虚拟现实技术的发展及其在军事领域中的应用

1 虚拟现实技术的发展及其在军事领域中的应用 Aaa 摘要：虚拟现实是人类在探索自然过程中创造形成的一种用于认识自然、模拟自然,进而更好地适应和利用自然的科学

方法和技术。 文中在分析虚拟现实全过程的基础上,对虚拟现实技术的发展历程进行了阶段性概括，介绍了国内外研究现状并指出了国内外研究差距和现阶段研究热点。然后对虚拟现实技术的人机交互及设备进行概括介绍并以虚拟现实技术在军事演练领域上的应用为例论述了虚拟现实在该领域的研究成果和发展趋势; 最后指出虚拟现实需要进一步致力研究解决的若干理论和技术问题。 关键词：虚拟现实技术；人机交互；军事演练

1 引言

虚拟现实（virtual reality，VR）是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。虚拟现实是人类在探索自然、认识自然过程中创造产生，逐步形成的一种用于认识自然、模拟自然，进而更好地适应和利用自然的科学方法和科学技术。 虚拟现实（virtual reality，VR）技术，是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。它融合了图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体技术、传感器、网络以及并行处理技术等多个信息技术分支的最新发展成果，为创建和体验虚拟世界提供了有力的支持，从而大大推进了计算机技术的发展。VR技术的特点在于，由计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机构成的三维空间，或是把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在多种感官上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。 VR技术一经问世，人们就对它身临其境的真实感和超越现实的虚拟性的追求，以及建立的个人能够沉浸其中、进出自如并具有交互作用的虚拟世界产生了浓厚的兴趣。因此，有关人士认为：20世纪80年代是个人计算机的时代；90年代是网络、多媒体的时代；21世纪初则将是VR技术的时代。

2 国内外研究现状

2.1国外研究现状 VR概念、思想和研究目标的形成与相关科学技术，特别是计算机科学技术的发展密切相关，经历了几个阶段。1929年Link E.A.发明了一种飞行模拟器，使乘坐者实现了对飞行的一种感觉体验，可以说这是人类模拟仿真物理现实的初次尝试。其后随着控制技术的不断发展，各种仿真模拟器陆续问世。1956年，Heileg M.开发了一个摩托车仿真器Sensorama，具有三维显示及立体声效果，并能产生振动感觉。他在1962年的“Sensorama Simulation”专利已具有一定的VR技术的思想[1]。电子计算技术的发展和计算机的小型化，推动了仿真技术的发展，逐步形成了计算机仿真科学技术学科。 1965年，计算机图形学的重要奠基人Sutherland[2]博士发表了一篇短文“the ultimate display”，以其 2

敏锐的洞察力和丰富的想象力描绘了一种新的显示技术。他设想在这种显示技术支持下，观察者可以直接沉浸在计算机控制的虚拟环境之中，就如同日常生活在真实世界一样。同时，观察者还能以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互，如触摸感知和控制虚拟对象等。 Sutherland的文章从计算机显示和人机交互的角度提出了模拟现实世界的思想，推动了计算机图形图像技术的发展，并启发了头盔显示器、数据手套等新型人机交互设备的研究。 1966年，Sutherland I.E.等开始研制头盔式显示器（head mounted display,HMD），随后又将模拟力和触觉的反馈装置加入到系统中。1973年，Krueger M.提出了“Artificial Reality”一词，这是早期出现的VR词语。由于受计算机技术本身发展的限制，总体上说20世纪六、七十年代这一方向的技术发展不是很快，处于思想、概念和技术的酝酿形成阶段。 进入20世纪80年代，随着计算机技术，特别是个人计算机和计算机网络的发展，VR技术发展加快。这一时期出现了几个典型的VR系统，1983年美国陆军和美国国防部高级项目研究计划局（DARPA）共同制定并实施SIMNET（Simulation Networking）计划，开创了分布交互仿真技术的研究和应用。SIMNET的一些成功技术和经验对分布式VR技术的发展有重要影响。1984年,MeGreevy M.和Humphries J.开发了虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回地面的数据输入计算机，构造了三维虚拟火星表面环境。此外还有VIDEOPLACE、VIEW等。这些系统的开发推动了VR理论和技术的研究。 1986年，Fisher等[3]发表VR系统方面的论文。1957年，Foley [4]在具有影响力的《Scientific American Magazine》上发表了“Interfaces for advanced computing”。该杂志还发表了报导数据手套的文章，引起人们的关注。1989年，美国VPL公司的创立者Lanier J.提出了Virtual Reality一词，很快这一词语被研究人员普遍接受，成为这一科学技术领域的专用名称。 20世纪90年代以后，随着计算机技术与高性能计算、人机交互技术与设备、计算机网络与通信等科学技术领域的突破和高速发展，以及军事演练、航空航天、复杂设备研制等重要应用领域的巨大需求，VR技术进入了快速发展时期。 1990年在美国Dallas召开的SIGGRAPH会议上，对VR技术进行了讨论，提出VR技术研究的主要内容是实时三维图形生成技术、多传感器交互技术，以及高分辨率显示技术等。 1993年，Heim[5]提出“VR是一种在效应上而不是事实上真实的事件或实体”，同时刻画VR的7个特征:模拟性、交互作用、人工现实、沉浸性、遥在、全身沉浸和网络通信。1994年，Burdea等[6]出版了《Virtual Reality technology》一书，在书中他们用3I（immersion ,interaction ,imagination）概括了VR的基本特征。 一批用于VR系统开发的软件平台和建模语言开始出现。1989年Quantum 3D公司开发了OpenGVS、1992年Senses公司推出WTK。1994年3月，在日内瓦召开的第一届WWW 大会上，首次提出了VRML，开始了相关国际标准的制定。

2.2 国内研究现状

我国关于计算机建模与仿真的研究开展较早，大体上在20世纪70年代初，主要集中在航空航天领 3

域。90年代初我国一些高校和科研院所的研究人员从不同角度开始对VR进行研究。1996年出版了第一部关于VR的著作[7]和发表了综述文章[8]。国家科学技术部、国家自然科学基金委员会等开始对VR领域的研究给与资助。国家“863”计划在1996年将“分布式虚拟环境”确定为重点项目，实施了DVENET计划。 十多年来，我国北京航空航天大学、浙江大学、清华大学、北京大学、国防科技大学、北京理工大学、武汉大学、山东大学、北京师范大学、电子科技大学、中国科学院计算技术研究所、自动化研究所、中国航天科工集团第二研究院等高等院校、科研院所，以及其他许多应用部门和单位的科研人员进行了各具背景，各有特色的研究工作[9-17]。在VR理论研究、技术创新、系统开发和应用推广方面都取得明显成绩，我国在这一科技领域进入了发展的新阶段。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，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了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，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，开发虚拟现实应用系统的开发平台，并实现与有关单位的远程连接；在利用虚拟现实技术进行装备的维修训练中进行了研究，在这方面河北石家庄军械学院、武汉大学也进行了研究。 浙江大学CAD/CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，该系统采用了层面迭加的绘制技求和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。 哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手势的动作，话音和语调的向步等。 清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。他们还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三维结构的新颖算法。并在产品设计和制造过程的计算机仿真方面做了进一步研究。 西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且己经通过实验结果证明了这种方案的优越性。 北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，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。关于虚拟现实的研究已经完成了2个“863”项目，完成了体视动画的自动生成部分算法与合成软件处埋，完成了VR图像处理与演示系统的多媒体平台及相关的音频资料库。 由于VR的学科综合性和不可替代性，以及经济、社会、军事领域越来越大的应用需求，2006年国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将VR技术列为信息领域优先发展的前沿技术之一。2007年科技部正式批准依托北京航空航夭大学建设虚拟现实技术与系统国家重点实验室。