虚拟现实技术及其应用探讨

徐新星

摘 要：虚拟现实技术是一种借助计算机所模拟的三维环境，能够有效创建和体验虚拟世界.随着计算机技术的快速发展，虚拟现实技术能够确保使用人员从视觉，听觉和触觉感官上均感受到视听环境，其涵盖较多方面技术类型，属于多技术综合集成技术.此次研究主要是围绕虚拟现实技术展开讨论，首先介绍了虚拟现实技术的基本特征，结构和类型，在此基础之上分析了虚拟现实技术的应用现状，希望能够对相关人员起到参考性价值.

关键词：虚拟现实技术;应用;未来发展

中图分类号：TP391.9  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）10-0041-04

虚拟现实技术主要被称为VR技术，通过计算机图形渲染能力所建造的三维虚拟空间，并且能够应用多项技术对用户触觉，视觉以及听觉等直观感受等进行模拟，使用户拥有身临其境的感觉.在使用虚拟现实技术期间，用户能够对虚拟空间的虚拟物体进行浏览，并且应用虚拟现实技术所创造出的虚拟环境能够使用户感受到自身存在环境和活动.虚拟现实技术能够充分应用数据传输技术，计算机技术，立体显示技术，网络技术以及语音识别技术等，这样能够有效融合虚拟与现实，并且为现实活动与虚拟环境搭建交流平台.虚拟现实基于计算机技术对虚拟世界进行创造和体验，在实际应用期间能够包容多种信息，可以在此多维化空间内充分发挥出人类的感性认知和理性认知.

1 虚拟现实技术系统的结构组成和基本特征

1.1 虚拟现实技术系统的结构组成

一个完成的虚拟现实技术系统主要包括计算机软件和硬件系统，传感器设备等.其中计算机硬件系统主要包含大型计算机系统，并且由多个小型计算机和工作站等构成;计算机软件系统主要包括相关计算机模块，包括控制模块，反馈模块，检测模块和传感器模块等.控制模块主要是利用不同信息数据控制传感器，这样能够确保用户，虚拟环境和现实环境之间的交流互动;反馈模块主要是对传感器所反馈的信息进行接受，反馈传感器具有较多类型，属于重要信息交互设备;检测模块主要是检测虚拟环境中用户所发出的指令;传感器模块主要是实现虚拟环境中的相应动作.下图1为虚拟现实技术系统的组成结构图.

1.2 虚拟现实技术的特征分析

在虚拟现实技术所探索和研究的领域中，能够建立出与其他技术具有明显特征的新型空间与应用，如图2所示.因此虚拟现实技术的主要特征表现在以下方面：

（1）沉浸性：虚拟现实技术的“虚拟”理念主要是由于呈现出的环境没有存在于现实当中，仅仅为计算机技术所创造的虚拟世界，这样就会使用户沉浸在虚拟空间中.此处所提及的沉浸主要是用户利用虚拟环境设备将自身与虚拟环境融合在一起，使其处于虚拟环境中，在虚拟世界中用户能够感受和应用不同物体，与现实世界的感觉比较相似.在虚拟环境中，用户感受事物具有较高的真实性，充分给予其身临其境的感觉.

（2）交互性：交互性主要是用户对虚拟世界中物体的操作情况，能够从环境中获得反馈，比如在实际生活环境中与他人进行交流一样.虚拟现实系统的人机教育与自然交互方式比较接近，用户可以通过自身语言，机体运动等技能，全面考察或操作虚拟世界的人和物.计算机能够按照用户的指示和动作对系统所呈现出的声音和图像进行优化调整.

（3）多感知性：虚拟现实的设备所拥有的智能逻辑分析能力就被称为多感知性.在虚拟现实系统中装设视传感装置，听传感装置和触传感装置及动传感装置，因此用户在虚拟环境中利用人机交互方式能够获得触觉，听觉，视觉以及动觉等不同感知，这样能够达到身临其境的感觉.

（4）构想性：通过虚拟现实系统能够创造出现实生活中不存在的人事物，并且能够停留在人们思想中的场景.用户可以应用在虚拟环境中多种活动获得相应的认识，这样能够深入理解和掌握相关知识体系，产生出更加具有创意的想法，实现人们的认知与思维方式的全新转变.

2 虚拟现实技术的基本分类

按照当前虚拟现实技术的发展现状能够看出，在对其进行分类时主要按照功能高低进行划分：

2.1 桌面级虚拟现实系统

虚拟现实技术主要是应用计算机系统实现仿真，计算机屏幕能够作为参与者和用户观察的窗口，不同外部设备能够对虚拟环境中的物体进行操作，此种模式虚拟现实技术能够借助桌上级计算机实现，因此经济性比较高，功能较为单一，能够应用在计算机辅助辅助制造CAM和设计CAD，还能够应用到桌面游戏和建筑设计中.

2.2 沉浸式虚拟现实技术系统

此种模式是在桌面级基础之上增设多种人体交互设备，比如可应用头戴式或者手柄式显示器.该系统具备眼球追踪技术，可以应用头部跟踪器和数据手套作为交互装置，这样能够将用户的视听觉带入到三维立体环境中，暂时分离用户和现实环境，使其在虚拟环境中成为真实的人.在此种情况下，用户能够应用多种交互设备对虚拟环境进行操作和驾驭，确保用户感受到身临其境.因此沉浸式虚拟现实技术能够应用到培训演示，飞行员培训以及游戏领域中.

2.3 分布式虚拟现实技术系统

在网络环境下充分调动不同区域的资源，使其构建成具有强大功能的虚拟现实技术系统.分布式虚拟现实技术系统是在沉浸式基础上发展的一种新型虚拟现實技术，能够利用虚拟现实系统将不同区域的人事物连接在一起，这样能够实现不同用途，有效连接不同参与者，还能够参与到虚拟空间中，有效体验虚拟经历，确保用户的协调工作的配合度发挥到极致.能够预想到的是，来自不同国家的人员能够应用虚拟现实技术细条参与到同一场虚拟游戏中.

2.4 增强现实型

增强现实型模式属于混合型系统，能够有效结合虚拟环境和真实环境中，这样既可以降低虚拟环境的建造成本，还能够亲自操作现实环境，由于此模式中的部分场景为真实环境，因此能够提升用户的真实体验.在现实环境中应用增强现实型虚拟现实技术系统可以在虚拟环境中展示出真实物体.

3 虚拟现实技术的应用分析

在虚拟现实技术的快速发展过程中张中，我国多数行业也开始应用该项技术，主要涉及军事领域，地理测绘，工业设计，石油开采，娱乐领域等，图1为虚拟现实技术的应用分类.

3.1 军事领域的应用

随着军事科技的快速发展，无人化战争已经成为未来发展趋势，此时应用虚拟现实技术就能够实现无人化战争.借助虚拟现实技术的三维场景建模能力，仿真的环境和画面.军事指挥官能够借助虚拟现实技术系统感受到亲临阵线感觉，全面掌握双方作战的实际情况.除上述以外，虚拟现实技术系统还能够有效训练高科技单兵，开发高科技武器，实现实时协同作战等功能.如图4所示：

3.2 地理测绘

人类在进入智能化和数字化时代之后，就越发凸显出数字地理系统的重要性，因此虚拟现实技术在数字地理测绘当中的应用也逐渐发挥出重要作用.通过虚拟现实技术的多感知通道编辑与三维场景模拟功能，能够形成较高真实度的三维地形仿真图像，全面反映出地理信息状态以及细节内容等.

3.3 工业设计

虚拟现实技术主要是建立在虚拟现实环境中的技术，设计人员能够利用计算机平台对成型工业产品进行模拟，还能够测试工业产品的各项性能和功能.此外，虚拟现实技术还能应用在产品开发领域，防止出现制造出无数样品的浪费情况，在该种强大平台上能够模拟出真实产品，并且深入研究和分析产品，全面检查产品设计功能和不足，在虚拟现实技术系统上进行更新和升级，这样能够有效提升生产力与工业效率.如图5所示，可以将虚拟现实技术应用在器具结构设计模拟上.

3.4 石油领域应用

在石油领域应用虚拟现实技术能够展现出该项技术的特征，其优势主要表现在油储藏量模拟，地震勘测以及特殊工种培训等.随着虚拟现实技术的深入发展，石油行业人员能够借助该种技术实现各项危险性较高的作业.

地震资料解释属于复杂工作，因此对于相关人员具有较高要求，必须深入了解和掌握地质资料，具备地球地理知识等，还要求其具备想象力.因此在该领域中引入虚拟现实技术，资料解释人员不需要再死记枯燥单维数字，可以利用虚拟现实技术面多地下构造的三维透视图像，并且使用数据手台对虚拟对象进行操作，从不同路线和方向进入到构造内部进行探索.在油藏模拟输出数据之后，建立三维地质模型，这样能够确保模拟运算的结果具有较高的真实性，有利于数据交互，还能够对数据进行全面分析和应用.在特殊工种培训中应用虚拟现实技术，能够确保操作人员的人身安全，确保培训效果.

3.5 娱乐领域

三维游戏中已经广泛应用虚拟现实技术系统，随着网络游戏的发展也在较大程度上促进了虚拟现实技术系统的发展.当前，电子游戏逐渐从二维单机游戏逐渐发展为二维网络游戏，现已全面进入三维网络游戏.在游戏领域中，人们追求灵活的人机交互方式，确保玩家具有较高的投入感和真实体验，从以上分析可以看出，游戏在虚拟现实技术系统上的发展具有显著作用.图6是虚拟现实技术在某射击游戏中的应用.

3.6 虚拟旅游领域

实现一个虚拟旅游系统涉及三方面的技术：一是利用Web GIS的电子地图支持功能实现地图的生成、管理、显示和网络共享;二是利用基于实景图像的虚拟现实技术生成全景图像三是利用Java applet与WEBGIS相结合完成全景图像的网络漫游，再辅以友好的用户界面，使用户能以真实的感觉“进入”地图观赏美景

3.6.1 基于Web GIS的空间景观支撑体系

基于Internet/ Intranet的Web GIS是GIS技术发展的新趋势.Web GIS可以简单定义为在Web上的GIS.考虑到虚拟旅游的需求，笔者以基于Web GIS结构实现电子地图库的动态服务，由应用服务器完成电子地图与空间景观的空间关联，由Web服务器应答Client端的请求.基于Web GIS的空间景观支撑体系.如图7所示：

3.6.2 全景图像的生成

比如站在天安门广场，用相机对六个方向（上、下、左、右、前、后）共拍摄六张照片，经过程序处理，“缝合（Stitch）”成1张大图像.计算机可以从这张大图像里产生任意方向、走近、走远的图像，从而使用户有身临其境之感生成全图像的关键点是寻找相邻图像的重合部分并剔除之，通过手工拼接和自动拼接来实现.手工拼接由肉眼观察和鼠标拖动实现，重合部分透明显示，使用户可以方便地进行定位;自动拼接的约束条件是图像的重合区域光强差为零.事实上，由于噪声的影响，图像之间重合部分的光强差是不可能为零的，只能无限地逼近零，通常的办法是选择最接近零的情况确定重合部分后，需要把有重叠部分的输入图像缝合成一幅无缝的全景图，用于拼接的图像是用照相机绕Y轴旋转拍摄得到的.拼接程序采用图像校准（Regulation）算法来匹配和融合相邻的图像.

3.6.3 基于Java Applet的虚拟景观漫游

Web应用开发中，无论采用CGI、Web API、Activex技术，还是ASP技术，对服务器的要求都较高，由于用户发出的所有指令最终都由Server来完成，用户端实际上是起了一个图形终端的作用，致使服务器端负担过重，要求服务器端的硬件速度快，内存容量大.当用户数量多时，容易在服务器端形成瓶颈，进而影响整个系统的效率.

除过上述发展之外，虚拟现实技术系统还在医疗行业，教育行业，文物保护以及建筑设计方面均具有重要应用价值.随着虚拟现实技术的快速发展，其逐步涉及较多行业领域，已经成为当前社会各界广泛关注的热点话题.随着虚拟现实技术的成熟发展，也会逐渐提升虚拟现实技术相关设备的先进性，有效适用于不同技术领域，开发出新型硬件设备和软件环境，拉进人们与虚拟现实之间的关系.

4 结束语

综上所述，尽管当前多数行业都开始应用虚拟现实技术，但是该项技术还属于正在发展的新型技术.因此在未来发展中还应当注重虚拟现实技术的开发与深入研究，为社会生产生活带来较多新型体验方式，充分展现出虚拟现实技术的魅力.

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