浅谈虚拟现实技术的实现与发展

徐宇杰 管会超

摘 要：虚拟现实技术（virtual Reality），是一沉浸式交互环境。借用虚拟现实技术，人们可以获得目前在现实中无法实现的体验效果。近年来，随着计算机图形技术（Computer Graphy）以及交互体验设备的推陈出新，虚拟现实技术对现代生活的方方面面都产生了深远的影响。该文将介绍普遍的虚拟实现技术的实现方式以及其在各方面的利用价值，并最后对虚拟现实技术的发展前景做了展望。

关键词：虚拟现实技术 计算机图形技术 交互体验设备 发展 应用

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（a）-0019-01

虚拟现实作为一种综合多种科学技术的计算机领域新技术，已经涉及众多研究和应用领域，被公认为是21世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。其未来的研究将遵循“低成本、高性能”原则，从软件、硬件上不断展开，不断发展成为一门成熟的科学和艺术。

1 虚拟现实技术的发展历程

1.1 虚拟现实技术的发展历程

20世纪50年代至70年代，是虚拟现实技术的探索阶段，1956年到1960年美国电影摄影师Morton Helling研制出Sensorama的立体电影系统。1965年计算机图形学的奠基者美国科学家Ivan Sutherland博士在国际信息处理联合会上提出终极显示的概念，即观察者直接沉浸在计算机生成的虚拟世界中，虚拟世界将会通过人体的反应做出相应的改变。并之后研究出了一些能够模拟力量和触觉的力反馈装置。

20世纪80年代初期至中期，虚拟现实技术系统化，从实验室走向实用阶段20世纪80年代，美国的VPL公司创始人Jaron Lanier正式提出了Virtual Reality一词。同期美国宇航局NASA开发了用于火星探测的虚拟世界视觉显示器。

20世纪80年代末期至今，虚拟现实技术的高速发展。1996年10月31日，世界上第一个虚拟现实技术博览会在伦敦开幕。全世界的人们都可以坐在家中通过英特网参观这个完全由虚拟计算机技术构造成的虚拟博览会。

1916年12月，世界上第一个虚拟现实环球网在英国投入运行。英特网用户可以在一个由立体虚拟现实世界组成的网络中自由体验。

目前随着近些年来迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统，基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能，人机交互系统设计的不断进步，虚拟现实的可实现性和体验效果获得了极大的提高。同时伴随着虚拟现实设备的小型化和民众化，可以预见在不久的未来，虚拟现实必将拥有着很广阔的市场。

1.2 现代虚拟现实技术的实现

现代虚拟现实的实现方式大概分为以下三个阶段。

1.2.1 前期虚拟场景的建模和渲染

一个好的虚拟现实产品其对于视觉效果的要求往往是非常高的，前期模型制作的精细程度以及渲染效果往往在很大程度上决定了一个虚拟现实产品的成败。对于前期的模型制作主要有以下几个软件：3DMAX，CATIA，UG，PROE，其中各有侧重点，3DMAX这一软件主要使用于建筑场景的制作，如街景，房屋，室内用品以及人体模型制作，它以及其强大的非工程建模能力和绚丽的渲染效果一直深受各个虚拟现实技术者的喜爱，在市场上也占据了相当的分量。CATIA，PROE，UG这三个软件可以说是三足鼎力不相上下，它们都以其强大的参数化建模能力而活跃于工程领域，三者也各有侧重点。catia主要偏重于车辆工程以及航空航天领域，UG主要偏重于航空发动机的建模，proe主要用于模具行业。虚拟现实技术者在建模的过程中往往要根据项目的对象而灵活使用不同的建模软件，取其长处，避其短处。前期模型的制作效果直接影响整个项目的实现效果。

1.2.2 动画素材的制作

虚拟现实技术构建的是一个动态世界，优秀的动画素材能使虚拟世界更加的真实和震撼。在此方面无疑3Dmax和maya占据着绝对的地位。而动画制作在虚拟现实中主要是分为人体动画的制作和普通物体动画。3DMAX和maya都能出色地完成任务，唯一要注意的就是二者软件与相应的虚拟集成平台之间的接口问题。

1.2.3 虚拟集成平台的使用

虚拟集成平台主要用于项目资源的最后整合，将前面所得到的模型和动画素材最后整合成一个项目，并对其进行渲染，可以把第一步和第二步比作材料生产厂，则虚拟集成平台的使用可以认为是是最后的组装厂。此外，虚拟集成平台之所以是上面那些软件所不能替代的主要原因就是可以在虚拟平台中实现项目与外设硬件设备的交互如常见的外设键盘，鼠标。到比较高级的体感设备如kinect等。目前主流的虚拟集成平台主要有virtools，3DVIA studio，Unity3D等等，这些平台可以按照自己的情况进行选用，像u3d由于在游戏引擎方面的强大实力，所以如果单独用来开发普通的2d和3d游戏则U3d是比较好的选择，目前国内相关的资料也是比较齐全。但是如果要考虑输出成3d显示效果的project则virtools和3DVIA studio在这方面有着比较充足的预设来实现各种3d显示效果。

1.2.4 虚拟现实体感设备的交互系统的开发与调试

虚拟现实体感设备主要可分为视觉感知设备，听觉感知设备，触觉和力反馈设备，位置跟踪设备。目前在市场已经有着纷繁复杂的体感设备如微软的kinect，任天堂的wili，视觉头盔等，通过这些体感设备实时读入现实生活中的数据，而进行实时刷新和实时建模和渲染，从而使构建与现实世界实时交互的虛拟系统，这将会是虚拟现实技术发展的一个重要方面。我们应该庆幸我们站在巨人的肩膀上，微软这些公司已经为我们提供了及其强大的硬件支持，使我们有可能独立的完成虚拟现实项目的开发工作。但是同时开发者自己也必须拥有一定的接口开发能力来实现相应的体感硬件和自己所使用的软件的接口开发，如此才能够在未来虚拟市场竞争之时立足于不败之地。

2 虚拟现实技术的应用和其展望

虚拟现实技术由于其相对于现实的高实现性和低成本性，必将广泛用于各个行业。如对于航空行业，通过虚拟现实技术可以不必购进价格高昂的航空发动机便可以对其进行熟悉和研究。建筑行业，通过虚拟现实技术可以虚拟动态演示各种建筑设施，从而增加销售业绩。医疗领域可以通过虚拟虚拟现实技术仿真培训课程，对外科医生进行开刀培训，大大增加医护人员的医疗水平。同时随着虚拟现实技术水平的进步，总有一天虚拟现实技术将会走进千家万户，在各个方面影响人们的生活。

参考文献

[1] 覃伯明.Virtools引擎3D游戏程序设计[M].北京：清华大学出版社，2013.

[2] 刘光燃.虚拟现实技术[M].北京：清华大学出版社，2011.

[3] 赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学（F辑：信息科学），2009，39（1）.