论虚拟现实技术的应用与发展
【摘要】
本文介绍了虚拟现实技术的主要技术和应用，并结合作者本人参加的国家重点实验室的自然科学基金项目，重点讨论了基于图像的建模与绘制在虚拟现实中的重要地位与应用，详细分析了近15年来国际上基于图像的建模与绘制技术的发展状况与当今世界上最先进的研究热点，并详细阐述了作者在国家重点实验室精心基于图像绘制技术科研工作中所参与的系统开发。文章最后，说明了作者所参加的科研项目的开发成果，并简单介绍了作者在试验项目中所发表的论文，对未来几年中虚拟现实技术的发展趋势作出了较为科学的预测并提出了作者本人独到的见解。
【正文】
虚拟现实技术是当前科学研究的热点，同时也是国家大力支持发展的核心技术之一。所谓虚拟现实，就是通过计算机等虚拟手段来构造一个非常接近真实世界的虚拟环境，它主要体现在视觉、触觉、嗅觉等方面的逼真模拟来达到高度的沉浸性，也就是如我们通常所说的“身临其境”。它涉及的领域非常广泛，包括仿真技术、多媒体技术、传感器技术以及计算机图形学等多个科学领域。同时，随着科技的发展特别是网络、计算机硬件等领域技术的完善，虚拟现实也得到了越来越多的应用。包括军事、医疗、航空航天、旅游业、建筑业、娱乐业等众多行业中，虚拟现实技术都具有广阔的应用前景。
我作为浙江大学CADLCG国家重点实验室的一名科研人员，有幸参加了多个关于虚拟现实方面的科研项目，其中国家自然科学基金项目《虚拟现实中的基于图形的建模与绘制技术》中，我投入了大量的精力，进行了广泛的学习与探索，参读了国外很多相关领域的文献，特别是近15年来SIGGRAPH大会中的精采论文，并与实验室的其他人员进行了大量的讨论，和国内外领域中的专家学者进行了多方面的交流，取得了很多实质性的进展。同时，我结合该课题在理论的探索中进行了大量的编程模拟实验，开发了一些虚拟现实系统。
我们知道，虚拟现实的一个最主要的方面就是视觉效果上的真实性，例如虚拟漫游系统。可以说，视觉上的问题解决了才能进行考虑触觉、嗅觉等方面，否则就是本末倒置，因而目前世界上大部分的科研工作都是基于视觉上的真实性进行研究的。同时，随着网络技术的发展，网络的带宽不断增加，其于Web方式的虚拟现实系统越来越成为主流，而且在美国很多先进的企业中已经得到了广泛的应用。而网络上虚拟现实的一个关键性问题就是速度，因为网络带宽相对于本地运行来说速度还是很小的，那么如何解决虚拟现实中图形的绘制速度，以达到网络显示的实时性就是一个非常重要的课题。我们也了解到，传统的建模是基于几何的，这导致当场景较为复杂时计算量过大，特别是要处理物体表面材质时，几何贴图一来真实性不高，二来速度过慢，几乎没有达到网络实时性的可能。对于大部分PC机客户，更是不能在网上欣赏到逼真的虚拟现实场景。因此，世界上一些科研人员就提出了使用基于图像的建模与绘制的方法。因为图像是真实世界的拷贝，逼真度高，而计算量又很小，可以满足普通PC机的用户以及当今网络带宽的需要，很好地达到虚拟现实场景的实时绘制。
基于图像的绘制技术(image-basedrendering,IBR)最早由AppleCompany的EricChen提出，他早在80年代初就在SIGGRAPH上发表论文介绍了他的图像拼接理论，次年又基于该理论开发出了Apple著名的QuickTimeVR系统，并在当年的SIGGRAPH上发表论文详细地介绍了该系统，在当时的计算机领域引起了极大的轰动。该系统的主要手段是用多点拍摄的8张图片，进行无缝拼接算法整合成一张360°的环视图像。我在实验室进行相关的科研时，参与了一个类似的系统开发，当然，时隔多年，我们又在原来的EricChen的理论基础上，结合最新的科研成果，使用更好的算法开发我们的系统。关于该系统的开发方法，本文后面将有详述。在EricChen之后，又有很多世界顶级的科研人员不断在SIGGRAPH上发表论文，以向世人告知他们的最新研究成果，现在IBR已经成为每年SIGGRAPH中一个重要议题，每年都有4～6篇论文发表。例如基于特殊点之间进行转换的Morphing技术，基于全光场理论的光场建模绘制技术，基于图像拼图的拼接技术，基于人机交互的辅助技术等，都在一段时间内取得了巨大的成功。特别是拼图技术和全光场理论带来的各种基于光场的技术，在最近的3年内主导了国际上IBR领域甚至虚拟现实领域的主要发展方向。
我在实验室从事相关领域的科研工作之时，主要是进行了大量的理论学习与研究，当然也开发了一些虚拟现实系统。例如本文前面提到的类似于QuickTimeVR的系统。在此系统的开发中，基础的理论已