虚拟现实技术的研究现状

虚拟现实技术的研究现状（通用8篇）

篇1：虚拟现实技术的研究现状

国内外虚拟现实技术的研究现状

纪实

(东北石油大学计算机与信息技术学院,黑龙江,大庆163318)

【摘 要】虚拟现实技术是由计算机产生，通过视、听、触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真，具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特征，文章介绍了动态环境建模技术，实时三维图形生成技术，立体显示和传感器技术，应用系统开发工具，系统集成技术。目前已在军事、医学、设计和娱乐等领域得到了广泛应用。美日等发达国家对其进行了广泛的研究，取得了重大成果。国内的研究也取得了一定的成果。

【关键词】虚拟现实技术 虚拟环境 研究现状

引言

随着计算机网络技术的飞速发展，监控技术已经成为当代发展迅速、应用广泛的技术之一，操作人员可以通过互联网直接监控现场设备的数据。但传统的远程监控界面主要是二维或是伪三维的界面，其真实感和交互感都比较差。针对这种情况，对虚拟现实远程监控技术进行了研究，从而创建了三维场景的远程监控界面。

一、虚拟现实技术及其特征

虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境，通过多种传感设备，用户可根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作，参与其中的事件，同时提供视、听、触等直观而又自然的实时感知，并使参与者 “沉浸”于模拟环境中。[1]

虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。常用的有立体头盔、数据手套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置，如摄像机、地板压力传感器等。

VR具有以下四个重要特征：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。存在感。指用户感到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。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。自主性。指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。

虚拟现实的关键技术主要包括：动态环境建模技术，实时三维图形生成技术，立体显示和传感器技术，应用系统开发工具，系统集成技术。[2]

二、国外虚拟现实技术的研究现状

虚拟现实技术一经应用，就向人们展示了诱人的前景。因此世界各国特别是发达国家进行了广泛的研究。这里主要介绍美国和日本研究现状。

1、美国的研究现状

美国是VR技术的发源地。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件

和硬件四个方面。

美国宇航局的Ames实验室：将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真。大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。对哈勃太空望远镜的仿真。现在正致力于一个叫 “虚拟行星探索”(VPE)的试验计划。[3]现在 NASA 己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。[4]

北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。

Loma Linda大学医学中心的David Warner博士和他的研究小组成功地将计算机图形及VR的设备用于探讨与神经疾病相关的问题，首创了VR儿科治疗法。

麻省理工学院(MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年MIT成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。

华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(HITLab)将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。[5]

伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中支持远程协作的分布式VR系统。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。

从 9O年代初起，美国率先将虚拟现实技术用于军事领域，主要用于以下四个方面：一是虚拟战场环境。二是进行单兵模拟训练。三是实施诸军兵种联合演习。四是进行指挥员训练。

2、日本的研究现状

在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领先地位的国家之一，主要致力于建立大规模VR知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。

东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面。

NEC公司开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使用 “代用手”去处理三维CAD中的形体模型，该系统通过数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来。

京都的先进电子通信研究所(ATR)正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入。

日本国际工业和商业部产品科学研究院开发了一种采用X、Y记录器的受力反馈装置。

东京大学的高级科学研究中心将他们的研究重点放在远程控制方面，最近的研究项目是主从系统。该系统可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂。[6]

东京大学原岛研究室开展了3项研究：人类面都表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取。

东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。为了克服当前显示和交互作用技术的局限性，他们正在开发一种虚拟全息系统。

筑波大学研究一些力反馈显示方法，开发了九自由度的触觉输入器，虚拟行走原型系统。[7]

富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与VR环境的相互作用。他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可

以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。

三、我国虚拟现实技术的研究现状

和一些发达国家相比，我国VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。国内最早开展此项技术试验的是挂靠在西北工业大学电子工程系的西安虚拟现实工程技术研究中心。[8]该中心的成立，对发挥学校电子信息工程学院等其他院系和研究所在虚拟现实、虚拟仿真与虚拟制造等方面的研究优势将具有积极作用。

北京航空航天大学计算机系也是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境．提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。[9]

浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，采用了层面迭加绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。

哈尔滨工业大学已轻成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手势动作，话音和语调的同步等。

清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。他们还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三堆结构的新颖算法。

西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术～立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且己经通过实验结果证明了这种方案的优越性。另外，西北工业大学CAD ／CAM研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所，长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与住处科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。

四、虚拟现实技术的进一步展望

虚拟现实技术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。虽然这个领域的技术潜刀是巨大的，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加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。[10]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。我们期待着有朝一日，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：

[1] 巫 影.虚拟现实技术综述[J].计算机与数字工程,2002,30(1): 41-44.[2] 吴 迪,黄文骞．虚拟现实技术的发展过程及研究现状[J].海洋测绘,2002,22(6): 15-17.[3] 蒋庆全.国外VR技术发展综述[J].飞航导弹,1998,2002,(1): 27—34.[4] 周前祥.航天虚拟现实仿真技术的研究发展[J].科技导报,1998,(10): 35-38.[5] 李珍香.虚拟现实技术在煤矿安全中的应用研究[J].煤炭技术,2000,19(6): 27-28.[6] 赵春霞.虚拟现实的发展及在机器人系统中的应用与研究[J].机器人, 1999,21(5): 39-400.[7] 约 翰•布里格斯.虚拟现实(VR)技术[J].现代技能开发,1997,(8): 41.[8] 梅中义.虚拟现实(VR)技术及其应用前景[J].航空工业技术,1996,(3): 3-6.[9] 王国庆.虚拟现实(VR)技术及其应用[J].航空计算技术,1994,(2):1-2.[10] 李 忠.虚拟现实技术综述与基于Internet的虚拟培训系统设计[J].计算机工程与应用,2002,(15): 127-149.作者简介：纪实（1990—），男，辽宁省铁岭人，东北石油大学计算机与信息技术学院学生。

工作单位：东北石油大学计算机与信息技术学院

通讯地址：东北石油大学启智4B414，邮编：163318

移动电话：***

电子信箱：jishihuaidan@126.com

篇2：虚拟现实技术的研究现状

关键词：虚拟现实 虚拟环境 分布式虚拟现实系统

虚拟现实技术简介

虚拟现实技术(Virtual Reality)，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。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”,从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。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〖1〗

1965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1966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。1970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Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”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。1984年，NASA Ames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场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。例如1993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.虚拟现实系统的研究现状

计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具，并因此导致了许多解决问题的新方法的产生。虚拟现实技术的产生与发展也同样如此，就虚拟现实本身而言，它主要涉及到三个研究领域：

通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果;

建立对虚拟世界的观察界面;

使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。

图(1)表示的是虚拟现实系统领域的组成示意图。

图(1)虚拟现实系统领域的组成示意图

虚拟现实的有关技术特征及构成

从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如

视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。

1.虚拟现实技术的重要技术特征〖2〗

虚拟现实的定义可以归纳如下：虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境(如飞机驾驶舱、操作现场等)，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实技术因此具有以下四个重要特征：

多感知性

所谓多感知性就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。

II.存在感

又称临场感，它是指用户感到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以分辨真假的程度。

III交互性

交互性是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(包括实时性)。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。

IV.自主性

是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。

2.虚拟现实系统的构成

虚拟现实系统的模型表示如图(2)。用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它 反馈信息(如触觉、力觉反馈等)。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用(如遥操作等)。

图(2)虚拟现实系统的模型

虚拟现实系统主要由以下六个模块构成(如图(3))。

图(3)虚拟现实系统的构成

检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。

反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。

传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境;另一方面

将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。

控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。

建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。

现有虚拟现实系统的关键技术

虚拟现实的关键技术可以包括以下几个方面：〖3〗

(1)动态环境建模技术

虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术(有规则的环境)，而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。

(2)实时三维图形生成技术

三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。

(3)立体显示和传感器技术

虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点;虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。

(4)应用系统开发工具

虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。

系统集成技术

由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的

篇3：虚拟现实技术的研究现状

1 网络虚拟化及分层服务提供模型概述

作为一种有效应对克服当下互联网刚性问题的方法及技术手段, 网络虚拟化技术可以被看作是互联网这几年发展与革新的主要趋势。网络虚拟化思想主要是将互联网划分成多个虚拟网络, 实现互联网架构的多样化, 每个虚拟网络都可以享用同样底层的物理网络资源, 但能够实现不同的服务、应用于架构, 这样就能达到多样化技术的应用与部署的目的。虚拟网络由虚链路连接的虚节点组成, 并且虚节点与虚链路都处于物理网络的映射中。虚拟网络映射通过为不同需求的虚拟网络分配对应的物理资源来实现网络虚拟化, 虚拟网络映射作为虚拟网络的基础还包括链路资源与节点资源。合理科学的映射算法既可以实现虚拟网的高效映射, 也可以使物理网承载更多的虚拟网。

在网络虚拟化的服务环境中, 主要应用分层的模式, 通过建构虚拟网来实现各种业务服务。分层模型主要有三层, 即应用层模式、服务层模式和资源层模式三层。在三层模式下, 每一层的结构与功能彼此影响。SP (服务提供商) 主要通过In P (基础设施提供商) 提供的借口来管理虚拟网, 并能够接入终端用户的虚拟网。在网络虚拟化的服务环境中, 终端用户及传统的互联网终端用户一样, 只是在虚拟化服务的环境中, 每一个终端用户可以通过映射代理的方式来和多个SP同时建立不同的连接, 从而来实现随不同的业务需求获得不同服务的目的。网络虚拟化分层服务所提供的模型如下 (图1) 所示。

2 虚拟网映射问题与研究现状分析

作为构建虚拟网的一个比较重要的过程, 虚拟网映射是映射代理较核心的功能。虚拟网映射主要依据SP的构建需求结合In P的资源状况, 通过一定的映射算法在网络资源与构建需求间进行匹配, 获取较科学合理的分配方案以进行嵌入, 从而形成虚拟网。所以, 在虚拟网映射过程中, 映射代理主要实现的三大功能分别是接受并描述In P发布的资源信息、SP的虚拟网构建请求以及执行映射算法。在此, 笔者就虚拟网映射与研究现状问题主要分析了以下几点内容。

1) 网络资源概述。对In P发布的网络信息资源一般能够通过INSADL、NDI、NML等来描述。在对网络资源的描述过程中, 任一网络元素就可以代表一个基本组件, 例如链路、路径、节点和接口等。每一网络元素还有一个与之相对应的标示符、功能性或者非功能性属性、可用性参数。功能属性主要决定其属性、特征和网络元素的具体功能, 非功能属性则主要决定了在虚拟网络中各个网络元素的限制及应满足的标准。节点可分为虚拟节点与物理节点两种, 物理节点包含多个虚拟节点, 同时一个物理或者虚拟节点可以拥有多个物理或者虚拟接口。其中接口的类型主要包括ATM接口、以太网接口及无线接口等。由于一个物理链路就可以支持一个或多个虚拟链路, 因此每一个物理链路包含Qo S参数及连接类型两个附加特征。

2) 虚拟网的构建需求描述。虚拟网的构建需求与物理网络规划的需求很相似, 主要关注的是网络拓扑结构、虚链路的带宽、虚节点的位置、路径的跳数限制、端口的类型以及Qo S参数的配置等。虚拟网的构建与拆除, 实质上主要是依据业务的需求对物理网络资源进行动态的分配和释放的过程。因此, 虚拟网运行的生命周期也是虚拟网在构建需求上的主要参数。

3) 虚拟网映射问题模型的描述。对于虚拟网的构建需求中操作系统OS及端口port类型等需求完全可以通过在映射前预先筛选In P所提供的各类资源。虚拟网映射问题的难点是怎样最大程度地实现In P利益。因为虚拟网映射要满足虚拟网构建需求中各个链路和节点资源的要求, 而且还要充分地、高效地应用物理网络资源, 达到在有限的物理网络资源上形成更多虚拟网, 最大程度实现In P利益的目标。但是, 虚拟网的物理网络资源有一自身的局限性、虚拟网的构建必须要求呈现出多样化的个性特征和虚拟网的构建请求动态化、即时处理化等特征。这样, 虚拟网的映射问题实际的应用中还面对很对急需解决的问题与挑战。

4) 映射算法中的各项评价指标。虚拟网映射算法要通过有效地采用提供商所提供的物理网络资源来满足服务提供商提出的构建要求。同时, 映射算法的各项评价指标必须要通过网络资源利用率及虚拟网映射成功率等指标的计算来科学衡量。虚拟网映射的成功率是在构建申请中映射成功的虚拟网数, 提高虚拟网的映射成功率就是要提高映射成功的虚拟网数。而提高物理网络资源利用率, 关键在于如何在满足当下构建需求的前提下, 更合理地为后续的虚拟网构建提供资源分布空间, 为后续虚拟网的构建提供便利。

5) 映射算法研究现状。目前来看, 资源分布相对较均衡的物理网络逐渐成为虚拟网映射问题研究的方向。因为这样的物理网络可以提高网络资源的利用率和虚拟网构建的成功率。所以, 当下对于映射算法的研究现状主要有以下几种情况: (1) Yong Zhu等研究人员把互联网资源假定为无限的, 因此在构建虚拟网时, 要综合考虑满足各个构建的具体要求, 以便最大化的实现预定目标以最小化的链路承受最大量的负荷。 (2) Robert Ricci等研究人员则通过避开物理网络中的各种瓶颈链路的方式来映射虚链路, 不断提高虚拟网构建的成功率。 (3) Jens Lischka等研究人员利用子图同构检测和回溯的技术把虚链路及虚节点同步映射到物理网络中, 以此来提高构建虚拟网的成功率。 (4) 在虚拟网的映射中, 一种W szeto基于多商品流问题而提出的对资源进行预分配的方法技术逐渐被提出来, 该方式采用线性规划的方法来对映射问题进行建模求解。这种基于多商品流问题的模型很好地地解决了映射中资源分布均衡性的问题。 (5) 另外, Minlan Yu等人提出了多径映射来提高网络资源的利用率。通过多径映射将虚拟链路映射到多条物理路径上, 以此来提高物理网络的负载均衡, 并利用多商品流问题的形式建模进行求解。多径映射法与多商品流问题模型的并用可以有效地解决映射中资源分布不均衡的问题, 但是难以达到路径跳数的限制, 所以一般只能通过单径映射的办法满足业务要求并有延时约束的构建需求。

3 虚拟网络映射算法PBMC

1) PBMC算法的设计思路。众所周知, 基于多商品流问题模型的虚拟网映射方法不能够解决路径跳数的约束要求问题, 因此在多径映射时, 虚链路的带宽很难通过路径的路径跳数来确定分配比。因此, 在此基础上该文提出PBMC算法, 即基于路径集多商品流问题模型的虚拟网映射算法。这种算法主要采用基于有效路径集的多商品流问题模型来规划和求解虚拟网映射问题的。在PBMC算法中, 首先要结合各个物理链路的带宽需求和路径跳数的限制条件来计算出有效的物理路径集合。其次将路径的可用带宽视为决策变量, 在符合虚链路带宽要求的前提下, 运用多径映射的思想建立相应的数学规划, 同时采用启发式的算法进行建模求解, 最后实现链路的最大负载强度最小化。

2) 建立数学规划。链路负载强度是链路上已占用带宽与链路带宽容量之比。PBMC算法的规划目标是建立链路的最大负载强度最小化。PBMC算法的约束条件有三个, 分别为物理链路带宽容量约束、虚链路带宽需求约束及带宽占用的正则性要求约束等。

3) 模型求解。在PBMC算法中, 主要通过采用设计启发式的算法来求得近似最优解的方式进行求解。算法主要分为部分, 首先要求证出初始的可行解;其次, 对初始可行解迭代从而求解出近似最优解。在这种算法中, 更多的考虑了局部的均衡问题, 没有对整个虚拟网映射范围进行综合考虑, 因此还需要做进一步的优化工作, 对初始可行解进行优化。优化的思想主要是找出最大负载强度的链路, 将该链路路径上的虚拟网迁移到其他的路径上, 以此来降低链路的负载强度。

4) 仿真实验。为了很好地与基于单径映射多商品流问题模型算法对比, 可以采用基于Matlab的方式对PBMC算法进行仿真与模拟实验。在实验中, 对虚拟网链路的带宽、构建请求的虚节点数、虚链路的带宽需求、跳数的限制、虚拟网申请的时间间隔均值以及生命周期均值等进行适当的设置。仿真实验中, 要对比和分析的指标除了有构建成功率、资源、利用率外, 还含有运营商收益及资源分布的均衡性两个指标。

5) 仿真结果分析。

仿真实验中, 将物理网络链路负荷的标准差、虚拟网构建的成功率、网络资源的利用率、物理网络运营商所收取的收益等进行综合分析, 我们可以发现:基于单径映射多商品流问题模型算法, 通过PBMC算法可以使得物理网络上各链路负载强度的标准差更小, 因此物理网络资源的分布均衡性将得到更好的优化与实现。并且, 通过更高的资源利用率及构建成功率, 物理网络运营商才可以获得更多的收益。所以, 本次仿真实验结果也说明相对于基于单径映射多商品流问题模型算法来说, PBMC算法不仅可以满足带路径跳数限制约束的虚拟网构建需求, 还可以最大程度的优化网络资源分布的均衡性问题, 不断提高网络资源的利用率。

4 结束语

目前, 网络虚拟化技术已经成为解决当下互联网僵化等问题的有效技术途径。在网络虚拟化技术中, 虚拟网的映射实现网络虚拟化的基础。虽然对于网络虚拟化技术中的虚拟网映射问题国内外已经有了很大的突破, 取得了较大的成绩, 但在实际的运用过程中, 仍然会出现这样那样的问题。因此, 我们还需要不断引进新技术新方法, 不断研究新的技术手段, 更好地实现物理网络资源分布的均衡性, 进一步提高网络资源的使用效率。

摘要：目前, 随着网络需求与规模的不断增大以及网络流量的快速增加, 传统网络的运营模式很难满足日益增长的网络需求, 这给未来互联网技术的发展与革新造成了一定的障碍。近年来, 网络虚拟化作为一种有效解决互联网僵化问题的技术方式, 目前已经受到了国内外相关领域的广泛关注。网络虚拟化以其自身的优势给互联网技术带来了一定的积极影响外, 也在一定程度上给网络资源的管理提出了较大的挑战。该文就网络虚拟化技术中的虚拟网映射问题及其研究现状对网络虚拟化及分层服务提供模型进行了阐述, 分析了当前虚拟网映射算法存在的不足及研究现状, 并提出了一种基于路径集多商品流问题模型的虚拟网映射算法。

关键词：网络虚拟化,虚拟映射,研究现状

参考文献

[1]汪斌强, 邬江兴.下一代互联网的发展趋势及相应对策分析[J].信息工程大学学报, 2009 (10) .

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[3]吕博.网络虚拟化资源管理架构与映射算法研究[D].北京邮电大学, 2011.

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篇4：虚拟现实技术的研究现状

关键词：网络虚拟货币；性质；发展现状；问题和对策

网络经济的飞速发展推动了网络虚拟支付能力的不断增强和支付功能的不断丰富。目前，虚拟货币不仅能够在网络世界中作为支付工具使用，还可以换取传统实物商品，并且能够和法币兑换。

1.国内外网络虚拟货币的产生和发展现状

国外网络虚拟货币从80年代产生至今，一直围绕着“网游”这一主题。1989年，《宝石传奇2》网络游戏中，一位玩家以2000美元买下游戏中的某个角色，标志着网络虚拟货币的初步产生。随着网络经济的发展和网络游戏规模的扩大，网络虚拟货币发展迅猛。先后兴起了很多种网络虚拟货币的形式，其中几种重要的虚拟货币形式有Beenz、Flooz、PP币、PayPal和林登币。

国内最早出现网络虚拟货币的是2000年中文利网（China Bounz.com）以积分形式向消费者提供的虚拟货币。国内网络虚拟货币的产生主要是为促进网民积极浏览网页、参与网络活动，与国外在网络游戏背景下的产生不同。国内网络虚拟货币虽然相对于国外来讲起步较晚，但是发展迅速。当前，国内有十几种虚拟货币，腾讯QQ币、新浪U币、盛大点券、百度币等。

2.面临的问题和对策

网络虚拟货币的产生是时代的必然，发展迅猛。但是也面临很多的问题。其在发行、管制、回收和安全问题使得人们对于网络虚拟货币的发展产生担忧。现对网络虚拟货币面临的问题进行分析，并提出相应的对策建议。

2.1面临的问题

1）网络虚拟货币发行泛滥。

按照上文关于网络虚拟货币的定义和分类，网络虚拟货币包括积分币、专用币和游戏币。虚拟货币的种类就不止10种，现在很多网络运营商都可以发放虚拟货币，不受任何监管，具有一定的随意性。在大多数情况下，发行商发行的虚拟货币要比实际需要的多，这是因为虚拟货币具有特殊的成本结构：高沉没成本，低边际成本。

2）监管体系不够健全。

其一是虽然国家已经重视到网络虚拟货币对社会经济的影响作用，也在最近几年出台相关文件进行管制，如2009年6月出台的《关于加强网络游戏虚拟货币管理工作的通知》，《通知》中首次明确了“虚拟货币”定义，并指出同一企业不能同时经营虚拟货币的发行与交易，表示要严格监管虚拟货币发行和交易。但是并未提出对违反此规定具体的惩罚措施。

3）网络虚拟货币的安全问题。

国内外网络虚拟货币都存在安全隐患。由于国外信用卡的消费习惯，一些不法犯罪分子通过盗取信用卡资料买入林登币。在林登公司没有调整信用卡消费额度之前，一个注册超过一个月的免费账号可以购买2500美元的林登币，相当于60多万林登币，而在鼎盛时期刷出的林登币甚至达上千万。黑卡又拒绝偿还美元，这笔损失就会转嫁到林登公司。2007年林登公司改善技术措施，但是仍然无法从根本上杜绝黑卡，只能降低消费额度。而消费者的支付方式主要是信用卡，信用卡消费额度的减少使得购买林登币的数量急剧减少。同时一些网络黑客通过外挂的形式，滥发虚拟货币，造成安全技术风险。

2.2相应的对策

1）规范虚拟货币发行准入制度

首先，发行虚拟货币需要向有关主管部分提交申请，由主管部门审查发行主体的资金规模、资信等级、经营状况，管理是否完善，判断其是否具有能力发行虚拟货币。其次对其发行数量进行限制，根据运营商资产状况和运营能力确定其发行虚拟货币数量。最后，对发行方式和发行对象进行严格管制，统一使用具有支付牌照的第三方支付系统进行发行，同时对发行对象要采用实名制，这样能够有效管制虚拟货币的发行和流通渠道。

2）建立全面的法律监管体系

应建立关于积分币、专用币和游戏币这三种虚拟货币的法律文件，而不仅仅只针对网络游戏中的游戏币。严格禁止线下交易、打击“洗钱”、“外挂”、“私服”行为，制定相应的具体的惩罚措施，规范发行商的责任和义务。加强对网络虚拟财产的权益保护，保护用户的合法权益。

3）提升网民安全意识，加强网络技术改造

提升网民安全意识防范，普及网上支付安全教育。同时加强对数据库进行严格把关，通过对网络安全性进行分析，加强技术改造。另外， 对网络虚拟货币进行数字签名， 保证该虚拟货币合法性。要保证网络用户的“虚拟财产”不被盗窃。

参考文献：

[1] Hiroshi Yamaguchi . An analysis of virtual currencies in online games.Available at SSRN：http：//ssrn.com/abstract=54422，2004.

[2]贾丽平.网络虚拟货币对货币供求的影响及效应分析[J].国际金融研究，2009（8）：38-46.

[3]蔡则祥.网络虚拟货币的本质及其风险管理[J].管理世界，2008：174-175.

[4]李杨琴.“虚拟货币”：性质、影响和监管[J].昆明：时代金融，2007（8）：67-68.

[5]孙宝文，王智慧，赵胤钘.虚拟货币的运行机理与性质研究[J].北京：中央财经大学学报，2011（10）：52-59.

[6]中国互联网信息中心.中国互联网发展状况统计报告，2013.7.

篇5：虚拟现实技术的研究现状

一、“虚拟存储就像一台翻译器”

在一个SAN环境中，存储的虚拟化可以分别基于主机、网络和存储设备，这就像一个有演讲者和听众的会场，演讲者就是主机，听众好比存储设备，但演讲者与听众讲不同的语言，互相之间无法直接交流。而虚拟存储就像一台翻译器，基于主机的虚拟存储就像将翻译器安装在演讲者身上；基于存储设备的虚拟存储就像将翻译器安装在每一位听众身上；基于网络的虚拟存储则像会场中的同传设备。安装了翻译器，演讲者和听众之间就能顺畅交流，而翻译器安装在不同的位置就构成了不同层面上的虚拟存储。

这三种架构的虚拟存储适用于不同的环境，基于主机的虚拟存储适用于以主机为中心的IT环境，其中的主机数目较少，甚至是单主机；基于存储设备的虚拟化针对异构SAN架构，更适用于以存储为核心的环境，它独立于主机，其存储设备可以连接多台主机，但存储设备本身不能是异构的；基于网络的存储虚拟化适合于开放的存储网络，即Open SAN，它独立于主机，同时也独立于存储设备，因此，它最灵活。在实际应用中，究竟使用哪种方式最有效，其原则就是花最少的精力和财力，选择最适合的一种甚至两三种组合来实现存储虚拟化。

二、虚拟存储技术的区分

（1）基于主机的虚拟存储

基于主机的虚拟存储依赖于代理或管理软件，它们安装在一个或多个主机上，实现存储虚拟化的控制和管理。由于控制软件是运行在主机上，这就会占用主机的处理时间。因此，这种方法的可扩充性较差，实际运行的性能不是很好。基于主机的方法也有可能影响到系统的稳定性和安全性，因为有可能导致不经意间越权访问到受保护的数据。这种方法要求在主机上安装适当的控制软件，因此一个主机的故障可能影响整个SAN系统中数据的完整性。软件控制的存储虚拟化还可能由于不同存储厂商软硬件的差异而带来不必要的互操作性开销，所以这种方法的灵活性也比较差。

但是，因为不需要任何附加硬件，基于主机的虚拟化方法最容易实现，其设备成本最低。使用这种方法的供应商趋向于成为存储管理领域的软件厂商，而且目前已经有成熟的软件产品。这些软件可以提供便于使用的图形接口，方便地用于SAN的管理和虚拟化，在主机和小型SAN结构中有着良好的负载平衡机制，

从这个意义上看，基于主机的存储虚拟化是一种性价比不错的方法。

（2）基于存储设备的虚拟化

基于存储设备的存储虚拟化方法依赖于提供相关功能的存储模块。如果没有第三方的虚拟软件，基于存储的虚拟化经常只能提供一种不完全的存储虚拟化解决方案。对于包含多厂商存储设备的SAN存储系统，这种方法的运行效果并不是很好。依赖于存储供应商的功能模块将会在系统中排斥JBODS（Just a Bunch of Disks，简单的硬盘组）和简单存储设备的使用，因为这些设备并没有提供存储虚拟化的功能。当然，利用这种方法意味着最终将锁定某一家单独的存储供应商。

基于存储的虚拟化方法也有一些优势：在存储系统中这种方法较容易实现，容易和某个特定存储供应商的设备相协调，所以更容易管理，同时它对用户或管理人员都是透明的。但是，我们必须注意到，因为缺乏足够的软件进行支持，这就使得解决方案更难以客户化(customzing)和监控。

（3）基于网络的虚拟存储

基于网络的虚拟化方法是在网络设备之间实现存储虚拟化功能，具体有下面几种方式：

①基于互联设备的虚拟化

但是，基于设备的方法也继承了基于主机虚拟化方法的一些缺陷，因为它仍然需要一个运行在主机上的代理软件或基于主机的适配器，任何主机的故障或不适当的主机配置都可能导致访问到不被保护的数据。同时，在异构操作系统间的互操作性仍然是一个问题。

②基于交换机的虚拟化

基于互联设备的方法如果是对称的，那么控制信息和数据走在同一条通道上；如果是不对称的，控制信息和数据走在不同的通道上。在对称的方式下，互联设备可能成为瓶颈，但是多重设备管理和负载平衡机制可以减缓瓶颈的矛盾。同时，多重设备管理环境中，当一个设备发生故障时，也比较容易支持服务器实现故障接替。但是，这将产生多个SAN孤岛，因为一个设备仅控制与它所连接的存储系统。非对称式虚拟存储比对称式更具有可扩展性，因为数据和控制信息的路径是分离的。

基于互联设备的虚拟化方法能够在专用服务器上运行，使用标准操作系统，如：Windows、Sun Solaris、Linux或供应商提供的操作系统。这种方法运行在标准操作系统中，具有基于主机方法的诸多优势？？易使用、设备便宜。许多基于设备的虚拟化提供商也提供附加的功能模块来改善系统的整体性能，能够获得比标准操作系统更好的性能和更完善的功能，但需要更高的硬件成本。

篇6：虚拟现实技术的研究现状

虚拟现实技术在煤矿安全中的应用研究

李珍香1, 杜红兵1,2, 夏征义2(11山西阳泉煤炭专科学校,山西阳泉045001;21中国矿业大学北京校区,北京100083)摘 要:介绍了虚拟现实技术及该技术在煤矿安全中应用的必要性和可行性,并提供了该应用领域中编制虚拟现实软件的工具。关键词:虚拟现实;煤矿安全;应用

中图分类号:TD7

文献标识码:A

文章编号:1008-8725(2000)06-0027-02 0 引言

多年以来,煤炭科技的发展,使得煤矿安全技术水平有了很大的提高,但是由于本身所处的自然条件,煤炭行业仍然被认为是比较危险的行业,各种事故(如顶板冒落、火灾、瓦斯煤尘爆炸等)的发生严重威胁着矿工的生命安全和煤炭生产的正常进行。在各种灾害事故中,矿井火灾是煤矿主要灾害之一,据统计,在全国统配煤矿和重点煤矿中,有自燃发火危险的矿井约占47%。当矿井火灾发生后,火势发展迅猛,变化复杂,影响范围广,往往造成人员伤亡和财产的损失,极易酿成重大灾害事故[1]。在救灾时,救灾行动的成功与否取决于救灾人员能否迅速、正确地决策并实施,而这些又取决于救灾人员的素质和他们平时训练水平。然而在矿山救护队的平时训练中,传统的训练方法很难给他们提供一个与真正的矿井灾害相近的训练环境,这样他们在救灾时,由于缺乏亲身的感受和实践经验,面对井下灾害时期极其危险复杂的场面,就很可能不知所措,而不能正确运用平时训练中学来的理论和技术[2]。虚拟现实技术完全可以模拟一个真正的矿井灾害和在火灾时期矿井的风流和烟流流动情况,并实时采取一些救灾措施,把救灾措施的效果逼真地反映给参与者。救护人员可以通过进入这个虚拟的环境,尝试采取各种各样的救灾措施,从而获得训练[3~4]。虚拟现实还可以模拟一个已发生 的事故,便于调查事故原因,吸取事故教训。1 虚拟现实技术[5]

虚拟现实,作为一门新兴的交叉学科,是当今计算机界广泛关注的一个热点。特别是VRML这一基于WWW上虚拟现实建模语言的出现和发展更推动了虚拟现实技术的发展。

虚拟现实来自于英文/Virtual Reality0(VR),它是利用计算机生成一种模拟环境(如飞机驾驶舱,分子结构世界等),通过多种传感设备使用户/沉浸0到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。实际上它就是一种先进的人机接口,通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段,最大限度地方便用户的操作,从而减轻用户的负担,提高整个系统的工作效率。它是多年以来在实时图像显示技术、控制理论、数据库设计、机器人技术、多媒体技术、立体声、跟踪定位技术、计算机辅助设计和影视技术基础上发展的结果。它可以完全彻底地转化人们的想象力,可以在计算机中产生另一种境界,然后将境界的有关信息传给人的感觉器官,使人们获得一种全新的感受,让人觉得他的确是在另外一个三维世界中。

VR技术具有以下四个重要特征:(1)多感知性(Multi-Sensory)。所谓多感知,就是说除一般计算机技术所具有视觉感知外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知,甚至还应该包括味觉感知、嗅觉感知。(2)存在感(Presence)。又称为临场感(Immer-sion),是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的 真实程度。

(3)交互性(Interaction)。指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度(包括实时性)。

(4)自主性(Autonomy)。指虚拟环境中的物体依据物理定律动作的程度。2 国内外研究现状

随着虚拟现实技术的兴起和发展,有关它的应用也得到了很大的发展,目前在军事、航空航天、医学、建筑工程、娱乐方面的应用研究比较多。比如,医学上的虚拟解剖,建筑上的辅助设计,军事上的虚拟现实飞行模拟训练及联网战场模拟,以及各种各样精彩的虚拟现实游戏等等。虚拟现实已经形成了一个很大的潜在市场。

但是在煤炭行业,虚拟现实的应用研究还不是很多。英国的诺丁汉大学矿产资源工程系的AIMS研究小组利用虚拟现实技术模拟了一个井下房柱式开采系统。人们可以随时从真三维的各个方位观察这个开采系统中各个设备的运转情况及整个系统的运行状况,还可以实时的改变开采系统的配置,系统自动给出各种情况下的效率参数,通过对比来获得最佳的开采效率下的设备和人员配置。他们还模拟了露天矿的交通安全训练与教育系统,井下矿车出轨撞人的场景[3,4]。现有国内的安全技术及工程的各种理论技术已经相当丰富并且还在不断发展,但虚拟现实技术作为一门新技术在煤炭行业的安全技术中的应用研究可以说还是一个空白。3 矿井灾害的虚拟现实技术模拟及意义

用虚拟现实技术来模拟一个真正的矿井灾害,使人们更彻底更直观地了解矿井灾害的各方面因素,从而更有效地采取防灾和救灾措施。用Visual C++程序设计语言、Open GL程序设计语言、虚拟现实建模语言VRML、Visual J++程序设计语言、计算机图形学等知识编制虚拟现实软件,主要模拟采区的通风系统,当运输巷皮带跑偏与机架磨擦引起火灾时,先是自动喷淋系统喷水灭火;如果火灾发生蔓延,就模拟火的蔓延过程;工程人员关闭风门的过程;矿工撤退的过程;人员的巷道中行走时,烟流对人员造成的影响等。以及救护人员采用水龙头喷水灭水时,如果在上风侧灭火,发生的烟流滚退现象等。

为此,该虚拟过程的实现有着重要的意义:它可以减少矿山救护时的实际训练费用,并大大减少训练时的危险性,而且还可以不受时间、地点、天气的影响,任意设置实际灾害中可能出现的一些特殊情况。它也可以提高煤矿安全及生产管理人员的安全意识,提高管理水平,预防重大灾害的发生,提高矿井救灾人员处理灾害的决策应变水平,并把矿井灾害的伤亡和损失降到最低。同时可以协助调查事故原因。另外,通过软件演示可以实现矿井安全救灾防灾的实际培训。4 结束语

虚拟现实技术的应用具有巨大实用性、真实性和灵活性。随着这种技术研究工作的不断深入和相关技术的发展(I/O设备的普遍使用、视频显示质量的提高以及功能很强且易于使用的软件的实用化),它在煤矿安全中的应用一定会有更广阔的前景。参考文献: [1] 周心权,吴兵1矿井火灾救灾理论与实践[M]1北京:煤炭工业出版社,19961 [2] 戚宜欣,秦跃平1矿井通风安全技术与管理[M]1北京:煤炭工业出版社,19981 [3] Aims ResearchUnit.Board and Pillar SystemUserManual.Department of Mineral Resources Engineering University of Nottingham.[4] Aims Research Unit.VR System General User Manual.Department of Mineral Resorurce Engineering University of Nottingham1 [5] 俞志和,曾建超1虚拟现实技术[M]1大连:大连理工大学出版社,19961 Application of VR technology in mining safety

LI Zhen xiang1DUHong-bing1、2XIA Zheng-yi2(1.Yangquan Training Iustitute of Coal,Yangquan 045001 China;2.China Univ.of Mining&Tech.,Beijing Campus,Beijing 100083,China)Abstract:This paper introduces VR technology and its application in minning safety and presentes the programming tools of VR technology in this field.Key words:VR;minning safety;application

煤 炭 技 术

篇7：虚拟现实技术的研究现状

摘要：一种实时自行车漫游系统（VR-BWS）。该系统以健身车作为人机交互的工具，综合运用了虚拟现实、传感器、DPS控制等技术，并通过立体显示等多通道交互技术实现了人在虚拟环境中的漫游，使参与者在由计算机构造的虚拟场景中获得了如同在真实环境中骑车的体验。

关键词：虚拟现实人机交互DSP传感器立体显示

虚拟现实是计算机生成的、给人多种感官刺激的虚拟世界（环境），是一种高级的人机交互系统。理想的虚拟现实系统应当让使用者在与虚拟环境产生交互行为时的感受与真实环境中的感受完全一样。而现有的漫游系统大多采用二维交互界面，即采用鼠标（二维输入）和键盘（线性输入）作为交互设备，遵循着“窗口-图标-菜单-指定”（Windows-Icon-Menu-Pointer,简称WIMP）操作范式，交互方式不合谐，不自然。本文以健身作为人机交互的工具，设计了一种实时自行车漫游系统VR-BWS。该系统以虚拟现实技术为基础，综合运用了传感器技术、DSP控制技术，采用了多线程、非阻塞的数据实时通信技术，并通过立体显示等多通道交互技术实现了人在虚拟环境中的漫游，使参与者在由计算机构造的虚拟场景中获得了如同在真实环境中骑车的体验，是把虚拟现实技术应用于实际的一个有益尝试，应用前景十分广阔。

1系统构成及原理

当参与者骑在自行车上运动时，自行车的速度、方向、笼头往上提的时间和力度以及骑车人自身重量等数据，通过传感器实时采集，然后经由DSP控制电路传送到上位机中，经过分析处理，使其在屏幕的虚拟场景得到仿真和展示，在虚拟场景里达到表演的效果；同时，当屏幕中的场景变化时，如上坡、下坡等，也可以通过控制软件反馈到自行车的控制器上，产生阻尼/驱动力，使骑车人有上述场景产生的上、下坡的感觉，从而获得好的沉浸感。系统构成如图1所示。

2关键技术

2.1人机交互传感器技术

在本自行车漫游系统中，主要是借助各种传感器实时地捕捉人体作用于自行车而产生的各种运动参数，输入到计算机，作用于虚拟环境，实现人与虚拟环境的交互。

VR-BWS中使用的传感器有光电编码器、角位移传感器和力传感器。与车轮同步施转，并以增量式编码方式记录自行车车轮旋转角度对应的脉冲，然后将检测到的脉冲数据换成车轮的旋转圈数，即自行车相对于某一参考点的瞬时位置；VR-BWS中使用了角位移传感器检测车把转角，控制场景中视点和视线的方向；在场景中设计有没宽度的沟壑和天堑，根据骑车人的体重和速度来判断能否冲过去，仿真飞越长城和黄河等，因此在自行车的车把和座位处安装了用来测量提力和人体重量的力传感器。

2.2DSP控制技术

底层控制均由DSP系统完成。DSP处理系统的CPU采用TI公司生产的TMS320LF2407A，使用该芯片是为了保证上位机和下位机之间传感器数据和地形数据双向传递的实时性，减少运动跟踪和信息反馈环节的延时。

2.2.1传感器数据的实时采集

在DSP的事件管理器EV模块中，有一个正交编码脉冲电路QEP。该电路使能后，可以在编码和计数引脚上输入由光电编码器产生的正交编码脉冲。正交编码脉冲电路的基可由通用定时器提供，在程序中通用定时器设置成定向增计数模式，并以正交编码脉冲电路作为时钟源。由角位移传感器和力传感器采集到的角度数据和力数据是模拟信号，通过DSP的模数转换模块（ADC）将采集到的数据进行模数转换后存入的结果寄存器中。

2.2.2多线程、非阻塞的实时通信技术

TMS320LF2407A的串行通信接口SCI模块可以通过RS232转换芯片与PC机进行异步通信。因为由传感器实时采集到的`数据通过DSP的SCI串口传给上位机进行处理，同时虚拟场景中的地形数据需要下传来达到控制执行机构输出力矩的目的，模拟人骑自行车上、下坡时的感觉，在程序中把它设置成全双工方式。

使用多路传感器作为三维场景漫游的视点跟踪传感器时，必须不断地从串口采集各路传感器的状态数据，以跟踪观察者对视点位置和视线方向的改变。通常有两种方式：（1）在应用程序中创建定时器；（2）采用多线程的应用程序框架。第一种方法由于控制单元是以固定的频率向主机传输状态数据，因此为定时器选择适当的定时周期是关键，否则很容易造成数据丢失。另外，由于应用程序需要不断地响应定时器函数，因此三维场景的绘制速度必然会受到影响。笔者采用了第二种方法，具体如下：

在VC环境下开发了基于RS232协议的实时通信软件，可以与虚拟环境软件部分直接相连，并采用了多线程、非阻塞的实时漫游框架，在辅助线程中监视串口，有数据到达时依靠事件驱动，读入数据并向主线

程报告；并且WaitCommEvent、ReadFile、WriteFile()都使用了非阻塞通信技术，依靠重叠（overlapped）读写操作，让串口读写操作在后台运行。每当主线程收到由辅助线程传过来的新一帧数据后，首先对它进行判断，只有在它相对于上一帧状态数据的变化超过规定阈值的情况下，才能开始更新用户视口内的场景显示，从而避免由于参与者的微小运动而引起的不必要的场景重绘。

2.3虚拟场景的构造及其实时显示技术

目前，从技术角度上讲，漫游的最大难点在于建模和实时绘制，需要在模型的精细程度和绘制速度方面取一个折衷，既要保证一定的绘制质量，又不能造成用户的运动不适感。在建模和实时显示方面采用了各种技术，以保证实时性。

2.3.1虚拟场景的构建

虚拟环境中的每个物体包含形状和外观两个方面，用于存储虚拟环境中几何模型的模型文件应该能够提供这两方面的信息。同时还要满足虚拟建模技术的三个常用指标――交互显示能力、交互操纵能力、易于构造的能力对虚拟对象模型的要求。OpenGL中很容易实现模型的各种变换、着色、光照、纹理、交互操作和动画，但是它只能提供基本几何元素的造型函数，使得复杂模型的建模相对困难。3DMAX等三维图形建模工具能方便建立各种复杂特体模型，但是很难进行程序控制。因此，笔者在3DMAX等工具中建立好复杂模型后，在OpenGL中实现对其方便控制和变换。

本系统（VR-BWS）软件部分需要享用多种公开三维格式文件数据，同时还要与数据库相关联，VR-BWS数据流图如图2示。

2.3.2三维模型的实时显示

在3DMAX等建模工具中建立好复杂模型后，可以用多种文件格式存储。考虑到OpenGL提供了最基本的由多边形构造三维模型的方法，故以三角形网络方式存储。VR-BWS的软件部分是基于面向对象技术。三维图形类、渲染场景必不可少的属性类如：颜色类、纹理类、材质类、光源光等均采用面对象方法对OpenGL函数进行封装（如图3所示），软件的各个组成模块使用OCX控件和COM作为标准接口。这样既可以大大节省开发时间，又能提高渲染速度。

虚拟现实最重要的特性是人可以在随意变化的交互控制下感受到场景的动态特性。而提高显示性能的技术包括硬件和软件两个方面。在硬件方面，采用了高速的DSP芯片进行数据的实时采集和传输；软件方面建立了多线程、非阻塞的漫游框架，并采用了以下方法来提高场景画面的刷新速度。

（1）双缓存机制。也为显示器建立两个视频缓冲区，一个用于后台刷新屏幕，一个用于前台绘制。当需要更新时，切换这两个缓冲区，将原来作刷新用的缓部区用于绘制新的帧，同时将原来作绘制用的缓冲区用于刷新显示。场景越复杂，采用双缓存机制时间优越性就越能得到体现。而且采用双缓冲机制可以解决画面演示过程中严重的“闪屏”现象。

（2）LOD（LevelofDetail）细节层次技术。根据两种不同的判断来选取细节层次不同的模型：一是距离远近，离视点近的物体采用较高精度绘制，离视点远的物体则用较低精度绘制；二是通过自行车的速度设定不同的阈值，根据阈值选取不同精度的模型，然后通过平滑过渡技术来显示。

（3）实例技术。场景中经常需要多个相同的虚拟物体，如完全相同的树木等。对于这类需重复出现的特体，利用OpenGL库中的显示列表功能，将其分别定义为单独的显示列表，预先生成三维实体；再通过几何变换得到其它位置的特体。在图形显示时，只需调用所需的显示列表即可显示相应的三维实体，大大节约内存从而提高图形显示速度。

（4）预处理技术。对一些复杂的场景模型，如路两旁的高层建筑等，在预处理阶段，只计算出显示在观察者视野范围内的场景并存放起来，在动态显示时就无需对不可见的物体及落在所定义的观察空间之外的物体进行绘制，从而大大减少在动态显示时对可见性的测试和计算。

（5）用二维纹理代替三维模型。对漫游场景中非常复杂的细节上的物体如山坡上的植被等，若用三维模型表示，将需要大量的多边形，但实际动态显示时，没必要把它们表现得十分精确，所以使用二维纹理代替三维模型。其方法是将复杂特体的图像粘贴在一个平面上并放置在场景中，在三维复杂场景的实时显示时，令该平面的法向始终指向观察点。这样，就形成了这些复杂物体随着观察方向的改变而转动，提高了场景显示的实时性。

3立体显示技术

三维立体显示技术虚拟现实的关键技术之一。要实现三维景观的立体显示，首先必须得到符合三维特征的立体图像对。左右片对的生成可以按照以往传统的单目三维图形生成方法分别生成，即先计算左右眼的视点向量，并分别进行视点变换及首色处理，可取得左右眼的图像。但由于左右片对图像的相关性很强，物体在左右图上通常只有一个视差d，而其色彩与亮度值相差很小，可以利用这一点实现立体片对生成的快速算法。

假设场景中任意点F(x,y,z)在左右片对中分别成像为P1（xl,yl）、Pr(xr,yr)，则可得：

其中L代表左右焦点之间的间距，f代表焦距，d代表两眼的视差。首先分别计算得到左右眼的视点向量及其变换矩阵，而后在生成右眼图的同时，利用式（2）计算左眼图。在这一过程中，对离视点近的特体不采用式（2）计算，而用分别计算方法生成。这样可以使生成的左右片对既不失真实性，又具有快速性。

采用幅分割法进行立体显示。当显示器进行逐行扫描时，将左右图像按幅序交替显示，在计算机屏幕前用液晶方式实现图像分像，通过使用液晶眼镜并利用人眼的视觉延迟就可以获得立体视觉。立体监视器显示图像的刷新频率的高低直接关系到图像的稳定性，即所显示图像是否会出现闪烁现象。采用刷新频率为120Hz的监视器，使左、右眼视图的刷新频率保持60Hz。在本文中，水平方向采用不同视线参数的两幅透视图像的实时显示是通过软件控制实现的。

4试验结果及结论

篇8：虚拟现实技术的研究现状

关键词：虚拟化,桌面虚拟化,服务器虚拟化,VM,VPC

前言

1981年8月12日，IBM公司的埃斯特利奇工程师在纽约曼哈顿中心区沃尔夫饭店底层的礼堂宣布IBM第一台PC诞生。第一台PC采用了总线技术和零散的部件（即"开放标准"），IBM同时还公开了PC除BIOS之外的全部技术资料，并通过分销商传递给最终用户。这一系列开放措施极大地促进了个人电脑的发展，同时也给兼容机制造商开辟了巨大的空间，计算机技术进入了标准化时代。

虚拟化技术的出现，离不开技术的标准化。各硬件制造商以及软件开发商，均在统一的标准下生产和开发系统，各系统之间通过松耦合协同工作。标准化下的松耦合，奠定了虚拟化技术出现的技术基础。

虚拟化的概念，可以追溯到1972年8月，IBM发布了虚拟机VM/370。而在今天，虚拟化已经逐步从服务器虚拟化拓展到了桌面虚拟化，甚至是应用的虚拟化。服务器虚拟化已经不是市场上唯一的虚拟化选择了，更多的人把关注的目光投向了桌面虚拟化领域。

一、桌面虚拟化的定义

什么是虚拟化？绝大多数人的理解就是把操作系统和硬件分离，一个硬件能够同时运行多个操作系统。其实这只是虚拟化技术中很小的一个部分，是很初级的阶段。

虚拟化是一个广义的术语，在计算机方面通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。CPU的虚拟化技术可以单CPU模拟多CPU运行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。

虚拟化技术的应用贯穿在各个技术领域，如网络，在很早的时候就已经被虚拟化了，无论是逻辑的切换或者逻辑的隔离，都是对网络进行虚拟的管理，让机器和设备能够根据用户的需要进行连接。甚至近期Juniper推出了虚拟交换机的概念和技术，进一步地将虚拟化的概念应用到网络技术中。

什么是桌面虚拟化，最简单的定义是：将桌面或者客户端操作系统与原来的物理硬件进行分割，实现更灵活的使用。如果想要更清晰的理解桌面虚拟化的含义，可以参考下面的应用展望：

用户回家后，打开自己的个人电脑（不仅仅是电脑设备，只要可以上网的智能设备均可），通过网络登录公司的办公服务器，即可访问自己的办公桌面，进而在办公桌面上打开各种办公软件进行工作。而完成工作后，用户又可以登录到娱乐生活的电脑桌面，两个桌面互相独立，相互之间没有任何的影响。

二、桌面虚拟化的应用现状

桌面虚拟化技术的代表性产品有：VMware Workstation和Virtual PC等，这些产品可以让客户在一台客户机上能够同时运行多个操作系统（而非多个系统的多重启动），多个个人的桌面。桌面虚拟化可以在同一时间展示多个世界，这就是桌面虚拟化技术的神奇应用。

桌面虚拟化应该是一个应用前景非常好的技术，但目前却并没有被广泛应用，仅有的几个应用如：

·虚拟机的状态保存及回滚技术，便于专业技术人员进行开发和测试工作；

·用于安全访问关键网站，以防止本地系统中被注入木马；

·将虚拟机文件拷贝至移动硬盘，用于移动办公；

·将一些应用安装在虚拟机中，以避免物理系统中的软件安装过多，运行速度过慢。

为什么桌面虚拟化技术的前景和现实差别那么大？究其原因，是因为目前的桌面虚拟化技术，或者说目前的桌面虚拟化产品都没有实现"真正意义上或者是完整的桌面虚拟化"！

三、桌面虚拟化的发展阶段

现有的VMware Workstation和Virtual PC等桌面虚拟化产品，某种意义上讲，并不是真正意义上或者完整的桌面虚拟化，或者说是桌面虚拟化的0.5代，当然不同的厂商有不同的看法，有可能被定义为第一代的桌面虚拟化。

确切的说VMware Workstation和Virtual PC等产品只是做到了客户端操作系统的虚拟化。这个级别的桌面虚拟化只是将操作系统和硬件（笔记本，台式机）进行了隔离，这样，用户可以通过移动硬盘，或者其他手段进行拷贝，在不同的硬件上进行恢复，重建环境，并进行使用。这确实给工作带来了一些便利和轻松。

但是通过理解桌面虚拟化技术的内涵，应该还有更轻松的工作方式：用户不用携带移动硬盘，甚至不限工作地点，只需要有网络的支持，利用任何终端设备（不仅仅包括电脑，还包括PDA、上网手机等）都可以登陆自己的虚拟桌面，进行办公或娱乐。

完整的桌面虚拟化技术确实可以实现这样的应用，完整的桌面虚拟化技术应该包括3个阶段：

第一阶段：实现客户端操作系统的虚拟化，即实现了操作系统和硬件的隔离，并且还允许虚拟化的操作系统跟随移动存储设备进行转移，也就是现有虚拟化产品实现的阶段；

第二阶段：虚拟桌面的网络化、集中化，虚拟桌面操作系统将被存储在网络上，进行集中化的管理，用户可以通过网络，在任何地方，任何物理机器（台式机，笔记本，手机，瘦终端）上可以访问属于用户个人的桌面，从而实现前面描述的应用。这个实际上是个人的"云计算"化，目前也是虚拟化技术领域的热门技术；

第三阶段：从管理角度，实现桌面虚拟化的简化，与可用化。如果操作系统与硬件环境理想地实现了脱离，那么用户使用的计算环境将脱离物理机器的制约，每个人可能都会拥有多个桌面，而且随时随地都可以访问。那么伴随而来的就是虚拟机的泛滥，存储的爆炸，所以随之而来的，就应该是更简化地、安全地、高效地管理计算机。

之所以现在各种媒体对桌面虚拟化技术描述的神乎其神，而各厂商也不停的推出各种桌面虚拟化产品，但都不能让客户很好地认识和体会到虚拟桌面带来的真正价值和好处，恰恰是因为现在对桌面虚拟化的认识和使用仅仅停留在第一个阶段。

四、与服务器虚拟化的区别

目前，桌面虚拟化技术还处在第一个发展阶段，与服务器虚拟化一样，实现了与硬件的隔离，摆脱了对硬件的"紧耦合"。也就是说，不管是桌面虚拟化还是服务器虚拟化，对应的虚拟系统都不直接与硬件打交道，而是通过一个中间管理层来进行资源的协调，使得虚拟系统不会独占硬件资源。从这个角度看，桌面虚拟化和服务器虚拟化还是非常相似的。

但事实上，对于桌面虚拟化和服务器虚拟化，在使用上或者需求的出发点上有着本质的区别：

·桌面是个人使用的，所以更强调其易用性和个性化。这主要是因为每个人对自己使用的桌面环境具有依赖性，其关系接近于朋友或者助手。

·服务器则是主要提供高性能的应用服务，不需要很多的个性化，移动性要求也基本没有，主要是需要安全、稳定和易于管理。

两者在应用价值上也有着非常大的差别：

·用户利用桌面OS虚拟化做开发测试，是因为桌面虚拟化带来的便携性。

·服务器虚拟化，主要的应用价值在于服务器的整合，即更有效地发挥服务器性能，一台硬件多个系统同时使用。

桌面虚拟化和服务器虚拟化虽然在目前阶段不期而遇，但随着应用的深入和技术的发展，迟早会分道扬镳。

五、桌面虚拟化的技术展望

如上所说，桌面虚拟化技术发展到第二阶段，将实现网络化和集中化，虚拟桌面操作系统将被存储在网络上，进行集中化的管理。如此一来，用户的访问环境和运行环境将进行剥离，用户将可以通过任何设备对网络上的桌面进行操作与查看。

试想一下，在公司用一个电脑或者瘦客户端访问一个属于个人的桌面，上面有办公的产品，出差或者拜访客户的时候也可以用iPhone、PDA、或者网吧的电脑通过互联网访问个人的桌面，当然是安全地访问，随时获得个人所需的数据和应用。回到家里，还可以用私人的电脑连接到公司的桌面，这样就很好地区分了工作和生活环境，不用在私人的电脑上也安装公司里的各种软件，影响私人电脑的性能。

当然要实现上述的展望，技术上将面临很多问题：

1、最大的问题就是访问与运行分离。需要将屏幕现实与各种外设的信息通过网络与运行环境连通；

2、网络负载压力。局域网一般不会存在太大问题，但是如果通过互联网，就会出现很多技术难题，如何降低这些传输压力，是很重要的一环；

3、服务器负载压力。这在互联网的世界是个永恒的话题；

4、Session管理与动态调配；

5、高可用性与负载均衡问题；

6、存储问题。每个虚拟桌面不知会占用多少的存储空间，带来的存储压力将会是非常巨大的。

如果解决了上述的问题，桌面虚拟化将正式进入第三阶段，展现在世人面前的将是无穷魅力的虚拟化世界，将给世人带来前所未有的便利性。

科幻不再遥远，那个时候随身携带的笔记本将变得更小，更轻，甚至是无形，但强大得桌面计算和服务能力将时刻伴随在身边，真正称为形影不离的贴身秘书。

六、小结

目前，虚拟化技术蓬勃发展，作为虚拟化领域的热门技术--桌面虚拟化，无疑将得到极大的发展，给用户带来一次桌面应用的革命。只是，由于各个软件厂商在桌面虚拟化技术的标准上尚未达成共识，并且还有一系列的技术问题尚需进行攻关，各软件厂商还未能推出技术成熟、性能完善的第三阶段的桌面虚拟化产品。但桌面虚拟化技术的远大前景和无穷魅力却是所有计算机用户所无限憧憬的，相信在不久的将来，桌面虚拟化技术必将给计算机世界带来新一轮的创新和动力。

参考文献

[1]、虚拟机之家.《Vmware虚拟机实用宝典》.中国铁道出版社.2007.10

[2]、石磊.邹德清.金海.《Xen虚拟化技术》.华中科技大学出版社.2009.05

[3]、英特尔开源软件技术中心.复旦大学并行处理研究所.《系统虚拟化:原理与实现》.清华大学出版社.2009.03