沙特国王大学学报：虚拟现实及洞穴自动虚拟环境综述

制作和主办：ElsevierJournalof King Saud University沙特国王大学沙特国王大学学报www.ksu.edu.sawww.sciencedirect.com审查虚拟现实和洞穴：分类，交互挑战和研究方向穆汉纳河Muhanna约旦安曼苏马亚公主技术大学侯赛因国王计算机科学学院接收日期：2013年3月13日;修订日期：2013年12月10日;接受日期：2014年虚拟现实的主要目标之一是提供沉浸式环境，将参与者从现实生活带入虚拟生活。许多研究人员一直有兴趣带来新的技术，设备和应用程序，以促进这一目标。然而，很少有人关注这种环境的特定本文我们提出我们的文献综述虚拟现实和洞穴自动虚拟环境（CAVE）。特别是，本文首先简要概述了虚拟现实的发展。此外，一个虚拟现实系统的关键要素，提出了一个建议的分类法，从使用的技术和在这些系统中发现的精神沉浸水平的角度对这些系统进行分类。此外，本文还对CAVE的特点、用途和主要的交互方式进行了详细的介绍，并对CAVE与虚拟现实系统交互的挑战和研究方向进行了深入的探讨。？2015制作和主办Elsevier B.V.代表沙特国王大学 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。内容1.导言. 3451.1.虚拟现实术语的演变和定义3451.2.相关术语和概念3462.相关工作3462.1.本文件的目标和范围3463.虚拟现实体验的关键要素3473.1.关键要素一：虚拟世界（中）347电子邮件地址：m. psut.edu.jo沙特国王大学负责同行审查http://dx.doi.org/10.1016/j.jksuci.2014.03.0231319-1578< $2015制作和主办Elsevier B. V.代表沙特国王大学这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词虚拟现实;分类学; CAVE;人机交互虚拟现实和洞穴3453.2.关键要素二：浸入式3473.3.关键要素三：反馈3483.4.关键要素四：互动性3483.5.关键要素五：参与者3494.虚拟现实系统的分类3495.CAVE自动化虚拟环境（CAVE）3525.1.CAVE 352的一般特性5.2.洞穴的用途3555.3.洞穴内的互动3555.4.直接操纵3565.5.导航3565.6.CAVE 356中的其他交互风格6.CAVE交互设计：挑战和研究方向3567.结论359参考文献3601. 介绍1.1. 虚拟现实术语计算机正被广泛应用于我们日常生活的几乎所有方面。目前，可以看到文盲的概念正在从不知道如何阅读或写作演变为有限或没有计算机技能。人们可以争辩说，精通计算机的人在就业机会、娱乐、文学和社交方面比那些计算机技能有限的人有优势。虚拟现实在当前的计算机和技术革命中发挥着重要作用，它也越来越广泛地应用于我们的日常活动中。如今，我们可以在娱乐、建筑、计量、军事、制造、医学、培训等许多领域融入虚拟现实并从中受益。Mychilo Stephenson Cline在其2005年出版的著作（Cline，2005）中声称，虚拟现实将导致人类生活和活动的本质变化。然而，增强虚拟现实已被美国国家工程院确定为21世纪的十四大工程挑战之一（国家科学院，2008）。虚拟现实在过去的四十年里不断发展。虚拟现实的概念，或者特别是虚拟空间，在被引入计算机技术之前，已经在几部旧小说和电影中使用。然而，伊万·萨瑟兰（IvanSutherland）在他的博士论文（Sutherland，1963年）和他的Ultimate Display（Sutherland，1965年）中首次引入了虚拟 现 实 的 概 念 。 萨 瑟 兰 的 论 文 《 SketchPad ， a Man-Machine Graphical Communication System》在计算机图形学、虚拟现实和人机交互方面向计算机科学界介绍了几个新思想。然而，在1989年，虚拟现实的现代含义被JaronLanier推广，他是虚拟编程语言研究公司的创始人（Lewis和Sound Lounge，1994）。从那时起，虚拟现实已经被感兴趣的研究人员和科学家更深入地研究、开发和使用。多年来，电气工程、机械工程、计算机图形学、计算机工程、物理学，化学、生物学和其他学科对我们今天所实践的虚拟现实体验的发展产生了影响。实践者在开发、探索和研究虚拟现实时，关注的是人的视觉。目前的焦点正在转向视觉，听觉和触觉。一些关于嗅觉和味觉的研究也在进行中，例如虚拟茧（Cocoon，2012）。当计算机科学家定义虚拟现实时，他们指的是沉浸式虚拟现实系统，并将定义分为两部分：虚拟的语义和现实的语义。然后，他们将这两个定义合二为一，从自己的角度获得虚拟现实一词的概念含义。主要的词典将形容词“虚拟”定义为几乎是一种物理上不存在的特定事物。另一方面，名词“现实”指的是真实的，不是想象的，具有真实状态的东西。一些科学家和研究人员从他们自己的角度定义了虚拟现实这个术语，这与他们的学科和背景有关。例如，Pimentel和Teixeira将虚拟现实定义为：“布鲁克斯提出了一个更近的定义这意味着用户对视点的动态控制“在Zaho（2002）中，作者将虚拟现实定义为一个封闭的计算机系统，由虚拟环境、物理环境以及软件和硬件接口组成，允许人与计算机之间进行交互。在他们的书中，谢尔曼和克雷格（谢尔曼和克雷格，2003），介绍了虚拟现实的另一个定义，它被描述为一种由交互式计算机模拟组成的媒介。在这样的介质中，用户或参与者的位置和动作被感测，以便替换或增强对一个或多个感觉的反馈。这种方法给人一种精神上沉浸在模拟或虚拟世界中的感觉。Dioniso等人的作者引入了一个非常新的，但又很全面的定义。（2013），他们将虚拟现实称为346个硕士学位Muhanna从这些定义的演变可以看出，虚拟现实是几个元素的整合，包括计算机、世界和环境、交互性、沉浸感和用户，用户通常被称为虚拟现实体验的参与者。此外，Sherman和Craig介绍了虚拟现实体验的四个关键要素，即：虚拟世界 或 媒 介 、 沉 浸 感 、 感 官 反 馈 和 交 互 性 （ Sherman 和Craig，2003）。其他元素也被确定，如计算机（Pimentel和Teixeira，1993）和用户或参与者（Brooks，1999）。第2节简要介绍了虚拟现实体验的要素。1.2. 相关术语和概念虚拟现实并不是唯一一个描述这种技术、系统或体验的术语。例如，在20世纪70年代，Myron Krueger（Krueger，1992）引入了“人工现实”一词，他指的是一种允许用户物理参与计算机创建和更新的模拟的技术。Kruger解释说，一个人工现实系统跟踪参与者这需要分析参与者赛博空间是科幻小说家威廉·吉布森在他1982年和1984年的小说《燃烧的铬》和《神经漫游者》中创造的另一个术语。这个术语的意思是在一次采访中，吉布森解释说，网络空间是一个隐喻，银行交易，股票市场，电话和互联网发生。这是一个地理不再存在的空间（Josefsson ，1994）。从计算机科学家这个空间是技术的结果，它允许地理上彼此远离的人们以互动的方式进行交流。其他与虚拟现实相关的新术语包括虚拟世界和虚拟环境。在这一节中，我们更早地描述了虚拟世界.另一方面，虚拟环境被认为是虚拟世界和在诸如虚拟现实的交互式介质中呈现的虚拟世界的实例（Sherman和Craig，2003）。2. 相关工作已经做了许多尝试来调查虚拟现实系统的当前文献。这些评论都从特定的角度讨论和概述了虚拟现实的现状。例如，在Zhou和Deng（2009）中，作者介绍了基于技术和沉浸的虚拟现实定义的演变。他们还概述了虚拟现实技术的简史。此外，还讨论了虚拟现实系统和虚拟环境设计中的关键图像处理技术。Steed（1993）对虚拟现实文献进行了一次较早但较全面的调查。本文重点介绍了虚拟现实技术的应用以及虚拟现实系统的设计一个虚拟现实系统，如接口设备、系统管理软件和实际的虚拟世界结构。Zhao（2011）的作者从他的计算观点确定了虚拟现实中的十个科学和技术问题。其目的是帮助解决这些问题，从而促进虚拟现实应用的发展。事实上，作者之前已经在Zhao（2009）中发表了这项工作的扩展版本，其中作者对虚拟现实问题进行了分类，并确定了虚拟现实的主要研究和发展趋势。Krevelen和Poleman（2010）在技术、应用和限制方面对增强现实进行了调查。本文描述了增强现实，并给出了它的历史洞察。然后，它详细介绍了构建增强现实系统所需的关键组件，包括显示器，跟踪传感器和用户界面。调查的视觉增强现实显示器的特点与他们的个人优势的比较。此外，作者探讨了不同风格的用户与增强现实系统的交互，以及使用增强现实系统的人为因素的限制。虽然这篇论文有非常有趣的见解，但它的重点是增强现实而不是虚拟现实。虚拟现实和增强现实在许多方面重叠，因为它们都是一个更大的保护伞叫做混合现实。此外，当在真实环境中组合真实对象和虚拟对象时，增强现实可以被认为是虚拟现实的一部分。另一个相关的工作最近在（Liu et al.，2012年），其中作者回顾了虚拟世界中融合相关技术的现状。特别是，作者介绍了一致性模型的分类，有助于为在共享虚拟世界中交互的用户提供改善其虚拟体验所需的错觉。该分类法应用于案例研究几个共享的虚拟世界。最后，作者讨论了大规模虚拟世界中状态融合的挑战和有前途的解决方案。虽然这些相关的工作，其中包括（鲍曼，1995年;赖特和Madey，2008年），有其重大的影响和贡献，探索和概述虚拟现实的地位，很少有工作已经做了重点审查的交互设计方面的建设虚拟现实系统和关键要素需要改善这种互动。此外，文献缺乏一个全面的分类法，可以将虚拟现实系统分成共享一个共同的属性模式和沉浸水平的组。此外，虽然我们相信它有很大的潜力，CAVE还没有得到很好的研究，探索互动的挑战和研究方向，建立一个基于CAVE的应用程序。2.1. 本文件的目标和范围本文主要围绕四个方面展开：（i）虚拟现实和虚拟现实系统的组 成部分， （ ii ）虚 拟现实系 统的分类， （iii ）CAVE，（iv）为虚拟现实系统和CAVE构建软件应用所采用的交互风格、面临的挑战和研究方向。虚拟现实和洞穴347本文的主要目的是提供一个全面的审查的现状，虚拟现实系统，特别是CAVE。我们相信专家以及虚拟现实、CAVE和人机交互领域的新来者对于新来者，演示流程如下：首先，介绍虚拟现实的定义及其在过去几十年中的演变。其次，在虚拟现实系统中应该找到的关键要素进行了探讨。这些因素中的每一个都可以被看作是确定是否应该考虑一个系统的一个衡量标准一个虚拟现实或没有。理解这些元素对于理解所提出的分类法以及本文的其余部分至关重要。第三，提出了一个虚拟现实系统的分类，并给出了一些实例，以使读者对虚拟现实系统的发展趋势有一个直观的了解。分类法的其他目标也将在本节的最后讨论。第四，从CAVE的特点、用途和交互风格等方面对CAVE进行了深入的研究。我们之所以选择进一步探讨CAVE而不是其他虚拟现实系统，是因为我们相信CAVE是虚拟现实发展过程中最重要的系统之一。虽然CAVE具有很大的潜力，但它的许多研究和开发方面，特别是交互设计方面，还没有被研究人员很好地探索。因此，第五，本文也提出了开发基于CAVE的应用程序的交互设计挑战的探索。在软件生命周期的早期阶段，软件工程师和交互设计师应该仔细考虑所识别的挑战。因此，不可预测的软件风险可以最小化。此外，感兴趣的研究人员和从业人员可以从这些挑战的识别中受益，为未来的研究和调查开辟方向，以应对每一个挑战和/或尽量减少其影响。在过去的几十年里，已经开发了许多虚拟现实系统。此外，就正在开发和将要开发的虚拟现实系统的数量而言，未来的趋势是有希望的。因此，需要将这些系统分类成组，其中每组的成员共享一些共同的模式。在本文的第3节中，我们提出了我们提出的虚拟现实系统的分类。所提出的分类法的目标之一是将虚拟现实系统分类成组。每个群体都有自己的特点和意义。虽然不同，但每组中的虚拟现实系统在技术和沉浸水平方面具有相同的关系模式。此外，我们相信这种分类有助于从业者在进行未来的研究时专注于一个群体，而不是一个特定的系统。例如，可以根据组的特定属性为一个组而不是另一个组定制启发式评估。拟议分类法的另一个好处是支持预测虚拟现实系统发展的新趋势以及识别新系统。反过来，这将最大限度地减少虚拟现实系统的随机性，并将技术置于明确的时间线上。3. 虚拟现实体验3.1. 关键要素一：虚拟世界（媒介）在他们的书（Biocca和Levy，1995）中，Biocca和Levy将虚拟世界定义为由计算机生成的空间，其中一个或多个用户通过二维，三维或其他称为化身的图形表示相互交互。谢尔曼和克雷格（谢尔曼和克雷格，2003年）描述为一个由规则和关系支配的空间中的对象的集合。这个空间不是真实生活的一部分，而是通过一种媒介来表现的3.2. 关键要素二：沉浸在心理学方面，沉浸是指在行动中完全参与某事。换句话说，它是一种状态，其中参与者被吸引并参与到活动的虚拟空间中，以扩展他或她的活动。她的思想与他或她正在活动的物理空间分离我们可以体验沉浸在几种类型的日常活动。例如，许多小说把读者带到一个新的不存在的世界，在那里他们感觉自己是其中的一部分，同情其中的人物，忘记了他们的真实世界和周围环境。科学家把这种浸入式教学称为精神浸入式教学。这种沉浸感的其他例子包括看电影、听音乐和做白日梦。身体沉浸，另一种类型的沉浸，当我们身体参与到一种体验中时，可以体验到。那些达到身体沉浸的人被称为partici- pants（谢尔曼和克雷格，2003年）。例如，在飞行模拟器中，受训者或参与者必须进入模拟的驾驶舱内，以便能够与不同的对象交互，从而模拟虚拟飞机。例如，如图1所示，显示在受训者面前的内容根据他或她的动作、仪表读数和飞机被操纵的环境进行更新和修改。另一方面，心理沉浸在虚拟现实体验中具有不同程度的沉浸感这种体验可以是部分的精神沉浸或完全的，尽管值得注意的是，在虚拟现实体验中达到完全的精神沉浸仍然是研究的一个积极挑战。研究人员提出了其他方法来分类沉浸。例如，在他们的论文中，Nakatsu和Tosam（Nakatsu和Tosam，2005）介绍了被动沉浸和主动沉浸这两个术语。互动的存在或缺乏是区分这两种沉浸的关键因素主动沉浸包括与对象交互，而在被动沉浸中，用户仅接收信息而不进行交互。例如，看电影可以被认为是被动沉浸的一个实例。另一方面，专注于创造场景的艺术家是主动沉浸的一个因此，虚拟现实体验应该包括主动沉浸。反过来，这是通过实现不同的交互方法来实现的，这将在本文的第4348个硕士学位Muhanna图1参与者使用一个模拟器（由维基共享资源提供）。Ermi和Mayra（Ermi and Mayra，2005）提出了与游戏相关的其他三种沉浸感分类，包括感官沉浸感、挑战性沉浸感和想象性沉浸感。游戏的音频和视觉执行提供了一个很好的感官沉浸的例子。几乎每个人都能认出它，即使是那些游戏经验较少的人，比如父母在游戏中帮助孩子。当用户能够实现挑战和能力的令人满意的平衡时，可以感受到基于任务的沉浸感。战略思维和解决逻辑问题是这种沉浸的例子。最后，在一个充满想象力的沉浸中，参与者变得更加专注于游戏故事和世界，以至于他们开始对游戏角色产生感情。这种沉浸式游戏的参与者有机会发挥自己的想象力，与角色产生共鸣，或者只是享受游戏。在 他 们 的 书 中 ， Pimentel 和 Teixeira （ Pimentel 和Teixeira，1993）声称，为了让虚拟世界被认为是身临其境的，要问的问题是虚拟世界是否足够真实，以暂停参与者这意味着沉浸式体验不需要虚拟世界像物理世界一样真实。在Zhou和Deng（2009）中，作者从沉浸度或沉浸度的角度看待虚拟现实。如果没有沉浸，那么在他们头脑中构建的想象世界被认为是虚拟世界。当人们半沉浸在世界中时，它被认为是一种中等的虚拟现实。另一方面，3.3. 关键要素三：反馈反馈或感官反馈（Sherman和Craig，2003）是VR体验的另一个关键要素反馈使参与者能够观察其活动（或输入）的结果（或例如，虚拟显示器应该通过更新来相应地显示图像。换句话说，当参与者向右看时，显示器应该显示虚拟环境中参与者右侧存在的东西，等等。虽然术语感觉反馈用于医学，机械工程，电气工程和计算机科学与工程，但它通常指向相同的动作或机制。例如，在医学中，感觉反馈是感觉系统内的通信机制。输入信号产生一个输出响应，返回到连续的活动或感觉系统的生产力（克里克和科赫，1998年）。同样的方法也适用于VR系统。头部、手、躯干的取向或参与者的其它部分被跟踪，以便提供若干形式的反馈，诸如视觉反馈、触摸或触觉反馈、听觉反馈，并且可能甚至嗅觉和味觉。3.4. 关键要素四：互动在虚拟现实体验中，交互性使参与者能够与虚拟世界交互并修改虚拟世界。通过使用传感器和其他设备来实现交互性，这些设备允许参与者通过导航、直接操纵或其他交互方 式 与 虚 拟 对 象 动 态 交 互 。 在 （ Bowman 和 Hodges ，1999）中，Bowman和Hodges确定了复杂虚拟环境的三种交互技术，即：视点运动控制，选择和操纵。当参与者改变他或她在虚拟环境内的位置或方向时，视点运动控制或行进发生。 换句当在环境中导航时，参与者可以与驻留在环境中的虚拟对象交互。这种交互是通过选择虚拟对象然后操纵其状态来完成的。它是虚拟现实系统理解或感知参与者的交互并因此提供适当反馈的重要元素。这虚拟现实和洞穴349应该以实时的方式完成（Preddy和Nance，2002）。否则，系统的交互性元素将无法保持，导致不好的虚拟现实体验。与虚拟环境的交互将在本文的第4节中进一步探讨，其中 进 一 步 讨 论 了 虚 拟 现 实 体 验 中 的 交 互 性 ， 特 别 是CAVE。3.5. 关键要素五：参与者与其他计算机系统一样，用户或参与者是任何虚拟现实体验中的基本元素。 参与者在许多方面各不相同，因此需要进行研究，并有针对性地加以确定。例如，虚拟现实系统的新参与者需要一个最小化其体验的可学习性方面的系统。另一方面，专家参与者需要一个有效的系统，以便在快捷方式和命令集合的帮助下达到他或她的目标。应该为虚拟现实系统的不经常参与者提供使用较少人类记忆的系统。这导致了以用户为中心的设计过程在开发虚拟现实系统中的重要性。此外，虚拟现实系统与其参与者之间的关系可以采取一对一或一对多的形式。在一对一关系中，只有一个参与者与虚拟现实系统交互。另一方面，一对多关系允许许多参与者与一个虚拟现实系统交互。这种级别的交互可以从仅观察虚拟世界上发生的事情到与系统交互式交互。这里需要注意的是，当其他参与者观察体验时，至少应该有一个参与者与虚拟现实系统进行交互。否则，交互性元素将无法保持，从而导致弱的虚拟现实体验。4. 虚拟现实系统正如本文第2节所讨论的，虚拟现实在研究方面变得越来越广泛和活跃创新和调查。换句话说，虚拟现实媒体或虚拟世界可以通过几种形式和表示来体验。图2显示了我们提出的虚拟现实系统的分类。前面已经讨论了提出这种分类法的目的和有用性。我们的分类基于两个因素。第一个因素是构建系统所使用的技术类型特别是，我们研究了需要有特殊的输入和输出硬件设施，以体验虚拟现实系统。不使用这些设施的系统被称为另一方面，“增强型”虚拟现实系统需要特殊的硬件设施作为其系统的一部分。我们分类的第二个因素是心理沉浸的程度。正如我们之前所讨论的，虚拟现实系统不必完全沉浸式。相反，虚拟现实系统在引入参与者的沉浸水平上变化，并且仍然被认为提供虚拟现实体验。在查看分类时，特别是图2，有些人可能会对基本虚拟现实系统的沉浸程度感到困惑。因此，澄清我们对这一问题的观点是重要的。我们认为，与其他增强型系统相比，这些系统具有最低程度的沉浸感。事实上，在（Benyon等人，2005）认为这种类型的虚拟现实系统是非沉浸式的。然而，我们确实相信，这些系统中存在心理沉浸，但比增强系统的水平低。我们还认为，一个不提供任何水平的精神沉浸的系统首先不应该被认为是虚拟现实系统。澄清我们在这个问题上的观点应该澄清拟议的分类法中使用的三个层次的精神沉浸。最低级别的沉浸感是在基本的虚拟现实系统中看到的。在部分沉浸式虚拟现实系统中可以体验到更高水平的沉浸感。最后，在完全沉浸式虚拟现实系统中体验最高水平的沉浸感。请注意，这三个级别是按顺序排列的。也就是说，每个沉浸层次之间的距离并不明确，也不具体。一图2虚拟现实系统的拟议分类350硕士Muhanna测量这种距离的进一步探索可能被认为是未来工作的有趣方向如前所述，基本的虚拟现实系统不需要特殊的输入或输出设备来显示虚拟现实环境。基本的虚拟现实系统是基于屏幕的，指针驱动的，并通过三维图形呈现（Heim，2007）。这些系统可以分为子类别，如基于手和基于监视器的虚拟现实系统。在基于手的虚拟现实系统中，手持设备（诸如蜂窝电话、个人数字助理、超移动计算机和便携式游戏控制台）用于提供虚拟现实体验（Hwang等人，2006 年） 。 例如，图 2 显示 了iPhone 上使 用的WikitudeWorld Browser。通过使用智能手机上的数字指南针和相机，这种基于手的系统可以识别地标、周围环境和兴趣点，以便在用户或参与者的手机上为他们增加有用的数据。这种系统的其他较老的例子可以在Fitzmaurice等人（1993）; Wagner等人（1996）中找到。（2005年）。另一方面，基于监视器的虚拟现实系统基本上是在监视器上显示三维图形的台式计算机。鱼缸显示器（Fisher等人，1987年）就是这样一个例子。该显示器提供从观看者的视点投射的立体图像据称，鱼缸显示器仅提供有限的虚拟工作空间。换句话说，这种类型的系统有一个问题，显示虚拟对象驻留在可用的工作空间之外，或在观看者和监视器之间的边缘（Mulder和Van Liere，2000）。因此，它提供了一个低水平的沉浸和互动（图。 3）。增强的虚拟现实系统使用并且需要比基本系统中使用的设备更强大的设备，以便创建虚拟现实体验。基于心理沉浸因素，增强的虚拟现实系统可以部分或完全沉浸。部分沉浸式虚拟现实系统使用单个投影仪在大屏幕上显示虚拟世界。它可以图3iPhone上使用的Wikitude世界浏览器（由维基共享资源提供）。图4使用IDAV的平铺Powerwall的参与者虚拟现实和洞穴351在增强型壁挂式投影机中可以看到，例如图4所示的IDAV在这里，参与者不需要戴任何护目镜，因为这种类型的系统不显示三维场景。然而，它确实会跟踪身体的某些部位，需要使用特殊的手套。虽然这些手套使参与者能够与虚拟现实系统互动，但它们限制了他或她的自由度。如图4所示，几根有线电缆通常连接到手套上，限制参与者的运动。ImmersaDesk是部分沉浸式虚拟现实系统的另一个子类别。在这里，参与者需要戴上特殊的护目镜，以三维体验的方式观看投影显示器上的内容。显示器提供相同内容的两个重叠图片或立体图像，使得参与者的每只眼睛接收相同场景但从稍微不同的角度（Czernuszenko等人，1997年）。这给予参与者从显示器出来的第三维的感觉。图5（Keck，2012）显示了使用ImmersaDesk虚拟现实系统的参与者。另一种类型的虚拟现实系统是基于头部的虚拟现实系统。它是一种戴在参与者头上的设备，提供视觉和听觉反馈。基于头部的虚拟现实系统可以部分或完全沉浸。基于单目头部的系统是部分沉浸式虚拟现实的示例，并且也被认为是增强现实系统。增强现实是一种相对较新但迅速扩展的技术类型，它将现实世界的对象与虚拟对象相结合（Sherman和Craig，2003）。换句话说，用户可以通过透明屏幕看到虚拟和真实对象的组合，或者他或她可以用一只眼睛看到虚拟对象，用另一只眼睛看到真实完全沉浸式虚拟现实系统为参与者提供大视野中的三维虚拟场景。视野，或视野，是指一只稳定的眼睛在给定时刻可以看到的东西（谢尔曼和克雷格，2003），以度为单位。例如，人类的水平视野在向前看时可以达到180度。视野，一个经常与视野混淆的术语“眼睛”是指即使头部移动时眼睛也能在周围看到的东西。它以百分比或度来衡量，通常用于表征虚拟现实系统。图6所示的头盔或头戴式显示器（Melzer和Mof fitt，1997）或HMD是基于头部的完全沉浸式虚拟现实系统或基于双目头部的示例。在双目HMD中，两个小屏幕向参与者的每只眼睛显示虚拟场景。此功能提供更大的视野，并通过在每个屏幕上显示不同的内容向参与者传达第三维。此外，双目HMD系统可以跟踪头部的位置，以便向参与者提供反馈和互动。反过来，这可能会导致更大的关注领域。虚拟现实系统的拟议分类中的最后一组是基于房间的系统。在这里，参与者在一个房间内实现他们的虚拟现实体验。图7示出了用于训练目的的沉浸式技术的轻型车辆模拟器。 在这一模拟器中，参与者接受培训，了解如何应对紧急情况和在矿场驾驶轻型四轮驱动车辆的相关风险（国际采矿和采矿协会，2012年）。这允许将受训者置于可能需要花费大量成本来创建或根本无法构建的场景中。飞行模拟器是广泛使用的车辆模拟系统的例子。图8所示为大振幅多模式航空航天研究模拟器（LAMARS）。该模拟器提供了五个自由度，旨在降低试飞的风险和对新飞机设计的限制（Linklater和Slutz，2007）。洞穴自动化虚拟环境（CAVE）是基于房间的完全沉浸式虚拟现实系统的另一个例子。CAVE将在下一节中从主要特征、设置、输入和输出设备以及人机交互风格等方面进行讨论。 通过查看分类，值得注意的是，CAVE是一个基于房间的，完全沉浸式的，增强型虚拟现实系统。表1以表格形式总结了拟议的分类法。特别是，它比较了几个方面的虚拟现实系统，即：图5使用ImmersaDesk虚拟现实系统的参与者（Keck，2012）。352个硕士学位Muhanna图6使用双目头戴式显示器的参与者（Riecke等人， 2005年）。图7学员使用轻型车辆模拟器（IMM，2012）。特殊的I/O设备、参与者使用系统的限制、参与者的3D立体图像的存在、沉浸水平、视野和注视范围。此外，该表还提供了每种系统的一些示例参考。5. 自动化虚拟环境CAVE是由伊利诺伊大学电子可视化实验室的一组研究人员 于 1992 年 发 明 的 （ Cruz- Neira 等 人 ， 1992 年 ， 1993年）。它的设计和实现是为了应对创建一个利用大型投影屏幕的一对多可视化工具的挑战。第一个开发的CAVE在计算机图形学年会上展示，特别是在1992年的图形和交互技术特别兴趣小组中。作为与其他技术系统相比，CAVE在过去二十年中也有了发展，但基础较慢5.1. 洞穴的一般特征洞穴通常是一个100 × 10 0 × 100立方的房间，坐落在一个更大的黑暗的房间。立方体形状用作球体的近似（Cruz-Neira等人，1993年）。CAVE的侧壁由背投屏幕组成，而地板则由向下或背投屏幕组成。现代CAVE系统也可以将场景投影到天花板上，从而创建所谓的六面墙或六面CAVE。显示在屏幕上的场景由位于高分辨率投影仪和屏幕之间并旋转的镜子反射。在这种特殊的设置中投影场景，通过投射阴影，虚拟现实和洞穴353图8LAMARS虚拟现实系统（由维基共享资源提供）表1不同类型的虚拟现实系统的比较。虚拟现实特殊I/O约束3D立体水平领域领域示例系统设备图像浸没视图方面基于手没有一手持没有低窄宽Fitzmaurice et al.（1993）Wagner etal.（2005年）基于走廊的没有一没有一是的低窄窄Fisher等人1987年：《MulderandVan》L'évre（2000）壁挂式投影机投影仪，手套线没有部分窄窄Keck（2012）手套Immersa-Desk投影仪，控制器是的部分窄宽Czernuszenko等人（一九九七年）护目镜导线单眼头-头盔头盔没有部分窄宽Caballero等人（二零零九年）基于重量双目头-HMD头盔是的充分宽宽03 The Dog（1997）基于车辆特殊设置没有一是的充分宽宽第50集9.4The Famous（2007）模拟器洞穴特殊设置手持是的充分宽宽Cruz-Neira等人（一九九二年）魔杖图9（Cabral等人，2005年）描绘了CAVE的抽象设计，其组件和设备。另一方面，图10显示了内华达州里诺沙漠研究所的一个真实的四面墙洞穴。参与者实际上是在一个树木公园里行走，享受着广阔的视野和广阔的视野。此外，图10示出了CAVE的非参与观察者如何看到CAVE内的模糊或重叠的图像。这种重叠是经过精确计算的，以向参与者传达第三维，如图所示，参与者戴着一副特殊的护目镜，以看到洞穴内内容的立体视图。图11示出了这些护目镜的特写，其由经由红外发射器与投影序列同步的液晶快门眼镜制成。护目镜还用于跟踪参与 者 头 部 的 位 置 和 方 向 。 这 是 使 用 3SPACE PolhemusIsotrak传感器完成的，其发射器安装在玻璃（Cruz-Neira等人，1992年）。CAVE的另一个重要部分是魔杖，如图12所示。这是一个三维控制器，有几个按钮由参与者持有，以允许与系统交互。棒的三维位置是要跟踪的唯一属性（Cruz-Neira等人，1992年）。然而，较新的CAVE也会跟踪魔杖的方向。换句话说，魔杖在洞穴中充当三维鼠标。此外，魔杖有几个彩色按钮，每个按钮都有自己的功能。CAVE的软件开发人员能够根据正在创建的特定应用程序自定义每个按钮的功能。使用魔杖，参与者可以指向、选择或拖放虚拟对象，以及走进或穿过虚拟环境。CAVE内部使用的其他输入和输出设备包括听觉系统。一些CAVE使用扬声器向参与者输出听觉信号。这些扬声器被小心地放置在CAVE内部或外部的特定位置，354名硕士Muhanna图94-壁CAVE的抽象设计（Cabral等人， 2005年）。图10内华达州里诺沙漠研究所的四面墙洞穴图11CAVE的护目镜和头部跟踪器虚拟现实和洞穴355图12CAVE的Wand输入设备精确的角度使参与者不仅能够看到三维现实物体，而且还能够听到周围的声音，模仿他们在现实生活中听到的声音。此外，触觉或触觉系统已经在CAVE内部用作输入和输出设备。 例如，在Parian等人（2009年）和Hegie等人（2010年）中，作者介绍了用于CAVE或WiELD-CAVE的无线人体工学轻型设备。也就是说，使用手套来提供参与者与CAVE之间的交互的无线输入设备。手套也可以用来通过限制手的运动或发送振动信号来提供输出。例如，当参与者抓住一个虚拟杯子时，手套应该限制他或她的拇指移动到比杯子的大小更接近其他手指。这就产生了一种身临其境的感觉，在触觉或触觉输出方面模仿了现实世界。不需要戴手套的手势界面也在研究中。基于计算机视觉技术，作者在（Cabral et al.，2005），例如，研究了用于在虚拟现实环境（诸如CAVE）中交互的二维姿势识别系统。使用这个系统，参与者不必戴任何手套与CAVE互动。所有上述输入和输出设备都由增强型计算机控制，计算机连接到投影仪、传感器和扬声器。当参与者在CAVE内移动、旋转他或她的头部、按下魔杖上的按钮或可能说话时，控制这些设备的计算机系统将接收输入信号并相应地提供反馈。5.2. 使用CAVECAVE在许多项目和应用领域得到了越来越多的应用和探索。它可以用于军事和训练应用、教育、医学、科学可视化以及人类活动的许多其他领域。例如，CAVE已被用作教育工具，诸如在NICE项目中（Johnson等人，1998年;Alpensos例如， 1999年）。NICE是一个虚拟现实系统，它使用CAVE让孩子们构建虚拟生态系统并与之互动，让他们能够根据自己的互动经验创造故事。CAVE还广泛用于科学和数据可视化，例如，如（Billen et al.，2008; Ohno和Kageyama ， 2007; Ohtani 和 Horiuchi ， 2008; Symanzik 等人，1996年）。此外，CAVE的使用已经被尝试用于医学应用，例如， 在（Zhang等人， 2003）和（Zhang等人，2001）引入了用于张量磁共振成像的虚拟环境。这使科学家和医生能够研究白质结构并为脑肿瘤手术进行高级规划。洞穴也被用于娱乐。例如，CaveUT系统（Jacobson和Hwang，2002; Jacobson，2003 ）是一个VR 娱乐环境系统，支持在CAVE内渲染虚幻锦标赛游戏引擎的能力。通过使用CAVE的娱乐学习也被探索，例如在（Kazsou，2004），其中作者调查了虚拟环境中的交互性，包括CAVE，通过儿童的游戏学习系统。第二人生，一个流行的桌面电脑游戏，也已经在洞穴探索。例如，第二人生已经被用作在CAVE内部开发交互方法的案例研究（Kuka等人，2007年）。CAVE的应用领域正在不断扩大，因为这种复杂的VR系统提供了许多强大的技术能力。5.3. 洞穴内部的互动研究人员一直在研究不同的方法和风格，以便在人类参与者和CAVE 之间进行有效的互动。在Sherman 和Craig（2003）中，声称在新的虚拟现实媒介中获得的经验越多，他们开发的新的有效技术越多，虚拟现实系统将变得越强大和有用。到目前为止，直接操作和导航被认为是CAVE 内 部 交 互 的 核 心 方 式 . 此 外 ， Bowman 和 Hodges（Bowman和Hodges，1999）认为356名硕士Muhanna然而，我们确实相信，选择是直接操纵的一个基本部分，因此，我们不会认为它是一种相互作用的风格。这将在下面的小节中进一步讨论正在进行调查，以提高这些风格，以及探索其他风格的互动与虚拟现实系统和洞穴特别是。这些样式可以包括菜单、命令行语言、自然语言和语音通信。5.4. 直接操纵直接操作是由Ben Schneiderman在1983年引入的，作为一种交互风格，允许用户通过使用图形表示与操作系统进行物理交互。它是对象-动作界面模型的一部分，在该模型中，用户通过选择对象然后选择要在该对象上执行的动作来开始他或她的交互。直接操作的主要特征包括对象和动作 的 连 续 视 觉 表 示 、 即 时 反 馈 和 可 修 改 的 动 作（Schneiderman等人，2009年）。虚拟现实系统，特别是CAVE的本质要求具有虚拟对象和相关动作的连续视觉表示。此外，如前所述，即时反馈是虚拟现实系统的关键要素。然而，在应用于CAVE时，应仔细考虑可修订的操作。换句话说，让CAVE的参与者能够撤销他或她已经做过的特定动作，可以最大限度地减少虚拟现实体验的精神沉浸元素。这对于某些应用程序或特定任务可能是一个优势，而对于其他应用程序或特定任务可能是一个劣势一般来说，虚拟现实系统在直接操作方面具有四种交互风格，包括直接用户控制、物理控制、虚拟控制（Mine，1995）和代理控制（Sherman和Craig，2003）。这些控件广泛用于基于CAVE的应用程序中。在直接用户控制中，参与者使用他们的手势或凝视直接与系统交互。这模仿了人们在现实生活中如何与物体互动。直接用户控制的示例包括看虚拟树、抓住虚拟盒子等。另一方面，物理控制允许参与者使用物理设备（诸如图12所示的棒、方向盘或手套）与虚拟环境交互。例如，按下魔杖上的特定按钮可以用来拾取虚拟对象。物理控制和虚拟控制具有相同的原理，除了后者将控制设备放置在虚拟环境内的事实。这种控制的示例可以是参与者通过切换虚拟灯开关来打开虚拟房间中的灯。代理控制是CAVE中的另一种操作风格。它使参与者能够直接与智能代理进行通信，智能代理是一个人或计算机控制的实体，以便执行特定的动作。与智能代理的通信可以采取语音的形式、手势的形式或其他形式。5.5. 导航导航接口正广泛用于计算机中（Burigat等人，2008年）。特别是，导航可以在互联网浏览器中看到（Vittorio，1998），分层菜单