虚拟现实技术——起源、发展、成熟及其未来的发展趋势

Sutherland，I.E在In Proceedings of ISIPS Comgress（New York City，NY，May，发表The ultimate Display指出：将显示屏幕当作一个窗口去观察虚拟世界，从而使观察者实现一种身临其境的感觉。Warren Robinett发表Virtual Environment Workstation和Lawrence J. Roseblum. Roseblum 在1994 IEEE Computer graphics and Applications上发表Research issues in scientific visualization以及Daniel J .Pezely，et al发表A Second Second Step Towards Virtual Reality： The Entity Model and System Design. SIGGRAPH 1991 Technical papers Chair in January，共同发明了“Virtual Reality（即虚拟现实）”一词。其意思为计算机产生三维交互环境，使用户 “投入”到了这个环境中去。从此，“VR”引起社会广泛的关注和丰富的想象。Y. H. Chen和Z. Y. Yang发表Haptic modeling as an integrating tool for product development，将触觉建模技术作为产品开发流程中的整合工具来研究，提出了空间长度运算编码技术，应用远程操控技术和触觉反馈技术在产品开发建模和CNC数铣床中。S. Mizuno，S. Yamamoto发表An Interactive CG System based on Virtual Sculpting and Virtual Woodblock Printing，介绍了虚拟油泥技术和虚拟三维打印技术的原理以及使用方法。XiuziYe等在Reverse innovative design - an integrated product design methodology中提出了产品设计中逆向创新性设计的方法，利用触觉式建模设备作为产品开发中的点云处理后用于创新的重要工具。Mark Evans等发表An investigation into the use of Haptic modeling during industrial design activity研究了基于触觉建模的工业设计建模活动比起传统建模活动的优势。Kuo-Cheng Wu等发表FreeSculptor： A Computeraided FreeForm Design Environment，重点介绍了自由虚拟雕刻系统在设计环境以及产品开发中的优势，以及其是如何提高了设计阶段的创新能力的。M. Bordegoni 等发表Haptic modeling in the conceptual phases of product design，展示了一项力反馈技术，其目的是在为产品设计建模而开发的创新系统的研究结果。

虚拟现实技术VR发展最成熟的国家是美国，其发展水平代表了国际先进水平。在短短的数十年中，该技术发展可以分为四个阶段：

第一个阶段：虚拟技术思想的产生阶段。1962年由美国摄影师Morton Heiling研制的Sensorama Simulator 多感官刺激的立体刺激设备。该设备拥有图像、振动、声音、气味等感知性能，此时还处于非交互式系统。另外一个学者Sutherland有着VR的先锋之称，他在IFIPS会议上发表The Ultimate Display，提出了计算机图形学的核心概念。他在文章中谈论到，可以把显示屏幕设想为一个窗口去观察虚拟世界，并能使观察者达到一种身临其境的感觉。Sutherland于1968年在哈佛大学组织开发了第一个计算机图形头盔显示器（HMD）及与之相匹配的头部跟踪仪器系统，从而标志着虚拟现实技术发展史上的一个里程碑。他于1970年来到了犹他大学继续进行HMD的研制，经过努力终于研制成了第一个HMD。虽然质量非常的大，但是时至今日，仍然可以看得到它的缩影。HMD的研制具有初始意义的虚拟现实技术，这个阶段也被称为虚拟现实技术的萌芽阶段。

第二个阶段：虚拟现实技术的发展阶段。20世纪80年代，一些研究人员陆续研制了比较实用的虚拟可视环境头盔、数据手套、数据服、立体音响等设备。到1986年，Warren Robinett在Virtual Environment workstation中指出：NASA'S AMES 研究中心成功研制出了第一个基于HMD和数据手套的VR系统VIEW。此系统可以提供语音、手势等交互手段，由此成为了名副其实的虚拟设计系统。它的诞生产生了重要的影响。1989年，VPL公司的创始人Jaron Lanier提出了“Virtual Reality（即虚拟现实）”一词，意思是为计算机产生三维交互环境，在其使用环节中用户能够“投入”到这个环境中去。从此，“VR”引起社会广泛的关注和丰富的想象。

第三个阶段：成熟时期。从20世纪90年代一直发展至今，虚拟现实技术得到了全面的发展，出现了许多优秀的开发平台，使得虚拟现实技术的硬件设备的性能也大大提高和改善。虚拟设计开始应用到各个领域。

第四个阶段：未来的发展趋势，即虚拟现实技术中力的反馈技术的发展及应用。美国NASA在1994年就开始了力觉反馈的虚拟预测环境对空间作业任务的要求的研究。在国防部高级研究计划署（DARPA）与美国航空航天局（NASA）及美国国家自然科学基金的资助下，在麻省理工学院、约翰霍普金斯大学、斯坦福大学、西北大学、华盛顿大学与哈佛大学同时开展了虚拟操作力触觉建模、力触觉再现及力触觉生理和心理机制等多方面的研究。(www.xing528.com)

国内关于虚拟现实VR技术的研究大概在20世纪90年代初期。北京航空航天大学计算机系和西安虚拟工程技术研究中心是国内最先开始研究该项技术的机构，并在VR视觉接口方面取得了一定的成果。随后北京大学和清华大学也开始这方面的研究，并且也取得了一定的研究成果，如清华大学的QuickTime技术实现了大全景的VR制作，使该技术能在全国范围得到广泛的应用。虚拟触觉设计系统大概是20世纪90年代初期才起步。具体来说，可以分为如下三个区域：

第一个区域是西北地区，是以西北工业大学的孙根正和侯增选为代表的研究者们。设计人员在计算机虚拟环境中能够像传统的汽车油泥建模过程一样完成汽车虚拟油泥模型造型过程，设计人员利用虚拟造型工具（如虚拟刮刀、虚拟刮板等），通过刮削、填补、刮补等方法完成对虚拟油泥模型的操作。此前，在造型过程中，由于没有引入力的反馈等技术，使得在其造型的过程中缺少力觉，与此同时，加大了造型过程中的控制难度，降低了造型过程中的真实感。

第二个区域是华北地区，以北京航空航天大学张玉茹教授为代表的研究者们，现已经将力反馈技术应用到CAID中改变造型及虚拟雕刻技术中。相比国内在医学领域对力反馈技术的研究和应用方面，他们不但起步早，而且研究较深。而中国人民解放军总医院的郭光友教授曾经两次在国家自然科学基金的资助下对力反馈技术在外科仿真手术中的应用进行了研究，并发表了相关研究成果。

第三个区域为东南地区，以浙江大学CAD&CG的国家重点实验室为代表的研究者们。他们开发了一整套桌面型虚拟建筑环境时的漫游系统。