虚拟与现实在国内外的现状 用途(应用到哪些方面) 前途(远景) 作题

Posted 2023-05-12

参考技术A 虚拟现实(Viaual Reality，VR)作为一种综合计算机图形
技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立
体显示技术以及仿真技术等多种科学技术而发展起来的计
算机领域的新技术，目前所涉及的研究应用领域已经包括军
事、医学、心理学、教育、科研、商业、影视、娱乐、制造业、工程
训练等。VR技术已经被公认为是21世纪重要的发展学科
以及影响人们生活的重要技术之一。
1 虚拟现实技术的内涵与特征
VR技术最早起源于20世纪50年代的美国，发展至今也
还处于不断探索阶段。同时由于软硬件环境的限制和研究
应用方向的不同，人们对虚拟现实技术的理解也仁者见仁智
者见智。综合来说，VR技术是一种综合应用各种技术制造
逼真的人工模拟环境，并能有效地模拟人在自然环境中的各
种感知系统行为的高级的人机交互技术。虚拟环境通常是
由计算机生成并控制的，使用户身临其境地感知虚拟环境中
的物体，通过虚拟现实的三维设备与物体接触，从而真正地
实现人机交互。可以说人处在虚拟环境之中跟现实环境是
没有差别的VR技术的发展始终围绕它的三个特征而前进，即沉浸感、交互性和构想。这三个重要特征与其相邻近的技术(如
多媒体技术、计算机可视化技术等)相区别。沉浸感，是指计
算机生成的虚拟世界能给人一种身临其境的感觉，如同进入
了一个真实的客观世界；交互性，是指人能够很自然地跟虚
拟世界中的对象进行交互操作或者交流；构想，是指虚拟环
境可使人沉浸其中并且获取新的知识，提高感性和理性认
识，从而深化概念并萌发新意。因而可以说，虚拟现实可以
启发人的创造性思维。
2 国外虚拟现实技术的研究现状
VR技术最早在20世纪中期由美国VPL探索公司和它
的创始人Jamn IJaIlier提出这一概念，后来美国宇航局
(NASA)的艾姆斯空间中心利用流行的液晶显示电视和其它
设备，开始研制低成本的虚拟现实系统，推动了该技术硬件
的进步。目前，虚拟现实技术已获得了长足的发展。在国
内，20世纪80年代末开始进行研究，目前还处于初级阶段。
2．1 美国虚拟现实技术的研究动态
美国作为VR技术的发源地，其研究水平基本上就代表
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实验室研究主要集中在以
下方面：将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品；在
约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真；大量运用了面
向座舱的飞行模拟技术；对哈勃太空望远镜的仿真。现在正
致力于一个叫“虚拟行星探索”(vPE)的试验计划o[3 3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
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。
Loma lAnda大学医学中心的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，首创了VR儿科治疗法。
麻省理工学院(MIT)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M1T成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。
华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室
(1ilT lab)，将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。
从90年代初起，美国率先将虚拟现实技术用于军事领
域，主要用于以下四个方面：虚拟战场环境；进行单兵模拟训
练；实施诸军兵种联合演习；进行指挥员训练。
2．2 英国和日本虚拟现实技术的研究与开发
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，英国是领先的，尤
其是在欧洲。英国主要有四个从事VR技术研究的中心：[4：
Windustries(工业集团公司)，是国际VR界的著名开发机
构，在工业设计和可视化等重要领域占有一席之地；British
Aerospace(英国航空公司BAe)的Brough分部，正在利用VR
技术设计高级战斗机座舱；Dimension International，是桌面VR
的先驱。该公司生产了一系列的商业VR软件包，都命名为
Superscape；Divison LTD公司在开发VISION、Pro Vision和su—
pervision系统／模块化高速图形引擎中，率先使用了Tmnsputer
和i860技术。
日本主要致力于建立大规模VR知识库的研究，在虚拟
现实的游戏方面的研究也处于领先地位。
京都的先进电子通信研究所(ATR)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；富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与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。_2 日本奈良尖端技术研究生院
大学教授千原国宏领导的研究小组于2004年开发出一种嗅
觉模拟器，只要把虚拟空间里的水果拉到鼻尖上一闻，装置
就会在鼻尖处放出水果的香味，这是虚拟现实技术在嗅觉研
究领域的一项突破。
3 我国虚拟现实技术的研究现状
我国VR技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定
的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重
视，并根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。九
五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等
都把VR列入了研究项目。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，并在以下方面取得进展：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
觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；
实现了分布式虚拟环境网络设计，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、
虚拟现实应用系统的开发平台等。
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，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；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；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，提出了一种基于JPEG标
准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压
速度；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。
4 虚拟现实技术发展趋势
VR技术是高度集成的技术，涵盖计算机软硬件、传感器
技术、立体显示技术等。VR技术的研究内容大体上可分为
VR技术本身的研究和VR技术应用的研究两大类。
根据vR所倾向的特征的不同，目前虚拟现实系统主要
划分为四个层次：即桌面式、增强式、沉浸式和网络分布式虚
拟现实。VR技术的实质是构建一种人能够与之进行自由交
互的“世界”，在这个“世界”中参与者可以实时地探索或移动
其中的对象。沉浸式虚拟现实是最理想的追求目标，实现的
主要方式主要是戴上特制的头盔显示器、数据手套以及身体
部位跟踪器，通过听觉、触觉和视觉在虚拟场景中进行体验。
桌面式虚拟现实系统被称为“窗口仿真”，尽管有一定的局限
性，但由于成本低廉而仍然得到了广泛应用。增强式虚拟现
实系统主要用来为一群戴上立体眼镜的人观察虚拟环境，性
能介于以上两者之间，也成为开发的热点之一。总体上看，
纵观多年来的发展历程，VR技术的未来研究仍将遵循“低成
本、高性能”这一原则，从软件、硬件上展开，并将在以下主要
方向发展： J
4．1 动态环境建模技术
虚拟环境的建立是VR技术的核心内容，动态环境建模
技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相
应的虚拟环境模型。
4．2 实时三维图形生成和显示技术
三维图形的生成技术已比较成熟，而关键是如何“实时
生成”，在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高
刷新频率将是今后重要的研究内容。此外，VR还依赖于立
体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系
统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术。
4．3 新型交互设备的研制
虚拟现实实现人能够自由地与虚拟世界中的对象进行
交互，犹如身临其境，借助的输入输出设备主要有头盔显示
器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器
等。因此，新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成
为未来研究的重要方向。
4．4 智能化语音虚拟现实建模
虚拟现实建模是一个比较繁复的过程，需要大量的时间
和精力。如果将VR技术与智能技术、语音识别技术结合起
来，可以很好地解决这个问题。我们对模型的属性、方法和
一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据，
然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、
导航和评价，将基本模型用对象表示出来，并逻辑地将各种
基本模型静态或动态地连接起来，最后形成系统模型。在各
种模型形成后进行评价并给出结果，并由人直接通过语言来
进行编辑和确认。
4．5 大型网络分布式虚拟现实(Distributed Virtual Reality，
DVR)的应用
网络分布式虚拟现实将分散的虚拟现实系统或仿真器
通过网络联结起来，采用协调一致的结构、标准、协议和数据
库，形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟，合成环境，参
与者可自由地进行交互作用。目前，分布式虚拟交互仿真已
成为国际上的研究热点，相继推出了DIS、mA等相关标准。
网络分布式VR在航天中极具应用价值，例如，国际空间站的
参与国分布在世界不同区域，分布式VR训练环境不需要在
各国重建仿真系统，这样不仅减少了研制费设备费用，而且
也减少了人员出差的费用和异地生活的不适。
5 总结
虚拟现实技术是本世纪发展的重要技术之一，作为一门
科学和艺术将会不断走向成熟，在各行各业中将得到广泛应
用，并发挥神奇的作用，二十一世纪将是虚拟现实技术的时
代。

SLAM技术的应用及发展现状

近年来，由于扫地机的出现使得SLAM技术名声大噪，如今，已在机器人、无人机、AVG等领域相继出现它的身影，今天就来跟大家聊一聊SLAM的应用及发展现状。

SLAM的多领域应用
SLAM应用领域广泛，按其应用行业也可分为两大类，即工业领域和商业领域。
商业用途方面，目前应用最为成熟的应该是扫地机行业，而扫地机也算机器人里最早用到SLAM技术这一批了，国内的科沃斯、塔米扫地机、岚豹扫地机通过用SLAM算法结合激光雷达或者摄像头的方法，让扫地机可以高效绘制室内地图，智能分析和规划扫地环境，成功让自己步入了智能导航的阵列。除了扫地机之外，SLAM技术在其他服务机器人（例如商场导购机器人、银行机器人）、无人机、自动驾驶等都有应用，大疆有位工程师甚至说过“所有关于无人机的梦想都建立在SLAM之上”，可见SLAM技术的关键性。

工业用途主要是集中在AGV领域，随着制造业以及电商仓储领域对柔性化搬运的需求不断上升，SLAM导航迎来了广阔的市场。将SLAM运用在AGV物流小车上，可以不用预先铺设任何轨道，方便工厂生产线的升级改造和导航路线的变更，实时避障，环境适应能力强，同时能够更好地实现多AGV小车的协调控制。当下国内有一些AGV企业都已开始将SLAM技术应用到AGV上，借此实现真正的自然导航。

SLAM的两大类别
用在SLAM上的传感器主要可分为两大类，一种是激光雷达，而另一种是摄像头，为此，业内人士也将SLAM分为激光SLAM和视觉SLAM。激光SLAM比视觉SLAM起步早，在理论、技术和产品落地上都相对成熟。基于视觉的 SLAM 方案目前主要有两种实现路径，一种是基于 RGBD 的深度摄像机，比如 Kinect；还有一种就是基于单目、双目或者鱼眼摄像头的。VSLAM 目前尚处于进一步研发和应用场景拓展、产品逐渐落地阶段。

多企业SLAM技术开发

随着SLAM技术重要性的凸显以及应用市场的扩大 ，一些企业开始纷纷投入到SLAM技术研发中，这其中也可分为两大类，一是专门提供导航定位模块的企业，另一类则是移动机器人厂商，其开发SLAM多为自用。
由于国内SLAM技术起步较晚，从技术应用层面来说，目前仍处于发展阶段，但相信随着消费刺激和产业链的发展，未来SLAM技术将会更加成熟。