虛擬現實技術概論

王爽　陳永當　孔繁錦　楊斌

【摘 要】本文概述了虛擬現實技術的概念，技術特征和分類，介紹了虛擬現實技術的應用現狀和發展趨勢，并做了最后的總結。

【關鍵詞】虛擬現實；虛擬環境；沉浸；交互

1 虛擬現實技術的概念

虛擬現實技術（Virtual Reality Technology）是一項綜合集成技術，它的出現是計算機圖形學、人機交互技術、傳感器技術、人機接口技術以及人工智能技術等交叉與綜合的結果。它利用計算機生成逼真的三維視覺、聽覺、嗅覺等各種感覺，使用戶通過適當裝置，自然地對虛擬現實世界進行體驗和交互作用[1]。

2 虛擬現實技術特征

1993年Burdea G在Electro 93國際會議上發表的“Virtual Reality System and Application”一文中，提出了虛擬現實技術三個特征，即沉浸感、交互性、想象性[2]。

沉浸感是指用戶可以沉浸于計算機生成的虛擬環境中和使用戶投入到計算機生成的虛擬場景中的能力。

交互性是指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力，它是人機和諧的關鍵性因素。

想象性是指通過用戶沉浸在“真實的”虛擬環境中，與虛擬環境進行了各種交互作用，從定性和定量綜合集成的環境中得到感性和理性的認識，從而可以深化概念，萌發新意，產生認識上的飛躍。

3 虛擬現實技術的分類

虛擬現實是從英文Virtual Reality一詞翻譯過來的，Virtual就是虛假的意思，Reality 就是真實的意思，合并起來就是虛擬現實，也就是說本來沒有的事物和環境，通過各種技術虛擬出來，讓你感覺到就如真實的一樣。實際應用的虛擬現實系統可分為四類[3]：

桌面虛擬現實系統，也稱窗口中的虛擬現實。它可以通過桌上型機實現，所以成本較低，功能也最簡單，主要用于CAD（計算機輔助設）、CAM（計算機輔助制造） 、建筑設計、桌面游戲等領域。

沉浸虛擬現實系統，如各種用途的體驗器，使人有身臨其境的感覺，各種培訓、演示以及高級游戲等用途均可用這種系統。

分布式虛擬現實系統，它在因特網環境下，充分利用分布于各地的資源，協同開發各種虛擬的現實。美國大型軍用交互仿真系統 NPSNet 以及因特網上多人游戲 MUD 便是這類系統。

增強現實又稱混合現實系統。它是把真實環境和虛擬環境結合起來的一種系統，既可減少構成復雜真實環境的開銷（因為部分真實環境由虛擬環境取代），又可對實際物體進行操作（因為部分系統即系真實環境），真正達到了亦真亦幻的境界，是今后發展的方向。

4 虛擬現實技術的應用現狀

虛擬現實技術的應用范圍很廣，主要包括航空航天、軍事、醫學、工程設計、教育等面向設計制造、維修和訓練等領域。下面列舉了不同領域的一些典型應用。

4.1 軍事及航空航天上的應用

在軍事與航空航天上的應用是 VR技術發展的強有力催化劑。在航空上，利用CAD/CAM與VR結合進行新型飛機設計，某些飛行模擬器中也采用頭盔顯示器模擬各種實戰場景，讓人感覺相當真實[4]。載人航天研究中，訓練時，航天員坐在一個模擬“載人操縱飛行器”功能、并帶有傳感器的椅子上。椅子上有用于在虛擬空間中作直線運動的位移控制器和用于繞航天員質心調節其姿態的姿態控制器。航天員頭戴立體頭盔顯示器，用于顯示望遠鏡、航天飛機以及太空的模型；并用數據手套作為與系統進行交互的手段。經過該虛擬系統的訓練，航天員終于在1993年12月成功地完成了將哈勃太空望遠鏡上損壞的 MRI 并用從航天飛機上取出的備件進行更換這一復雜而又費時的任務。

4.2 民用領域

虛擬現實技術在軍事及航空航天上的成功應用推動了其民用研究的開發，加之相關軟、硬件價格的下降，它的應用已延伸到生產過程中的操作訓練、市場營銷、醫療衛生、游戲、建筑及工業設計等諸多方面[5]。例如，①操作訓練：它不需要花費巨額的費用，利用 VR 技術就可進行一些操作訓練。②建筑及工業設計：虛擬現實技術還可用來進行各種虛擬設計（汽車虛擬設計、飛機虛擬設計和建筑虛擬設計等），由于虛擬現實技術的投入性和交互性，它比傳統的CAD技術能更好地滿足設計要求；③市場營銷：在大型展銷活動中，不僅僅地展示產品，而利用 VR 系統來詳細地介紹其結構及性能，將給客戶產生更加神奇的體驗。④醫療衛生：VR 可用于解剖教學、復雜手術過程的規劃，在手術過程中提供操作和信息上的輔助，預測手術結果以及遠程醫療等。⑤在現代教學領域，虛擬現實技術能夠為學生提供生動、逼真的學習環境，學生能夠成為虛擬環境中的一名參與者，扮演一個角色。⑥VR 技術還可用在對人類有害或危險的場合，人無須進入現場而只需在現場安裝適當的遙感器或機器人，通過遠程 VR 系統進行對話或完成相應任務。

5 發展趨勢

縱觀虛擬現實技術這 30 多年來的發展歷程，VR 技術的未來研究還是遵循“低成本、高性能”這一主線，從軟件、硬件上分別展開，有以下幾個主要發展方向[6]：

1）動態環境建模技術。虛擬環境的建立是VR技術的核心內容，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。

2）實時三維圖形生成和顯示技術。三維圖形的生成技術已較成熟，而關鍵是如何“實時生成”。在不降低圖形的質量和復雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是今后重要的研究內容[7]。

3）新型交互設備的研制。虛擬現實能讓參與者用人類自然的技能與感知能力與虛擬世界中的對象進行交互作用，使之身臨其境，借助的輸入輸出設備主要有：頭盔顯示器、數據手套、數據衣服、三維位置傳感器和三維聲音產生器等。因此，新型、便宜、魯棒性優良的數據手套和數據服將成為未來研究的重要方向[8]。

4）智能化的語音虛擬現實建模。VR建模是一個比較繁復的過程，它的建立需要開發人員花費大量的時間和精力。為了解決這個問題，可以考慮將VR技術與智能技術、語音識別技術結合起來。任何模型都包含有模型的概念、模型的描述、模型的功能約束條件、模型的空間和模型的多種形態等基本特征說明[9]。

5）大型網絡分布式虛擬現實（Distributed Virtual reality，DVR）的應用。網絡分布式VR將分布于多個地點的VR系統或仿真器通過局域網或廣域網聯結起來，采用協調一致的結構、標準、協議和數據庫形成一個在時間和空間上互相耦合的虛擬/合成環境，參與者可自由地進行交互作用[10]。

6 總結

虛擬現實技術充滿活力，它正在向實用方向邁進，向人們展示了廣闊的應用前景，被譽為“21 世紀的新科技”，虛擬現實技術是本世紀發展的重要技術之一，作為一門科學和藝術將會不斷走向成熟，在各行各業中將得到廣泛應用，并發揮神奇的作用，21 世紀將是虛擬現實技術的時代。當然，虛擬現實技術還是一門年輕的科學技術，尚存在不少有待解決的問題。例如，在計算機生成的虛擬環境中，操作者每次轉動頭部，計算機必須更新三維圖像，由于更新的數據太大，以致計算機還無法完成實時運算，這就造成了系統滯后。

【參考文獻】

[1]張志鵬，勞奇成.虛擬現實技術的概況及應用[J].精密制造與自動化，2005（3）.

[2]謝晶妮，張茂軍.虛擬現實發展趨勢展望[J].計算機工程，2002（7）.

[3]劉耀林，孔建益，蔣國璋，孫亮波.虛擬現實技術的發展[J].湖北工業大學學報. [4]周紅軍，王選科.虛擬現實系統概述[J].航空計算技術，2005（1）.

[5]李云華.虛擬現實技術綜述[J].重型機械科技，2004（4）.

[6]鄭彥平，賀鈞.虛擬現實技術的應用現狀及發展[J].信息技術，2005（12）.

[7]徐艷.虛擬現實技術在教育教學中的成用研究[J].中園科技信息，2008（7）.

[8]韓曉玲.虛擬現實技術發展趨向淺析[J]電腦知識與技術，2007（2）.

[9]卞鋒，江漫清，桑永英.虛擬現實及其應用進展[J].計算機仿真，2007（6）.

[10]胡小強.虛擬現實技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2005.

[責任編輯：楊玉潔]