简述虚拟现实技术

司占军　李文霞　顾翀

摘要：虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是近年来出现的高新技术，在很多方面都有应用。该文从虚拟现实的发展历程、特点、分类以及关键技术等几个方面对虚拟现实进行论述。

关键词：虚拟现实；发展；技术

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）08-1923-03

该船舶结构虚拟装配系统利用了虚拟现实技术，其中“现实”泛着物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或者环境，而“虚拟”是指由计算机生成的意思。简而言之，虚拟现实就是指由计算机生成现实生活中存在或不存在的场景，人可以通过特殊的设备将自己置身于其中，进行各类相关活动，从而实现某种特殊的目的。

由于VR技术能产生具有交互作用的虚拟世界，使得人机交互界面更加形象逼真，该技术越来越多的被应用于城市规划、医学、军事航天、娱乐影视、工业仿真、文物古迹、游戏等领域，并取得一定的经济和社会效益。

1 虚拟现实的发展历程

“虚拟现实”这一术语的来源最早可追溯到小说和剧本，它的发展大致可以分为三个阶段。第一阶段为20世纪50年代至70年代，是虚拟现实技术的起始阶段。1962年美国的Morton Heileg开发的Sensorama是虚拟现实设备的最初雏形，它不仅具有三维视频，还能产生立体声效果，风吹的感觉，甚至街道的气味。1965年Ivan Sutherland首次提出了包括具有交互图形现实、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，并于1968年最先设计出了头盔式立体图形显示器。

第二阶段为20世纪80年代至90年代，是VR技术的探索阶段。1984年美国虚拟行星探测实验室的M.McGreevy和J.Humphries博士共同开发了虚拟环境视觉显示器（VIVED），该显示器主要用于火星探测，随后又完成了VIEW虚拟现实系统。1986年，美国空军Armstrong医疗研究室开发了著名的VCAS系统-战斗机飞行仿真器。至此，虚拟现实在军事航天、医学等高端领域进入应用阶段。

第三阶段为20世纪90年代，虚拟现实进入全面发展阶段。计算机硬件技术与计算机软件系统不断改进，人机交互的设计不断创新，人们对虚拟现实技术潜在的广阔应用前景兴趣倍增，很多大学、研究机构以及公司等都开始转向于有关虚拟现实技术和系统的研究开发，其应用也开始由高端领域趋于平民化。

2 虚拟现实的特点

2.1 交互性（Interactivity）

虚拟现实的交互性是指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度以及从该虚拟环境中得到反馈的自然程度。而这种交互的产生，需要借助于各种专用的三维交互设备。例如，船舶结构虚拟装配系统中借助三维鼠标，用户便可以感受在虚拟船舶内走动并可以拆装设备。

2.2 沉浸感（Immersion）

虚拟现实的沉浸感又称临场感，是指用户感受存在于该虚拟环境中的真实程度。使用户具备一种在计算机虚拟环境中的沉浸感是VR技术最主要的技术特征，即让使用者觉得自己是计算机系统所创建的虚拟环境的一部分，使人由观察者变为参与者，从而能投入到计算机实践并沉浸其中。在曼恒数字呈现的虚拟船舶内，用户戴上三维立体眼镜便能感觉自己抽离了现实，沉浸于大海之中的船舶上。理想的模拟环境应该使用户全身心投入到计算机创建的三维虚拟环境中，在该环境中，看起来、听起来、闻起来、摸起来甚至尝起来感觉都是真的，跟现实世界毫无分别。

3 虚拟现实的分类

虚拟现实技术是一门涉及到计算机、图像处理与模式识别、语音和音响处理、人工智能技术、传感与测量、仿真、微电子等技术的综合集成技术。从不同角度出发可以有不同的分类，这里我们从系统性能进行分类，主要分为沉浸式、分布式、增强现实型和桌面式虚拟现实。

3.1 沉浸式虚拟现实

沉浸式虚拟现实是一种最佳的虚拟现实模式，给参与者提供一个完全沉浸的体验。虚拟现实影院（VR theater）就是一个完全浸入式的虚拟现实系统，用六个几米高的平面组成立方体屏幕，在立方体外围放置六个投影设备，它们共同投射在立方体的投射式平面上，置身于立方体中的观众可同时观看由五个或六个平面组成的图像，沉浸在图像组成的空间中。沉浸式虚拟现实选用了完备的虚拟现实硬件设备和先进的虚拟现实软件技术支持，从而模拟出一套比较复杂的系统，优点是使用户全身心的体验该虚拟环境，但是在硬件和软件方面投资较大。

3.2 分布式虚拟现实

分布式虚拟现实（通常称为分布式虚拟环境）是多用户基于网络进行分布式交互、信息共享和仿真计算等，如暴雪公司2004年推出公测的魔兽世界网络游戏，中视典2012年推出的“超炫VRPIE多人在线MMO”支持多人在线互动等。分布式虚拟现实需要通过互联网传递虚拟现实环境中的各类数据，这对网络的实时性、稳定性、带宽都有较高的要求。

3.3 增强现实型虚拟现实

也称混合现实，通过计算机技术，将虚拟的信息叠加到真实世界中，用户既能感受真实世界，同时又能看到虚拟对象，以此实现对真实世界的增强。这种系统不但减少对构成复杂真实环境的计算，又可对实际物体进行操作，真正达到亦真亦幻的境界。戴上谷歌最新发布的Project Glass增强现实眼镜，在马路上行走时，Google Maps会自动导航；到达迪特时，自动显示地铁停运星系；还能通过语音控制眼镜取景拍照等

3.4 桌面式虚拟现实

也称基本虚拟现实技术模式，是基于普通PC平台的小型桌面虚拟现实系统。计算机屏幕作为虚拟场景观察窗口，位置跟踪器、鼠标、数据手套、力反馈器等作为手控输入设备，来模拟操作虚拟场景，是不完全沉浸的。它最大的特点是缺乏完全投入，但是成本相对较低。现在，各大高校都建立起虚拟校园，用户能够游览虚拟校园内的三维景观游览校园。

4.1 实物虚化

实物虚化就是将真实世界的物体或构想出来的物体映射到虚拟世界中，主要包括模型的构建、空间跟踪、声音定位等关键技术，这些技术帮助虚拟环境获得用户操作，从而产生真实感强的虚拟世界。其中模型构建可以利用现阶段的一些三维制作软件，比如3DsMax、Maya等，对于空间、视觉和声音跟踪则需要借助于硬件设备，比如3Space数字化仪、SpaceBall空间球等，另外，为了提高效率，有必要研究虚拟现实开发工具。

4.2 虚物实化

通过实物虚化产生虚拟世界，而虚物实化则能确保用户在虚拟环境中获取视觉、听觉和触觉等感官感受。

虚物实化的实现主要是各种传感器的作用，包括视觉、触觉、听觉和力学等传感器，比如数据手套、数据衣、头盔显示器、3D眼镜等。但是现有的虚拟现实设备不能满足虚拟现实系统的要求，其跟踪精度和跟踪范围都有待提高，有必要开发出更先进的传感器，比如，需要无延迟、分辨率高、作用范围大并且使用方便的数据手套。

4.3 高性能计算处理技术

虚拟现实是以计算机技术为核心，利用计算机生成逼真的虚拟环境的现代高新科技，高性能的计算处理技术是直接影响系统性能的关键所在。因此对计算机性能要求比较高，高计算速度，强处理能力，大存储容量和强联网特性等特征的计算处理技术才能产生更逼真的虚拟环境。

5 结论

虚拟现实作为与网络、多媒体技术并称的21世纪最具应用前景的三大技术之一，发展潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的。尽管在实际应用中虚拟现实仍存在一定的局限性，还有许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍，但是随着人类技术的进步，虚拟现实技术也将迎来一个快速发展的阶段，这些问题终将得到解决，使我们在虚拟现实中的场景更加真实，从而给人类生活带来巨大的改观。

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