虚拟现实技术概论

王爽　陈永当　孔繁锦　杨斌

【摘 要】本文概述了虚拟现实技术的概念，技术特征和分类，介绍了虚拟现实技术的应用现状和发展趋势，并做了最后的总结。

【关键词】虚拟现实；虚拟环境；沉浸；交互

1 虚拟现实技术的概念

虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）是一项综合集成技术，它的出现是计算机图形学、人机交互技术、传感器技术、人机接口技术以及人工智能技术等交叉与综合的结果。它利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、嗅觉等各种感觉，使用户通过适当装置，自然地对虚拟现实世界进行体验和交互作用[1]。

2 虚拟现实技术特征

1993年Burdea G在Electro 93国际会议上发表的“Virtual Reality System and Application”一文中，提出了虚拟现实技术三个特征，即沉浸感、交互性、想象性[2]。

沉浸感是指用户可以沉浸于计算机生成的虚拟环境中和使用户投入到计算机生成的虚拟场景中的能力。

交互性是指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力，它是人机和谐的关键性因素。

想象性是指通过用户沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟环境进行了各种交互作用，从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而可以深化概念，萌发新意，产生认识上的飞跃。

3 虚拟现实技术的分类

虚拟现实是从英文Virtual Reality一词翻译过来的，Virtual就是虚假的意思，Reality 就是真实的意思，合并起来就是虚拟现实，也就是说本来没有的事物和环境，通过各种技术虚拟出来，让你感觉到就如真实的一样。实际应用的虚拟现实系统可分为四类[3]：

桌面虚拟现实系统，也称窗口中的虚拟现实。它可以通过桌上型机实现，所以成本较低，功能也最简单，主要用于CAD（计算机辅助设）、CAM（计算机辅助制造） 、建筑设计、桌面游戏等领域。

沉浸虚拟现实系统，如各种用途的体验器，使人有身临其境的感觉，各种培训、演示以及高级游戏等用途均可用这种系统。

分布式虚拟现实系统，它在因特网环境下，充分利用分布于各地的资源，协同开发各种虚拟的现实。美国大型军用交互仿真系统 NPSNet 以及因特网上多人游戏 MUD 便是这类系统。

增强现实又称混合现实系统。它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，既可减少构成复杂真实环境的开销（因为部分真实环境由虚拟环境取代），又可对实际物体进行操作（因为部分系统即系真实环境），真正达到了亦真亦幻的境界，是今后发展的方向。

4 虚拟现实技术的应用现状

虚拟现实技术的应用范围很广，主要包括航空航天、军事、医学、工程设计、教育等面向设计制造、维修和训练等领域。下面列举了不同领域的一些典型应用。

4.1 军事及航空航天上的应用

在军事与航空航天上的应用是 VR技术发展的强有力催化剂。在航空上，利用CAD/CAM与VR结合进行新型飞机设计，某些飞行模拟器中也采用头盔显示器模拟各种实战场景，让人感觉相当真实[4]。载人航天研究中，训练时，航天员坐在一个模拟“载人操纵飞行器”功能、并带有传感器的椅子上。椅子上有用于在虚拟空间中作直线运动的位移控制器和用于绕航天员质心调节其姿态的姿态控制器。航天员头戴立体头盔显示器，用于显示望远镜、航天飞机以及太空的模型；并用数据手套作为与系统进行交互的手段。经过该虚拟系统的训练，航天员终于在1993年12月成功地完成了将哈勃太空望远镜上损坏的 MRI 并用从航天飞机上取出的备件进行更换这一复杂而又费时的任务。

4.2 民用领域

虚拟现实技术在军事及航空航天上的成功应用推动了其民用研究的开发，加之相关软、硬件价格的下降，它的应用已延伸到生产过程中的操作训练、市场营销、医疗卫生、游戏、建筑及工业设计等诸多方面[5]。例如，①操作训练：它不需要花费巨额的费用，利用 VR 技术就可进行一些操作训练。②建筑及工业设计：虚拟现实技术还可用来进行各种虚拟设计（汽车虚拟设计、飞机虚拟设计和建筑虚拟设计等），由于虚拟现实技术的投入性和交互性，它比传统的CAD技术能更好地满足设计要求；③市场营销：在大型展销活动中，不仅仅地展示产品，而利用 VR 系统来详细地介绍其结构及性能，将给客户产生更加神奇的体验。④医疗卫生：VR 可用于解剖教学、复杂手术过程的规划，在手术过程中提供操作和信息上的辅助，预测手术结果以及远程医疗等。⑤在现代教学领域，虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，学生能够成为虚拟环境中的一名参与者，扮演一个角色。⑥VR 技术还可用在对人类有害或危险的场合，人无须进入现场而只需在现场安装适当的遥感器或机器人，通过远程 VR 系统进行对话或完成相应任务。

5 发展趋势

纵观虚拟现实技术这 30 多年来的发展历程，VR 技术的未来研究还是遵循“低成本、高性能”这一主线，从软件、硬件上分别展开，有以下几个主要发展方向[6]：

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，并根据应用的需要，利用获取的三维数据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较成熟，而关键是如何“实时生成”。在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容[7]。

3）新型交互设备的研制。虚拟现实能让参与者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，使之身临其境，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[8]。

4）智能化的语音虚拟现实建模。VR建模是一个比较繁复的过程，它的建立需要开发人员花费大量的时间和精力。为了解决这个问题，可以考虑将VR技术与智能技术、语音识别技术结合起来。任何模型都包含有模型的概念、模型的描述、模型的功能约束条件、模型的空间和模型的多种形态等基本特征说明[9]。

5）大型网络分布式虚拟现实（Distributed Virtual reality，DVR）的应用。网络分布式VR将分布于多个地点的VR系统或仿真器通过局域网或广域网联结起来，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[10]。

6 总结

虚拟现实技术充满活力，它正在向实用方向迈进，向人们展示了广阔的应用前景，被誉为“21 世纪的新科技”，虚拟现实技术是本世纪发展的重要技术之一，作为一门科学和艺术将会不断走向成熟，在各行各业中将得到广泛应用，并发挥神奇的作用，21 世纪将是虚拟现实技术的时代。当然，虚拟现实技术还是一门年轻的科学技术，尚存在不少有待解决的问题。例如，在计算机生成的虚拟环境中，操作者每次转动头部，计算机必须更新三维图像，由于更新的数据太大，以致计算机还无法完成实时运算，这就造成了系统滞后。

【参考文献】

[1]张志鹏，劳奇成.虚拟现实技术的概况及应用[J].精密制造与自动化，2005（3）.

[2]谢晶妮，张茂军.虚拟现实发展趋势展望[J].计算机工程，2002（7）.

[3]刘耀林，孔建益，蒋国璋，孙亮波.虚拟现实技术的发展[J].湖北工业大学学报. [4]周红军，王选科.虚拟现实系统概述[J].航空计算技术，2005（1）.

[5]李云华.虚拟现实技术综述[J].重型机械科技，2004（4）.

[6]郑彦平，贺钧.虚拟现实技术的应用现状及发展[J].信息技术，2005（12）.

[7]徐艳.虚拟现实技术在教育教学中的成用研究[J].中园科技信息，2008（7）.

[8]韩晓玲.虚拟现实技术发展趋向浅析[J]电脑知识与技术，2007（2）.

[9]卞锋，江漫清，桑永英.虚拟现实及其应用进展[J].计算机仿真，2007（6）.

[10]胡小强.虚拟现实技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2005.

[责任编辑：杨玉洁]