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A survey on virtual reality

Virtual reality (VR) is a scientific method and technology created during the exploration of the nature by human beings to understand, simulate, and better adapt and use the nature. Based on the analysis on the whole process of VR, this paper presents different categories of VR problems and a type of theoretical expression, and abstracts three kinds of scientific and technical problems in VR field. On the basis of foresaid content, this paper also studies current major research objectives, research results and development trend of VR in the aspects of VR modeling method, VR representation technology, human-machine interaction and devices, VR development suites and supporting infrastructure, as well as VR applications. Finally, several theoretical and technical problems that need to be further studied and solved are addressed.

Based on computer science and relevant scientific technologies, virtual reality (VR) produces a digital environment in which visual perception, sense of hearing, and sense of touch are highly similar to those of actual environment within a certain range. With the help of necessary equipment to interact and interfere with objects in a digital environment, users may have feelings and experiences corresponding to those in the actual environment.VR is a scientific technology for understanding or simulating the nature.

With the constant development of social productivity and scientific technologies, the VR technology has found more and more applications in various industries. Now VR has become a new science field. This paper presents an overview of the developing process of VR. First we introduce the thoughts and the related research direction of VR, then we discuss the major contents and current situation of VR research in the aspects of VR modeling, VR representation technology, human-machine interaction and equipment, VR development suite and supporting environment, as well as VR applications, and indicate several problems of the theory and technology.

The VR concepts, thoughts and research objectives have close relationship to some relevant scientific technologies, especially the computer science.

In 1929, Edwin A. Link invented a type of flight simulator for making the passengers experience the feeling of flight. It was the first try that human beings simulated or emulated physical reality. With the constant development of control technology thereafter, various simulators came into being in succession. In 1956, Morton Heileg invented the Sensorama—a motorcycle emulator that showed 3D display and stereophonic effects and produced vibration feeling. He advanced some basic thought of VR technology in the Sensorama Simulator patent in 1962. The development of electronic technology and the miniaturization of computers facilitated the development of simulation technology. Finally computer simulation technology appeared.

In 1965, the significant founder of computer graphics, Dr. Sutherland published a piece of essay The Ultimate Display, portraying a type of new display technology through his sharp insight and abundant imaginations. He assumed that,supported by this display technology, observers may be surrounded by a virtual environment controlled by a computer, just like daily life in the real world. Meanwhile, observers may also interact with the objects in virtual environment by natural means, like touch perception, control of virtual objects, etc. From the angles of computer display and human-machine interaction, Sutherlandrsquo;s essay put forward the thoughts of simulating the real world, facilitated the development of computer graphics and image technologies, and cultivated the research on a new type of human-machine interaction equipment such as head mounted display (HMD) and data gloves.

In 1966, Sutherland began to develop a device of HMD, and later put the feedback device of simulation force and sense of touch into the system.In 1973, Krueger nominated the phrase of “Artificial Reality”—the VR words appearing during the

early stage. Due to the constraints of computer technologies, generally speaking, the development of these types of technologies did not go very fast.During the 1960s and 1970s, the related thoughts,concepts and technologies still stayed in the brewing and formation stage.

During the 1980s, with the development of computer technologies, especially the update of PC and computer network, VR technology made much headway. Several typical VR systems came up during this stage. The implementation of SIMNET (SIMulation NETworking) Plan by US Army and DARPA in 1983 initiated the research and applications of distributed interaction simulation technology. Some successful technologies and experience of SIMNET significantly influenced the development of distributed VR technology. In 1984,M. McGreevy and J. Humphries developed a visual display for virtual environment and built up a 3D virtual surface environment of Mars by inputting the data from Mars probe to the computer. The development of VIDEOPLACE and VIEW systems facilitated the research on VR theories and technologies.

In 1986, Fisher et al. published The Virtual Environment Display System concerning VR systems. In 1987, Foley published a paper on Scientific American. The journal also published some articles about data gloves that attracted the attention of the public. In 1989, Jaron Lanier,the founder of VPL Co., put forward the phrase of “Virtual Reality”, which was generally accepted by researchers and became the specific title of this scientific technology field.

During the 1990s, with the breakthrough and rapid development of computer technology and high performance computation, human-machine interaction technology and equipment, computer network and communication, as well as huge demands in the significant application fields such as military drill, aeronautics and astronautics, and complicated equipment

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虚拟现实（VR）是人类在探索自然界时理解，模拟和更好地适应和使用自然的科学方法和技术。 基于对VR整个过程的分析，本文提出了不同类别的VR问题和一种理论表达，并概括了VR领域的三种科技问题。 在前瞻性内容的基础上，本文还研究了VR建模方法，VR表示技术，人机交互与设备，VR开发套件和配套基础设施等方面的主要研究目标，研究成果和发展趋势， 以及VR应用程序。 最后，解决了需要进一步研究和解决的几个理论和技术问题。

基于计算机科学和相关科学技术，虚拟现实（VR）产生了视觉感知，听觉和触觉感觉与一定范围内实际环境高度相似的数字环境。借助必要的设备来交互和干扰数字环境中的对象，用户可能会感受到与实际环境中的物体相对应的感受和体验。VR是理解或模拟性质的科学技术。

随着社会生产力和科学技术的不断发展，VR技术在各行各业都得到越来越多的应用。 现在，VR已经成为一个新的科学领域。 本文介绍了VR的开发过程。 首先介绍虚拟现实的思想和相关研究方向，然后讨论虚拟现实建模，虚拟现实技术，人机交互与设备，虚拟现实技术开发套件和配套环境等方面VR研究的主要内容和现状， 以及VR应用，并指出了几个理论与技术的问题。

VR的概念，想法和研究目标与一些相关的科学技术，特别是计算机科学有密切的关系。

1929年，Edwin A. Link发明了一种飞行模拟器，使乘客体验飞行感觉。 这是人类模拟或模拟物理现实的第一次尝试。 随着控制技术的不断发展，各种模拟器逐渐形成。 1956年，Morton Heileg发明了Sensorama - 一款显示3D显示和立体声效果并产生振动感觉的摩托车模拟器。 他在1962年的Sensorama Simulator专利中提出了VR技术的一些基本思想。电子技术的发展和计算机的小型化促进了模拟技术的发展。 最后出现了计算机模拟技术。

1965年，计算机图形学的重要创始人，萨瑟兰博士发表了一篇文章“终极显示”，通过他的尖锐洞察力和丰富的想象力描绘了一种新型显示技术。 他认为，在这种显示技术的支持下，观察者可能被计算机控制的虚拟环境包围，就像现实世界中的日常生活一样。 同时，观察者也可以通过自然的手段与虚拟环境中的物体进行交互，如触觉，虚拟对象的控制等。从计算机显示和人机交互的角度，萨瑟兰的论文提出了模拟真实世界的想法，促进了计算机图形学和图像技术的发展，并研究了一种新型人机交互设备，如头戴显示器（HMD）和数据手套。

1966年，萨瑟兰开始开发HMD装置，后来把仿真力反馈装置和触觉感反馈放到系统中。1973年，克鲁格提名了“人造现实” - 这个词出现在早期。 由于计算机技术的制约，一般来说，这些技术的发展并不快速。在二十世纪六，七十年代，相关思想，观念和技术仍然处于酝酿阶段。

20世纪80年代，随着计算机技术的发展，特别是PC和计算机网络的更新，VR技术取得了很大进展。 在这个阶段，出现了几种典型的VR系统。 美国陆军和DARPA在1983年实施SIMNET（Simulation NETworking）计划，启动了分布式互动仿真技术的研究与应用。 SIMNET的一些成功的技术和经验显著影响了分布式VR技术的发展。 1984年，M. McGreevy和J. Humphries开发了虚拟环境的视觉显示，并通过将火星探测器的数据输入到计算机上，建立了火星的3D虚拟表面环境。 VIDEOPLACE和VIEW系统的开发促进了VR理论和技术的研究。

1986年，Fisher等发布了关于VR系统的虚拟环境显示系统。1987年，Foley发表了一篇关于科学美国人的论文。 该杂志还发表了一些引起公众关注的数据手套的文章。 1989年，VPL公司的创始人Jaron Lanier提出了“虚拟现实”这个词，被研究人员普遍接受，成为这个科技领域的具体标题。

20世纪90年代，随着计算机技术和高性能计算，人机交互技术与设备，计算机网络与通信的突破和快速发展，以及军事演习，航空航天等重大应用领域的巨大需求和复杂的设备研究，VR技术进入了快速发展阶段。

1990年，在美国达拉斯举行的SIGGRAPH会议上讨论了VR技术，VR技术研究的主要内容是实时3D图形的结算技术，多传感器的交互技术，高分辨率显示技术等。 1993年，Heim在虚拟现实形而上学中描绘了VR的七个特征：模拟，互动效应，人工现实，沉浸式，远程呈现，一般沉浸和网络通信。 1994年，Burdea和Coiffet出版了他们的书，虚拟现实技术，他们使用3I（沉浸，互动，想象）来推广VR的基本特征。

一批用于VR系统开发的软件平台和建模语言出现了。 1989年，量子3D公司开发了Open GVS.Sense8 Co，于1992年提出WTK。在1994年3月在日内瓦举行的第一届年度WWW大会上，VRML首次提出，启动相关国际标准。

在中国，计算机建模与仿真的发展早在20世纪70年代初就开始了，主要集中在航空航天领域。 20世纪90年代初，中国一些大学和科研机构的研究人员从不同的角度开始了VR研究。 中华人民共和国科技部和中国国家自然科学基金委员会开始支持对VR领域的研究。在1996年国家863计划制定了“分布式虚拟环境”作为重点项目，并实施了DVENET计划。

近十年来，北京航空航天大学，浙江大学，清华大学，北京大学，国防科技大学，北京理工大学，武汉大学，山东大学，北京师范大学，电子科技大学中国计算技术研究所，中国科学院，中国科学院自动化研究所，中国科学院第二中国航空航天研究院，许多其他应用部门和机构的科研人员进行了各种背景和特点的研究工作，在VR理论研究，技术创新，系统开发，应用推广等方面取得了显著成绩。在中国这个科学领域进入了全新的发展阶段。由于VR科学的完整性和专业性以及在经济，社会和军事领域的应用需求日益增加，中华人民共和国中央人民政府在2006年颁布的“中长期科学技术发展规划纲要”将VR技术列为先前发展的信息领域前沿技术之一。中国科学技术部2007年批准在北京航空航天大学建立虚拟现实技术与系统国家重点实验室。

VR的研究对象，研究目标和应用需求，都是以全面和交叉的科目，广泛的应用领域和各种系统类别来决定这一科技领域。不同的分类可以通过VR系统的不同观点来确定。

按系统功能分类。考虑到系统的功能和效果，实际上是应用程序，VR系统可以分为以下几类：培训与演练，规划设计，演示和娱乐。

培训训练系统可广泛用于各种危险环境（如核设施和潜艇设施）的技术操作培训和训练，并且无法轻松获得操作对象（如医疗操作和航天器维护），成本高昂 （如军演）; 规划设计系统可用于新建设施和设备的示范和验证，大大降低了设计成本，缩短了设计周期，提高了城市，社区和建筑物的规划和设计， 设备和产品的虚拟装配的合理性; 演示娱乐系统将实现现实世界或假想世界的场景数字化，为用户提供如虚拟景观，数字博物馆，各种游戏制作，电影制作等现实的享受体验。

通过沉浸式体验进行分类。VR系统可以分为非互动体验，人体虚拟环境互动体验和群体虚拟环境互动体验。

上述观点强调了用户和虚拟环境之间的交互。关于非互动体验，用户的虚拟环境经验是被动的，经历内容是完全计划的。一些系统为用户提供了一定程度的选择的视觉点，以指导虚拟场景的数据分派。但是，随着风景漫游，4D电影等的发展，这样的物质相互作用将不会发生。在人类虚拟环境交互体验系统中，用户可以通过交互设备（如数据手套，数字武器，数字解剖刀等）与虚拟环境交互 。虚拟环境中的场景将及时响应交互，使用户可能会感觉到虚拟环境的变化和体验相应的现实世界，如飞行模拟器，个体士兵训练环境等。组虚拟环境交互体验系统是人机界面虚拟环境互动体验系统。多个或组用户可能共享一个虚拟环境，并与包含用户头像的虚拟环境进行交互，以体验与虚拟环境和其他用户的交互，如军事仿真演练，在线互动游戏等。

虚拟现实系统中的数据流。 VR系统是具有各种类型数据的复杂信息系统，可以在运行期间通过不同类型的数据流的模式和趋势来描述。 根据这一观点，VR系统是一种信息系统，具有与相关环境相互作用的m种数据，在n个阶段中按照某些规则不断转换，积累和流动。

虚拟现实系统中的数据可以根据其起源和效果分为四类：平台数据（PD）包括计算机系统，网络系统和支持虚拟现实系统特定操作的公共平台生成的元数据，以及全部产生的管理数据 - 具体VR系统的部分;模型数据（MD）是VR系统的主数据，也是现实世界中数字空间场景的反映，可由扫描仪，模型算法等生成; 感知数据（D）或渲染数据由各种渲染算法生成，适用于所有类型的输出设备，以使用户具有视觉，听觉和力量的感觉; 控制数据（CD）是指用户通过输入设备生成的数据，适用于对虚拟环境的控制和影响。

图1显示了一个风景优美的VR系统中的数据流。 虚拟场景由开发人员使用数据采集设备和建模软件如视频，图像，频谱仪器和扫描仪建立。 它可以使用鼠标和控制棒，从而输入控制数据，以便在漫游的过程中调度场景的模型数据，以便选择漫游的视点。

图2显示了个人士兵训练系统中的数据流。 用户通过数字武器生成控制数据并与VR场景中的物体进行交互。 结合系统规则形成的平台数据，还生成新的模型数据，然后通过渲染算法生成新的感知数据。

可以根据个人士兵训练系统开发和建立多人对抗训练VR系统，并在DIS，RTI等分布式VR系统的运行和支持环境的支持下操作。

为了模拟数字空间中现实世界的对象和状态，物体，对象关系，物体之间的相互关系以及现实世界的发展与变化所遵循的规则应反映为各种数据在数字空间进行演示。 这个过程称为建模，如第1节中VR八位字节中提到的功能。本节主要介绍建模的方法和发展趋势。

模型数据的起源和类型。 建模首先是指模型数据。 由于现实世界中的对象和状态的多样性，有各种模型数据。 但就数据来源而言，主要有三类模型数据，即实际测量，数学生成和人工建模。

1）实际测量。 它是指通过2D或3D扫描仪，相机，运动捕捉设备，数据衣服，数据手套和各种特殊数据采集设备（如CT，B超，核磁共振，卫星遥感等）或人为测量。

2）数学生成。 它是指通过实验分析，物理仿真，归纳，抽象等形成物理方程，模拟算法和公理系统等数学模型。数学模型的计算可以生成模型数据，如采集的对象的位置数据形成的运动方程。

3）人造建筑。 它是指通过人造建模软件（CREATOR，3D Studio，AutoCAD）人造或通过假设和想象生成的模型数据，如对象，卡通，电影和电视制造等的3D模型。

在实际建模过程中，应考虑到现实世界中模拟对象的复杂性和模型保真度的期望程度，结合多种方法生成模型数据。

在VR系统中，根据现实世界中的对象呈现的不同方面，模型数据也可以分为空间结构数据，物理属性，行为属性，动态数据和运动数据。空间结构数据是指示物体的几何状态，如点云，网格，体素等。数据呈现为固体，液体和气体。典型的空间结构数据是物体的3D模型。物理特性和参数用于描述参与物体过程的性质，如重量，尺寸，材料，力摩擦，层状，变形参数等所显示的特性;行为属性和参数是描述行为过程中表现的属性;动态和运动数据用于描述对象的运动，变形，碰撞，捕获，缩放和破损，如对象的位置，速度和加速度的数据;场数据用于描述电磁场，重力场，流场，声场和风场等各种场成分的状态和性质。场数据可分为标量场，矢量场，张量场等。

建模方法分类。 VR建模方法与需要模拟的对象类别以及应用程序领域相关。 因此，与VR系统的分类相同，也可以根据不同的起点对VR建模方法进行分类。 例如，基于用户的看法，建模方法包括视觉建模，听觉建模，触觉建模等。

根据模拟对象的不同方面，建模方法可分为场景外观建模，物理建模，行为建模，虚拟真实组合建模等。场景外观建模侧重于风景的外观，主要包括基于几何，图像和材料和照明信息的建模方法;基于物理的建模表示物体的物理特性，使虚拟环境中的动态和静态风景更加生动，主要是物理过程的模拟，如动力学模拟，碰撞，和变形;目前，VR中的行为建模主要表示自主实体的建模，参照人工智能。计算机生成力（CGF）是行为建模或VR的典型应用;虚拟真实组合建模是一种重要的建模方法，可以使计算机生成的虚拟场景自然地与现实世界的实际环境相融合，从而有效提高VR建模的效率，灵活性和真实性。虚拟真实组合建模是目前加强现实的主要研究内容。

本章的以下部分将介绍从现有四个方面使用的一些常见的VR建模方法。

场景外观模型用于显示虚拟对象的空间结构和外观，包括点云模型，网格模型，体素模型等。主要的建模方法包括基于范围图像，图像和体素的方法。对象的表面照明模型也包括在内。

基于深度范围图像的建模。范围图像的每个像素保存相关光和场景拍摄的第一交点的范围信息，其建模过程涉及范围图像的采集，配准，表面重建和修复。

范围图像的获取和注册。 获取距离图像的最直接方法是使用3D扫描设备。 3D扫描设备包括远程类型，中等范围类型和短距离类型。 所有这些都适用于具有不同尺寸和不同范围的扫描物体。 接触型和激光型目前可用。 3D激光扫描仪采用往返长度测量法或三角波长测量仪获取范围信息，数据采集速度快，精度高，应用范围广。

为了获取3D对象表面的所有信息，我们需要从不同的视点进行扫描和采样，然后将这些范围的图像放在一起，形成物体表面的完整点云数据。 这个过程称为范围图像的注册。 由于从不同视点获取的数据位于自己的独立坐标系，因此需要将它们转换为相同的坐标系。 范围图像的注册是寻找这些范围图像的移动来解决这些坐标系之间的变换矩阵。

目前，范围图像的通常注册程序涉及四个步骤：每两个粗略注册，每两次精确注册，相邻关系确定和多个视点注册。在每两次粗略登记方面，陈采用全球搜索算法实现注册;然而，这种方法缓慢而不稳定;黄先生提出了基于特征抽象的注册方法,首先要

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