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虚拟现实技术介绍. —— 乔洪志. 虚拟现实技术介绍. 1. 引言 1. 虚拟现实的定义 2. 举例说明应用 3. 虚拟人 5. 主要技术和设备 VR 系统制作 6. 将来发展展望. 虚拟现实技术.
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虚拟现实技术介绍 ——乔洪志
虚拟现实技术介绍 • 1.引言 • 1.虚拟现实的定义 • 2.举例说明应用 • 3.虚拟人 • 5.主要技术和设备VR系统制作 • 6.将来发展展望
虚拟现实技术 我们先来看一个例子，这是日本松下公司用来招揽买主的“厨房世界”。你只要戴上特殊的头盔和一只银色的手套，就可以去“漫游”厨房世界了。你伸手去开门，门随手而开，厨房内的所有设备就会映人你的眼帘。你可以用手打开柜橱的门和抽屉，查看里面的结构和质量，可从碗架上拿下盘子看看，也可以打开水龙头，立即看见水流出来，听见流水声，还可查看水池下面的排水是否流畅，也可查看照明是否亮堂，试试通风排气是否正常……。可是当你拿下头盔，摘下手套时，这一切又都消失了。
虚拟现实技术 杭州大学开发了虚拟故官游玩系统。只要你戴上特制的头盔，骑上不动的自行车，你从头盔显示器里就看见了形象逼真的天安门城楼。你登上自行车的脚踏板，你就会感到自己骑车来到了午门前的大道上，飞快地穿过午门，越过金水桥、越过太和门，来到太和殿广场。由于你的自行车太快，一下子破墙而入，到了太和殿。金銮殿内盘龙的柱子，庄严的殿堂和真实的景像完全一样，你又骑车来到了御花园、绿树、红亭、碧池令你陶醉，好像身临其境。但是，当你摘下头盔时，仍然是骑在自行车上，一步也没有动。
虚拟现实的定义 虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义，把这两个词放在一起，似乎没有意义，但是科学技术的发展却赋予了它新的含义。虚拟现实的明确定义不太好说，按最早提出虚拟现实概念的学者J.Laniar的说法，虚拟现实，又称假想现实，意味着“用电子计算机合成的人工世界”。这个领域与计算机有着不可分离的密切关系，信息科学是合成虚拟现实的基本前提。生成虚拟现实需要解决以下三个主要问题： ①以假乱真的存在技术。即，怎样合成对观察者的感官器官来说与实际存在相一致的输入信息，也就是如何可以产生与现实环境一样的视觉，触觉，嗅觉等。（浸没性） ②相互作用。观察者怎样积极和能动地操作虚拟现实，以实现不同的视点景象和更高层次的感觉信息。实际上也就是怎么可以看得更像，听得更真等等。（交互性） ③自律性现实。感觉者如何在不意识到自己动作、行为的条件下得到栩栩如生的现实感。（思想性）
虚拟现实的定义 为了成功地开发这三大技术，虚拟现实必须处理好如下图所示的各个要素之间的相互关系。在这里，观察者、传感器、计算机仿真系统与显示系统构成了一个相互作用的闭环流程。
数字城市 （总面积40平方公里，500万个面，332 兆贴图，鸟瞰浏览速率不低于15ftp,多媒体数据库，运行环境微机win2000)
埃及新建国家博物馆 在新闻发布会上，埃及政府宣称： “大埃及博物馆将充分运用计算机和网络技术，从而使它成为 第一个全球第一个大规模运用信息技术的虚拟现实博物馆
虚 拟 人 “数字化虚拟人”研究是一项信息医学、生物技术、计算机技术等学科相互交叉、综合发展起来的前沿性交叉学科，对人类科技发展和社会进步有深远意义。 “数字化虚拟人”由美国科学家于20世纪末提出，并率先进行研究。此后，世界许多国家都予以高度重视，特别是西方发达国家一直积极酝酿，或启动专项研究计划。 “数字化虚拟人”包括“虚拟可视人”、“虚拟物理人”和“虚拟生物人”三个阶段。具有几何图型有视觉效果为“虚拟可视人”也称“虚拟解剖人”；附加物理化学信息的为“虚拟物理人”；而附加人体各种生物信息的，则为“虚拟生物人”。 目前，一些发达国家仅初步达到了“虚拟可视人”阶段，即获取了“虚拟可视人”几何图像信息。而对“虚拟物理人”和“虚拟生物人”的研究和探讨，仅限于局部器官。
虚 拟 人 的 用 处 一、医学参考：有利于培养优秀外科医生。以往要想成为一个手到病除、技艺高超的外科医生，都要通过师傅带徒弟式的反复实践，在病人身上练习操作技术，现在有了虚拟人，就可以在电脑操纵的虚拟人体模型上培训外科医生。在动手术之前，也可以先在虚拟人的身上开刀，电脑上会显示刀口断层及组织断面，为医生制订术前计划提供科学参考。 二、制药实验：有了虚拟人，医生和制药公司就可以先在与病人身体数据一模一样的虚拟人身上试验新药，医生可以先将药物影响数据输入电脑，让“虚拟病人”先试“吃”一下，电脑里的“虚拟病人”会显示服药后的生理反应，从而协助医生对症下药。这种方法可以提高用药准确性和研制新药及新药上市的效率。相关实验已经在美国开展。
虚 拟 人 的 用 处 三、军事应用：虚拟人在军事医学上也很有价值。比如，可以用虚拟人来试验核武器、化学武器、生物武器的威力。现在的核爆炸试验都是利用动物进行。试验前在离核爆中心的不同距离放置动物，核爆后再把动物收回来检验。有了虚拟人就可以直接拿她来做试验。 四、肿瘤治疗：放射治疗是目前治疗肿瘤疾病的一个重要手段，但由于现在做放射治疗的医生只能凭经验进行辐射量的调节，病人往往担心在此过程中受到过量的辐射。现在有了虚拟人，医生就可以先对虚拟人作放射治疗，通过其身体的变化来测定实际辐射量的使用，最后再用到真正的病人身上。这样就进一步提高了治疗的安全性。
虚 拟 人 目前，获取“数字化虚拟人”一般采用的是人工断层解剖学的方法，只能经过对正常、健康尸体的严格筛选，通过高精度切削，获取解剖形态学信息，而不是一般人认为的X光断层扫描所得的影像学信息。 先要选取一具尸体，将人体切成非常薄的片，每切一次片，都会利用数码相机和扫描仪对已切片的切面进行拍照、分析，之后将数据输入电脑，最后由电脑合成三维的立体人类生理结构。 “中国虚拟人Ⅰ号”是国家“863计划”项目之一，由中国科学院、首都医科大学、华中科技大学和解放军第一军医大学协作攻关。
虚 拟 人 “中国虚拟人Ⅰ号”为男性，是专家精心选取的一个最具有代表性的中国人，高1.66米，28岁，汉族，祖籍湖南，体重58公斤，去年4月死亡，自愿捐献尸体。 由于切片厚度仅有0.1毫米，估计需要将整个人切成1.6万多片。据钟世镇院士介绍：中国是世界上第三个用人体切片合成虚拟人的国家，目前美国的虚拟人切片是0.33毫米厚，韩国的是0.2毫米厚，所以“中国虚拟人Ⅰ号”的逼真度最高。另外，“中国虚拟人Ⅰ号”还首次将切片者的静脉和动脉血管区分开。
虚 拟 人 中国首例女性虚拟人数据集于2003年2月18日17时18分在广州第一军医大学构建成功。这标志着我国在完成数字化虚拟人体若干关键技术之后，建立了有知识产权的中国虚拟人数字平台，为开发各种用途的软件和参与国际合作与竞争抢占了应有的地位。 “中国虚拟人2号”为女性，是我国首个女虚拟人。据介绍，该虚拟人的数据采集者年龄为19岁，身高1.56米，是广西人，去年在广东因食物中毒而急性死亡。钟院士认为虽然她不是一个健康人，但由于是急性死亡，骨骼身体结构保持完好，加上年纪很轻，是一个条件很不错的标本。 切片断面仅0.2毫米，共切片8556片。
3D扫描仪 当你需要一个快速又简便的方法创作三维图像时，POLHEMUS公司出品的FastSCAN 实时三维手持激光扫描仪可以帮你实现梦想！
虚 拟 味觉 自动检测用户的精神压力并产生香味的产品，由监视精神压力的专用鼠标和喷射香味成分的喷雾器组成。
虚 拟 触觉 与画面显示相结合再现触觉的皮肤感觉显示器，利用贴在监视器上的薄型电极与卷到手指上的薄膜间产生的静电力，就能再现出物体表面的凹凸感。由东京大学开发 。
虚 拟 性 一些电脑制造商宣称： 现在已经可以用电脑创造出一个视觉上和听觉上的性的"虚拟现实"，就是利用多媒体技术，不仅使人看到和听到栩栩如生的性生活场面，而且可以由观听者自己来指挥屏幕上的"性演员"，你让她/他怎样，她/他就会怎样，即所谓"互动表演"（interactive show）。这会使人一如身临其境。如果再给人穿上特制的紧身衣，通过它，使电流适当地刺激到人体表面的大约100万个感觉神经的神经元；那么，人就会产生相应的触觉。在这样一个虚拟现实里，人不仅会如入其境，而且会更加美不胜收。这是因为，多媒体表演以及电流的适当刺激，在强度上、可调节度上和持续时间上，都远远超过真人。
数 据 手 套 该数据手套共有18个传感器，分别完成手指关节弯曲角度和手指开合程度的测量。当用户戴上数据手套时，计算机通过A/D采样板和信号转换电路对各个传感器进行采样，即可将用户手的姿态和动作信息传递给计算机，从而达到人机交互的目的。
数 据 手 套 弯曲传感器是一种具有很好柔性的角度传感器（中科院自动化所专利技术），厚度仅为1mm左右，而长度和宽度则可以根据需要制作。如图2所示。该传感器具有轻、薄、柔性好的特点，与计算机采样电路配合，可以完成对物体弯曲角度的检测，尤其适用于人体各个关节的动态检测。
数 据 手 套 手指力觉反馈装置是一种可以产生真实的接触和受力感觉的装置（专利技术）。如图3所示。该装置具有体积小，结构简单，可产生较大的驱动力的特点。它可以被安装在用户的手指或其它部位，利用安装在接触触头上的力传感器对作用力进行反馈控制，保证用户得到真实的力觉反馈。将多个力反馈单元安装在同一个手指上，可以构成具有力反馈功能的“力觉反馈数据手套”。
数 据 手 套 力觉反馈数据手套结构示意图
3D 眼 镜 肉眼所看到的景像是一种具有层次、深度的立体影像。一般我们所谓3D游戏，实际上并非真正的3D；显示卡虽以x、y、z轴来处理资料，然而输出至屏幕时仍须再次转换成2D，因为屏幕先天即是2D，所以我们称呼这种3D为「平面3D」。 让我们先做个简单的实验，首先伸出您的一根手指头，并凝视这根手指，然后闭上右眼、张开左眼；再来张开右眼、闭上左眼，仔细观察左、右眼所见是否有些不同？这个不同即为「视差(parallax)」。立体3D的技术即是要将这个「视差」持续在屏幕上表现出来。因此为使观赏者得以观看真正立体，每个眼睛所看到景物必须与另一眼稍有不同。事实上，在真实生活里左、右眼所看到的景物即有些不同，而这理论即被应用在立体3D科技之中。
3D 眼 镜 液晶立体眼镜(Liquid Crystal Shutter Glasses)技术可以让这个「视差」持续在屏幕上表现出来。藉由控制IC送出立体讯号(左眼->右眼->左眼->右眼->依序连续互相交替重复)至屏幕，并同时送出同步讯号至液晶眼镜使其同步切换左、右眼影像，换句话说，左眼看到左眼该看到的景像，右眼看到右眼该看到的景像。 液晶立体眼镜为一穿透液晶镜片，藉由电路对液晶眼镜开、闭的控制 ( 开：眼镜镜片全黑以便遮住一眼影像；闭：眼镜镜片为透明以便另一眼看到另一眼该看到的影像)，液晶眼镜即可模仿真实的状况，使左、右眼画面连续互相交替呈现在屏幕上，并同步配合液晶眼镜，使眼睛看到正确画面--左眼看到左眼、右眼看到右眼该看的影像，加上人眼的视觉暂留生理特性，如此就能看到真正立体3D影像。
3D 眼 镜 用来将左、右眼影像表现在屏幕上的硬件格式有四种： 交错式(Interlacing)、画面交换(Page Flipping)、同步倍频(Sync Doubling)、线遮蔽(line blanking)，理论上以上四种格式都可以应用在立体3D游戏，但实际上仅有画面交换与同步倍频广泛应用于立体3D游戏。 画面交换(Page Flipping)：画面交换系由一特殊程序改变显示卡工作原理，使新的工作原理可以用来表现立体3D，因为每一显示卡芯片有其自己独特的工作原理，所以若要使用画面交换，那么必须针对各个显示芯片发展独特的立体驱动程序以驱动3D硬件线路，因此画面交换仅限于某些特定显示卡芯片(以目前而言，多用于 nVidia VGA chip)。 同步倍频 (Sync-Doubling)：同步倍频与画面交换不同，它是用硬件线路而非软件去产生立体讯号，所以无需任何驱动程序来驱动3D硬件线路，因此任一3D加速显示卡芯片皆可支持。
3D 眼 镜 夏普发布了首款同时支持2D/3D显示的笔记本电脑，该笔记本能够在没有3D眼镜的情况下生成3D图象。该产品属于Mebius系列，型号为PC-RD3D。将在10月27日上市，价格为2995美元。该3D成像技术基于“parallax barrier(视差栅栏)”原理，在3D模式下，该技术可以对人眼进行欺骗，以达到生成立体效果的目的。在2D模式下，该栅栏将呈透明状态。
