国内外虚拟现实技术研究状况

一、美国的研究状况

 
虚拟现实研究

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。

美国宇航局 （NASA）的Ames实验室完善了HMD；并将VPL的数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。NASA研究的重点放在对空间站操纵的实时仿真上，大多数研究是在NASA的约翰逊空间中心完成的。他们大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。NASA完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远镜的仿真。NASA的Ames现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”（VPE）的试验计划，这一项目能使“虚拟探索者”（Virtual Explorer）利用虚拟环境来考察遥远的行星，他们的第一个目标是火星。现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。

北卡罗来纳大学 （UNC）的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学。他们主要研究：分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。在显示技术上，UNC开发了一个帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示的并行处理系统，叫做像素飞机（Pixel planes）。

Loma Linda大学医学中心是一所经常从事高难度或者有争议课题的医学研究单位。DAVID Warner博士和他的研究小组成功地将计算机图形及VR的设备用于探讨与神经疾病相关的问题。他们以数据手套为工具，将手的运动实时地在计算机上用图形表示出来；他们还成功地将VR技术应用于受虐待儿童的心理康复之中，并首创了VR儿科治疗法。

麻省理工学院（MIT）是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构。MIT原先就是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年MIT成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。这个媒体实验室建立了一个名叫BOLIO的测试环境，用于进行不同图形仿真技术的实验。利用这一环境，MIT建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。另外，MIT还在进行“路径计划”与“运动计划”等研究。

SRI研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有VR技术的进一步发展。1991年后，SRI进行了利用VR技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿真来减少飞行事故。另外，SRI还利用遥控技术进行外科手术仿真的研究。

华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室（HIT Lab）在新概念的研究中起着领先作用，同时也在进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。HIT将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。例如，波音公司的V22运输机就是先在实验室中造出虚拟机后再投入生产的。

Dave sims 等人研制出虚拟现实撤退模型来观看系统如何运作。此系统先假设在伦敦地铁中突然发生火灾，一些人向出口跑去，母亲们努力聚拢孩子们，而一些人却在询问起火的原因。在出口处，人群拥挤在门口，使劲地向前挤，但却不能前进一步。这时单击鼠标左键，加宽门口拉走门柱，许多人能迅速通过。人们得出结论：在突发事件中，保持平静和快速是非常重要的。现在在维加斯的虚拟购物商场中，每一个字符都指定为一个随意的数字发生器，当突然发生火灾时，发生器立即指示一个熟悉的出口，并且省去人们聚集家人或询问出口的麻烦。

SOFTIMAGE公司的专家们提出了渗透将有助于扩大虚拟现实的美学感，这是VR未来的一个发展方向。

伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中，支持远程协作的分布式VR系统，不同国家、不同地区的工程师们可以通过计算机网络实时协作进行设计。在设计车辆的过程中，各种部件都可以共享一个虚拟环境，并且可以查看对方任何一个位置的视频传递和相应的定位方向。在系统中采用了虚拟原型，从而减少了设计图像和新产品进入市场的时间，这样，产品在生产之前就可以估算和测试，并且大大地提高了产品质量。

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。在一个分布交互式仿真系统中仿真真实世界复杂流体的物理特性，包括仿真正在穿过水面行驶的船、仿真搅拌液体、仿真混合不同颜色的液体、仿真混合不能溶解的油和水、仿真下雨和流动的地形以及仿真流体的相互影响等特性。但该系统有一些缺陷，例如：当船行进时不能显示出水的不同波浪曲线；不能用于任何精确的工程用途等。

二、日本的研究状况

在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领先位置的国家之一，主要致力于建立大规模VR知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。但日本大部分虚拟现实硬件是从美国进口的。

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SPINAR（Space Interface Device for Artificial Reality）的系统。

NEC公司计算机和通信分部中的系统研究实验室开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使用"代用手"去处理三维CAD中的形体模型，该系统通过VPL公司的数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来。

京都的先进电子通信研究所（ATR）系统研究实验室的开发者们正在开发一套系统，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。该系统将提供一个更加自然的接口，而不需要操作者带上任何特殊的设备。

日本国际工业和商业部的工业科学和技术代办处经营的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。他们把这种装置应用于一个虚拟现实的“游戏棒”中。

东京大学的高级科学研究中心将他们的研究重点放在远程控制方面，最近的研究项目是主从系统。该系统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。

东京大学的原岛研究室开展了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。

东京大学的广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。为了克服当前显示和交互作用技术的局限性，他们正在开发一种虚拟全息系统。现在他们已经有了4项成果：一个类似CAVE的系统、用HIMD在建筑群中漫游、人体测量和模型随动、飞行仿真器。

筑波大学工程机械学院研究了一些力反馈显示方法。他们开发了九自由度的触觉输入器：开发了虚拟行走原型系统，步行者只要脚上穿上全方向的滑动装置，他就能交替迈动左脚和右脚。

富士通实验室有限公司正在研究的一个项目是虚拟生物与VR环境的相互作用。他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。

三、英国的研究与开发

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，在欧洲英国是领先的。到1991年底，英国已有从事VR的六个主要中心，它们是WIndustries（工业集团公司），British Aerospace（英国航空公司），Dimension International，DiVision Ltd,Advanced Robotics ReseARCh Center和Virtual Presence Ltd（主要从事VR职产品销售）。

WIndustries位于Leicester ，是国际VR界的著名开发机构，正在开发一系列VR产品,主要是娱乐业方面的。尽管用于其产品的基本技术与其他研究机构的技术类似，但该公司和它的投资者们已经在技术的包装和市场化上投入了大量资金 （1992年投资超过 1100万美元），以确保能在早期的VR市场上赚钱，它的许多产品已进入商店和模拟游戏中心，有的还用于广告制作。该公司新近推出了虚拟100CS产品，这是一种通过联网可供多人参与的凭真功夫打斗的虚拟游戏系统，并且己经在诺丁汉的娱乐场所 （LBE-location based entertainment）联接了四个这样的结点，LBE概念得到WIndustries公司的全面支持，该公司出版了一本介绍"如何开始你自己的VR商店"的小册子。这本小册子用样品现金流图给出了详细账目，以指导那些热心的未来经理和投资者，这本小册子甚至建议为感兴趣的公司提供地方法人。个人俱乐部和公共场所还可以向公司租用WIndustries的系统 价格是每晚2000--3000英磅。WIndustries一直试图扩展其产品的范围和结构，以便进入工业设计和可视化等重要应用领域，并且正在计划推出新型轻量显示头盔和功能强大的图形引擎 （graphics engine）。

British Aerospace（BAe）的许多区县参与了VR，其中最有成效的是Brough分部的工作。在Roy kalawsky教授领导下，Brough分部正在利用VR技术设计高级战斗机座舱，BAe开发的大项目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，已在1992年的Farnborough航空展示会上进行了首次演示。Roy Kalowsky教授是英国从事VR的第一位教授，是Hull大学的客座教授，他也是英国主张在VR应用中强调人性因素重要性的学者之一。

Dimension International位于英国南部的Aldermason，是桌面VR 的先驱。尽管桌面VR是非沉浸式的（non-immersive,即不使用头盔式显示器），但是与那些可视效果和动态质量差的沉浸式 （Immersive）系统相比，许多学术界和工业界的用户更喜欢该公司基于PC486系统提供的优质图像和实时交互特性。该公司已生产了一系列商业VR软件包，都命名为Superscape。最初推出一个基本的VR工具库，然后扩充了网络功能、编写应用程序的界面等，最后发展成为完全专业性的Superscape系统，其图形输出是通过SPEA图形卡和高分辨率显示器。该系统的主要输入设备是一个空间球 （spaceball）控制器和一个普通鼠标。Superscape软件包的前端主要由图形编辑器、世界编辑器和可视化模块三个环境组成。图形编辑器用于创建三维物体，预定义图形放置在世界编辑器的世界坐标系中，可视化程序允许用户在虚拟世界中移动并与之交互，通过空间球和鼠标发布命令。Dimension还与电视公司合作开发cyberzone（宣称是世界上第一个VR电视游戏节目）。虽然这种游戏是非沉浸式的，但它是交互式的。相互竞争的两个队员坐在一个分隔开的封闭舱中驱使虚拟探险者（虚拟世界中的队员）在同一虚拟世界中移动，设法破坏其虚拟对手的进展。两个队员都在搜寻，当一个队员与虚拟世界中图像交互时，在电视屏幕上投影一个3*4矩阵，从而挡住另一队员的视域，这时探险者在场，另一队员通过地图显示或别的虚拟表示指示其虚拟探险者。由于通过能感知步态的压力板来获得用户的状态，所以允许用户在现场走动或跑动。继1991年制作了飞行员对阵系统之后，1992年10月又开始在曼彻斯特的Granada电视演播室制作一幕更精彩的Cyber zone电影，并于1993年1月4日下午在英国电视三台首次上映，是以足球名将John Fashanu（温布尔顿队）和John Barnes（利物浦队）之间的对阵为特色的。

第一个广泛宣传的教育VR工程将在Newcastle-Upon-Type的WestDenton中学建立，以Dimension International的技术为基础，初步决定使用Dimension的VR软件包。该校正在探索用VR进行外语教学和工业安全培训的方法。近期在教育和学术方面的进展还有诺丁汉大学的VlRART（Virtual Reality Application ReseARCh Team）项目，其目标在于探索桌面VR可用的输入设备。将特别考察这些输入设备的应用，了解现有交互设备新的可能应用，以及有关的人类工程因素和技术限制。例如VIRART的目标之一是改进现有VR手套和服装系统，以便能用于Dimension的VR，然后用它控制和操纵虚拟环境中现有的人模型（man-model），让它在虚拟原型设计中模拟人的运动或者通过自然手势来操纵虚拟环境。另一目标是开发一种造价不高但能记录所有手关节角度的新型手套系统，以使桌面VR系统中的人模型能够逼真地模拟手指和手掌的运动。VIRART小组正在和学校紧密合作，把桌面VR技术用于教育学习有困难和身体严重残疾的孩子。

Division Ltd创建于1989年，位于布里斯托尔。该公司在开发Vision、ProVision和Supervision系统/模块化高速图形引擎中，率先使用了Transputer和i860技术，从而避免了早期方法在生成、交互模拟世界时所产生的处理 “瓶颈”。该公司的软件是按客户/服务器体系结构模式设计的，软件作为一个单一服务器进程。客户进程各自管理VR模拟中自己的具体对象，每个客户装载和维护自己的对象。当一个客户决定交互时，它发送包括交互类型和具体交互类型信息的报文（message）给服务器，然后服务器重新将这些交互分配给对这种交互感兴趣的其他客户。近来Division在与IBM合作，为RISC系统6000工作站开发VR操作系统/UniVRS，并将其操作系统移植到SG硬件上。Division正在考虑利用其丰富的并行处理资源，将VR用于模拟分子模型化和遥现（telepresence）项目中。目前Division公司正在用DiVision的硬件创造建筑物和房屋，以使人们能够从中体验和修改各种内景。建筑物的外部结构和内部构造都是动态可适应的，尤其是灯具的选择、布景、亮度、其他光源的定位和规格。灯光模拟的基础是 “平行自适应光照”parallel adaptive radiosity），这一创新技术在描绘灯光效果时大大提高了景物的真实性。

UK Advanced Robotics ReseARCh Center在英国贸易工业部支持下，于1987年成立了高级机器人研究有限公司（ARRL）。该公司的核心计划包含三个基本发展层次：第一阶段搞一个基本的系统功能体系结构，作为协调整个计划的框架；第二阶段开展一系列一般性研究（GR）项目，解决有关关键技术问题；第三阶段设立一组研究演示系统（RD）项目，为证实部分功能体系结构提供可行性分析。在广为宣传的人机界面项目（虚拟现实与遥现项目， 也称GR6项目）之下集成了下列三个RD子项目：

• RD8：应用激光测距的三维景象生成系统
• RD1：远程世界的计算机模拟（以激光测距数据为基础）
• RD7：运行和操纵机器人的遥操作及其遥现场

  因此，GR6项目的主题是在设计高级机器人的控制和显示系统时，利用人类操作员的自然能力和缺陷方面的知识，这与以前的做法截然不同。在以前的遥操作设备设计中，受长期使用非直觉和笨拙设备的影响，其人--系统界面使得操作员努力控制远程设备，甚至以低效和不安全方式操作。GR6项目，也称虚拟环境远程驱动实验（VERDEX）项目，其最初目标是为使用运动机器人的遥现（远程驱动）研究开发一种交互式的头控视听显示系统，该系统能够在遥现驱动模拟中把立体电视画面和熟悉的控制设备的图形表达一起显示出来。与控制设备的交互是通过虚拟手表达实现的，然后手表达控制仪器手套（VPL dataGlove）的手指弯曲和手跟踪传感器。

  在构造测试平台的最初一年半中，随着工作的进展出现了一些概念问题和实际问题。首先是商用头盔显示技术的局限，尤其是目前的显示器低劣的清晰度和对比度；其次是仪器手套的可靠性和校准，问题在于使用这些仪器手套究竟该有多大的直觉和可靠性；再次是在驱动VERDEX测试平台的计算技术方面的限制（对世界模型尺寸的限制，原始图像的质量以及Division Vision系统很长的图像生成时间）。然而问题的焦点在于如果遥现的研究目标是在MMI设计中利用人的技能的话，那么与虚拟控制台的交互就不是实现这一目标的途径。

  因此，该中心于1992年初重新制定了VR计划的目标。新目标通过采用非可视（non-visual）传感器的几何图形输出，允许对远程环境进行可视重构。如果机器人配置在一个充满灰尘、烟雾、水花、火焰、污水和黑暗的环境里，其电视画面在2米外无法辨识，此时就要用到非可视传感器（如RD8项目的激光扫描仪、超声波和雷达）。由于最新的CAD或者经过处理的距离图像模型可以显示环境的当前状态，所以使用ARRL的升级VR计算系统（Division的SuperVision原型系统），就可以为人类操作员展示立体虚拟图像。这样就能用人的自然技能考察这种虚拟世界，机器人最终也就会跟随操作员行动，并在适当的地方使用自己的本地碰撞避免传感器。一旦操作员距某任务足够近，该任务需要的可视信息又比当前VR系统所提供的还细，而且来自机器人身上的电视摄像机的任务距离合适,那么操作员就可以把开关扳到立体图像模式（例如使用口语识别系统）来完成任务。在对项目GR6的重要性认识还处于变化之中时，ARRL使用的RD8激光测距仪能在2秒钟内输出现场物体的分段三维平面描述和立体描述，并于 1991年展示了把这些描述转换成三维图像的可行性，这些虚拟图像适合在立体头盔中显示。此后，1992年又转换成用于Division Super Vision VR引擎显示的立体融合图像。作为遥现场概念的一部分，也为了配合GR6项目近期任务的进行，ARRL与Overview公司合作开发了一系列头控立体摄像系统，达到了转动/倾斜 1800度/秒，适于安装在该公司的Cybermotion K2A运动机器人上为了应用VR和遥现场，ARRL还与Airmuscle公司合作首先在手套和3D/6D鼠标上使用了触觉反馈。现在Airmuscle Teletact I、II手套以及Teletact Commander立体手技器已成为商品。

  在虚拟世界建筑方面，已经构作和展示了复杂的虚拟世界模型。其中结合机器人中心的模型与动画美洲豹机器人，就能在虚拟操作间用图标控制台进行遥操作，并演示 “教-重复”动作。ARRL已经开始专门研究将商业CAD系统的模型和动态序列以及其他建模和仿真软件包移植到支持虚拟可视化的高级平台，以便人能进行沉浸式和直觉交互。

  VR和机器人的结合是随着ARRL在人性因素方面研究工作的进展而发展的，该公司的RD7项目基本上证明了“使人沉浸于虚拟环境并给以交互自由的计算机系统和控制显示外设，同样可以用来有效控制真实的机器人设备”。RD7实质上是一个系统集成演示器，它吸收了ARRL的一些关键技术成果。单从技术角度看RD7有两方面的成就：一是开发了一种用于遥操作的新型高级机械手控制器（AMC）；二是为光学跟踪（用于评估写入开发了低价的电子线路板。尽管最初强调的是远程驱动中的遥现场，但RD7的主要技术和商业成果之一是开发了一套强健的通用机械手控制系统。在机器人遥现场方面的一个关键性人员因素是提供了这样的控制系统：它使操作员摆脱笨拙、疲劳的姿势。

  遥操作通常应用于核工业和水下作业等危险环境中的操作任务。现在主要以接合空间（joint space）控制系统，即操作员用输入设备（其中典型的有操纵杆或主控手臂）来独立指 定需要接合的位置。这种方法既降低了机械手的物理构造局限的影响，也不受从笛卡尔坐标到接合空间动态变换所带来的不良影响。然而这种控制方式使得遥操纵裂缝焊接之类的工作极其困难，需要对操作员进行大量技能培训。我们需要的控制器是允许对来自输入设备的终端效应笛卡尔位置和方向进行遥操作。不幸的是，与初衷不同，操作员不能开发出这样的程序：既能通过在无奇异、无接合极限的路径上运动来执行任务，同时又不超过机械手的动态限制。当在笛卡尔路径时，笛卡尔遥操作控制器必须能够按操作员实时指定的任何输入，并且滞留在错误状态。也就是说，对完全非结构化的输入它必须是强健的。在为RD7项目开发强健的高级机械手控制器，以及基于Ascension Bird Tracker开发Teletact Commander立体输入设备时，都提出了这种问题。

  在1992年8月RD7项目的总结阶段，进行了一系列非正式但却是成功的遥操作/遥 现场试验，测试了该计划中提出的远程处理和远程驱动概念，并测试了在ARRL的人-系统界面实验室、运动机器人实验室和美洲豹562机械手工作间之间接口的完整性。为了便于观看，又进一步建立了GR6的SuperVision VR计算机系统和立体LCD投影显示之间的视频联接。

  ARRL在VR方面的工作仍在继续，除高级机器人和遥现场领域外，还包括发动机设计、CAD软件包转换、烟雾和爆炸的建模与可视化、VR多媒体集成系统、医学可视化以及纳米技术（nanotechnology）。ARRL的VR小组打算充分利用大学（University of Salford）的学术力量进行研究和开发，并正在制定新的课题和项目。这些项目涉及从测量到纺织品和时装设计，从矫形术到信息技术，从电子和航空工程到纳米技术，以及高级显微学等领域。

  四、国内研究状况

  和一些发达国家相比，我国VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究，例如，九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。 在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。

  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，并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，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。

  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术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系抗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轻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，并获取物体三堆结构的新颖算法。

  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。

  中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图象对算法回显及软件接口。他们在硬件开发上己经完成了LCD红外立体眼镜，并且已经实现商品化。

  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理，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，制作了一些相关的体视动画光盘。

  另外，西北工业大学CAD/CAM研究中心、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。