉和坐在真的飞机上是一样的。
1956年，Morton Heileg开发了一个叫做Sensorama的摩托车仿真器。Sensorama具有三维显示及立体声效果，并能产生振动和风吹的感觉。
1962年，Morton Heilig的专利“全传感仿真器”的发明，有振动、声的感觉。该专利也蕴涵了虚拟现实技术的思想。
1965年计算机图形学的奠基者Ivan Sutherlan发表了“终极显示”(The Ultimate Display)的论文，提出了感觉真实、交互真实的人机协作新理论。
1966年，美国的MIT林肯实验室在海军科研办公室的资助下，研制出了第一个头盔式显示器(HMD)，随后又将模拟力和触觉的反馈装置加入到系统中。
1967年，美国北卡罗来纳大学开始了Grup计划，研究探讨力反馈(Force Feedback)装置。该装置可以将物理压力通过用户接口引向用户，可以使人感到一种计算机仿真力。
1968年，Sutherlan在哈佛大学的组织下开发了头盔式立体显示器（Helmet Mounted Display 即HMD），后来他又开发了一个虚拟系统，可称得上是第一个虚拟现实系统。
1970年，美国的MIT林肯实验室研制出了第一个功能较齐全的HMD系统。
1973年年，Myron Krurger提出了“Artificial Reality”，这是早期出现的虚拟现实的词。
2.2 虚拟现实技术初步发展
20世纪80年代初到80年代中期。此阶段开始形成虚拟现实技术的基本概念。这一时期出现了两个比较典型的虚拟现实系统，即VIDEOPLACE与VIEW系统。
20世纪80年代初，美国的DARPA（Defense Advenced Research Projects Agency）为坦克编队作战训练开发了一个实用的虚拟战场系统SIMNET。
1984年，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。
1985年，WPAFB和Dean Kocian共同开发了VCASS飞行系统仿真器。
1986年可谓硕果累累，Furness提出了一个叫作“虚拟工作台”(Virtual Crew station)的革命性概念；Robinett 与合作者 Fisher, Scott S, James Humphries, Michael McGreevy 发表了早期的虚拟现实系统方面的论文“The Virtual Environment Display System”；Jesse Eichenlaub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。这一愿望在1996年得以实现，因为有了2D/3D 转换立体显示器(DTI 3D display)的发明。
1987年，James.D.Foley教授在具有影响力的《科学的美国》上发表了一篇题为先进的计算机界面（Interfaces for Advanced Computing）一文；美国《Scientific American》杂志还发表了一篇报导数据手套的文章，这篇文章及其后在各种报刊上发表的虚拟现实技术的文章引起了人们的极大兴趣。
1989年，美国Jarn Lanier正式提出“Virtual Ｒeality(虚拟现实)”一词。
2.3 虚拟现实技术的日趋完善
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。
1994年，Burdea G和Coiffet出版了虚拟现实技术一书，在书中他用3I（Imagination、Interaction、Immersion）概括VR的三个基本特征。
进入20世纪90年代，迅速发展的计算机软件、硬件系统使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能，越来越多的新颖、实用的输入输出设备相继进入市场，而人机交互系统的设计也在不断创新，这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。其中，利用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近几年来又一件引起科技界瞩目的伟大成果。


3 VR技术在欧洲的研究开发
3.1 VR在英国的研究与开发
英国在VR开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备(包括触觉反馈)设计和应用研究方面，在欧洲来说是领先的。英国Bristol公司发现，VR应用的交点应集中在整体综合技术上，他们在软件和硬件的某些领域处于领先地位。英国ARRL公司关于远地呈现的研究实验，主要包括VR重构问题。他们的产品还包括建筑和科学可视化计算。
英国从事VR研究主要集中在以下四个主要中心。
Windustries(工业集团公司)，以工业设计和可视化等重要领域而闻名于世。
British Aerospace (英国航空公司BAe)，其主要从事的研究项目有：利用VR技术设计高级战斗机座舱；VECTA(Virtual Environment Configurable Training Aid)是一个高级测试平台，用于研究VR技术以及考察用VR替代传统模拟器方法的潜力；VECTA的子项目RAVE(Real And Virtual Environment)就是专门为在座舱内训练飞行员而研制的。
Dimension Internation是桌面VR的先驱，该公司以生产一系列以Superscape命名的商业VR软件包而闻名。
Division Ltd公司，它的成就是在开发Vision、Pro Vision和Supervision系统/模块化高速图形引擎中，率先使用了Transputer和i860技术。
3.2 欧洲其它国家VR的研究状况
在欧洲，其它一些较发达的国家如：荷兰、德国、瑞典等也积极进行了VR的研究与应用。
瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境，是一个基于Unix的，不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。
荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室(TNO-PEL)开发的训练和模拟系统，通过改进人机界面来改善现有模拟系统，以使用户完全介入模拟环境。
德国的计算机图形研究所(IGD)的测试平台，用于评估VR对未来系统和界面的影响，以及向用户和生产者提供通向先进的可视化、模拟技术和VR技术的途径。
另外，德国在建筑业、汽车工业及医学界等也较早应用了VR技术，如德国一些著名的汽车企业奔驰、宝马、大众等都使用了VR技术；制药企业将VR用于新药的开发；医院开始用人体数字模型进行手术实验。
4 日本的研究现状
日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中具有举足轻重的地位，它在建立大规模 VR 知识库和虚拟现实的游戏方面作出了很大的成就。
东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面，称为SPmAR。
NEC公司开发了一种虚拟现实系统，用代用手来处理CAD中的三维形体模型，通过数据手套把对模型的处理与操作者的手联系起来。
京都的先进电子通信研究所（ATR）正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入。
日本国际工业和商业部产品科学研究院开发了一种采用X、Y记录器的受力反馈装置。
东京大学的高级科学研究中心的研究重点主要集中在远程控制方面，他们最近的研究项目是可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂的主从系统。
东京大学原岛研究室开展了3项研究：人类面都表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取。
东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。他们正在开发一种虚拟全息系统，用于克服当前显示和交互作用技术的局限性。
筑波大学研究一些力反馈显示方法，开发了九自由度的触觉输入器，虚拟行走原型系统。
富士通实验室有限公司通过研究虚拟生物与VR环境的作用、VR中的手势识别，开发了一套神经网络姿势识别系统。
5 国内研究成果
从某种意义上讲，我国才是VR的发源地，早在战国时期，《墨子.鲁问》篇中就记载着“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。后来该技术传到西方，利用风筝的原理才发明了飞机。
但我国对VR技术的正式研究起步却很晚，大概在20世纪90年代初，发展到现在已初步取得了成果  但与发达国家相比还有很大的差距。其研究概述如下。
国内最早开展此项技术试验的是西安虚拟现实工程技术研究中心；北京航空航天大学计算机系也是国内最早研究VR的单位之一，它在VR视觉接口方面获得了一部分研究成果；北京大学设计了基于PC机的VR系统；清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”，采用了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；西安交大信息工程研究所对VR中的关键技术—立体显示技术进行了研究；中国科技开发院威海分院研究了视觉接口技术，完成了VR中的体视图及软件接口；北方工业大学CAD中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，完成了通讯图像显示系统的多媒体平台及相关音频资料库, 并且中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心；上海大学CIMS中心开发了一套基于IRIX的虚拟科技园区环境实时漫游系统；另外，上海交通大学图像处理模式识别研究所，长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与住处科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。
6 结束语
资料显示，虚拟现实从其萌芽到今天的日渐成熟已经走过了相当长的一段风雨历程。随着计算机技术和网络技术的飞速发展，计算机3D运算能力和网络带宽大大提高，虚拟现实在生产生活中的应用日益广泛，已逐渐应用到了航空、军事、医学、教育、工程设计、商业经营等各个领域。
不过，以上这些应用给用户的感觉并不真实，它只能被看做虚拟现实技术的初步应用。随着现代科学技术的发展，数字化的有着真正三维身体的“人”或物在虚拟的三维场景中出现，现实生活中的人可以在一个虚拟的三维的“真实”世界中变成另一个“人”，可做出真正动作，真正与他人“交谈”、“接触”。



参考文献
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Virtual Reality technology and its development 

Abstract : The paper first introduces the definition of virtual reality technology, then it expatiates on the evolution of history of virtual reality in several typical countries (especially in America ). 

Key words : virtual reality ; situation of research ; development