虚拟现实 答案

1.什么叫虚拟现实技术

虚拟现实技术（Virtual Reality 简称VR) 是一种模拟人类视觉、听觉、力觉、触觉等感知行为的高度逼真的人机交互技术，是在数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、人—机接口技术、计算机仿真技术及传感器技术等许多信息技术基础上发展起来的一门多学科的交叉技术。

2.虚拟现实系统的构成

典型的虚拟现实系统主要是由计算机、应用软件系统、输入输出设备、用户和数据库等组成。如图：

计算机 输入输出设备 应用软件系统 数据库 用户

3.虚拟现实技术的特征

虚拟现实技术有3个主要特征：沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和想像性（Imagination）。

(1)沉浸性

沉浸性（Immersion）又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。 (2) 交互性

交互性（Interactivity）的产生，主要借助于VR系统中的特殊硬件设备（如数据手套、力反馈装置等），使用户能通过自然的方式，产生同在真实世界中一样的感觉。 (3) 想像性

想像性（Imagination）指虚拟的环境是人想像出来的，同时这种想像体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。

4.虚拟现实系统的分类

在实际应用中，根据虚拟现实技术对沉浸程度的高低和交互程度的不同，将虚拟现实系统划分为以下4种类型: (1) 桌面式VR系统

它是利用个人计算机或图形工作站等设备，采用立体图形、自然交互等技术，产生三维立体空间的交互场景，利用计算机的屏幕作为观察虚拟世界的一个窗口，通过各种输入设备实现与虚拟世界的交互。 桌面式VR系统具有以下主要特点：

①缺少完全沉浸感，参与者不完全沉浸，因为即使戴上立体眼镜，仍然会受到周围现实世界的干扰。

②对硬件要求极低

③应用比较普遍，因为它的成本相对较低 (2) 沉浸式VR系统

它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身在虚拟环境中、并能全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有： ①基于头盔式显示器的系统 ②投影式虚拟现实系统 ③远程存在系统

沉浸式VR系统的特点 ① 高度的沉浸感。 ② 高度实时性。

利用头盔显示器和数据手套等交互设备进行的飞机战斗游戏 (3) 增强式VR系统

它既允许用户看到真实世界，同时也能看到叠加在真实世界上的虚拟对象，它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统。常见的增强式VR系统有： ①基于台式图形显示器的系统。 ②基于单眼显示器的系统（一个眼睛看到显示屏上的虚拟世界，另一只眼睛看到的是真实世界）。

③基于透视式头盔显示器的系统。 增强式VR系统有以下3个特点： ① 真实世界和虚拟世界融为一体。 ② 具有实时人机交互功能。

③ 真实世界和虚拟世界是在三维空间中整合的。 (4)分布式VR系统

它在沉浸式VR系统的基础上，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接，并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。 分布式VR系统具有以下5个特点： ① 各用户具有共享的虚拟工作空间。 ② 伪实体的行为真实感。 ③ 支持实时交互，共享时钟。

④ 多个用户可用各自不同的方式相互通信。

⑤ 资源信息共享以及允许用户自然操纵虚拟世界中的对象。

5.阐述虚拟现实系统技术的局限性和研究方向？ 虚拟现实技术的研究现状及研究方向 (1) 国外研究现状

①美国是VR技术的发源地。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR技术发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。 ②英国在VR技术的研究与开发的某些方面，如分布式并行处理、辅助设备（触觉反聩设备等）设计、应用研究等方面，在欧洲是领先的。

③在德国，主要从事虚拟世界的感知、虚拟环境的控制和显示、机器人远程控制、VR在空间领域的应用、宇航员的训练、分子结构的模拟研究等。 ④日本主要致力于建立大规模VR知识库的研究，另外在VR游戏方面的研究也做了很多的工作 。

(2) 国内研究现状

①清华大学对虚拟现实及其临场感等方面进行了大量的研究。

②北京科技大学成功开发出了纯交互式汽车模拟驾驶培训系统。 ③北京航空航天大学开发了直升飞机虚拟仿真器、坦克虚拟住仿真器、虚拟战场环境观察器、计算机兵力生成器。

国内还有浙江大学、西安交通大学、南京大学、国防科技大学、天津大学、北京理工大学、西北大学、山东大学、大连海事大学和香港中文大学等高校以及其他民营研究机构进行了相关的研究。

（3）目前虚拟现实技术的局限性 ①硬件设备的局限性。 ②软件的局限性。 ③应用的局限性。 ④效果的局限性。

（4）VR技术的研究方向 ①感知研究领域 ②人机交互界面

③高效的VR软件和算法 ④廉价的VR硬件系统

6.阐述空间位置跟踪定位设备在虚拟现实系统中的作用？ 1.VR的三维跟踪传感设备

虚拟现实技术是在三维空间中与人交互的技术,为了能及时、准确地获取人的动作信息,需要有各类高精度、高可靠的跟踪、定位设备。三维跟踪传感设备是它实现人机之间沟通的极其重要的通信设备，是实时处理的关键技术。 Polhemus的Fastrak跟踪定位器

(1)电磁波跟踪器 (2)超声波跟踪器 (3)光学跟踪器

(4)其他空间跟踪系统(机械跟踪器、惯性跟踪器、图像提取跟 踪器

7.阐述环境建模技术的主要内容和方法？ 1.环境建模技术

虚拟环境建模的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。

VR系统中环境的建模技术与其图形建模技术相比，主要特点表现在以下3个方面： ①虚拟环境中可以有很多物体，往往需要建造大量完全不同类型的物体模型。 ②虚拟环境中有些物体有自己的行为，而其他图形建模系统中一般只有构造静态的物体，或是物体简单的运动。

③虚拟环境中的物体必须有良好的操纵性能，当用户与物体进行交互时，物体必须以某种适当的方式来作出反应。

VR系统包括三维视觉和三维听觉建模等。在当前应用中，环境建模一般主要是三维视觉建模。三维视觉建模又是可分为几何建模、物理建模、行为建模等。 (1)几何建模技术

几何建模技术主要研究对象是对物体几何信息的表示与处理，它是涉及表示几何信息数据结构，以及相关的构造与操纵数据结构的算法建模方法。 几何建模通常采用以下4种方法：

①利用VR工具软件来进行建模。

②直接从某些商品图形库中选购所需的几何图形。 ③利用常用建模软件来进行建模。 ④直接利用VR编辑器。 （2）物理建模技术

典型的物理建模技术有分形技术和粒子系统。 ①分形技术

分形技术是指可以描述具有自相似特征的数据集。

分形技术的优点是用简单的操作就可以完成复杂的不规则物体建模，缺点是计算量太大，不利于实时性。因此，在VR系统中一般仅用于静态远景的建模。 ②粒子系统

粒子系统是一种典型的物理建模系统，粒子系统是用简单的体素完成复杂的运动建模。 （3）行为建模技术

行为建模负责物体的运动和行为的描述。如果说几何建模是VR建模的基础，行为建模则真正体现出VR的特征。

在虚拟环境行为建模中，建模方法主要有以下两种： ①运动学方法

运动学方法是通过几何变换，如物体的平移或旋转等来描述运动。 ②动力学仿真

运动力学仿真运用物理定律而非几何变换来描述物体的行为。

8.阐述基于几何图形的实时绘制技术的内容和方法 实时三维图形绘制技术

实时三维图形绘制技术指利用计算机为用户提供一个能从任意视点及方向实时观察三维场的手段，它要求当用户的视点改变时，图形显示速度也必须跟上视点的改变速度，否则就会产生迟滞现象。 基于几何图形的实时绘制技术

目前，用于降低场景的复杂度，以提高三维场景的动态显示速度的常用方法有以下几种: ①预测计算。 ②脱机计算。 ③场景分块。 ④可见消隐。

⑤细节层次模型 。

9.阐述基于图像的实时绘制技术的内容和方法

基于图像的绘制技术

基于图像的绘制技术（Image Based Rending,IBR ）是采用一些预先生成的场景画面,对接近于视点或视线议程的画面进行交换、插值与变形，从而快速得到当前视点处的场景画面。

与基于几何的传统绘制技术相比，基于图像的实时绘制技术的优势在于： ①图形绘制技术与场景复杂性无关，仅与所要生成画面的分辨率有关。

②预先存储的图像（或环境映照）既可以是计算机生成的，也可以是用相机实际拍摄的画面，也可以两者混合生成。

③对计算机的资源要求不高，可以在普通工作站和个人计算机上实现复杂场景的实时显

示。

基于图像的绘制技术主要有以下两种： ①全景技术

全景技术是指在一个场景中的一个观察点用相机每旋转一下角度拍摄得到一组照片，再在计算机采用各种工具软件拼接成一个全景图像。 ②图像的插值及视图变换技术

根据在不同观察点所拍摄的图像，交互地给出或自动得到相邻两个图像之间对应，采用插值或视图变换的方法，求出对应于其他点的图像，生成新的视图。

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