虚拟现实文献综述

《VRML虚拟现实技术在数字校园系统中应用研究》文献综述 摘要：教育部在一系列相关的文件中，多次涉及到了数字校园，阐明了数字校园的地位和作用。虚拟数字校园模拟真实世界，提供了一个生动的校园空间。将虚拟现实技术应用在数字校园系统的开发，有助于大学自身的宣传和信息的高度集中、配置和互动。它在数字校园的应用，可以大大提高校园展示效果，也能够体现校园个性方面的优势，对校园今后的推广及展示带来非常大的帮助 关键词：虚拟现实；数字校园；基本概况

前言

教育部在一系列相关的文件中，多次涉及到了虚拟校园，阐明了虚拟校园的地位和作用。建设虚拟三维数字校园可以比较直观的了解校园的各个区域，在这个三维的校园里，空间次序的视觉理解和感知变得非常容易，使浏览者对校园环境产生身临其境的感觉[1]，其中的教学楼、实验楼、图书馆、宿舍楼、食堂、道路及绿化地带和种植的植物，都栩栩如生的呈现在我们的眼前，三维虚拟校园模拟真实世界，提供了一个生动的校园空间。三维虚拟校园可直接嵌入到大学的网站，直接通过网络浏览器察看，其丰富的、人性化的信息查询等功能，有效提高大学的美誉度，有助于大学自身的宣传和信息的高度集中、配置和互动。三维虚拟校园的直观特性，可以优化领导管理，对于校园信息管理、校园规划、建设等能够全局掌控。

一、虚拟现实技术的发展状况的研究

虚拟现实（Virtual Reality）技术是20世纪90年代初崛起的一种实用技术，它由计算机硬件、软件以及各种传感器构成三维信息的虚拟环境，可以真实地模拟现实中能实现的物理上的、功能上的事物和环境[2]。在虚拟现实环境中可以直接与虚拟现实场景中的事物交互，产生身临其境的感受，从而使人在虚拟空间中得到与自然世界同样的感受。该技术的兴起，为科学及工程领域大规模的数据及信息提供了新的描述方法。虚拟现实技术大量应用于建筑设计及其相关领域，该技术提供了“虚拟建筑”这种新型的设计、研究及交流的工具手段[3]。

在虚拟现实的发展过程中总结出虚拟现实系统应具有以下四个特征：（1）多感知性。指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知、甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。（2）存在感。指用户感动作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度。（3）交互性。指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。（4）自主性。指虚拟环境中物体依据现实世界物理运动定律动作的程度[4]。

虚拟现实技术自诞生以来，其应用一直受到科学界、工程界的重视，并不断取得进展，虚拟现实蕴藏的技术内涵与艺术魅力不断地激发着人们丰富的想象思维和创造的热情。从本质上讲，虚拟现实技术就是一种先进的人机交互技术[5]，其追求的技术目标就是尽量使用户与电脑虚拟环境进行自然式的交互。因此，虚拟现实技术为我们架起了一座人与数字世界沟通的桥梁。

二、虚拟现实技术在数字校园系统的应用解析

目前，数字校园存在有2个定义，并分别带来不同的研究与实践。一种定义是从信息、网络和媒体技术发展角度，数字校园被理解为一个以计算机和网络为平台的、远程教学为主的信息主体；另一个事从因特网、虚拟现实技术、网络虚

拟社区和3S技术的发展角度，数字校园被定义为对现实校园三维景观和教学环境的数字化和虚拟化，是基于对现实校园的一个三维虚拟环境，用于支持对现实校园的资源管理、环境规划和学校发展[6]。

虚拟现实技术是集影视广告，动画，多媒体，网络可以于一身的推广方式。虚拟现实技术应用在数字校园中，使用计算机技术来生成一个虚拟的三维校园环境，并赋予其可操作性，让浏览者可以与这一虚拟客体进行交流[7]，是体现校园风貌、规模和实力的象征和标志，其主要核心是协助校园推广、宣传，招生等方面的需求，主要通过以下几个方面体现：

1、直观的交流方式

应用虚拟现实技术，学校领导可通过亲身感受，评估展示方案的特点与优劣，以便做出最佳展示方案，不但可以避免决策失误，而且可以大大提高校园展示的价值，从而提高校园风貌在学生心中的形象，而且保护投资。

2、方便的设计工具

虚拟现实不仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具。它易视觉形式反映了设计者的思想，比如当在一座大楼前模拟首先要做的事情就是对这座大厦的结构，外形做细致的构思，为之定量化，还需要许多设计图，虚拟现实可以把这种构思变成看得见得虚拟物体和环境，使以往只能借助传统的沙盘[8]的设计模式提升到数字化的即看即得的完美境界，大大提高了设计和规划的质量和效率。

3、最先进的展示手段

在校园风貌展示当中，传统的做法就是印刷宣传彩页或普通的网页展示等。由于印刷彩页是平面，普通的网页是二维的，让学生无法感受到亲临学校的感觉，而且无法将校园全部展示，只能了解校园标志性建筑，无法以正常人的视角去感受校园的规划，更无法获得人在其中的真实感受。近年来效果图和三维动画已经得到普及应用。然而，效果图只能提供静态局部的视觉体验，动画虽有较强的动态三维表现力，但不具备实时交互性，观察者只能按照事先设定好的路线和角度来浏览，很被动，信息获取不够全面。校园个性方面的优势往往无法表现。

综上所述，与传统的展示方式相比较，虚拟现实解决方案的各个指标具有明显优势。它在数字校园的应用[9]，可以大大提高校园展示效果，也能够体现校园个性方面的优势，对校园今后的推广及展示带来非常大的帮助。

三、VRML虚拟现实技术在数字校园系统的应用研究

虚拟现实建模语言（VRML）源于虚拟现实技术，是20世纪末发展起来的涉及众多学科的的高新技术[10]。它是集计算机、仿真、微电子、传感与测量技术于一体的高新科技的融合。而虚拟现实建模语言（VRML）正是利用了虚拟现实，在计算机中创立一种与现实生活相同的感受，有身临其境的感觉甚至生理感受，从而实现用户与虚拟现实直接进行交互。

三维场景建模就是构建虚拟校园环境，是漫游系统设计的核心问题之一．因为VRML是一种三维造型和渲染的图形描述性语言,它把“虚拟世界”看作一个“场景”，而场景中的一切都看作是“对象”也就是“节点”，对每一个对象的描述就构成了VRL文件[11]。而要把这些枯燥的语言和符号变成动态的虚拟世界，通过浏览器解释这些语句可以实时生成虚拟的校园场景。且VRML是一个高效，优秀的VR模型开发工具，它的优势在于大场景地理环境的生成，能高效快速的实现实时场景的绘制，所以，选择VRML完成三维场景建模。

随着计算机软硬件技术的发展，利用VRML虚拟现实技术进行复杂场景的虚拟漫游已成为可能，利用这一技术我们可以游览虚拟校园欣赏校园景致，达到使用户难辨真假的程度。

作为互联网时代的宠儿，Web孵化了五花八门的网络开发语言，如Html、XML、Java、JavaScript、ActiveX等等[12]。相对而言，VRML是其中一支不可忽视的力量。VRML是一种描述交互式三维场景和对象的文件格式，它允许描述三维对象并把它们组合到作者构想的虚拟场景中，目前广泛应用于创建充满动感的三维虚拟空间[13]。与其他网络开发语言相比，VRML具有自身特定的优势：

1、VRML是目前唯一基于万维网虚拟现实模型语言的国家标准，因此能得到众多软件开发商的支持。目前包括3DS MAX、Maya、SketchUp等建筑设计中常用的3D软件都支持VRML文件格式的输入、输出、而像blaxxun、Bitmanagement Software、Parallet Graphics等众多VRML浏览器开发商纷纷通过其产品开发不断提高VRML虚拟场景的性能[14]。这些支持有力地保障了VRML虚拟建筑开发中对前期CAD数据的高效利用，而且VRML作为一种国际标准同时也保证于虚拟建筑开发成果能得到长期的应用和共享。

2、VRML是基于万维网的开放型的国际标准，具有很强的环境适应性和功能的可扩展性。VRML场景可运行在Windows、MAC、Unix等多种机型及操作系统上，适应单机、局域网、广域网、万维网等多种环境[15]；同时VRML语言允许开发者将VRML场景与现有万维网中流行的各种先进的技术集成起来，从而极大得扩展VRML虚拟建筑场景的性能。

3、VRML场景的大小没有限制，场景的扩充和维护皆很方便。一个VRML场景的模型即可以使一个独立的VRML模型文件组成，也可以使由分布在网络上不同路径下的若干个分散的VRML模型文件组成。因此利于协同方式的建筑和文件管理。

4、VRML虚拟建筑是一个低成本甚至零成本投入的技术方法，开发者只需要在现有CAD软硬件系统基础上，添加一个VRML浏览器和一个VRML代码编辑器就可以进行VRML虚拟建筑的开发工作。VRML浏览器和代码编辑器都非常小型的程序，互联网上提供了大量此类工具的免费下载服务。

总结

数字校园是一项非常庞大的系统工程，它是集计算机技术、仿真、微电子、传感与测量技术于一体的高新技术的融合，是信息技术在教学领域的应用，若要超越单纯从技术视野中理解数字校园的概念，应将校园内的基础地理、自然资源、社会资源好人文资源等各种信息进行数字化采集和存储，分别建立相应的数据信息库，并建立全视角的可视化数字校园三维立体平台[16]，并在此基础上实现其应用支撑系统，即实现服务的开发、利用、广告、安全、管理等一体化，实现从信息生产到信息消费的信息流有序化，最终实现信息资源的动态管理，利用和优化配置、开发和增值。

我相信，作为一门新兴的，发展中的技术，虚拟现实技术的发展潜力是巨大的，前景是广阔的，随着虚拟现实技术理论与方法的逐步建立和日趋完善，数字校园建设必将迈上一个新的台阶。在数字校园里，通过各种现代化手段，实现学校的教学、科研、管理、服务等活动的全部过程，从而达到提高教学质量、科研水平、管理水平的目的。

参考文献

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[12]李新国.基于IntraWeb的学校信息管理系统的开发研究.中国教育信息化.2008，1： 42-44.

[13]张金钊, VRML编程实训教程.北京：北方交通大学出版社, 2008.

[14]陈阿林 胡朝晖 祁相志 校园虚拟现实三维场景建模技术及实现方法研究. 重庆师范大学学报: 2007,24(4):1-4.

[15]杜湘逾，黄柯棣，段红. 一种基于VRML-Java的分布式虚拟环境模型及其实现.计算机工程与应用：2002（1）：133-134.

[16]陈健，高井祥.基于Java3D的城市三维景观的网络可视化.2005,28(4):156-159.

 

第二篇：虚拟现实技术-综述

浅谈虚拟现实技术在规划领域中的应用

作者 ：Why

摘要：随着信息时代的到来，越来越多的高新技术应用到社会的各个领域中来，而作为信息技术发展的首要驱动力的“虚拟现实”技术也越来越多地应用到规划领域中来。本文着重论述了虚拟现实技术在城市规划中的应用范围、应用的意义及其为我们带来的便利。

关键词：虚拟现实、范围、发展、迫切性、城市规划

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），又称灵境技术，是90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。它是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体的说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互使用、相互影响，从而产正亲临其境的真实环境的感受和体验。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时；同时，它在许多不同领域的应用，可以带来巨大的经济效益。

1、虚拟现实技术的发展概述

19xx年，Sutherland在篇名为《终极的显示》的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。

随后的19xx年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。19xx年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的JaronLanier在80年代初正式提出了“VirtualReality”一词。

80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。19xx年，NASAAmes研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站（VIEW）项目中，他们又开发了通用多传感个人仿真器和遥现设备。

进入90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市常而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基矗例如19xx年的11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来引起科技界瞩目的又一件工作。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，如娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的遥操作、教育与培训、信息可视化以及远程通讯等，人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满了憧憬与兴趣。

2、虚拟现实在规划领域的应用范围

? 虚拟现实在规划信息存储和查询系统中的应用

例如土质数据库系统，地域信息系统，地理信息系统，城市政策信息系统等。这一类系

统多采用数据库系统的形式。现行数据库的一个缺陷在于数字化程度高，可视化程度低，这种数据表现出来是抽象的，可接受性差，例如，地理信息系统对地形地貌的表现，如果只是由数字来表现，则可读性很差，如果表现为地形图的形式，则相对容易接受。而采用虚拟现实技术，在系统中输入地形、地貌的数据，则可以从不同的角度去观察，不但可以取得必要的数据，而且能够有直观的感受，不用再劳神费力地想象地形图所表现的实际地形情况。

? 虚拟现实在规划的辅助表现集成系统中的应用

例如景观表现系统，交通规划系统等。目前，景观表现系统其表现物段主要是二维的图片，如果能够让用户产生一种身临其境－“人在画中游”的感觉，则景观的规划将更加科学合理、全面，而这种身临其境的感觉，正是虚拟现实技术要解决的问题。实际上应用于景观表现的虚拟现实系统已经开始试用，德国的Frankfort的中心城市，最近将城市模型输入虚拟环境，用以规划一座银行，其实现并不是很复杂：首先把各个建筑物的平面图(轮廓)输入到记录地区的数据库中，将各建筑物的高度赋于适当的值的自动生成三维城市模型；再对重要建筑物利用CAD系统以不同精度进行修改，把建筑物正面的照片扫描进去经过修改加工输入CAD数据库；最后在VR系统及数据模型中加上动态措施及环境因素。目前，这一系统可以让人得到在其中漫游的感觉，以后还可望在此基础继续修正。

? 虚拟现实规划和建筑设计可行性论证系统中的应用

目前，规划和建筑方案的设计还处在一个凭主观想象和经验基础上及抽象数据模型基础上的，而且对规划和建筑设计方案的可行性没有一个系统的评价论证，因此，在城市建设过程中，很容易出现实际情况跟预期效果偏差很大的情况，并且，这样造成的损失是无法挽回的。如果，利用虚拟技术对须控制的要素（周围环境、建筑高度、建筑体量、建筑色调等）对项目建成前后进行描绘，从而发现设计中的不完善的部分，反复修改，再根据修改后的参数虚拟现实，直到在虚拟现实中达到预期效果，这样就可减少甚至杜绝实际建成效果与设计意图偏差很大的情况。

? 虚拟现实在规划管理辅助决策系统中的应用

目前，国内规划和建筑项目的审批辅助决策大多是两条途径：1、对于一般项目规划管理者参考国家或地方性技术规定来决定项目的可行性 2、规划管理对于重大项目的审批通过设计单位撰写项目可行性研究报告书和组织专家评审等办法来决定项目的可行性。上述规划辅助决策的两条途径都有它的局限性。完全根据国家或地方性技术规定来决定项目的可行性显得太僵化，它不一定适应于城市的每一地块和每一个项目。对于重大项目的审批，专家的意见也是根据自己的经验和个人的爱好，也没有一个科学的根据。因此，规划管理、决策者需要一个决策的可靠依据。而虚拟现实技术则可通过模拟仿真为规划管理者决策提供有力、可靠依据。

3、虚拟现实技术在规划领域中应用的迫切性

由于城市规划的延续性和超前性要求较高，城市规划一直是对全新的仿真技术需求最为迫切的领域之一。从总体规划到修建性详细规划乃至建筑单体设计，在各个阶段，通过对现状和未来的描绘（身临其境的城市感受、实时景观分析、建筑高度控制、多方案城市空间比较等），来改善人居生活环境，使城市布局更加合理，城市更加美观。规划决策者、规划设计者、以及公众，在城市规划中扮演不同的角色，有效的合作是保证城市规划最终成功的前提。虚拟技术为这种合作提供了理想的桥梁，运用虚拟技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图，这样决策者的宏观决策将成为城市规划更有机的组成部分，公众的参与也能真正得以实现。这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。 一个大型的公共建筑工程项目或比较重要的建筑，如车站、机场、电视塔、桥梁、港口、大坝、核电站等，建成后往往会对某一地区的景观、环境等有较大的影响。它们建设成本高，

社会影响大，其安全性、经济性以及功能合理性的意义更加重大。目前，这种重大项目的建设过程的初期可行性评价是建立在高度抽象的模型基础上，其结果经常出现很大偏差。项目上马前的功能评价也只是建立在想象和经验的基础上，经常出现偏差。而这种偏差造成的功能上的缺陷几乎是无法弥补的。当然，目前也有一些功能评价建立在物理模型和计算机仿真模型分析的基础上。但物理模型是缩小比例的模型，试验和评价难免出现误差，而且试验周期长，费用较高。目前，计算机仿真模型由于存在和图形结合差、可视化不强的缺点，许多功能上的评价，特别是建筑的使用功能的评价，很难达到满意的效果。如何在规划和建筑的设计阶段就对方案进行全面、客观的评价，是人们所关心的问题。

许多研究未来城市的资料表明：随着城市人口的空前增长，市民文化素质的提高、土地需求的白热化状态、以及城市机能的高度集约化和信息化，工业时代城市的稳定社会结构和传统职能均被打破，许多新的课题将应运而生。城市人口的高速增长带来的一系列社会问题，城市组团密集导致的城市结构系统扩张，城市为向三度空间的发展所期待的新环境研究，城市建筑(特别是住宅)的高密度和多样化需求提出的新内容、新形式课题，高速运载系统对环境的冲击，大量人口需求户外娱乐对社会和生态的影响，以及人们对环境质量的新要求，能源匮乏和生态环境面临的危机等，所有这些都与城市实质环境有关。因此，在环境保护意识日益受到重视的今天，我们不能不考虑到一个建筑对周围环境所产生的影响，毫无疑问，在工程竣工以前，我们不可能以一个与实际建成后的建筑同等比例的模型置于实际的环境中，用以考察该建筑物对于周边环境的影响。以三峡工程为例，对于本世纪最大的水利工程，其影响是深远的，一旦其建成以后无论是对生态环境，还是社会环境都有相当大的影响。就在截流前几天，一批科学家对三峡上下游进行全面考察，其目的不言而喻自然是为了得到各方面的相关数据，从而保护上下游的自然环境。然而，以传统的在一堆抽象的数字上加以想象力的发挥，其结果的可信度无疑并不十分理想。要使结果达到预期的效果，首先必须经过一套完善严密的技术对预期效果来论证和检验。显然，先期技术成果的演示和论证技术是检验这种效果的有效手段。基于这种情况，世界各国的研究机构都在作不懈的努力，以找出一种有效的评价规划设计效果及建筑质量的有效办法。虚拟现实技术正是解决这一问题的方法之一。

4、虚拟现实技术在规划领域中应用的意义

? 展现规划方案

虚拟现实系统的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理，有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审。

? 规避设计风险

虚拟现实所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的“再现”。用户在三维场景中任意漫游，人机交互，这样很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。

? 加快设计速度

运用虚拟现实系统，我们可以很轻松随意的进行修改，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，只要修改系统中的参数即可。从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率，也节省了大量的资金。

? 提供合作平台

虚拟现实技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图。有效的合作是

保证城市规划最终成功的前提，虚拟现实技术为这种合作提供了理想的桥梁，这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。

? 加强宣传效果

对于公众关心的大型规划项目，在项目方案设计过程中，虚拟现实系统可以将现有的方案导出为视频文件用来制作多媒体资料予以一定程度的公示，让公众真正的参与到项目中来。当项目方案最终确定后，也可以通过视频输出制作多媒体宣传片，进一步提高项目的宣传展示效果。

虚拟现实在城市规划中起到关键性的作用，正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等。我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题，还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。我们期待这有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。

参考文献：

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【４】 戈建涛; 实用VR技术在建筑漫游中的应用 [J];北方工业大学学报; 20xx年01期

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