一什么是虚拟现实？一什么是虚拟现实？ 虚拟现实（Virtual Reality） ，简称 VR 或称灵境技术，实际上是一种可创建和体验虚拟 世界（Virtual World）的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再 现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进 行自然的交互。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三 维虚拟世界,并通过头盔显示器（HMD） 、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与 该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变 化，产生沉浸感。例子例子：日本松下公司用来招揽买主的“厨房世界”。你只要戴上特殊的头盔和一只银色 的手套，就可以去“漫游”厨房世界了。你伸手去开门，门随手而开，厨房内的 所有设备就会映人你的眼帘。你可以用手打开柜橱的门和抽屉，查看里面的结 构和质量，可从碗架上拿下盘子看看，也可以打开水龙头，立即看见水流出来， 听见流水声，还可查看水池下面的排水是否流畅，也可查看照明是否亮堂，试 试通风排气是否正常。可是当你拿下头盔，摘下手套时，这一切又都消失 了 虚拟现实又称“虚拟实境”。二二虚拟现实的特点与重要意义虚拟现实的特点与重要意义：虚拟现实是发展到一定水平上的计算机技术与思维科学相结合的产物，它的出 现为人类认识世界开辟了一条新途径。虚拟现实的最大特点是：用户可以用自 然方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人类除了亲身经历，就只能间接 了解环境的模式，从而有效的扩展了自己的认知手段和领域。另外，虚拟现实 不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具，它以视觉形式产生一个适人 化的多维信息空间，为我们创建和体验虚拟世界提供了有利的支持。 由于虚拟 现实技术的实时三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身 临其境的感受，它在军事和航天领域的模拟和训练中起到了举足轻重的作用。 近年来，随着计算机硬件软件技术的发展以及人们越来越认识到它的重要作用， 虚拟技术在各行各业都得到了不同程度的发展，并且越来越显示出广阔的应用 前景。虚拟战场、虚拟城市、甚至“数字地球”;无一不是虚拟现实技术的应用。 虚拟现实技术将使众多传统行业和产业发生革命性的改变。 三三虚拟现实系统的组成虚拟现实系统的组成：一般的虚拟现实系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和 演示设备等组成.虚拟现实技术的特征之一就是人机之间的交互性 （interaction）.为了实现人机之间的充分交换信息，必须设计特殊输入工具 和演示设备，以识别人的各种输入命令，且提供相应反馈信息，实现真正的仿真效果。不同的项目可以根据实际的应用可以有选择的使用这些工具，主要包 括：头盔式显示器、跟踪器、传感手套、屏幕式、房式立体显示系统、三维立 体声音生成装置。 四四虚拟现实技术的分类虚拟现实技术的分类：编辑1.桌面级的虚拟现实桌面级的虚拟现实桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，计算机的屏幕用来 作为用户观察虚拟境界的一个窗口，各种外部设备一般用来驾驭虚拟境界，并 且有助于操纵在虚拟情景中的各种物体。这些外部设备包括鼠标，追踪球，力 矩球等。它要求参与者使用位置跟踪器和另一个手控输入设备，如鼠标，追踪 球等，坐在监视器前，通过计算机屏幕观察 360 度范围内的虚拟境界，并操纵 其中的物体，但这时参与者并没有完全投入，因为它仍然会受到周围现实环境 的干扰。桌面级的虚拟现实最大特点是缺乏完全投入的功能，但是成本也相对 低一些，因而，应用面比较广。常见桌面虚拟现实技术有： 基于静态图像的虚拟现实技术：这种技术不采用传统的利用计算机生成图 像的方式，而采用连续拍摄的的图像和视频，在计算机中拼接以建立的实景化 虚拟空间，这使得高度复杂和高度逼真的虚拟场景能够以很小的计算代价得到， 从而使得虚拟现实技术可能在 PC 平台上实现。 VRML(虚拟现实造型语言)：它是一种在 Internet 网上应用极具前景的技术， 它采用描述性的文本语言描述基本的三维物体的造型，通过一定的控制，将这 些基本的三维造型组合成虚拟场景，当浏览器浏览这些文本描述信息时，在本 地进行解释执行，生成虚拟的三维场景。VRML 的最大特点在于利用文本描述三 维空间，大大减少了在 Internet 网上传输的数据量，从而使得需要大量数据的 虚拟现实得以在 Internet 网上实现。 桌面 CAD 系统：利用 Open GL、DirectDraw 等桌面三维图形绘制技术对虚 拟世界进行建模，通过计算机的显示器进行观察，并有能自由地控制的视点和 视角。这种技术在某种意义上来说也是一种虚拟现实技术，它通过计算机计算 来生成三维模型，模型的复杂度和真实感受桌面计算机计算能力的限制。 编辑2投入的虚拟现实投入的虚拟现实高级虚拟现实系统提供完全投入的功能，使用户有一种置身于虚拟境界之 中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手 套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身在虚拟环境中、并能全 心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有： 基于头盔式显示器的系统：在这种系统中，参与虚拟体验者要戴上一个头 盔式显示器，视听觉与外界隔绝，根据应用的不同，系统将提供能随头部转动 而随之产生的立体视觉、三维空间。通过语音识别、数据手套、数据服装等先 进的接口设备，从而使参与者以自然的方式与虚拟世界进行交互，如同现实世 界一样。这是目前沉浸度最高的一种虚拟现实系统。 投影式虚拟现实系统：它可以让参与者从一个屏幕上看到他本身在虚拟境 界中的形象，为此，使用中电视技术中的“键控“的技术，参与者站在某一纯色 (通常为兰色)背景下，架在参与者前面的摄像机捕捉参与者的形象，并通过连 接电缆，将图像数据传送给后台处理的计算机，计算机将参与者的形象与纯色 背景分开，换成一个虚拟空间，与计算机相连的视频投影仪将参与者的形象和 虚拟境界本身一起投射到参与者观看的屏幕上，这样，参与者就可以看到他自 己在虚拟空间中的活动情况。参与者还可以与虚拟空间进行实时的交互，计算 机可识别参与者的动作，并根据用户的动作改变虚拟空间，比如来回拍一个虚 拟的球或走动等，这可使得参与者感觉就象是在真实空间中一样。 远程存在系统：远程存在系统是一种虚拟现实与机器人控制技术相结合的 系统，当某处的参与者操纵一个虚拟现实系统时，其结果却在另一个地方发生， 参与者通过立体显示器获得深度感，显示器与远地的摄像机相连；通过运动跟 踪与反馈装置跟踪操作员的运动，反馈远地的运动过程(如阻尼、碰撞等)，并 把动作传送到远地完成。 编辑3.增强现实性的虚拟现实增强现实性的虚拟现实增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现 实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无 法感知或不方便感知感受。这种类型虚拟现实典型的实例是战机飞行员的平视 显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式 屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着 敌人的飞机和导航偏差。 编辑4.分布式虚拟现实分布式虚拟现实如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同 体验虚拟经历，那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。目前最典型的分布式虚拟现实系统是作战仿真互联网和 SIMNET，作战 仿真互联网(Defense Simulation Internet， DSI)是目前最大的 VR 项目之一。 该项目是由美国国防部推动的一项标准，目的是使各种不同的仿真器可以在巨 型网络上互联，它是美国国防高级研究计划局 1980 年提出的 SIMNET 计划的产 物。SIMNET 由坦克仿真器(Cab 类型的)通过网络连接而成，用于部队的联合训 练。通过 SIMNET，位于德国的仿真器可以和位于美国的仿真器一样运行在同一 个虚拟世界，参与同一场作战演习。五虚拟现实技术的应用前景和优势：虚拟现实技术的应用前景和优势： 虚拟现实技术的应用极为广泛，Helsel 与 Doherty 在 1993 年对全世界范围内已经进行的 805 项虚拟现实研究项目作了统计，结果表明：目前在娱乐、教育及艺术方面的应用占据主流，其次是军事与航空，医学，商业，另外在可视化计算、制造业等方面也有相当的比重。下面简要介绍其部分应用。 （1）医学 虚拟现实技术应用大致上有两类。一是虚拟人体，也就是数字化人体，这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能。另一是虚拟手术系统，可用于指导手术的进行。Pieper 及 Satara 等研究者在 90 年代初基于两个 SGI 工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。借助于 HMD 及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指导下工作等。（2）娱乐、艺术与教育 丰富的感觉能力与 3D 显示环境使得虚拟现实技术成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对虚拟现实的真实感要求不是太高，故近些年来虚拟现实技术在该方面发展最为迅猛。如 Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的虚拟现实娱乐系统，其主题是关于 3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的虚拟现实游戏系统，配有HMD，大大增强了真实感；1992 年的一台称为“Legeal Qust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度虚拟现实产品奖；（3）军事与航天工业 模拟与练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为虚拟现实技术提供了广阔的应用前景。美国国防部高级研究计划局 DARPA自 80 年代起一直致力于研究称为 SIMNET 的虚拟战场系统，以提供坦克协同训 1 练，该系统可联结 200 多台模拟器。利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的多快好省的研究战争、培训指挥员的方法。战争实验室在检验预定方案用于实战方面也能起巨大作用。1991 年海湾战争开始前，美军便把海湾地区各种自然环境和伊拉克军队的各种数据输入计算机内，进行各种作战方案模拟后才定下初步作战方案。后来实际作战的发展和模拟实验结果相当一致。（4）商业 虚拟现实技术常被用于推销。例如建筑工程投标时，把设计的方案用虚拟现实技术表现出来，便可把业主带入未来的建筑物里参观，如门的高度、窗户朝向、采光多少、屋内装饰等，都可以感同身受。它同样可用于旅游景点以及功能众多、用途多样的商品推销。因为用虚拟现实技术展现这类商品的魅力，比单用文字或图片宣传更加有吸引力。（5）科技开发 虚拟现实技术可缩短开发周期，减少费用。例如克莱斯勒公司1998 年初便利用虚拟现实技术，在设计某两种新型车上取得突破，首次使设计的新车直接从计算机屏幕投入生产线，也就是说完全省略了中间的试生产。 由于利用了卓越的虚拟现实技术，使克莱斯勒避免了 1500 项设计差错，节约了 8 个月的开发时间和 8000 万美元费用。利用虚拟现实技术还可以进行汽车冲撞试验，不必使用真的汽车便可显示出不同条件下的冲撞后果。 在虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起，成为人类探索客观世界规律的三大手段。用它来设计新材料，可以预先了解改变成分对材料性能的影响。在材料还没有制造出来之前便知道用这种材料制造出来的零件在不同受力情况下是如何损坏的。 以上仅列出虚拟现实技术的部分应用前景，可以预见，在不久的将来，虚拟现实技术将会影响甚至改变我们的观念与习惯，并将深入到人们的日常工作与生活。