浅谈虚拟现实技术及其发展应用

陈娟

摘要：虚拟现实技术是一种模拟人在自然环境中的视觉，听觉，触觉等行为的高度逼真的人机交互技术，是利用人类感知能力和操作能力的新方法。该文首先简要阐述虚拟现实技术的概念及其特点。其次介绍了虚拟现实技术的分类及其主要技术构成，并概括了虚拟现实技术在城市规划、旅游景观、医学、艺术教育、生物力学、工业仿真等方面的技术应用，最后对虚拟现实技术的发展及应用进行了总结展望。

关键词：虚拟现实技术；技术构成；应用领域

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）35-8540-02

虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机交互技术、人工智能、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，由于它生成的视觉环境、音效是立体的，人机交互是和谐友好的[2]，因此虚拟现实技术将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，即计算机创造的环境将人们陶醉在流连忘返的环境之中。

1虚拟现实技术

1.1定义

虚拟现实技术是一种模拟人在自然环境中的视觉，听觉，触觉等行为的高度逼真的人机交互技术，是利用人类感知能力和操作能力的新方法。它使计算机从一种只用键盘，鼠标进行操作的设备变成了人处于计算机生成的环境中，通过感官、语言、手势等比较“自然”的方式进行“交互，对话”的系统和环境，即虚拟现实环境[1，2]。操作者可在其中自由地运动，随意观察周围的景物并与之交互操作。虚拟现实的定义，可以简单理解为：利用计算机生成的，能给人多种感官刺激，并能通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的人机交互系统[3]。计算机生成的虚拟环境是能给人提供多种感觉的感官刺激的环境，能让人有“沉浸”的感觉，虚拟现实通常由视觉、听觉和触觉构成。虚拟现实系统又是一种高级的人机交互系统，因此人机交互是虚拟现实的核心[4]。

1.2虚拟现实技术的特点[5]

沉浸性：也可理解为“身临其境””，让用户感到自身存在于模拟环境中的真实程度，当用户全身心投入到计算机创建的三维虚拟环境中，感觉一切都是真实的。

交互性：指从模拟环境得到反馈的自然程度，以及模拟环境内物体的可操作程度。例如用户用手去抓虚拟环境中的物体，这时手就会有真的抓物体的感觉，并且物体会随着手的移动而移动。

构想性：在虚拟现实技术中，人与虚拟环境的交互作用，在本质上意味着它不是预成性的，而是生成性的，它具有一定的想象空间。

由于沉浸性、交互性和构想性三个特性的英文单词的第一个字母均为I，所以这三个特性又通常被统称为3I特性[1，3]。

1.3虚拟现实技术的分类

按照虚拟现实系统功能和实现方式的不同，可以把各种类型的虚拟现实技术划分四类：

1）桌面虚拟现实。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，但是成本也相对较低，因而，应用比较广泛。常见桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实QuickTimeVR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。

2）沉浸的虚拟现实。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。

3）增强现实性的虚拟现实。典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。

4）分布式虚拟现实。目前最典型的分布式虚拟现实系统是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。[10]。

2虚拟现实系统的主要硬件技术

虚拟现实硬件设备为特殊输入和演示设备，以至于影响各种操作和指令，且提供反馈信息，实现真正生动的交互效果。虚拟现实硬件设备都包括三维空间跟踪定位器，多通道环幕（立体）投影系统，三维空间交互球，数据手套等等。

虚拟现实生成设备：是一台或多台高性能计算机，是带有图形加速器和多条图形输出流水线的高性能图形计算机[13]。

虚拟现实感知设备：感知设备是指将虚拟世界各类感知模型转变为人能接受的多通道刺激信号的设备。然而，相对成熟的感知信息和生产和检测技术仅有视觉、听觉和力觉三种通道。

虚拟现实跟踪设备：跟踪设备用于跟踪并检测位置和方位，实现虚拟现实系统中人机交互操作。

基于自然方式的人机交互设备：应用手势、体势、眼神以及自然语言的人机交互设备，常见的有数据手套、数据衣服、眼球跟踪器及语音综合识别装置[8]。

3虚拟现实的应用领域[9]

3.1旅游景观中的应用

通过3D互动技术还原现实中的旅游景区，而从在网上构建一个3D虚拟景区。游客可以通过建立个性化的3D虚拟化身，在3D的景区环境中直接试玩旅游景点，身临其境的查看拟真的景点信息，足不出户的体验千姿百态的风景胜迹以及景点背后的传奇故事[4]。

3.2医学中的应用

在医学领域，虚拟现实技术和现代医学的飞速发展以及两者之间的融合使得虚拟现实技术已开始对生物医学领域产生重大影响.在此领域，虚拟现实应用大致上有两类：一类是虚拟人体，也就是数字化人体，这样的人体模型，使医生更容易了解人体的构造和功能.另一类是虚拟手术系统，可用于指导手术的进行。

3.3艺术教育中的应用[9]

作为显示传输信息的媒体，虚拟现实在未来艺术领域所具有的潜在应用能力也是不可低估的。VR所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的，可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。另外，VR提高了艺术表现能力，通过动作捕捉系统采集演员的舞蹈动作和表情，在电脑辅助编排下可以预演演出效果，提高编排效率。

对艺术的潜在应用价值同样适用于教育行业，如在解释一些复杂的系统抽象的概念如量子物理等方面，VR是非常有力的工具，如“虚拟的物理实验室”，用于解释某些物理概念，如位置与速度，力量与位移等[9]。

3.4生物力学方面的应用

生物力学仿真就是应用力学原理和方法并结合虚拟现实技术，实现对生物体中的力学原理进行虚拟分析与仿真研究。利用虚拟仿真技术研究和表现生物力学，不但可以提高运动物体的真实感，满足运动生物力学专家的计算要求，还可以大大节约研发成本，降低数据分析难度，提高研发效率。这一技术现已广泛应用于外科医学、运动医学、康复医学、人体工学、创伤与防护学等领域。

3.5工业仿真中的应用[9]

当今世界工业的发展非常迅速，已经发生了翻天覆地的变化，现阶段的工业发展不再是大规模的人海战术，需要的是先进的科学技术，特别是虚拟现实技术的应用正对工业发展进行着一场前所未有的革命。虚拟现实技术目前已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对提高企业开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低风险起到了重要的作用[5，6]。

3.6扩增实境中的应用

扩增实境是虚拟现实最具实用价值的应用之一。它在真实环境的基础上把虚拟环境叠加进去，使二者有机结合，产生虚实难辩、亦幻亦真的感觉。例如：当人进入到一商店购某物时，即可在显示设备上显示此物的价格、性能及各种参数等。

4结论

虚拟现实（VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，它集多媒体、网络技术、传感技术等多种先进技术为一体，是当今前景最好的计算机技术之一。21世纪的计算机是VR计算机，VR是放大智慧的新工具，是亿万美元的产业。随着计算机技术的发展，虚拟现实技术将被广泛应用于城市规划、医学领域、娱乐与艺术文化、卫星与航天工业、室内设计领域、地产开发领域、农村开发管理、虚拟工业仿真领域、应急处理预演、文物古迹还原、产品展示机展览展示、教育学、地址文化研究等各个领域。

参考文献：

[1]胡小强.虚拟现实技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2005.

[2]石教英.虚拟现实基础及实用算法[M].北京：科学出版社，2002.

[3]卢信文.虚拟现实平台的开发及其应用领域的研究[D].成都：电子科技大学，2008.

[4]王娜娜，王钰.交互式虚拟产品展示设计平台的研究[J].青岛大学学报，2006，19（2）：69-73.

[5]李有堂，赵玉侠，韦尧兵.虚拟现实技术及其在机械工程中的应用[J].计算机技术应用，2001，28（5）：31-33.

[6]成尔京，郑尚乾，林云霄，陈虹.Internet环境下面向中小型制造企业的三维虚拟设计方法[J].现代制造工程，2005（9）：15-17.

[7]方志明，肖刚，程振波，单继宏.基于VRML网上产品动态展示系统及其关键技术研究[J].计算机工程与应用，2004（17）：171-173.

[8]宋丽红，华斌.基于VRML和Java技术的虚拟校园三维查询系统[J].计算机工程，2005（3）：173-175

[9]百度百科.虚拟现实技术[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/95269.htm

[10]赛博文化.虚拟现实[EB/OL].http：//www.techcn.com.cn/index.php？doc-view-980

[11]转载-我的ET成长家园.虚拟现实技术漫谈[EB/OL].http：//jiangzhenzhen.bokee.com/4885286.html

[12]余汝艺.虚拟旅游及其发展研究[D].郑州：河南大学，2008.

[13]刘晶.基于网络的虚拟装配技术的研究[D].大连：大连理工大学，2005.

[14]王志杰.基于OpenGL三维虚拟场景建模技术研究[D].天津：河北工业大学，2007.

[15]高威.基于VRML的组合夹具虚拟装配仿真[D].天津：河北工业大学，2007.