虚拟现实技术的应用现状及未来展望

摘要：虚拟现实技术作为一种综合多种科学技术的计算机领域新技术,是国内外计算机仿真应用研究的热点，涉及众多发展和应用领域，极大地丰富了我们的生活。本文针对虚拟现实的历史、发展、应用现状进行了必要的概述,同时就作者近期的工作做了介绍以及对虚拟现实未来发展方向做了初步的展望.

关键词： 虚拟现实；交互技术； 虚拟环境

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)18-20ppp-0c

The Application of Virtual Reality Technology Status and Future Prospects

SHU Jian-hua

(School of Software Engineering Tongji University, Master, Shanghai,China,200000)

Abstract:The Virtual reality technology as a comprehensive variety of computer science and technology in the field of new technologies, It is the application of domestic and international hot spots, many involving the development and application areas, greatly enrich our lives. In this paper, the history of virtual reality, development and application of a need for an overview at the same time the author on the recent work done on virtual reality and the future direction of giving us some ideas about the future development of virtual reality technology.

Key words: Virtual reality; Interactive technology; virtual environment

1 引言

虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术，又称“灵境技术”、“虚拟环境”、“赛伯空间”、“模拟实境”、“虚拟实境”、“仿真技术”等，是在现代科学技术（如计算机图形学、图像处理与识别、计算机仿真技术、人机接口技术、实时分布处理技术、数据库技术、多媒体技术、多传感器技术和人的行为学研究等）的基础上发展起来的一门交叉科学技术。其特点以计算机技术为主，利用计算机等设备创造一个视听感受逼真的三维虚拟环境，该环境是人工虚构的，在这个虚构的环境中能实现与现实相同的感受，可以利用它观察周围世界，可以与虚拟世界进行人机互动等，大大加速了人机互动技术的发展。VR技术的出现，为人机交互界面的发展开创了新的研究平台，为智能工程提供了新的界面工具，为装置艺术可视化发展提供了新的展示空间。

2 虚拟现实技术的发展概述

VR的发展概括起来大致为三个阶段：20世纪50年代到70年代，是虚拟现实技术的探索阶段；80年代前中期，是虚拟现实技术从实验室走向实用的阶段；80年代末到21世纪初，是虚拟现实技术快速发展时期。

1965年“虚拟现实技术之父” Lvan Sutherland博士在《终极的显示》的论文中首次提出了具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，随后几年又展开了头盔式显示器(HMD)的研制工作，取得了显著的成绩，因此这一理论影响至今。在第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。

基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的JaronLanier在上世纪80年代正式提出了“VirtualReality”一词。美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。随后开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。到了90年代，计算机硬件技术与软件系统极大的推动虚拟现实技术的发展，加速了大型数据集合的声音和图象的实时动画制作的发展。1993年11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，用VR技术设计出由300万个零件组成的波音777飞机；1996年10月31日，世界第一个虚拟现实技术博览会在伦敦举行；同年12月，世界第一个虚拟现实环球网在英国投入运行；进入21世纪后，虚拟技术得到进一步发展，世界最大的虚拟现实技术软件公司之一的英国“超景”公司总裁深刻地认识到虚拟现实技术的产生，是因特网继文字时代后的又一次飞跃，有着巨大潜力和发展空间，应用前景不可估量；因此组织开发出在电脑屏幕可以游览的“超级城市”立体图像，真实模拟人们生活场景等等。随着因特网传输速度的加快，VR技术也趋于成熟，这种网络将广泛应用于工程设计、教育、医疗、军事、娱乐等领域。

3 虚拟现实技术的应用现状

3.1 军事与航空航天

虚拟现实的技术根源可以追随到军事领域，军事应用是推动虚拟现实技术发展的主要力量，是虚拟现实系统最为重要的应用领域。模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为VR提供了广阔的应用前景。海湾战争的美国士兵对周边的环境不觉得陌生，是由于虚拟现实已把他们带入那漫无边际的风尘黄沙，让他们“身临其境”感受到大漠的荒凉。美国国防部先进研究课题局(DARPA)自80年代初起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统，这个课题结果产生了仿真网络，连到美国和德国200多个坦克仿真器。在航空航天方面，宇航员利用虚拟现实系统进行各种训练，美国航空航天局计划将虚拟现实系统用于国际空间站组装、训练等工作。

3.2 医学方面

虚拟人体在医学方面的应用十分重要。借助于跟踪球、HMD、感觉手套探索工具，可以很容易了解人体内部器官结构，经过3D可视化，可以更好的展示人体各器官和组织且还可以进行功能性的演艺。Pieper和Satara等研究者在90年代基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具，虚拟的人体模型和器官等。借助于HMD及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。另外，对于危急病人，还可以实施远程手术。在远程遥控外科手术、复杂手术的计划安排、手术过程的信息指导、手术后果预测及改善残疾人生恬状况，新型药物的研制等，VR技术都有十分重要的意义。

3.3 工程管理

VR在工程管理方面也显示出无与伦比的优越性。设计新型建筑物时，可以在动工之前用VR技术显示建筑物，为安全生产和管理工程奠定基础；当财政发生危机时，可以帮助其分析股票、债券等方面的数据分析以找到最佳的处理对策等等。

3.4 建筑设计与城市规划设计

德国是运用VR技术在建筑设计最早的行业。自1991年起，德国多家研究所和公司探索和研究交互效果的“虚拟设计”。当时城市规划、工程建筑设计的辅助开发工具就在全力使用虚拟现实技术，把虚拟现实技术作为其规划的视觉依据。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑实时漫游系统，实现了立体视觉，还提供了方便的交互工具，整个系统的实时性和画面的真实感处于全国领先水平。

3.5 娱乐、艺术与教育领域

丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏娱乐工具。英国开发了一款游戏系统——“Virtuality”，配有HMD，大大提高了真实感；Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统，其相关主题为3025年的一场未来战争； 1992年开发的称为“Legeal Qust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了学习功能，大大增强了趣味性及难度，因此该系统获得了当年的VR产品奖。

随着数字媒体的发展，虚拟现实技术在艺术方面发挥的作用不可估量。丰富了艺术的表现形式，强化了艺术表现力；手足不便的人可以在居室中去虚拟音乐厅欣赏音乐会，可以足不出户在家观看电子博物馆；另外，数字化的文化遗产也是虚拟现实技术的应用方向之一，对文化遗产的保护与复原发挥很大的意义，可以利用VR技术漫游世界古迹，感受古代战场，还原古迹原貌。

随着虚拟现实技术的普及，在教育方面出现了虚拟校园、虚拟课堂、远程教育等。中国浙江大学研制开发了基于人物的电子学习环境(ELVIS)，用来辅助9-12岁小学生进行故事创作。中国科技大学运用VR技术开发了第一套基于虚拟现实的教学软件，丰富了教学环境。

4 我们的工作

在传统的人与计算机系统中，用户是一个外部的观察者，只是通过显示屏有限的小窗口，观察计算机内的合成环境。传统的人机交互最常用的设备是键盘和鼠标，人们通过它们与合成环境中的物体进行交互，这与我们现实世界中的通讯方式相差甚远。互动装置技术主要是通过计算机硬件及软件程序平台、自动化等技术结合计算机输入、输出设备和一些表现性的综合材料来表现艺术，其最大特点就是参与者能与虚拟环境进行自然的交互，能用人类自然的技能与感知能力与虚拟世界中的对象进行交互作用。针对目前整个业界的发展状况，结合我国VR技术发展的现实以及应用需求的实际情况，作者认为我们尚有很大的可研发空间，然而就目前虚拟现实技术的理论及文字性的材料有限，在一些大型展览中，其作品却越来越多，鉴于它的发展及技术研究，作者从互动装置艺术的虚拟性方法入手，结合实践对它进行了规类、划分和技术应用，打破传统的单一的静态装置，为业界对它的研究作一些理论性和实践铺垫。针对大型场合控制系统，其可控性和可观性都存在许多困难，最重要的问题就是虚拟现实计算空间与人的认知空间中的多维信息映射算法的构造和实现，在这方面的研究主要应该在新型材料微型传感器开发设计，新型装置的设计，建立一套科学的触觉力觉设备实验环境和评估标准，包括各项该类装置设计和实用评估指标。互动装置未来市场空间很大，有待于我们继续开发和应用更广阔的领域。

5 展望

VR 技术的实质是构建一种人为的能与之进行自由交互的“世界”，在这个“世界”中参与者可以实时地探索或移动其中的对象。沉浸式虚拟现实是最理想的追求目标， 实现的方式主要是戴上特制的头盔显示器、数据手套以及身体部位跟踪器， 通过听觉、触觉和视觉在虚拟场景中进行体验。可以预测短期内游戏玩家可以戴上头盔身着游戏专用衣服及手套真正体验身临其境的“虚拟现实”游戏空间，它的出现将淘汰现有的各种大型游戏，推动科技的发展。纵观VR的发展历程， 未来VR技术的研究仍将延续“低成本、高性能”原则， 从软件、硬件两方面展开，发展方向主要归纳如下：

（1）动态环境建模技术。虚拟环境的建立是VR 技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。

（2）实时三维图形生成和显示技术。三维图形的生成技术已比较成熟， 而关键是怎样“实时生成”，在不降低图形的质量和复杂程度的基础上， 如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外，VR还依赖于立体显示和传感器技术的发展， 现有的虚拟设备还不能满足系统的需要， 有必要开发新的三维图形生成和显示技术。

（3）新型交互设备的研制。虚拟现实技术实现人能够自由与虚拟世界对象进行交互， 犹如身临其境，借助的输入输出设备主要有头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此， 新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。

（4）智能化语音虚拟现实建模。虚拟现实建模是一个比较繁复的过程，需要大量的时间和精力。如果将VR 技术与智能技术、语音识别技术结合起来， 可以很好地解决这个问题。我们对模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据，然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、导航以及评价， 将模型用对象表示出来， 并且将各种基本模型静态或动态地连接起来， 最终形成系统模型。人工智能一直是业界的难题，人工智能在各个领域十分有用，在虚拟世界也大有用武之地，良好的人工智能系统对减少乏味的人工劳动具有非常积极的作用。

（5）分布式虚拟现实技术的展望。分布式虚拟现实是今后虚拟现实技术发展的重要方向。随着众多DVE开发工具及其系统的出现，DVE本身的应用也渗透到各行各业，包括医疗、工程、训练与教学以及协同设计。仿真训练和教学训练是DVE的又一个重要的应用领域，包括虚拟战场、辅助教学等。另外，研究人员还用DVE系统来支持协同设计工作。近年来，随着Internet应用的普及，一些面向Internet的DVE应用使得位于世界各地多个用户可以进行协同工作。将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络联结起来， 采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟合成环境， 参与者可自由地进行交互作用。特别是在航空航天中应用价值极为明显，因为国际空间站的参与国分布在世界不同区域，分布式VR训练环境不需要在各国重建仿真系统， 这样不仅减少了研制费和设备费用，减少了人员出差的费用以及异地生活的不适。

近几十年来，通信技术、计算机的同步发展和相互促进成为世界上信息技术与产业飞速发展的主要特征。特别是网络技术的迅速崛起与普及，使得信息应用系统在深度和广度上发生了质的变化。虚拟现实主要依靠人机交互的发展，目前技术上已初步解决人脑数据的读取，在不久的将来，开发者将完全解决通过神经系统自动进入虚拟现实环境的“人脑——计算机接口”问题，通过对人脑提取和反馈神经信号使人完全融入“虚拟现实”世界。当然从技术角度，我们应该对基于多用户虚拟环境进行必要的技术研究。因为将来的VR技术将越来越重视人在其中的交互。虚拟现实充满活力、具有无限的应用前景的高新技术领域，但仍然存在许多有待解决与突破的问题。为了提高系统的交互性、逼真性和沉侵性，在新型传感和感知肌理、几何与建模新方法、高性能计算，特别是高速图形图像处理，以及人工智能、心理学、社会学等方面都有许多具有挑战性的问题有待我们进一步解决。

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收稿日期：2008-04-13

作者简介：舒建华（1978-），男，湖南怀化人，助教，中国矿业大学从事研究与教学工作，同济大学软件学院研究生在读 ，主要研究方向：图形学，虚拟现实技术，数字媒体视觉设计，艺术设计等。