“數字時代”下的虛擬現實技術

周俊祥

（商丘師范學院，河南 商丘 476000）

“數字時代”下的虛擬現實技術

周俊祥

（商丘師范學院，河南 商丘 476000）

隨著社會信息化程度的不斷加深，一維和二維的信息處理技術已經無法滿足人們的信息交流需求。在“讀圖時代”和“數字時代”，立體的、直觀的、形象的信息才是人們的首選。虛擬現實技術作為一種高新的、有待完善的信息技術手段，已經在很多領域展現了其不可阻擋的魅力。

虛擬現實技術；虛擬空間；虛擬作戰平臺

2010年1月4日，《阿凡達》在中國首映，其精心制作的虛擬現實場景畫面（60%的畫面都是由虛擬現實相關技術制作），給予了觀眾前所未有的視覺和心靈沖擊。這部由卡梅隆導演的大作在中國市場獲得了巨大的商業成功，也讓人們把目光重新聚焦于數字影院和虛擬現實技術。

一、虛擬現實技術的本質

1.VR技術的概念

虛擬現實技術（Virtual Reality Technology，簡稱為VR技術），是一種可以構建類似自然世界的虛擬世界并能與之交互的一項高新的綜合模擬系統技術和數字化人機接口技術。該技術利用3D數字化系統、多傳感交互技術以及高分辨顯示技術的科學可視化技術，生成三維的、逼真的、多種感知的虛擬環境，用戶可以通過適當設備進入這個虛擬空間，并與空間中的其他事物進行實時感知、交互和操作。

VR技術本質上是一種先進的、綜合性的計算機用戶接口技術，它集成了計算機仿真技術、圖形圖像實時生成技術、網絡并行處理技術、傳感技術、顯示技術、人工智能等技術，諸多技術手段的集成和滲透使VR技術能夠給用戶以逼真的環境體驗。該技術的一個近乎神話的作用是，它能讓用戶進入到幾乎所有的宏觀世界和微觀世界，并能毫發無損地出來。因此，該技術被稱作“21世紀最具應用前景的三大技術”之一（另外兩項是網絡技術和多媒體技術）。

2.VR技術的特征

借助VR技術，用戶可以進入一個虛擬的立體場景，通過交互作用和自身感知多角度地獲得所在場景中的各種信息。

具體來說，VR技術有三個突出特征：

（1）多感知性,即用戶能在虛擬環境中獲得觸覺、聽覺、視覺等感官體驗。

（2）實時交互性，即用戶可以通過數據設備與環境和環境中模擬的實體自然地、實時地交流互動。

（3）沉浸感，即用戶感覺自己所在的逼真虛擬環境是真實的，有臨場感。

沉浸感主要依賴于使用者與合成圖像的集成。頭盔顯示器是沉浸式系統的關鍵設備，它是一種將使用者與真實環境隔離的先進顯示裝置，可為左、右眼提供兩個包含平行視差的獨立圖像，在正確條件下，可產生真實感極強的立體感視景。

（4）自主性，即虛擬環境中物體依據物理定律動作的程度。

其中，沉浸感和實時交互性是虛擬現實的實質，通過在環境中的體驗來獲得各種空間信息和邏輯信息才是虛擬現實的最終目的。

二、虛擬現實的幾個應用領域

虛擬現實的實現依賴于虛擬現實系統，整個系統模型的構建需要三個步驟模型的創建;模型的導入;模型的控制。虛擬現實系統從面向用戶的角度上看，主要由以下三部分組成：虛擬場景、虛擬化身、人機交互接口網絡。

VR的實時三維空間表現能力、自然的人機交互式操作環境以及給人帶來的身臨其境感受，從根本上改變了人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現狀。鑒于此，VR技術得到了人們的日益重視。據統計，該技術已經運用到了三千多個領域。現僅就其在教育、軍事和科研開發三個領域的應用加以探討，以期拋磚引玉。

1.VR技術在教育上的應用

多年來,希望突破人——機之間信息交流這種呆板的數字化方式,想象著能在一種圖文并茂、繪聲繪色、如臨其境、栩栩如生的人——機和諧的信息環境下工作、學習與創造,用自己的感覺感官接受和處理各種信息,并加工成為人們對客觀事物的認識。這種以求知為目的的想法已經成為了現實，這就是VR技術在教學上的應用。VR技術在教學上比較成熟的常見應用技術包括：

（1）虛擬訓練基地，學生的動手能力一直是應試教育的一個短板。現在，我們可以運用VR技術建立起虛擬實驗室、虛擬演練場來訓練提高學生的實驗操作能力、當眾演講能力等各種素質。這樣，愿意做實驗的學生就能不受物質條件和時空的限制安全地去做試驗，內向的同學就能面對一大幫的虛擬人高聲演講……虛擬現實的沉浸性和交互性，使學生能夠全身心地進入角色。在培訓學生職業技能時，利用VR技術構建的平臺是卓有成效的。因為在虛擬訓練系統中，學員能夠安全地、沒有顧慮地、全身心地、不厭其煩地演練，直至最終熟練地掌握。

（2）虛擬課堂，能使學生與協同環境交互，更利于獲取環境中蘊含的信息

VR技術可以模擬出想象得到的幾乎所有宏觀和微觀世界，并能真實逼真地再現現實世界場景，這種虛擬環境使得學生能親身體會并自然交互，其效果要比空洞抽象的說教和平面媒體要好很多。運用這個虛擬世界，學生可以翱翔浩瀚的太空去學習星座星系，可以暢游神秘的海底世界去認識水生動植物和水文知識，可以足不出戶就遠赴南極接受愛護環境的教育，還可以回到古代去學習歷史。

（3）虛擬圖書館，當虛擬圖書館內的書籍被翻閱時，書中所描述的場景會呈現在讀者面前。

（4）虛擬校園，訪問者通過網絡就能進入可視化的三維校園,瀏覽其優質的教學資源。

實現虛擬場景，需要構建三維虛擬仿真平臺。平臺可以模擬真實場景，使受教育者在自然狀態下不知不覺地掌握知識與技能。

2.VR技術在軍事上的應用

在軍事上，最值得一提的是虛擬作戰平臺。構建虛擬作戰平臺是為了給用戶創造一個極具真實感的作戰環境，讓用戶沉浸其中，以達到訓練思維和啟迪戰法的目的。為此，平臺上需要事先存儲大量的圖形圖像。鑒于這類系統具有良好的可控性、安全性、無破壞性、費用低、不受氣候影響、不受空間和場地限制等特點，已經被世界各軍事大國高度重視。各大軍事強國現已開發出上萬種虛擬作戰平臺,可以模擬各種作戰對象和作戰規模，從單兵訓練到集團軍的決戰。

美國發動伊拉克戰爭之前，已經利用虛擬作戰平臺把各種可能的突發狀況都模擬了一遍，最終敲定了一套“斬首行動”，行動結果證明該方案是可行的。事實上，美國和西歐與北歐國家近年來一直都在致力于虛擬作戰系統的研制與使用，以實現戰場模擬、指揮官培訓、戰事推演和戰術革新。

3.VR技術在科研開發管理上的應用

由于VR技術搭建的平臺可以使用專用的頭盔與手套自然地、實時地傳遞環境信號，并能把用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來，使得用戶產生了一種身臨其境的錯覺。所以，科研人員在運用VR技術設計產品的過程中可以發現原本不易察覺的問題，并能通過修改參數達到完善的目的。

VR技術可以幫助企業有效地節省成本，降低真實實驗的次數和投入，減少產品的設計時間與設計周期。事實上，由于運用該技術設計與建造產品上是如此出色，以至于目前諾思羅普·格魯曼公司正在為美軍設計的下一代航母——“吉拉德·R·福特”級核動力航空母艦使用了強大的虛擬現實軟件，這將是第一種全程使用計算機軟件而非圖紙進行設計的航空母艦。無獨有偶，連音公司的波音777運輸機的設計過程也全程采用了VR技術。一個虛擬現實技術被廣泛應用于設計的時代已經來臨。

文中介紹了虛擬現實的本質，并從教育、軍事、科研三個側面論證了VR技術不可小覷的作用。數字時代下，社會的各個層面都在進行著變革，以VR技術為代表的高新信息技術在這場變革中將起到決定性的作用。VR技術涉及到數學、力學、計算機圖形學等諸多學科，跨學科多、集成度高，已經成為各國信息技術水平的分界線之一。與發達國家相比，我國的VR技術起步晚而起點高，虛擬現實和增強現實同步前進。相信在國家的重視和科研人員的努力下，我國的VR技術將成為促進經濟發展、社會進步和人民生活水平提高的新動力和打造信息化社會的引擎之一。

［1］趙維,謝曉方.沉浸式虛擬現實系統舒適性研究［J］.計算機工程與設計，2009,(18):4251-4252.

［2］張雪鵬,陳國華等.基于3D的虛擬運動仿真平臺設計及 Virtools功能實現［J］.北京化工大學學報，2009，（4）:93-94.

TP

A

1673-0046（2010）6-0176-02