虛擬現實

何國濤

(西華大學，四川 成都 610039)

虛擬現實

何國濤

(西華大學，四川 成都 610039)

虛擬現實是近年來新興的具有廣泛應用前景的技術。目前，虛擬現實技術已經廣泛應用于娛樂游戲，建筑設計，醫療等領域。本文從虛擬現實技術的概念，特性，應用領域出發，介紹了實現虛擬現實所必需的關鍵技術，然后又介紹了虛擬現實的近期的熱點研究方向，比如三維模型檢索技術，三維模型水印技術，分布式虛擬環境通信等技術。

虛擬現實；系統；技術；虛擬環境

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)技術產生于20世紀60年代，VR一詞創始于20世紀80年代，該技術涉及計算機圖形學、傳感器技術、動力學、光學、人工智能及社會心理學等研究領域，是多媒體和三維技術發展的更高境界。虛擬現實技術是一種基于可計算信息的沉浸式交互環境，是一種新的人機交互接口。具體地說，就是采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境(Virtual Environment，簡稱VE)，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產生親臨等同真實環境的感受和體驗。

1 虛擬現實的概念

虛擬現實是采用以計算機技術為核心的現代先進技術生成的逼真的視覺，聽覺，觸覺一體化的虛擬環境，用戶可以通過必要的輸入輸出設備與虛擬環境中的物體進行交互，相互影響，進而獲得身臨其境的感受與體驗。這種由計算機生成的虛擬環境可以是某一特定客觀世界的再現，也可以是純粹虛構的世界。輸入輸出設備包括立體頭盔顯示器，數據手套，數據衣服等穿戴式設備，還包括不直接穿戴在身上的傳感設備。用戶對虛擬現實的交互包括手的移動，頭的轉動等，虛擬現實中的物體能做出實時的反饋。

虛擬現實有三個特性，它們分別是沉浸性，交互性，想象性。沉浸性，是指用戶感覺到好像完全處于虛擬現實中一樣，被虛擬世界包圍。理想的虛擬現實可以讓用戶難辨真假。交互性，是指用戶與虛擬世界以自然的方式進行交互，通過人的肢體運動以及特定的硬件設備感受來自虛擬世界的實時反饋。想象性，是指虛擬環境是人想象出來的，同時這種想象體現了設計中的相應的思想，因而可以用來實現一定的目標。

虛擬現實的應用領域非常廣，可以用在軍事，醫學，娛樂，學習，科技開發等等領域。醫療領域如虛擬手術系統，用于指導手術的進行。軍事領域，如利用虛擬現實技術模擬戰爭來研究作戰方案，培訓指導員等。娛樂領域，如玩家通過虛擬現實頭盔得到震撼的游戲體驗。學習領域，比如遠程沉浸學習，協同學習等。首先我們提出為什么要研究虛擬仿真的問題，因為這個問題不搞清，我們就很難有意愿深入的學習這門新興的科學。

虛擬現實的主要實現方法是借助必要的裝備，實現人與虛擬環境之間的信息轉換，最終實現人與環境之間的自然交互與作用。在闡述了什么是虛擬現實技術的基礎上，我們將進一步給出它的定義。通常虛擬現實的定義分為狹義和廣義兩種

2 虛擬現實系統的分類

(1)沉浸型虛擬現實系統(Immersive VR)：沉浸型虛擬系統是一套比較復雜的系統。使用者必須頭戴頭盔(HMD)、手帶數據手套等傳感跟蹤裝置，才能與虛擬世界進行交互。由于這種系統可以將使用者的視覺、聽覺與外界隔離，從而排除外界干擾，全身心地投入到虛擬現實中去。這種系統的優點是用戶可完全沉浸到虛擬世界中去，缺點是系統設備價格昂貴，難以普及推廣。常見的沉浸型系統有：基于頭盔式顯示器的系統、投影式虛擬現實系統。

(2)增強現實性的虛擬現實系統：不僅是利用虛擬現實技術來模擬現實世界、仿真現實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環境的感受，也就是現實中無法感知或不方便的感受。典型實例是戰斗機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數和武器瞄準數據投身到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數據，從而可集中精力盯著敵人的飛機。

(3)桌面型虛擬現實系統(Desktop VR)：是利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的窗口。使用者通過各種輸入設備便可與虛擬環境進行交互，這些外部設備包括鼠標、追蹤球、力矩球等。這種系統的特點是結構簡單、價格低廉，易于普及推廣，缺點是缺乏真實的現實體驗。常見桌面虛擬現實技術有：基于靜態圖像的虛擬現實Quick Time VR(由蘋果公司推出的快速虛擬系統，是采用360度全景拍攝來生成逼真的虛擬情景，用戶在普通的電腦上，利用鼠標和鍵盤，就能真實地感受到所虛擬的情景)、虛擬現實造型語言(VRML，Virtual Reality Modeling Language)等。

(4)分布式虛擬現實系統(Distributed VR)：是將異地的不同用戶聯結起來，共享一個虛擬空間，多個用戶通過網絡對同一虛擬世界進行觀察和操作，達到協同工作的目的。例如，異地的醫科學生，可以通過網絡，對虛擬手術室中的病人進行外科手術。

3 虛擬現實未來

虛擬現實是一門很有前景的高新技術。本文首先介紹了虛擬現實的概念，特征以及應用領域。然后對虛擬現實的幾個關鍵技術進行了簡要介紹，包括立體顯示技術，環境建模技術，自然交互技術等。本文還對虛擬現實三維模型檢索技術，數字版權管理，分布式虛擬現實通信這三個關于虛擬現實的熱門研究方向進行了簡單的介紹。最后還談了對這門課程的收獲與期望。

我對虛擬現實技術這門課程的建議是，能介紹更多最新的虛擬現實相關的產品，比如微軟，索尼等公司新出的與虛擬現實相關的游戲設備等。還希望課程在硬件設備方面的介紹能少一點，多一些關鍵技術方面的介紹。

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何國濤(1993—)，男，漢族，四川成都人，西華大學，研究方向：虛擬現實。

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1671-1602(2016)24-0024-01