虛擬現實技術

摘要：隨著信息產業的蓬勃發展，也越來越重視信息技術的創新研究和長遠發展。而作為信息技術發展重要驅動力的\"虛擬現實（Virtural Reality）\"技術，也隨之成為人們關注的熱點之一。作為人與計算機生成的虛擬環境進行交互作用的一種手段，人們將虛擬現實技術看作是僅次于互聯網的改變世界未來的重要技術。虛擬場景漫游技術是虛擬現實技術的重要分支，由于有可貴的3I特性--沉浸感、交互性和構想性，使得沿用固定漫游路徑等手段的其他漫游技術和系統無法與之相比。構建三維模型時采用3DS MAX三維建模工具和VRML建模語言相結合來創建虛擬場景。本文簡單介紹了虛擬現實技術的概況。

關鍵詞：虛擬現實；VRML；3DS MAX；三維建模

虛擬現實技術 簡稱VR，又稱靈境技術，是20世紀90年代以來興起的一種新型信息技術。虛擬現實技術是一種基于可計算信息的沉浸式交互環境，具體地說，就是采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境，讓用戶可以從自己的視點出發，利用自然的技能和某些設備對這一生成的虛擬世界中的對象進行交互作用、相互影響，從而產生親臨等同真實環境的感受和體驗。虛擬現實是一項融合了計算機圖形學、人機接口技術、傳感技術、心理學、人類工程學及人工智能的綜合技術。由于其獨有的多感知性、沉浸感、交互性及自主性，虛擬現實技術已經廣泛應用于航天、軍事、醫療，教育甚至游戲領域。VR技術已經被公認為是21世紀重要的發展學科以及影響人們生活的重要技術之一。

對于人類文化發展歷史的考察表明，虛擬現實技術具有悠久的前史。人類不同時期嘗試超越文字表現力的局限、超越時間與空間的約束，用形象、色彩和周邊條件來創造虛擬化的信息環境的努力。18世紀出現的全景畫，可謂構造沉浸式的虛擬體驗景象的早期技術。20世紀中葉以來，人們進一步發展出全景電影，創建體驗劇場以突破銀幕的壁障，然而直到多媒體計算機系統的出現，才真正具有了綜合處理音頻、視頻、圖像、數據和文字等多類信息的全面功能。通過利用并集成這種高性能的計算機軟硬件并使之與各類先進的傳感器相聯接，人們才有可能創建一個使參與者具有身臨其境的沉浸感和完善的交互作用能力，并能幫助和啟發其構思的適人化的多維信息空間，即創建一個比較完備的虛擬現實系統。正如Burdea G.在“Virtual Reality Systems and Application”一文中所概括的，這種虛擬現實系統的基本特征可以簡捷地表征為三個“I”，即沉浸性、交互性和構想性（Immersion-Interaction-Imagination）。由于有可貴的3I特性--沉浸性、交互性和構想性，使得沿用固定漫游路徑等手段的其他漫游技術和系統無法與之相比。

沉浸性（Immersion），沉浸被通俗地解釋為“身臨其境”，這意味著參與者將不是以敏銳的雙眼和聰慧的大腦介入虛擬環境，而是要以完整的生物個體融入虛擬系統。從這種意義上講，沉浸意味著體驗，意味著邏輯與形象的結合、認知與感知的統一。正是這種特點，使得虛擬現實技術成為“身體在知識探求過程中的能動作用得以保證的第一個智能技術”。

交互性（Interaction），虛擬現實與通常CAD系統所產生的模型以及傳統的三維動畫是不一樣的，它不是一個靜態的世界，而是一個開放、互動的環境，虛擬現實環境可以通過控制與監視裝置影響或被使用者影響，即計算機使用者可以通過三維交互設備直接操縱計算機所給出的虛擬世界中的對象，虛擬世界中的對象也能夠實時地作出相應的反應，是用戶對虛擬環境中的物體的可操作程度，對虛擬環境中得到的反饋的自然程度和對虛擬環境進行重新布置的方式。虛擬現實系統中參與者與虛擬環境之間的交互作用，使得虛擬現實技術中的人機關系具有了新的涵義。

構想性（Imagination），構想特性說明了虛擬現實系統可以構造出那些現實中不存在或不易觀察到而只出現在人們想象中的情景。虛擬現實技術中人與虛擬環境的交互作用，在本質上意味著它不是預成性的而是生成性的，不是因循的而是創造的，“構想性”所要表達的正是該技術的這一稟性。如果說沉浸性是使人具有真實感并獲得體驗的根本，交互性是實現人機和諧的關鍵，那么，構想性則是輔助人類進行創造性思維的基礎。

1965年，美國人艾凡·薩瑟蘭，在篇名為《終極的顯示》的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現實系統的基本思想，后來被公認為在虛擬環境領域中起著里程碑的作用。

80年代，美國的杰倫正式提出了“Virtual Reality\"一詞。美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關虛擬現實技術的研究，并取得了令人矚目的研究成果，從而引起了人們對虛擬現實技術的廣泛關注。

進入90年代，迅速發展的計算機硬件技術與不斷改進的計算機軟件系統相匹配，使得基于大型數據集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為可能；人機交互系統的設計不斷創新，新穎、實用的輸入輸出設備不斷地進入市場。人機交互系統的設計也在不斷創新，而這些都為虛擬現實系統的發展打下了良好的基礎。其中，利用虛擬現實技術設計波音777獲得成功，是近幾年來又一件引起科技界矚目的偉大成果。人們對迅速發展中的虛擬現實系統的廣闊應用前景充滿了憧憬與興趣。

VRML是描述虛擬環境中場景的一種標準，利用他可以在INTERNET建立交互式的三維多媒體的境界。VRML的基本特征包括分布式，交互式，平臺無關，三維，多 媒體集成，逼真自然等，被成為\"第二代WEB\"，其應用范圍相當廣泛，包括科學 研究，教學，工程，建筑，商業，娛樂，廣告，電子商務等，已經被越來越多的 人們所重視，國際標準化組織1998年1月正式將其批準為國際標準。

VRML是一種建模語言，其基本目標是建立Internet上的交互式三維多媒體，也就是說，它是用來描述三維物體及其行為的，可以構建虛擬境界（Virtual）World其基本特征包括分布式、三維、交互性、多媒體集成、境界逼真性等。VRML的出現使虛擬現實像多媒體和Internet一樣逐漸走進我們的生活。簡單地說，以VRML為基礎的第二代WWW=多媒體＋虛擬現實＋Internet。

熟悉WWW的人們都知道，受HTML語言的局限性，VRML之前的網頁只能是簡單的平面結構，就算Java語言能夠為WWW增色不少，但也僅僅停留在平面設計階段，而且實現環境與參與者的動態交互是非常煩瑣的。于是，VRML就應運而生了。第一代Web是以HTML為核心的二維瀏覽技術，第二代Web是以VRML為核心的三維瀏覽技術。第二代Web把VRML與HTML、Java、媒體信息流等技術有機地結合起來，形成一種新的三維超媒體Web。

第一代WWW是一種訪問文檔的媒體，能夠提供閱讀的感受，使那些對Windows風格熟悉的人們容易使用Internet，而以VRML為核心的第二代WWW將使用戶如身處真實世界，在一個三維環境里隨意探尋Internet上無比豐富的巨大信息資源。每個人都可以從不同的路線進入虛擬世界，與虛擬物體交互，這樣，控制感受的就不再是計算機，而是用戶自己，人們可以以習慣的自然方式訪問各種場所，在虛擬社區中\"直接\"交談和交往。Parsons大學數字設計系Anthony Dee的一段話代表了廣大VRML愛好者的心情：\"把三維沉浸式虛擬環境放進WWW上是如此誘人，沒有人不想試一試\"。更重要的是，雖然創建復雜境界需要對VRML深入掌握，而且往往還需要創作軟件的幫助和其他軟件的協助，但\"學習VRML只需要有限的空間感和具有操作文本編輯器的能力，創建VRML境界最重要的技巧是想象力\"，這是VRML得以迅速發展的根本原因。

VRML的出現使得虛擬現實像多媒體和因特網一樣逐漸走進我們的生活，簡單地說，以VRML為基礎的第二代萬維網=多媒體+虛擬現實+因特網。第一代萬維網是一種訪問文檔的媒體，能夠提供閱讀的感受，使那些對Windows風格的PC環境熟悉的人們容易使用因特網，而以VRML為核心的第二代萬維網將使用戶如身處真實世界，在一個三維環境里隨意探究因特網上無比豐富的巨大信息資源。每個人都可以從不同的路線進入虛擬世界，和虛擬物體交互，這樣控制感受的就不再是計算機，而是用戶自己，人們可以以習慣的自然方式訪問各種場所，在虛擬社區中\"直接\"交談和交往。

VRML的設計是從在WEB上欣賞實時3D圖像開始的。VRML瀏覽器既是插件，又是幫助應用程序，還是獨立運行的應用程序，它是傳統的虛擬現實中同樣也使用的實時3D著色引擎。這使得VRML應用從三維建模和動畫應用中分離出來，在三維建模和動畫應用中可以預先對前方場景進行著色，但是沒有選擇方向的自由。VRML提供了6+1度的自由，用戶可以沿著三個方向移動，也可以沿著三個方向旋轉，同時還可以建立與其它3D空間的超鏈接。因此VRML是超空間的。

虛擬現實技術在國內外迅速崛起并快速發展，現在，國內不少高校也已經開始虛擬現實技術的研究工作，虛擬現實漫游系統的研究和運用是其中的一個方面。探討如何通過三維建模與VRML技術相結合的方法實現快速簡捷地建立簡單模型的方法。虛擬建筑模型場景漫游系統是虛擬建筑場景建立技術和虛擬漫游技術的結合。前者是基礎，后者是系統運行方法。因為虛擬現實技術的特點，所以它可以滲透到我們工作和生活的每個角落。

參考文獻

[1] 陽化冰編著.虛擬現實構造語言VRML［M］. 第一版.北京：北京航空航天大學出版社，2000：5-8.

[2] 張金釗，張金鏑，張金銳編著.虛擬現實三維立體網絡程序設計語言VRML——第二代網絡程序設計語言［M］.第一版.北京：清華大學出版社，2004：89-93

[3] 鄒湘軍，孫健. 虛擬現實技術的演變發展與展望[J]. 系統仿真學報，2004，16(9):1905-1909.

[4] 姜學智， 李忠華.國內外虛擬現實技術的研究現狀[J].遼寧工程技術大學學報，2004，23(2):238-240.

(作者單位:浙江理工大學 信息電子學院)