虛擬現實技術前景及應用

虛擬現實技術的應用前景十分廣闊。目前在娛樂、教育及藝術領域的應用占據主流,其次是軍事與航空、醫學領域,機器人和商業領域都占有一定比例。另外，在可視化計算、制造業等領域也有相當的比重。

二十一世紀科技的發展給人的感覺就像生物進化一樣，學科的界線模糊了，新技術相互融合衍生出更新的技術，更改了傳統學科的面貌。隨著寬帶網的普及，以W3D技術為主流的桌面型虛擬現實技術在科研、教學、工業、商業、醫學各個領域得到了廣泛的應用，近年來有大量的科研成果涌現。研究虛擬現實技術在工業設計中的應用，能夠使設計活動更完美的與現代先進制造技術結合，為工業設計理論和方法的革新帶來新契機。

虛擬現實的概念、技術特點及應用

虛擬現實這一名詞是Jaron Lanier于20世紀80年代提出來的，這是他在計算機上建造這類環境時領悟并創造出的一個名詞。這一名詞日漸流行并被學術界所接受，現已代替其他名詞。如人工現實（Artificial Reality）等。

Virtual Reality虛擬現實，又稱靈境技術，是以沉浸性、交互性和構想性為基本特征的計算機高級人機界面。他綜合利用了計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能夠沉浸在計算機生成的虛擬境界中，并能夠通過語言、手勢等自然的方式與之進行實時交互，創建了一種適人化的多維信息空間。使用者不僅能夠通過虛擬現實系統感受到在客觀物理世界中所經歷的“身臨其境”的逼真性，而且能夠突破空間、時間以及其他客觀限制，感受到真實世界中無法親身經歷的體驗。

虛擬現實技術在當今社會生活及科學研究的各個方面都有著廣泛的應用，在以下幾個方面尤為突出：工程領域、藝術與娛樂領域、科學領域、虛擬訓練方面等等。目前仍有許多領域有待或正在開發，如造型術、神經病學、教學、戲曲、人工智能、機器人學、仿真模擬、藝術設計、時裝、信息檢索、博物館及銷售。

在短短的時間內，虛擬現實已經失去了面向問題的技術形象，正在應用于人類探索的各個領域，虛擬現實技術的成功與否除臨場感、浸入、空間感和交互方式外，與系統的可靠性、易使用性、費用、實際的副作用以及效率有重大關系，這些方面的改進都將促進虛擬現實技術的進一步發展。

虛擬現實涉及的關鍵技術

實時三維計算機圖形生成技術

三維圖形的生成技術已經較為成熟，利用計算機模型產生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準確的模型，又有足夠的時間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關鍵是實時。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15楨/秒，最好是高于30楨/秒。在不降低圖形的質量和復雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術的研究內容。例如在飛行模擬系統中，圖像的刷新相當重要，同時對圖像質量的要求也很高，再加上非常復雜的虛擬環境，問題就變得相當困難。

立體顯示和傳感器技術

人看周圍的世界時，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子里融合起來，就形成了一個關于周圍世界的整體景象，這個景象中包括了距離遠近的信息。當然，距離信息也可以通過其他方法獲得，例如眼睛焦距的遠近、物體大小的比較等。在虛擬現實中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統采用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產生了立體感。

觸覺反饋技術

在虛擬現實中，用戶可以看到一個虛擬的杯子。你可以設法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺。在虛擬現實系統中，產生身臨其境效果的關鍵因素之一是讓用戶能夠直接操作虛擬物體并感覺到虛擬物體的反作用力。然而研究力學反饋裝置是相當困難的，如何解決現有高精度裝置的高成本和大重量是一個需要進一步研究的問題。

人機交互技術

虛擬現實中的人機交互遠遠超出了鍵盤和鼠標的傳統模式，利用數字頭盔、數字手套等復雜的傳感器設備，三維交互技術與語音識別、語音輸入技術成為重要的人機交互手段。這就要求虛擬環境能聽懂人的語言，并能與人實時交互。而讓計算機識別人的語音是相當困難的，因為語音信號和自然語言信號有其“多邊性”和復雜性。例如，連續語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，同一詞、同一字的發音受前后詞、字的影響，不僅不同人說同一詞會有所不同，就是同一人發音也會受到心理、生理和環境的影響而有所不同。

動態環境建模技術

動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。三維數據的獲取可以采用CAD技術（有規則的環境），而更多的環境則需要采用非接觸式的視覺建模技術，兩者的有機結合可以有效地提高數據獲取的效率。

系統集成技術

由于虛擬現實系統中包括大量的感知信息和模型，因此系統的集成技術為重中之重：包括信息同步技術、模型標定技術、數據轉換技術、識別和合成技術等等。虛擬現實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發揮想象力和創造力。選擇適當的應用對象可以大幅度地提高生產效率、減輕勞動強度、提高產品開發質量。為了達到這一目的，必須研究虛擬現實的開發工具。例如，虛擬現實系統開發平臺、分布式虛擬現實技術等。

虛擬現實技術應用前景

虛擬現實技術的應用前景十分廣闊。目前在娛樂、教育及藝術領域的應用占據主流,其次是軍事與航空、醫學領域,機器人和商業領域都占有一定比例,另外在可視化計算、制造業等領域也有相當的比重。下面介紹其部分應用領域：

娛樂、藝術與教育領域

豐富的感覺能力與3D顯示環境使得虛擬現實技術成為理想的視頻游戲工具。如Chicago(芝加哥)開放了關于3025年的一場未來戰爭的世界上第一臺大型可供多人使用的虛擬現實技術娛樂系統;1992年的一臺稱為“LegealQust”的系統由于增加了人工智能功能,使計算機具備了自學習功能,大大增強了趣味性及難度,使該系統獲該年度虛擬現實技術產品獎。

作為傳輸顯示信息的媒體, 虛擬現實技術所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態的藝術轉化為動態的,可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術,提高了藝術表現能力。

軍事與航天工業領域

模擬與練一直是軍事與航天工業中的一個重要課題,這為虛擬現實技術提供了廣闊的應用前景。美國國防部高級研究計劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱為SIM NET的虛擬戰場系統,以提供坦克協同訓練,該系統可聯結200多臺模擬器。另外利用虛擬現實技術技術,可模擬零重力環境,以代替現在非標準的水下訓練宇航員的方法。

醫學領域

虛擬現實技術在醫學方面的應用具有十分重要的現實意義。在虛擬環境中,可以建立虛擬的人體模型,借助于跟蹤球、HMD、感覺手套,學員們可以很容易了解人體內部各器官結構,這比現有的采用教科書的方式要有效得多。

Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個SGI工作站建立了一個虛擬外科手術訓練器,用于腿部及腹部外科手術模擬。這個虛擬的環境包括虛擬的手術臺與手術燈,虛擬的外科工具(如手術刀、注射器、手術鉗等),虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺手套,使用者可以對虛擬的人體模型進行手術。

另外,在遠距離遙控外科手術,復雜手術的計劃安排,手術過程的信息指導,手術后果預測及改善殘疾人生恬狀況,乃至新型藥物的研制等方面, 虛擬現實技術技術都有十分重要的意義。

管理工程領域

虛擬現實技術在管理工程方面也顯示出了無與倫比的優越性。如設計一新型建筑物時,可以在建筑物動工之前用VR技術顯示一下;當財政發生危機時,可以幫助分析大量的股票、債券等方面的數據以尋找對策等等。

以上僅列出虛擬現實技術的部分應用前景,可以預見,在不久的將來,虛擬現實技術將會影響甚至改變我們的觀念與習慣,并將深入到人們的日常工作與生活。