虚拟现实技术概述

下载后可任意编辑 学 号 202440450137 前沿技术讲座 课程论文 论文题目 虚拟现实技术浅谈 姓 名 包先跃 专 业 软件工程 班 级 2024级（1）班 指导老师 蒋平 计算机学院 2024 年 5 月 26 日 目录 一、相关讨论3 1．虚拟现实技术概述3 2. 虚拟现实技术的特性3 3.虚拟现实系统的相关技术9 3.1环境建模技术9 3.2几何建模技术10 3.3物理建模技术11 3.4行为建模技术12 3.5真实感实时绘制技术12 3.6立体显示技术14 4.虚拟现实技术的实验成果15 二、技术方法介绍18 三、实验结果或数据分析19 1.形状建模19 2. 外观22 3. 纹理映射23 4. 光照25 四、课程总结28 一、相关讨论 （此处填写相关论文题目已有的讨论现状、技术方法和相关成果） 1．虚拟现实技术概述 虚拟现实技术（简称VR），又称“灵境技术”、“虚拟环境”等。 虚拟现实的含义即这个世界或环境是虚拟的，不是真实的，是由计算机生成的，存在于计算机内部的世界；“现实”的含义是真实的世界或现实的环境，把两者合并起来就称为虚拟现实，也就是说采纳计算机等设备，并通过各种技术手段创建出一个新的环境，让人感觉到就如同处在真实的客观世界一样。 虚拟现实技术的应用前景十分宽阔。它始于军事和航空航天领域的需求，但近年来，虚拟现实技术的应用已大步走进工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐等方面。它正在改变着我们的生活。 2. 虚拟现实技术的特性 1. 沉醉性 沉醉性（Immersion）又称浸入性，是指用户感觉到好像完全置身于虚拟世界之中一样，被虚拟世界所包围。虚拟现实技术的主要特征就是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由被动的观察者变成主动的参加者，沉醉与虚拟世界之中，参加虚拟世界的各种活动。比较理想的虚拟世界可以达到使用户难以分辨真假程度，甚至超越真实，实现比现实更逼真的效果。 虚拟现实的沉醉性来源于对虚拟世界的多感知性，所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知、听觉感知之外，还有力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知、身体感知等。从理论上来说，虚拟现实系统应该具有一切人在现实生活中所具有的所有感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实系统中，讨论与应用中较为成熟或相对成熟的主要是视觉沉醉、听觉沉醉、触觉沉醉、嗅觉沉醉，有关味觉等其它的感知技术正在讨论之中，不是很成熟。 2. 交互性 在虚拟现实系统中，交互性（Interactivity）的实现与传统的多媒体技术有所不同。从计算机发明到现在，在传统的多媒体技术中，人机之间的交互工具主要是通过键盘与鼠标进行交互，而虚拟现实系统强调人与虚拟世界之间要以自然的方式进行，如人的走动、头的转动、手的移动等，通过这些，用户与虚拟世界交互，并且借助于虚拟系统中特别的硬件设备（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。例如，用户可以用手直接抓取虚拟世界中的物体，这时手有触摸感，并可以感觉物体的重量，能区分所拿的东西，并且场景中被抓的物体也立即随着手的运动而移动。 虚拟现实技术的交互性具有以下特点 1 拟环境中人的参加与反馈 虚拟现实系统中人是一个重要的因素，这是产生一切变化的前提，正是因为有了人的参加和反馈，才会有虚拟环境中实时交互的各种要求与变化。虚 2 人机交互的有效性 人与虚拟现实系统之间的交互是基于真实感情的虚拟世界，并与人进行自然的交互，人机交互的有效性是指虚拟场景的真实感，真实感是前提和基础。 3 人机交互的实时性 实时性是指虚拟现实系统能够快速响应用户的输入。例如头的转动后能立即在所显示的场景中产生相应的变化，并且能得到相应的其它反馈；用手移动虚拟世界的一个物体，物体位置会立即发生相应的变化。没有人机交互的实时性，虚拟环境就失去看真实感。 3. 想象性 想象性（Imagination）指虚拟的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种媒体或一种高级用户接口，它同时还是为解决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件，通常它以夸大的形式反映设计者的思想，虚拟现实系统开发是虚拟现实技术与设计者并行操作，为发挥它们的制造性而设计的。 例如当你在设计一座大楼之前，传统的方法是绘制建筑设计图纸，无法形象展示建筑物更多的信息，而现在可以采纳虚拟现实系统来进行设计与仿真，非常形象直观。制作的虚拟现实作品反映的就是某个设计者的思想，只不过它的功能远比那些呆板的图纸生动强大的多。这就是虚拟现实的想象性的特性 2.国外虚拟现实技术讨论现状 2.1 VR技术在美国的讨论现状 美国是虚拟现实技术讨论的发源地，虚拟现实技术可以追溯到上世纪40年代。最初的讨论应用主要集中在美国军方对飞行驾驶员与宇航员的模拟训练。然而，随着冷战后美国军费的削减，这些技术逐步转为民用，目前美国在该领域的基础讨论主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。 上世纪80年代，美国宇航局NASA及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的讨论，并取得了令人瞩目的讨论成果，美国宇航局Ames实验室致力于一个叫“虚拟行星探究”VPE的实验计划。现NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并已经建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学的计算机系是进行VR讨论最早最着名的大学。他们主要讨论分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。施乐公司讨论中心在VR领域主要从事利用VRT建立未来办公室的讨论，并努力设计一项基于VR使得数据存取更容易的窗口系统。波音公司的波音777运输机采纳全无纸化设计，利用所开发的虚拟现实系统将虚拟环境叠加于真实环境之上，把虚拟的模板显示在正在加工的工件上，工人根据此模板控制待加工尺寸，从而简化加工过程。 2.2 VR技术在欧洲的讨论现状 在欧洲，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讨论方面。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讨论实验，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。 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讨论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。 德国在VR的应