虚拟现实技术及其应用

占璐璐

摘 要：虚拟现实技术是近年来综合多种学科技术的计算机技术领域的一门高新技术，涉及诸多研究和应用领域，是未来社会发展学科的重要技术之一。本文阐述了虚拟现实技术的基本概念及其关键技术，同时，就其未来发展和应用进行了讨论。

关键词：虚拟现实；技术；应用

1 虚拟现实的概念

虚拟现实又称灵境技术，英文是"virt-ural reality"。关于虚拟现实的定义。我们可以简单地理解为，人与计算机生成的虚拟环境进行交互作用的技术手段。

人在某种况中的感受，无非是在这种景况中接受了各种感触信号，包括视频信号、音频信号、温度信号、气味信号、触摸信号（软硬冷热）、失重的感觉信号等等。所有这些信号有机地组合在一起（包括时间次序、空间位置、信号强弱、彼此间的搭配）作用在人的感官上，就形成了人的感受。利用各种传感器把人在某种真实景况中所能感受到的各种信号记录下来，或利用其他手段来产生这些信号，并把各种信号的次序、位置、强弱、彼此间的组合搭配关系制成计算机软件，将这些信号、软件及有关的设备有机地组合到一起，形成一个系统，这就是虚拟现实系统。虚拟现实的一个重要特点就是人的沉入与参与，人是虚拟现实的用户、享受者和作用者。人进入到虚拟的景况中，不仅能有逼真的感受，而且能在其中进行各种活动，如可以触摸物体；打开虚拟的门；驾驶虚拟的车穿过虚拟的大街小巷等。虚拟现实的中一个特点是能够创造现实世界中做不到的或不存在的景况，例如，人到火星上漫步，进入人体血管或脑神经网络中漫游等。

2.1 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。

2.2 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。

2.3 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

2.4 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。

3 VR技术的发展及其应用前景

虚拟现实概念起源于60年代，到80年代逐步兴起，90年代产品问世。目前，虚拟现实技术的应用涉及航天、军事、通信、医疗、教育、娱乐、图形、建筑和商业等各个领域。

VR技术在医学方面的应用具有极其重要的现实意义。该技术可用于虚拟实验室的解剖教学、复杂手术模拟与规划。另外，在远距离遥控就诊，医疗手术的统筹安排以及具体手术中的信息指导和结果预测，甚至新型药物研制等方面，VR技术都有十分重要的意义。

在航天航空方面，VR技术的作用也非常突出。例如，在航天飞行过程中，失重是最大的障碍和困难，由于物体在失重情况下运动轨迹或状态难以预测，因此解决驾驭失重状态下的物体的运动状态是一个重要课题。为了逼真地模拟太空中的情景，美国航天局NASA在“哈勃太空望远镜的修复和维护”计划中采用了VR仿真训练技术。

在军事领域中，VR技术应用可以模拟军事演习，可用来训练坦克、直升机和进行军事演习，利用无线电通信和声音来加强真实感，以及训练部队之间的协同作战能力等。

在三维游戏中，虚拟现实技术得到了广泛应用，同时，三维游戏的快速发展也为虚拟现实技术的提升起了巨大的支撑和牵引作用。由于BS模式的三维游戏所特有的实时性和交互性，需要在游戏中进一步提高、加强逼真性和沉浸感。 目前，在三维游戏中，尽管虚拟现实技术的应用还有很多技术难题，但是它在三维游戏领域的应用越来越广泛。

4 结束语

总的来说，虚拟现实是一个充满活力、具有巨大应用前景的高新技术领域，但仍存在许多有待解决与突破的问题。为了提高VR系统的交互性、逼真性和沉浸感，在新型传感和感知机理、几何与物理建模新方法、高性能计算，特别是高速图形图像处理，以及人工智能、心理学、社会学等方面都有许多挑战性的问题有待解决。我国虚拟技术还处于起步阶段，国内还缺乏足够的具有自主知识产权的开发平台。但不管怎样，虚拟现实技术毕竟开辟了富有发展潜力的新领域，它会随着时间的推移日臻完善。相信在不久的将来虚拟现实技术会更多地进入生产生活中。

参考文献：

[1]吴迪，黄文骞.虚拟现实技术的发展过程及研究现状[J].海洋测绘，2002（11）：15-17.

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[3]吴迪，黄文蓦.虚拟现实技术的发展过程及研究现状.海洋测绘，2002.

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