简述虚拟现实技术

李文霞 顾翀

虚拟现实的特点

虚拟现实采用以计算机技术为核心的现代高技术，生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，使用户如身临其境一般，可以及时而没有限制地观察三维空间内的事物。由此可见，虚拟现实的主要特征为交互性、沉浸感和构想性。具体来说可以用3个“I”来概括，即Immersion、Interactivity和Imagination。

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用户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.沉浸感（Immersion）

又称临场感，指用户感到作为主角存在于该虚拟环境中的真实程度。VR技术最主要的技术特征就是使用户具备一种在计算机虚拟环境中的沉浸感，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.构想性（Imagination）

构想性强调虚拟现实技术广阔的想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。在电影《阿凡达》中，卡梅隆依靠自己的想象和虚拟现实技术，创造了一个梦幻般的星球——潘多拉星球，片中的岩石沙尘、森林陡山、外星生物都是构想的，虚拟现实的构想性应用给观众带来了首当其冲的视觉震撼。

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。

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，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，用几米高的6个平面组成的立方体屏幕环绕在观众周围，设置在立方体外围的6个投影设备共同投射在立方体的投射式平面上，观众置身于立方体中可同时观看由5个或6个平面组成的图像，完全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地体验该虚拟环境，但是在硬件和软件方面投资较大。

2.分布式虚拟现实

分布式虚拟现实（通常又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，对网络的实时性、稳定性、带宽都有较高的要求。

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，自动显示地铁停运信息；还能通过语音控制眼镜取景拍照等。

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。

虚拟现实的关键技术

由于虚拟现实需要提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，因此需要依托于计算机科学、数学、力学、声学、光学、机械学、生物学乃至美学和社会科学等多种学科。归根到底，虚拟现实技术包括实物虚化、虚物实化和高性能的计算处理技术这3个主要方面。因此，虚拟现实的关键技术可从以上3方面进行概括。

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、视觉跟踪等关键技术，这些技术使得真实感强的虚拟世界产生、虚拟环境获得用户操作数据成为可能。其中模型构建可以利用现阶段的一些三维制作软件，比如3DMax、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3DSpace数字化仪、SpaceBall空间球等。

2.虚物实化

通过实物虚化产生虚拟环境，而要确保用户在虚拟环境中获取视觉、听觉和触觉等感官感受则需要依托于虚物实化。

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还远远不能满足虚拟现实系统的要求，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不方便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发出更先进的传感器。

3.高性能计算处理技术

虚拟现实是以计算机技术为核心的现代高新科技，高性能的计算处理技术是直接影响系统性能的关键所在。具有计算速度高，处理能力强，存储容量大和联网特性强等特征的计算处理技术。

4.应用系统开发工具

虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造性。选择适当的应用对象可大幅度提高效率，减轻劳动强度，提高产品质量。为了达到这一目的，有必要研究VR的开发工具，例如VR系统开发平台、分布式VR技术等。

虚拟现实的应用

虚拟现实技术作为数字出版的一个新方向，由于其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，该技术越来越多地被应用于城市规划、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。

近年来，利用虚拟现实的仿真效果与传统印刷相结合，建立印刷机械、印刷车间等仿真模型，从而实现印刷车间的漫游、印刷机内部零件的展示及拆解、印刷机部分机构传动过程的动态演示及相关视频和动画的连接等。这对加强实训中心装备建设，满足印刷从业者的培养目标提供了重要保证。