基于虚拟现实技术的综述外文翻译资料

 2022-08-19 04:08

A Review on Virtual Reality

Pallavi Halarnkar1, Sahil Shah2, Harsh Shah3, Hardik Shah4, Anuj Shah5

1 Department of Computer Engineering, NMIMS University

Mumbai, Maharashtra 400056, India

2 Department of Computer Engineering, NMIMS University

Mumbai, Maharashtra 400056, India

3 Department of Computer Engineering, NMIMS University

Mumbai, Maharashtra 400056, India

4 Department of Computer Engineering, NMIMS University

Mumbai, Maharashtra 400056, India

5 Department of Computer Engineering, NMIMS University

Mumbai, Maharashtra 400056, India

Abstract

Virtual Reality is a major asset and aspect of our future. It is the key to experiencing, feeling and touching the past, present and the future. It is the medium of creating our own world, our own customized reality. It could range from creating a video game to having a virtual stroll around the universe, from walking through our own dream house to experiencing a walk on an alien planet. With virtual reality, we can experience the most intimidating and gruelling situations by playing safe and with a learning perspective. In this review paper, we present our survey about virtual reality: the levels of virtual reality, the components used, the factors affecting the virtual environment, its origin, future and the challenges to overcome in order to obtain an impeccable virtual reality experience.

Keywords: Levels of Virtual Reality, Immersive Virtual Reality, Image Resolution, Frame Rate, Latency, HMD, CAVE, Virtusphere.

1. Introduction

Virtual Reality (VR) is a computer-simulated environment. It simulates a personrsquo;s physical presence in the real and imaginary world. It is a fully-immersive, absorbing, interactive experience of an alternate reality in which the participant feels totally immersed in the environment by means of special human-computer interface equipment. Users can feel and touch simulated objects in that environment, giving the perception that these objects really do exist. They can interact with the virtual environment either through the use of standard input devices such as a keyboard and mouse, or through multimodal devices such as a wired glove, polhemus boom arm, and/or omni-directional treadmill. Thus, users interact with real-time virtual 3D objects in an intuitive amp; natural way, perceiving them as real and getting to understand, analyze and communicate [1].

2. Levels Of Virtual Reality

There are mainly three levels of Virtual Reality [2]:

2.1 Non-immersive

This level is normally experienced on a desktop computer, where the virtual environment is generated without any specific use of hardware or other processes. It can be used for training purposes. If the equipment is available, almost any scenario can be simulated, which eliminates any imminent dangers. Flight simulators can allow pilots to experience and prepare for situations that cannot be implemented or are hazardous and costly to be implemented in real world training. The illusion of being immersed is generated by responsive computer generated characters and actions that can be taken by the user [2].

2.2 Sensory-immersive (Semi-immersive)

In this method modeling of the real environment plays an important role in various virtual reality applications, such as robot navigation, construction modeling and airplane simulation. The user can navigate a visual representation of him within the virtual environment [2]. A common existing example is the CAVE which is a 10rsquo;x10rsquo;x9rsquo; cube in which the user is surrounded by projected images; this provides the illusion of immersion in the virtual environment [3].

2.3 Neural-direct (Fully Immersive)

Neural-direct is the essential concept and the ultimate goal to achieve for virtual reality. This kind of Virtual Reality represents an immersion into a world where the human brain is directly connected to a database and the viewerrsquo;s current position and orientation. It neglects the equipment and the physical sense altogether and projects a sensory input directly into the brain while continuously projecting the userrsquo;s conscious directly into the virtual world [2].

3. Virtual Reality System

Virtual reality technology is a man-machine conversation technology that produces living simulating environment and simulates diversified behaviour such as exploration and interaction with the environment..

3.1 Components

Fig. 1 Components of Virtual Reality

Figure 1 from [6] depicts the most important parts of the human (to) computer (to) human interaction loop fundamental to every immersive virtual reality system. The user is equipped with a head mounted display, tracker and optionally a manipulation device, for example a wand or a 3D mouse shown in the figure. As the human performs actions like strolling, rotation of head in order to change his viewpoint, description of the data of the userrsquo;s behaviour is provided to the computer as an input from the input devices. The computer processes information in real-time and renders appropriate result or output that is passed back to the user by means of output displays.

3.2 Design

As figure 2 illustrates, a typical VR system which consists of the following six main components:

1) Virtual World

2) Simulation

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基于虚拟现实技术的综述

Pallavi Halarnkar1, Sahil Shah2, Harsh Shah3, Hardik Shah4, Anuj Shah5

1计算机工程系,NMIMS大学

孟买,马哈拉施特拉400056,印度

2计算机工程系,NMIMS大学

孟买,马哈拉施特拉400056,印度

3计算机工程系,NMIMS大学

孟买,马哈拉施特拉400056,印度

4计算机工程系,NMIMS大学

孟买,马哈拉施特拉400056,印度

5计算机工程系,NMIMS大学

孟买,马哈拉施特拉400056,印度

摘要

虚拟现实是我们未来的主要资产和趋势。它是体验、感受和触摸过去、现在和未来的关键。它是创造我们自己的世界,一个我们自己定制的现实的媒介。它可以创建一个在视频游戏范围内漫步于虚拟的宇宙中,在外星上体验一下走在自己的梦想之家中的感觉。通过虚拟现实,我们可以从学习角度上去以不冒险的安全方式来体验一下最可怕和最令人疲累的境况。在这篇综述文章中,我们呈现出我们对于虚拟现实的审视:虚拟现实的水平,使用的组件,都是影响虚拟环境的因素,它的起源,发展以及克服各种挑战以获得一个无可挑剔的虚拟现实体验。

关键词:虚拟现实的水平,身临其境的虚拟现实,图像分辨率,帧速率,潜在因素,HMD,虚拟球洞。

1.简介

虚拟现实(VR)是一种计算机模拟环境。它模拟了一个在真实和想象的世界上的人的物理的存在。这是一个完全沉浸,吸引人的,在交替的现实中互动体验,让参与者感觉完全沉浸在环境中的特殊的人机接口设备。在这样一个环境中,用户可以感受和触摸其中的模拟项目,给用户一种这些项目是真实存在的感觉。他们可以通过标准的输入设备与虚拟环境相互作用,如键盘和鼠标的使用进行交互,或者通过多种设备,如有线手套,Polhemus吊臂,和/或全向跑步机。因此,用户采用一个直观和自然的方式实时与三维虚拟物体进行交互,真实地感知它们并且对其加以了解,分析和交流[ 1 ]。

2. 虚拟现实的水平

主要有三个层次的虚拟现实[2]:

2.1 非沉浸式

这个水平通常出现在无需任何特定用途的硬件或其他进程便可生成虚拟环境的桌面计算机上。它可用于培训目标。如果设备是可用的,几乎任何情境都可以模拟,从而消除任何迫在眉睫的危险。一些无法实施或是由于危险和昂贵而无法在现实世界中进行的培训,飞行模拟器可以为飞行员提供体验和为这些情况做准备的机会。沉浸在幻想中由计算机生成的特征和行为也可以被用户采取 [ 2 ]。

2.2感觉沉浸式(半沉浸式)

这种在真实环境建模的方法,在各种虚拟现实技术的应用中起着重要的作用,例如机器人导航,建筑造型和飞机仿真。用户可以在其所处的虚拟环境中进行可视化操作 [ 2 ]。一个常见的现有的例子是虚拟球洞,是被投影图像包围的用户置身于10x10x9立方体;在虚拟环境中提供沉浸感幻觉[ 3 ]。

2.3神经指导(完全沉浸式)

神经指导是实现虚拟现实的本质概念和终极目标。这种虚拟现实所呈现的沉浸是在一个人类的大脑通过直接连接到一个数据库和观众的当前位置和方向所形成的世界。它忽视了设备和物理感觉与项目的感官输入,直接进入大脑而不断突出用户的意识以直接进入虚拟世界[ 2 ]。

3.虚拟现实系统

虚拟现实技术是一种人机交互技术,生产现有的环境的模拟和多样化行为的模拟,例如与环境的探索和互动。

3.1组件

图1虚拟现实的组件

图1来自于对每一个沉浸式虚拟交互系统人机重要交互循环圈的最重要的部分的描画 [ 6 ] 。用户配备头盔显示器,跟踪器和任选的操纵装置,例如一根棒子或如图中所示的3D鼠标。基于人类喜欢漫步这样的动作,为了改变他的观去点头旋转,对用户的行为数据的描述会提供给计算机的输入设备进行输入。通过输出显示器,计算机处理的实时信息和合适的结果或输出会回传给用户。

3.2设计

如图2所示,一个典型的虚拟现实系统包括以下六个主要部分组成:

1)虚拟世界

2)仿真引擎

3)图形引擎

4)用户界面

5)用户输入

6)用户输出

图2 虚拟现实的内部和外部设计

在虚拟世界中,图形引擎,仿真引擎和用户界面作为虚拟现实系统的内部组件;用户输入和用户输出作为虚拟现实系统的外部元件。虚拟世界是一个由各种几何表现的场景即用户看到的环境属性的数据库所组成。这些表现的形式取决于图形和模拟引擎的使用。图形引擎负责实际生成的图像或参与者可以在虚拟现实系统中看到的东西。这主要是通过考虑到场景中的数据库和虚拟世界用户的当前位置和方向来实施,取决于用户的头部和身体的运动。仿真引擎的任务是支持,保持和模仿一个人造的(虚拟的)但看起来真实的环境。这是负责看护随着时间和对用户的行动和手势作出反应的环境行为控制。它还包括处理任何交互或对编程对象和物理模拟的性能渲染。用户界面是内部部件的一部分,充当着一个通过用户的输入和输出设备连接虚拟世界,仿真和图形引擎的中间部件 [ 5 ]。

3.3 重要因素

虚拟现实的四个重要因素分别是:

3.3.1 虚拟现实

基于虚拟环境的主要目的是模拟现实世界,我们必须了解如何“欺骗用户的感觉”。这个问题非常复杂:一方面要提供给用户一个逼真感觉的沉浸感,另一方面这种解决方案必须是可行的[ 5 ]。

3.3.2 图像分辨率

通过计算机制作的图像是由不同的像素或图像元素组成的。它们的大小和数量取决于不同的显示器的尺寸和分辨率。像素不能在更高的分辨率的屏幕上连续地显示使用户辨识。图像分辨率主要由色彩的明度和用户在虚拟环境中所看到的阴影组成。由于每个像素需要独特的照明的颜色和强度的量,图形系统承担着重大负担[ 5 ]。

3.3.3帧速率

为了实现连续、流畅的画面的目标,一个老式的图像需要被一个以更高速率生成的新的图像所代替,即换个具有高频率的系统。该系统依赖与人类的视觉暂留现象。我们通常把系列图像连续放映的速度超过20Hz称为临界融合频率(CFF)。为了达到这个速度,系统要更换一个新的超过每秒20次的图像,然而,这增加了系统的负担[ 5 ]。

3.3.4延迟

延迟,也被称为滞后,是在处理虚拟设置中现实和耐受程度的重要因素。它是参与者的行动和相关的应用程序的响应之间的延迟的诱因。在现实世界中,人的感官都习惯了他们在各种情况下的行动一定的反应速度。在虚拟的环境中保持同样的速度是很有必要的,否则用户的感官会因为该环境与用户在真实世界使用的大脑起冲突而感到困惑。如果在虚拟环境中花太长时间来给予用户确定的效果而使真实性丢失,用户将会在该环境中做出不同的反应。因此,每一个虚拟设定的目标是保持相对于现实尽可能低的延迟 [ 5 ]。

3.4虚拟现实系统中的导航和操作

操作任务涉及选择和移动对象。用户需要用手直接操作使得用户可以重置或调整对象来操纵虚拟对象。一旦对象被选择,用户必须能够移动,旋转,测量,改变属性等。这是通过定义特殊的按键或手势获得的[ 12 ]。

导航任务包括两个主要组成部分[ 12 ]:

3.4.1行进

它涉及到从当前位置到想到达的地点。

3.4.2 路径寻找

它是指寻找和设置路线,在虚拟环境中得到一个旅行的目标。

4. 虚拟现实技术的制造

4.1初期

这个虚拟体验设备引进,奠定了该技术对人类可以创造自己的虚拟环境的道路产生的深远影响。

4.1.1 传感影院

传感影院包含了一个精心设计的让用户感觉好像他在电影之中的元素融合。

这些元素分别是:

bull;投影胶片

bull;振动

bull;气味

bull;音频

bull;风

传感影院将观众放置于一个一人的剧院。观众的体验,包括三维立体彩色胶卷对真实运动认知的补增,在面对自然的声音和风,加上虚拟环境中被看到的气味。整个经历是预先录制,为用户进行回放[ 4 ]。

4.1.2头盔显示器(HMD)

在1956年创造出传感影院的Morton Heilig,也发明并获得专利的一种装置,被称为头戴式显示器(HMD)。CRT组件连接到HMD的头盔是由用户佩戴。头盔根据安装的磁跟踪系统的帮助来计算头的方向。[ 4 ]。

4.2 现状

虚拟现实开始随着研究领域的进步和新技术的发明而被应用。虚拟现实将会引起新的与信息交流的手段和艺术观念。

4.2.1虚拟球洞

洞穴虚拟现实剧院是一个基于投影的系统。它由一个10立方英尺的立方体的屏幕上的图形投影组成。这种设置引导观众产生这是一个真实设定的幻觉。观众探索虚拟环境漫游在洞穴的空间。头部和手部跟踪系统提供了从用户的角度准确的透视投影来确定用户的正确的位置和方向。这些设备是用于与虚拟世界的控制作用。视觉效果的视频剪辑的声音效果和图形也用于提供声音反馈给在虚拟世界更真实的体验。洞里有四个屏幕,三周围的墙壁和地板[ 4 ]。

图3 虚拟球洞(洞穴自动虚拟环境)

4.2.2建筑

从虚拟现实承诺的水平必须以工程建设和产业结构的整体水平来证明。虚拟现实原型结构设计给周围环境的架构和探索一定的自由度,在实际建筑设计之前进行修改,这样就可以节约时间和大量的成本。在虚拟世界,用户可以没有局限地处于任何方向,。一个人可以毫无阻碍地穿过墙体和门[10]。

4.2.3 .医学

虚拟现实系统显著减少了外科手术后的并发症。这个优势是由头盔显示器所提供的,头盔显示器可以使病人体内的重要区域通过操作清晰地呈现出半透明状态或者透明状态。这使得外科医生能够更容易地在身体的正确区操作,从而使患者的生命相当安全[ 7 ]。虚拟现实可以用于规划放射治疗的癌症患者。虚拟现实技术的奇迹,它甚至跨越残疾的的障碍,使他们克服自身不足。四肢瘫痪者使用VR技术仅仅在电脑屏幕前使用他们的眼睛或面部表情即可移动想移动的对象。生物传感器对操控机器人也是可用[ 5 ]的。

4.2.4教育

取代了过去阅读国外的信息或看视频录音程序,学生现在可以探索新世界如外国国家,古时代,或人体。虚拟课堂的概念亦可以应用于远程电视会议。远程电视会议可以考虑到在不同地方的人可以以虚拟课堂的形式展开积极地讨论 [5]。

4.2.5娱乐

虚拟现实,截至目前,获得利润的主要应用在娱乐。游戏业这个层面对虚拟现实领域产生了巨大的影响,因为游戏产业的受众是庞大的。用户可以站在传感器垫上躲避和迂回来玩Xbox,看到他扮演的角色与电脑里的拳击手打斗的动作反映在电脑上。同样,在一些游乐场和主题公园的游乐设施中也有人把自己局限在所谓的小屋坐在椅子上,倾斜,摇晃,在屏幕中伴随着音效颠簸,模拟过山车[ 8 ]。

4.3未来

虚拟现实技术将彻底改变人类的沟通和工作。虚拟现实技术的支持者认为,这将大大增强教育,科技,工业,艺术,娱乐行业,因为它已经开始这样做了。他们说这将简化许多任务和让人们以新的方式表达他们的创造力[ 8 ]。许多人总有一天看到VR系统的精髓。

4.3.1虚拟球

图4 虚拟球

虚拟球是一个虚拟现实运动模拟器。这将极大地改变我们的游戏和在虚拟环境的互动。这悠波球看起来像是装在一个专用支架,它允许自由运动和定在它的所属范围内。10英尺的空心球具有足够的空间,由用户做出的任何运动都将模仿到虚拟世界[ 8 ]。这允许用户自由移动360度创造最身临其境的虚拟体验。当用户沉浸在虚拟环境也能够导航(即走和跑)因为佩戴了头盔显示器。如果用户走在悠波球中,那他也走在虚拟的环境中;如果用户在悠波球中跑,那么他也在虚拟的环境中跑;因此虚拟环境在复制用户在真实世界的运动。因此,一个虚拟球的最大的优点是,硬件设置根本不需要任何改变,随着其他硬件组件,提供了充分的行动自由虚拟球。因此,虚拟球提供了灵活性,强调对虚拟场景的设计为不同的应用[ 9 ]。传统的PC和控制台游戏在一个静态的物理位置。虚拟球可能结合已有游戏允许玩家被连接到一个更积极,或自由的环境,从而创造一个身临其境的体验活动。

4.3.2工程

即将到来的时代是,几乎每一个工程项目将有灵活性和自由设计的大型虚拟现实的蓝图或模型,可以尝试实现小规模的模型在现实世界中的风险,以便在实际工程的经验可以感觉到,看到,和改进安全。这将给工程带来更高层次的成功也极大地提高了工程的速度和安全。例如,在制造业中,可以模拟多快车会磨损超过使用期限,如何以最有效的方式进行修理,从而节省金钱和艰苦的努力。在电子网络的进步下,虚拟工作台将在遥远的世界各地的位置为工程师在团

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