論虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用

一、 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology）是一門集成了人與信息的科學(xué)。它利用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視覺、聽覺、嗅覺等各種感覺，使用戶通過適當(dāng)裝置，自然地對虛擬現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。這些環(huán)境可以是真實(shí)的，也可以是想象的世界模型，其目的是通過人工合成的經(jīng)歷來表示信息。虛擬現(xiàn)實(shí)是融合了許多人的因素，且放大了它對個人感覺影響的工程。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是建立在集成諸多學(xué)科如心理學(xué)、控制學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、實(shí)時分布系統(tǒng)、電子學(xué)、機(jī)器人及多媒體技術(shù)之上的。簡單地說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對現(xiàn)實(shí)的運(yùn)動進(jìn)行模擬和聲像演示。

二、 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)組成

1. 效果發(fā)生器。效果發(fā)生器是完成人與虛擬環(huán)境交互的硬件接口裝置，包括人們產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)沉浸感受到的各類輸出裝置，例如頭盔顯示器、立體聲耳機(jī)、頭部方位探測器和數(shù)據(jù)手套等。

2. 實(shí)景仿真器。實(shí)景仿真器是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心部分，它實(shí)際上是計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，包括軟件開發(fā)工具及配套硬件組成，其任務(wù)是接受和發(fā)送效果發(fā)生器產(chǎn)生或接收的信號。

3. 應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)是面向不同虛擬過程的軟件部分，它描述虛擬的具體內(nèi)容，包括仿真動態(tài)邏輯、結(jié)構(gòu)，以及仿真對象之間和仿真對象與用戶之間交互關(guān)系。

4. 幾何構(gòu)造系統(tǒng)。它提供描述仿真對象物理屬性，例如形狀、外觀、顏色、位置等信息，應(yīng)用系統(tǒng)在生成虛擬世界時，需要這些信息。

三、 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特征

1. 沉浸感。是指用戶可以沉浸于計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中和使用戶投入到計(jì)算機(jī)生成的虛擬場景中的能力，用戶在虛擬場景中有“身臨其境”的感覺。他所看到的、聽到的、嗅到的、觸摸到的，完全與真實(shí)環(huán)境中感受的一樣，這是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心。

2. 交互性。是指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力。用戶進(jìn)入虛擬環(huán)境后，通過各種傳感器與多維化的信息環(huán)境進(jìn)行交互作用，用戶可以進(jìn)行各種的操作，虛擬環(huán)境會作出相應(yīng)的響應(yīng)，亦與真實(shí)的一樣，如拿起虛擬環(huán)境中的一個籃球，你可以感受到球的重量，扔在地上還可以彈跳。交互性包含對象的可操作程度及用戶從環(huán)境中得到反饋的自然程度、虛擬場景中對象依據(jù)物理學(xué)定律運(yùn)動的程度等。

3. 想象性。是指通過用戶沉浸在“真實(shí)的”虛擬環(huán)境中，與虛擬環(huán)境進(jìn)行了各種交互作用，從綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識，從而可以深化概念，萌發(fā)新意，產(chǎn)生認(rèn)識上的飛躍。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個用戶與終端的接口，而且可以使用戶沉浸于此環(huán)境中獲取新的知識，提高感性和理性認(rèn)識，從而產(chǎn)生新的構(gòu)思。這種構(gòu)思結(jié)果輸入到系統(tǒng)中去，系統(tǒng)會將處理后的狀態(tài)實(shí)時顯示或由傳感裝置反饋給用戶。如此反復(fù)，這是一個學(xué)習(xí)—創(chuàng)造—再學(xué)習(xí)—再創(chuàng)造的過程，因而可以說，虛擬現(xiàn)實(shí)是啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維的活動。

四、 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分類

虛擬現(xiàn)實(shí)是從英文Virtual Reality一詞翻譯過來的，Virtual就是虛假的意思，Reality就是真實(shí)的意思，合并起來就是虛擬現(xiàn)實(shí)，是通過各種技術(shù)虛擬出來，讓你感覺到就如真實(shí)的一樣。

實(shí)際應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可分為四類：

1. 桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。它可以通過桌上型機(jī)實(shí)現(xiàn)，所以成本較低，功能也最簡單，主要用于CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、建筑設(shè)計(jì)、桌面游戲等領(lǐng)域。

2. 沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。如各種用途的體驗(yàn)器，使人有身臨其境的感覺，各種培訓(xùn)、演示以及高級游戲等均可用這種系統(tǒng)。

3. 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。是在因特網(wǎng)環(huán)境下，充分利用分布于各地的資源，協(xié)同開發(fā)各種虛擬現(xiàn)實(shí)的利用。它通常是沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的發(fā)展，也就是把分布于不同地方的沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過因特網(wǎng)連接起來，共同實(shí)現(xiàn)某種用途。美國大型軍用交互仿真系統(tǒng)NPSNet以及因特網(wǎng)上多人游戲MUD便是這類系統(tǒng)。

4. 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。它是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來的一種系統(tǒng)，既可減少構(gòu)成復(fù)雜真實(shí)環(huán)境的開銷（因?yàn)椴糠终鎸?shí)環(huán)境由虛擬環(huán)境取代），又可對實(shí)際物體進(jìn)行操作(因?yàn)椴糠窒到y(tǒng)系真實(shí)環(huán)境)，真正達(dá)到了亦真亦幻的境界，是今后發(fā)展的方向。

五、 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛，據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)調(diào)查結(jié)果表明：目前在娛樂、教育及藝術(shù)方面的應(yīng)用占據(jù)主流，其次是軍事與航空、醫(yī)學(xué)、商業(yè)，另外在可視化計(jì)算、制造業(yè)等方面也有相當(dāng)?shù)谋戎?，下面簡要介紹其部分應(yīng)用。

1. 醫(yī)學(xué)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用大致上有兩類。一是虛擬人體，也就是數(shù)字化人體，這樣的人體模型醫(yī)生更容易了解人體的構(gòu)造和功能。另一是虛擬手術(shù)系統(tǒng)，可用于指導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行。

2. 娛樂、藝術(shù)與教育。豐富的感覺能力與3D顯示環(huán)境使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂方面對虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感要求不是太高，故近些年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在該方面發(fā)展最為迅猛。

3. 軍事與航天工業(yè)。模擬訓(xùn)練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個重要課題，這為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用前景。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬戰(zhàn)爭過程已成為最先進(jìn)的多快好省的研究戰(zhàn)爭、培訓(xùn)指揮員的方法。戰(zhàn)爭實(shí)驗(yàn)室在檢驗(yàn)預(yù)定方案用于實(shí)戰(zhàn)方面也能起到巨大作用。我國“神七”飛行員上天前，曾利用虛擬空間技術(shù)進(jìn)行了大量訓(xùn)練。

4. 商業(yè)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)常被用于推銷。例如，建筑工程投標(biāo)時，把設(shè)計(jì)的方案用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)出來，便可把業(yè)主帶入未來的建筑物里參觀，如門的高度、窗戶朝向、采光多少、屋內(nèi)裝飾等，都可以感同身受。它同樣可用于旅游景點(diǎn)以及功能眾多、用途多樣的商品推銷。

5. 技術(shù)開發(fā)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可縮短開發(fā)周期，減少費(fèi)用。例如，汽車生產(chǎn)企業(yè)可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使設(shè)計(jì)的新車直接從計(jì)算機(jī)屏幕投入生產(chǎn)線，完全省略了中間的試生產(chǎn)，大大減少了設(shè)計(jì)差錯和中間環(huán)節(jié)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以進(jìn)行汽車沖撞試驗(yàn)，不必使用真的汽車便可顯示出不同條件下的沖撞后果。

六、 總結(jié)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是本世紀(jì)發(fā)展的重要技術(shù)之一，作為一門科學(xué)和藝術(shù)將會不斷走向成熟，在各行各業(yè)中將得到廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮神奇的作用。當(dāng)然，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還是一門年輕的科學(xué)技術(shù)，尚存在不少有待解決的問題。例如，在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，操作者每次轉(zhuǎn)動頭部，計(jì)算機(jī)必須更新三維圖像，由于更新的數(shù)據(jù)太大，以致計(jì)算機(jī)還無法完成月實(shí)時運(yùn)算。這就造成了系統(tǒng)滯后。但不管怎樣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)畢竟開辟了富有發(fā)展?jié)摿Φ男骂I(lǐng)域，它會隨著時間的推移日臻完善，發(fā)揮的作用也將會越來越大。

(凌源市職教中心)