1、虛擬現實結課作業班級：學號：姓名：學科、專業：機械工程成績：摘要本文綜述了虛擬現實技術在機器人領域應用的最新進展。分析了虛擬現實技術的研究背景和狀況。重點介紹了作為遙操作界面、機器視覺三維表示、系統仿真方面的應用實力和發展狀況。分析了相應的發展前景,并對當前虛擬現實技術應用中出現的問題提出了建議。關鍵詞虛擬現實,機器人學,遙操作,三維重建,仿真1虛擬現實技術的概念及特征虛擬現實（Virtual Reality），是以沉浸性、交互性和構想性為基本特征的計算機高級人機界面。它綜合利用了計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術，模擬人的視覺、聽覺、

2、觸覺等感覺器官功能，使人在計算機生成的虛擬境界中，通過語言、手勢等自然的方式與之進行實時交互，創建了一種適人化的多維信息空間。概括地說，虛擬現實是一種探討如何實現人與計算機之間理想交互方式的技術。虛擬現實的主要特征是：多感知性、浸沒感、交互性、構想性。（1）沉浸性。沉浸性是是指觀察者對虛擬世界的情感反映，虛擬現實通過計算機生成一個非常逼真的虛擬世界，用戶利用視覺、聽覺、觸覺來感受這個虛擬世界中所發生的一切，在虛擬從事機械創新設計環境中產生一種身臨其境的感覺。（2）交互性。虛擬現實系統中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標進行交互，還可以運用多種交互手段（數據手套、聲

3、音命令等），支持更多的設計行為（建模、仿真、評估、預測等）。虛擬現實能對用戶的輸入作出響應，同時可以通過監控裝置來影響用戶和被用戶影響。（3）多感知性。由于虛擬現實系統中裝有視、聽、觸、動覺等的傳感及反應裝置，可以使用戶感受視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等多種信息，發揮人的多種潛能，增加設計的成功性。（4）實時性。實時的參與、交互和顯示，把人的活動提升到人機融為一體的積極主動活動，構成融入性的智能開發系統。2 虛擬現實系統的分類根據虛擬現實所傾向的特征的不同，目前的虛擬現實系統可分為 4 種：桌面式、增強式、沉浸式和網絡分布式虛擬現實系統。（1）桌面虛擬現實系統利用 PC 機或中、低檔工作站作虛擬環境

4、產生器，計算機屏幕或單投影墻是參與者觀察虛擬環境的窗口，由于受到周圍真實環境的干擾，它的沉浸感較差，但是成本相對較低，仍然比較普及。（2）沉浸式虛擬現實系統主要利用各種高檔工作站、高性能圖形加速卡和交互設備，通過聲音、力與觸覺等方式，并且有效地屏蔽周圍現實環境 （如利用頭盔顯示器、3 面或 6 面投影墻），使得被試完全沉浸在虛擬世界中。（3）增強式虛擬現實系統允許參與者看見現實環境中的物體，同時又把虛擬環境的圖形疊加在真實的物體上。穿透型頭戴式顯示器可將計算機產生的圖形和參與者實際的即時環境重疊在一起。 該系統主要依賴于虛擬現實位置跟蹤技術，以達到精確的重疊。（4）網絡分布式虛擬現實系統由上述

5、幾種類型組成的大型網絡系統，用于更復雜任務的研究。 它的基礎是分布交互模擬。3虛擬現實在機器人領域的適用方面虛擬現實技術作為可視化工具在機器人領域,已經有廣泛的應用。比較著名的系統包括美國ARPA計劃中的火星遙操作機器人,NASA和威斯康星大學共同研制的水下機器人仿真系統,日本東北大學研制的具有時延共享的移動機器人遙操作界面。虛擬現實技術在機器人學中的應用主要集中在以下幾個方面:作為遙操作界面,可以應用于半自主式操作;作為機器視覺中自動目標識別和三維場景表示的直觀表達;建立具有真實感的多傳感器融合系統仿真平臺。（1）遙操作界面遙現可以定義為人的感覺器官在遠端的延伸。人的感覺能通過虛擬現實的I/

6、O設備得到增強,同時虛擬現實的三維圖形數據適于低帶寬、大延時的網絡通訊。美國NASA Ames的智能機器小組(IME)長期從事機器人和人機界面的研究。1993年,他們研制的遙操作車(TROV)在南極區的McMudo的科學考察站附近的Ross冰洋實驗成功,給人們以極大的鼓舞。遙現的應用是機器人學和虛擬現實技術相結合的產物。遙現系統是被用來在遠距離操縱真實的設備而不是與虛擬物體相交互,并且使操作員產生一種“臨場感”進而對控制器進行操作。因此需要提供一個高度直覺的交互式機器人控制界面。這一方面的研究的主要困難在于控制上由于長距離的信號傳輸而造成的延遲。NASA另一部分研究人員還從事火星探測遙操作機器

7、人的研制。這種機器人不僅僅能夠橫穿地面,也進行地質學的勘測研究。這個項目的研究重點在于如何使得操作員能夠自如地控制遠端的機器人,而不必考慮潛在的延遲有多大。另外,NASA還應用虛擬環境技術對水下機器人提供控制,來對傳輸延遲問題進行系統的研究。虛擬現實作為遙操作界面的另外一個原因是隨著室外移動機器人領域的研究近年逐漸轉向半自主而提出的。半自主式移動機器人是在由于完全自主的移動機器人的研制過程中遇到的諸多問題在當前的技術狀況下難以解決的情況下提出的。但是,半自主機器人并不是一種技術上的倒退,而是站在一個嶄新的角度,采用新的技術以彌補當前機器人行為決策和規劃過程中的缺陷。在這方面的具體研究實例有,日

8、本東北大學研究的具有時延共享的自主式移動機器人。為了克服延遲問題采用了分布式智能結構,把決策級的操作分解到機器人本身的自主機制和遠端的控制站的操作員上。使得有較強的實時性和較高魯棒性的超聲避障等行為能夠在遠端自主執行,而路徑規劃等需要人為參與決策的行為通過遙控的駕駛命令進行控制。由此看出,半自主式機器人是依賴于多傳感器信息融合技術輔助操作員操縱機器人,減少操縱人員的工作強度。因此,這種技術的研究在汽車自動駕駛領域,有著較強的實用性和較好的應用前景。（2）三維場景的表達和自動建模虛擬現實的另外一個快速發展的研究領域是機器視覺領域。也正是國際上虛擬現實技術研究的熱點。我們可以從卡內基梅隆大學在這一

9、領域的研究略窺一斑11。卡內基梅隆大學的虛擬現實研究分為10個方向,大部分研究的應用背景和最終目的都是通過視覺手段得到三維場景的描述,然后以虛擬現實的手段加以表示。例如基于計算機視覺的增強現實系統;跟蹤三維目標,并計算目標的位置;從錄像帶建立實體模型;從真實環境的觀測來建立環境模型,并完成室內環境的自動構造;由光反射屬性來建立環境模型;真實場景的虛擬化。從本質上看,虛擬現實可以看成是視覺領域借助于圖形學技術的一種表達方式。視覺處理一般來說分低層視覺處理、中層視覺處理、高層處理3個層次。高層處理指場景的語義表達和場景表達。從視覺的角度看,虛擬現實技術可以看成是視覺的高層處理的場景表達。在文中給出

10、了這樣一個例子。其他的表達方式還有謂詞方式表達等。與虛擬現實的方式相比較,其表達方法從直觀性上和方式上,都顯得略遜一籌。從另外一個角度講虛擬現實作為視覺的高層表達依賴于三維重建問題。虛擬現實的場景模型數據是虛擬現實技術的基礎。通過手工建立模型的工作量是驚人的。人們希望通過自動方式得到數據模型,而攝像機是一個理想的數據來源。其他的方式還有衛星遙感照片和三維激光雷達等。隨著自動目標識別和三維重建技術的發展,通過攝像機攝取的圖像,自動建立模型的技術已經逐漸走向市場化。例如加拿大的Eos Systems公司的基于視覺的三維自動建模軟件系統PhotoModuler14。但是,尋找基于低成本的硬件平臺,同

11、時具有較高的魯棒性和實時性的算法仍是這一領域的難點。（3）基于虛擬現實的仿真平臺當前的移動機器人的傳感器體系結構愈來愈朝著多傳感器信息融合的方向發展。但是,以往的機器人傳感器仿真是對單傳感器進行仿真,尤其是視覺和激光雷達等傳感器難以通過數學模型進行仿真。對于基于信息融合的導航規劃任務,就很難通過單傳感器仿真來實現算法的調試和研究。理想的仿真系統是能夠對視覺、超聲等傳感器集成仿真,產生真實的動態的、實時的傳感器反饋。目前,國際上有許多的研究單位在這一領域進行不同層次的研究。美國田那西州立大學在1991年研制出一套三維交互式機器人仿真系統,對視覺傳感器,激光雷達傳感器等在三維環境下仿真。但是,由于

12、80年代虛擬現實研究剛剛興起,虛擬現實的軟、硬件平臺還不成熟,效果不很理想。進入90年代,國際上有許多單位在這一領域展開研究。較為著名的有NASA的水下機器人的虛擬現實仿真系統。NASA的水下機器人仿真是基于SGI圖形工作站和Inventor軟件平臺的分布式仿真系統。主要仿真的傳感器是超聲傳感器,模擬在水下不同深度和溫度情況下的超聲行為。在這個工作中系統的總結和研究了傳感器可視化仿真的方法。在對傳感器的仿真過程中,尤其希望能夠對視覺傳感器進行實時的、動態的仿真。但是,由于對視覺仿真的過程中,隨著攝像機的角度和位置的變化,產生的畫面也在不斷的變化。預先存儲所有的場景畫面是不可能的。許多人嘗試通過

13、光線跟蹤等圖形學算法來產生真實的畫面,或者借助于PhotoRealistic技術產生照相質感的畫面。實際上,我們從事仿真的目的是為決策算法的測試提供一組實時傳感器反饋數據,而不是檢驗濾波、抽邊等圖像處理算法的效果。如果單純為檢驗后者,完全沒有必要為此而設計仿真系統。所以,畫面的真實程度只需要滿足高層的視覺處理,沒有必要達到與真實世界完全無異的程度。從這一角度講,當前的虛擬現實軟硬件平臺的水平已經完全達到了。其他的虛擬現實的仿真平臺還有夏威夷大學的全方位智能導航系統。卡內基梅隆大學機器人研究所的高速公路仿真系統。4展望與發展趨勢虛擬現實技術的起源和發展都得益于許多機器人技術,例如傳感器技術。反過

14、來虛擬現實技術又為機器人領域提供了一個強有力的技術手段。當前,世界上已經有許多的研究人員從事這些方面的工作。有的剛剛起步,有的已經卓有成效。雖然已經開發出許多實驗性系統。但是,在實際中的虛擬現實技術的應用仍存在有許多困難。首先,新的人機界面方式需要使用者逐步適應。其次,我們還缺乏對人類本身的認知過程的理解。這幾個問題已經成為虛擬現實技術發展的主要障礙。當前,國內的虛擬現實技術在機器人領域的研究剛剛起步,未能廣泛的開展。而國際上對這一領域的研究還局限于機械手,水下機器人,空間飛行器和陸地上障礙物較少的地面環境的移動機器人。這主要是由于機器人技術本身對環境感知的能力還很有限,尤其是視覺領域對環境的

15、實時建模的技術還不成熟。相信,隨著計算機技術和相關技術的發展,虛擬現實技術會隨著這些問題的解決得到進一步的完善,而走向實用化。縱觀虛擬現實技術這 30 多年來的發展歷程，VR 技術的未來研究還是遵循“低成本、高性能”這一主線，從軟件、硬件上分別展開，有以下幾個主要發展方向：（1）動態環境建模技術。 虛擬環境的建立是 VR 技術的核心內容， 動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。（2）實時三維圖形生成和顯示技術。 三維圖形的生成技術已較成熟，而關鍵是如何“實時生成”。 在不降低圖形的質量和復雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是

16、今后重要的研究內容。 此外，VR 還依賴于立體顯示和傳感器技術的發展，現有的虛擬設備還不能滿足系統的需要，有必要開發新的三維圖形生成和顯示技術。（3）新型交互設備的研制。 虛擬現實能讓參與者用人類自然的技能與感知能力與虛擬世界中的對象進行交互作用，使之身臨其境，借助的輸入輸出設備主要有：頭盔顯示器、數據手套、數據衣服、三維位置傳感器和三維聲音產生器等。 因此，新型、便宜、魯棒性優良的數據手套和數據服將成為未來研究的重要方向。（4）智能化的語音虛擬現實建模。VR 建模是一個比較繁復的過程，它的建立需要開發人員花費大量的時間和精力。 為了解決這個問題，可以考慮將 VR 技術與智能技術、語音識別技術

17、結合起來。任何模型都包含有模型的概念、模型的描述、模型的功能約束條件、模型的空間和模型的多種形態等基本特征說明。這些信息若用計算機語言來編寫說明有時會顯得不很方便甚至無法表達清楚，而且工作量也非常大。 而人類的語言可以容易地描述任何簡單或復雜的事物，因此，利用語音識別技術將人類對模型的屬性、方法和一般特點的描述轉化成建模所需的數據，然后利用計算機的圖形處理技術和人工智能技術進行設計、導航和評價，即將基本模型用對象表示出來，并符合邏輯地將各種基本模型靜態或動態地連接起來， 最后形成系統模型，在各種模型形成后進行評價并給出結果，最后由人直接通過語言來進行編輯和確認。（5） 大型網絡分布式虛擬現實的

18、應用。 網絡分布式 VR 將分布于多個地點的 VR 系統或仿真器通過局域網或廣域網聯結起來， 采用協調一致的結構、標準、協議和數據庫形成一個在時間和空間上互相耦合的虛擬 合成環境，參與者可自由地進行交互作用。 目前，分布式虛擬交互仿真已成為國際上的研究熱點，是今后虛擬現實技術發展的重要方向。 隨著眾多 DVE 開發工具及其系統的出現，DVE 本身的應用也滲透到各行各業 ，包括醫療 、工程 、訓練與教學以及協同設計。相繼推出了 DIS、HLA 等相關標準。網絡分布式 VR 在航天中極具應用價值，例如，國際空間站的參與國分布在世界不同區域，分布式 VR 訓練環境不需要在各國重建仿真系統，這樣不僅減少了研制費設備費用，而且也減少了人員出差的費用和異