簡述虛擬現(xiàn)實技術(shù)

司占軍　李文霞　顧翀

摘要：虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，在很多方面都有應(yīng)用。該文從虛擬現(xiàn)實的發(fā)展歷程、特點、分類以及關(guān)鍵技術(shù)等幾個方面對虛擬現(xiàn)實進行論述。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；發(fā)展；技術(shù)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）08-1923-03

該船舶結(jié)構(gòu)虛擬裝配系統(tǒng)利用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，其中“現(xiàn)實”泛著物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或者環(huán)境，而“虛擬”是指由計算機生成的意思。簡而言之，虛擬現(xiàn)實就是指由計算機生成現(xiàn)實生活中存在或不存在的場景，人可以通過特殊的設(shè)備將自己置身于其中，進行各類相關(guān)活動，從而實現(xiàn)某種特殊的目的。

由于VR技術(shù)能產(chǎn)生具有交互作用的虛擬世界，使得人機交互界面更加形象逼真，該技術(shù)越來越多的被應(yīng)用于城市規(guī)劃、醫(yī)學(xué)、軍事航天、娛樂影視、工業(yè)仿真、文物古跡、游戲等領(lǐng)域，并取得一定的經(jīng)濟和社會效益。

1 虛擬現(xiàn)實的發(fā)展歷程

“虛擬現(xiàn)實”這一術(shù)語的來源最早可追溯到小說和劇本，它的發(fā)展大致可以分為三個階段。第一階段為20世紀(jì)50年代至70年代，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的起始階段。1962年美國的Morton Heileg開發(fā)的Sensorama是虛擬現(xiàn)實設(shè)備的最初雛形，它不僅具有三維視頻，還能產(chǎn)生立體聲效果，風(fēng)吹的感覺，甚至街道的氣味。1965年Ivan Sutherland首次提出了包括具有交互圖形現(xiàn)實、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，并于1968年最先設(shè)計出了頭盔式立體圖形顯示器。

第二階段為20世紀(jì)80年代至90年代，是VR技術(shù)的探索階段。1984年美國虛擬行星探測實驗室的M.McGreevy和J.Humphries博士共同開發(fā)了虛擬環(huán)境視覺顯示器（VIVED），該顯示器主要用于火星探測，隨后又完成了VIEW虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。1986年，美國空軍Armstrong醫(yī)療研究室開發(fā)了著名的VCAS系統(tǒng)-戰(zhàn)斗機飛行仿真器。至此，虛擬現(xiàn)實在軍事航天、醫(yī)學(xué)等高端領(lǐng)域進入應(yīng)用階段。

第三階段為20世紀(jì)90年代，虛擬現(xiàn)實進入全面發(fā)展階段。計算機硬件技術(shù)與計算機軟件系統(tǒng)不斷改進，人機交互的設(shè)計不斷創(chuàng)新，人們對虛擬現(xiàn)實技術(shù)潛在的廣闊應(yīng)用前景興趣倍增，很多大學(xué)、研究機構(gòu)以及公司等都開始轉(zhuǎn)向于有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)和系統(tǒng)的研究開發(fā)，其應(yīng)用也開始由高端領(lǐng)域趨于平民化。

2 虛擬現(xiàn)實的特點

2.1 交互性（Interactivity）

虛擬現(xiàn)實的交互性是指參與者對虛擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度以及從該虛擬環(huán)境中得到反饋的自然程度。而這種交互的產(chǎn)生，需要借助于各種專用的三維交互設(shè)備。例如，船舶結(jié)構(gòu)虛擬裝配系統(tǒng)中借助三維鼠標(biāo)，用戶便可以感受在虛擬船舶內(nèi)走動并可以拆裝設(shè)備。

2.2 沉浸感（Immersion）

虛擬現(xiàn)實的沉浸感又稱臨場感，是指用戶感受存在于該虛擬環(huán)境中的真實程度。使用戶具備一種在計算機虛擬環(huán)境中的沉浸感是VR技術(shù)最主要的技術(shù)特征，即讓使用者覺得自己是計算機系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境的一部分，使人由觀察者變?yōu)閰⑴c者，從而能投入到計算機實踐并沉浸其中。在曼恒數(shù)字呈現(xiàn)的虛擬船舶內(nèi)，用戶戴上三維立體眼鏡便能感覺自己抽離了現(xiàn)實，沉浸于大海之中的船舶上。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶全身心投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，在該環(huán)境中，看起來、聽起來、聞起來、摸起來甚至嘗起來感覺都是真的，跟現(xiàn)實世界毫無分別。

3 虛擬現(xiàn)實的分類

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門涉及到計算機、圖像處理與模式識別、語音和音響處理、人工智能技術(shù)、傳感與測量、仿真、微電子等技術(shù)的綜合集成技術(shù)。從不同角度出發(fā)可以有不同的分類，這里我們從系統(tǒng)性能進行分類，主要分為沉浸式、分布式、增強現(xiàn)實型和桌面式虛擬現(xiàn)實。

3.1 沉浸式虛擬現(xiàn)實

沉浸式虛擬現(xiàn)實是一種最佳的虛擬現(xiàn)實模式，給參與者提供一個完全沉浸的體驗。虛擬現(xiàn)實影院（VR theater）就是一個完全浸入式的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，用六個幾米高的平面組成立方體屏幕，在立方體外圍放置六個投影設(shè)備，它們共同投射在立方體的投射式平面上，置身于立方體中的觀眾可同時觀看由五個或六個平面組成的圖像，沉浸在圖像組成的空間中。沉浸式虛擬現(xiàn)實選用了完備的虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備和先進的虛擬現(xiàn)實軟件技術(shù)支持，從而模擬出一套比較復(fù)雜的系統(tǒng)，優(yōu)點是使用戶全身心的體驗該虛擬環(huán)境，但是在硬件和軟件方面投資較大。

3.2 分布式虛擬現(xiàn)實

分布式虛擬現(xiàn)實（通常稱為分布式虛擬環(huán)境）是多用戶基于網(wǎng)絡(luò)進行分布式交互、信息共享和仿真計算等，如暴雪公司2004年推出公測的魔獸世界網(wǎng)絡(luò)游戲，中視典2012年推出的“超炫VRPIE多人在線MMO”支持多人在線互動等。分布式虛擬現(xiàn)實需要通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的各類數(shù)據(jù)，這對網(wǎng)絡(luò)的實時性、穩(wěn)定性、帶寬都有較高的要求。

3.3 增強現(xiàn)實型虛擬現(xiàn)實

也稱混合現(xiàn)實，通過計算機技術(shù)，將虛擬的信息疊加到真實世界中，用戶既能感受真實世界，同時又能看到虛擬對象，以此實現(xiàn)對真實世界的增強。這種系統(tǒng)不但減少對構(gòu)成復(fù)雜真實環(huán)境的計算，又可對實際物體進行操作，真正達(dá)到亦真亦幻的境界。戴上谷歌最新發(fā)布的Project Glass增強現(xiàn)實眼鏡，在馬路上行走時，Google Maps會自動導(dǎo)航；到達(dá)迪特時，自動顯示地鐵停運星系；還能通過語音控制眼鏡取景拍照等

3.4 桌面式虛擬現(xiàn)實

也稱基本虛擬現(xiàn)實技術(shù)模式，是基于普通PC平臺的小型桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。計算機屏幕作為虛擬場景觀察窗口，位置跟蹤器、鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套、力反饋器等作為手控輸入設(shè)備，來模擬操作虛擬場景，是不完全沉浸的。它最大的特點是缺乏完全投入，但是成本相對較低?，F(xiàn)在，各大高校都建立起虛擬校園，用戶能夠游覽虛擬校園內(nèi)的三維景觀游覽校園。

4.1 實物虛化

實物虛化就是將真實世界的物體或構(gòu)想出來的物體映射到虛擬世界中，主要包括模型的構(gòu)建、空間跟蹤、聲音定位等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)幫助虛擬環(huán)境獲得用戶操作，從而產(chǎn)生真實感強的虛擬世界。其中模型構(gòu)建可以利用現(xiàn)階段的一些三維制作軟件，比如3DsMax、Maya等，對于空間、視覺和聲音跟蹤則需要借助于硬件設(shè)備，比如3Space數(shù)字化儀、SpaceBall空間球等，另外，為了提高效率，有必要研究虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具。

4.2 虛物實化

通過實物虛化產(chǎn)生虛擬世界，而虛物實化則能確保用戶在虛擬環(huán)境中獲取視覺、聽覺和觸覺等感官感受。

虛物實化的實現(xiàn)主要是各種傳感器的作用，包括視覺、觸覺、聽覺和力學(xué)等傳感器，比如數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、頭盔顯示器、3D眼鏡等。但是現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實設(shè)備不能滿足虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的要求，其跟蹤精度和跟蹤范圍都有待提高，有必要開發(fā)出更先進的傳感器，比如，需要無延遲、分辨率高、作用范圍大并且使用方便的數(shù)據(jù)手套。

4.3 高性能計算處理技術(shù)

虛擬現(xiàn)實是以計算機技術(shù)為核心，利用計算機生成逼真的虛擬環(huán)境的現(xiàn)代高新科技，高性能的計算處理技術(shù)是直接影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。因此對計算機性能要求比較高，高計算速度，強處理能力，大存儲容量和強聯(lián)網(wǎng)特性等特征的計算處理技術(shù)才能產(chǎn)生更逼真的虛擬環(huán)境。

5 結(jié)論

虛擬現(xiàn)實作為與網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)并稱的21世紀(jì)最具應(yīng)用前景的三大技術(shù)之一，發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮?，?yīng)用前景也是很廣闊的。盡管在實際應(yīng)用中虛擬現(xiàn)實仍存在一定的局限性，還有許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術(shù)障礙，但是隨著人類技術(shù)的進步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也將迎來一個快速發(fā)展的階段，這些問題終將得到解決，使我們在虛擬現(xiàn)實中的場景更加真實，從而給人類生活帶來巨大的改觀。

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