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| 什么是虛擬現(xiàn)實(shí)？ |
更新時間：2007-10-30
16:56:34 （ 編輯：映君 ）
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內(nèi)容導(dǎo)航：
什么是虛擬現(xiàn)實(shí)？
虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality），簡稱VR或稱靈境技術(shù)，實(shí)際上是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界（Virtual World）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。此種虛擬世界由計(jì)算機(jī)生成，可以是現(xiàn)實(shí)世界的再現(xiàn)，亦可以是構(gòu)想中的世界，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進(jìn)行自然的交互。它是以仿真的方式給用戶創(chuàng)造一個實(shí)時反映實(shí)體對象變化與相互作用的三維虛擬世界,并通過頭盔顯示器（HMD）、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)備，提供用戶一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。VR技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、視覺生理學(xué)、視覺心理學(xué)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息技術(shù)、立體顯示技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、軟件工程、語音識別與合成技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及人工智能技術(shù)等多種高新技術(shù)集成之結(jié)晶。其逼真性和實(shí)時交互性為系統(tǒng)仿真技術(shù)提供有力的支撐。它同時具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和構(gòu)想性（imagination），使人們能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有交互效能多維化的信息環(huán)境。
沉浸性是指用戶對虛擬世界中的真實(shí)感，此種真實(shí)感將使用戶難以覺察、分辨出其自身正處于一個由計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中；交互性是指用戶對虛擬世界中的物體的可操作性；構(gòu)想性是指用戶在虛擬世界的多維信息空間中，依靠自身的感知和認(rèn)知能力可全方位地獲取知識，發(fā)揮主觀能動性，尋求對問題的完美解決。研究和開發(fā)VR技術(shù)的根本目的旨在擴(kuò)展人類的認(rèn)知與感知能力，建立和諧的人機(jī)環(huán)境。
VR技術(shù)是系統(tǒng)仿真中新興技術(shù)之一，它實(shí)際上是一種采用計(jì)算機(jī)技術(shù)制作仿真的假想世界的技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一個被仿真世界的動態(tài)、三維視覺環(huán)境，使操作者產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。采用此項(xiàng)新技術(shù)，參與者使用硬件，如鍵盤、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)器、跟蹤球、操縱桿、空間球、眼球跟蹤裝置、超聲波頭部跟蹤器、頭盔顯示器、攝錄像設(shè)備、大屏幕彩色投影機(jī)、立體護(hù)目鏡、音響、耳機(jī)、語音識別與合成裝置、工作站及數(shù)據(jù)服等以獲得所需的感知，來體驗(yàn)計(jì)算機(jī)世界境況。
一、VR系統(tǒng)的構(gòu)成
VR環(huán)境系統(tǒng)包括建模、控制和媒體數(shù)據(jù)源三大部分。建模系指利用物理的或數(shù)學(xué)的方法，對需要仿真的實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行描述獲得近似的數(shù)學(xué)模型。這是進(jìn)行數(shù)字仿真或半實(shí)物仿真必不可少的步驟。地物的幾何建模技術(shù)是虛擬地景仿真中最為重要的研究領(lǐng)域之一。虛擬地形環(huán)境（Virtual Terrain Environment）是應(yīng)用VR技術(shù)在數(shù)字地圖的基礎(chǔ)上建立起來的，逼真地描述地球表面及其現(xiàn)象的實(shí)時、交互的地形場景。虛擬地形環(huán)境的研究，提供了一種新的空間環(huán)境認(rèn)知手段，必將促進(jìn)地圖學(xué)、地理學(xué)等相關(guān)信息科學(xué)理論的發(fā)展與深入；它是未來數(shù)字化戰(zhàn)場測繪的保障方式；它的研究將會促進(jìn)VR技術(shù)進(jìn)一步的研究與發(fā)展，提高VR技術(shù)的應(yīng)用水平，為諸如數(shù)字化城市、數(shù)字化社會及數(shù)字化地球的實(shí)用化提供有效的技術(shù)積累。
基于圖像的建模（Image-Based Modeling,IBM）技術(shù)近來發(fā)展迅速，它采用一組采樣圖像來建立VR環(huán)境的模型，而不是使用傳統(tǒng)基于幾何建模所采用的幾何圖元，從而使VR技術(shù)能在個人計(jì)算機(jī)（PC）上得到應(yīng)用與推廣。其技術(shù)包括：場景的采樣；VR環(huán)境的表示；由場景的采樣轉(zhuǎn)化為VR環(huán)境表示的建模技術(shù)。VR系統(tǒng)是一種由計(jì)算機(jī)局部或全部生成的多維虛擬感覺環(huán)境，給參與者產(chǎn)生各種感官信息，如視覺、聽覺、手感、觸感、味覺及嗅覺等，能體驗(yàn)、接受并認(rèn)識客觀世界中的客觀事物。三維立體顯示是其一項(xiàng)必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，它是系統(tǒng)向用戶輸出反饋信息的主要手段。雙眼視覺對產(chǎn)生VR系統(tǒng)環(huán)境至關(guān)重要。VR系統(tǒng)可由如下各部分構(gòu)成：
①高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖像的特征采樣與圖形交互作用技術(shù)。
②虛擬環(huán)境生成器，軍事訓(xùn)練模擬中的視景生成技術(shù)是當(dāng)前研究的一個重要內(nèi)容。智能虛擬環(huán)境（IVE）是VR、人工智能及人工生命技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，目前，有關(guān)IVE的研究工作在國外亦剛剛起步，有眾多關(guān)鍵技術(shù)仍需作進(jìn)一步的研究。現(xiàn)從事IVE研究的人員大多來自人工智能和知識工程領(lǐng)域，隨著對IVE技術(shù)研究的深入，該領(lǐng)域必將會得到重大的突破，具有高度行為真實(shí)感的、支持多個參與者的、具有生命特征的智能虛擬世界將會日趨涌現(xiàn)。當(dāng)前VR研究中的一個熱門課題是分布式虛擬環(huán)境（DVE）。
③計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。
④三維視景圖像生成及立體顯示系統(tǒng)，基于圖像的視景生成技術(shù)需解決的問題是顯示的模型及如何在模型上產(chǎn)生出圖像。這主要有柱面模型和球面模型兩種，戰(zhàn)場環(huán)境仿真是作戰(zhàn)仿真的重要內(nèi)容，逼真的戰(zhàn)場環(huán)境實(shí)時仿真是作戰(zhàn)仿真之基礎(chǔ)，因此充分利用VR及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)最新研究成果的戰(zhàn)場可視化系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。
⑤立體音響生成與揚(yáng)聲系統(tǒng)，它是虛擬環(huán)境多維信息中的一個重要組成部分。聽覺是僅次于視覺的感知途徑，它向用戶提供的輔助信息，可增強(qiáng)視覺的感知，彌補(bǔ)視覺效果之不足，增強(qiáng)環(huán)境的逼真性。利用不同聲源到達(dá)某一特定位置的時間差、相位差及聲壓差等進(jìn)行虛擬環(huán)境的聲音跟蹤是實(shí)物虛化的重要組成部分；聲波傳播時間測定法和相位相干測定法屬于實(shí)現(xiàn)聲音定位跟蹤的兩種基本方法。若給綜合戰(zhàn)場環(huán)境中加入虛擬聲音，將會增強(qiáng)綜合戰(zhàn)場環(huán)境的逼真性與完整性，可給作戰(zhàn)指揮員提供強(qiáng)烈的沉浸感和臨場感，減弱大腦對視覺的依賴性，并能獲得更多的信息。
⑥力反饋觸覺系統(tǒng)，參與者在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生沉浸感的重要因素之一是用戶在用手或身體操縱虛擬物體時，能感受到虛擬物體與虛擬物體之間的作用力與反作用力，從而產(chǎn)生出觸覺和力覺的感知。
⑦人體的姿勢、頭、眼、手位置的跟蹤測量系統(tǒng)，運(yùn)動跟蹤作為人與虛擬環(huán)境之間信息交互的一個重要因素，是近年來VR技術(shù)發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。人體行為交互是人際之間除語音外的一種重要交互方法，行為表現(xiàn)模型的建立是一個技術(shù)關(guān)鍵。信息社會的顯著特點(diǎn)與基礎(chǔ)是數(shù)字化技術(shù)，人類自身的數(shù)字化便顯得頗為重要，需進(jìn)行深入的研究，這便是虛擬人合成的研究目的及其意義所在，最終使得計(jì)算機(jī)與人之間可實(shí)現(xiàn)自然化的交互。
⑧人機(jī)接口界面及多維的通信方式，這些技術(shù)目前主要集中反映在頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套這兩類交互設(shè)備中。
⑨各種數(shù)據(jù)庫（地形地貌、地理信息、圖像紋理、氣動數(shù)據(jù)、武器性能參數(shù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、背景干擾及通用模型等）。
⑩軟件支撐環(huán)境，需建立并開發(fā)出虛擬世界數(shù)據(jù)庫；在底層支撐軟件及三維造型軟件的支撐下，建立起VR系統(tǒng)的開發(fā)工具軟件；在輸入輸出傳感器等硬件支撐下，建立起人機(jī)交互圖形的界面。
二、VR的關(guān)鍵技術(shù)
與傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)相比，VR系統(tǒng)屬于一種新型多維化人機(jī)和諧的信息系統(tǒng)。在此種VR系統(tǒng)內(nèi)，人們感受到的最突出的特點(diǎn)是其沉浸性、交互性和構(gòu)想性。為實(shí)現(xiàn)這種新型的信息處理系統(tǒng)，滿足人們對沉浸性、交互性和構(gòu)想性日趨增高的需求，在眾多技術(shù)難題中至少應(yīng)重點(diǎn)提高3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的水平。
⒈提高“身臨其境”的沉浸感
VR的沉浸性是使人具有逼真感之根本。為了逼真地模擬視覺功能，在很大程度上是依賴于VR技術(shù)的圖像處理和理解能力，圖像處理的質(zhì)量愈高，圖像處理的速度愈快，圖像識別的能力愈強(qiáng)，系統(tǒng)的理解能力愈完善，系統(tǒng)的視覺沉浸感便愈佳。視覺是提高沉浸感的重要因素，但并非是惟一的因素；聽覺可能是VR技術(shù)中最先達(dá)到逼真程度的領(lǐng)域；觸覺是一個剛起步研究與試驗(yàn)的領(lǐng)域。由微處理器和傳感器構(gòu)成的數(shù)據(jù)手套，與視覺、聽覺相配合，大大地增強(qiáng)了VR系統(tǒng)的逼真感；而嗅覺與味覺還屬于一個尚未實(shí)質(zhì)性地開展研究的領(lǐng)域。故提高VR系統(tǒng)的沉浸感，尚需進(jìn)行大量艱苦的工作。
⒉開發(fā)高性能的傳感器
VR的交互性是達(dá)到人機(jī)和諧之關(guān)鍵，其性能優(yōu)劣在很大程度上取決于與計(jì)算機(jī)相連的高性能傳感器及其相應(yīng)的軟件。交互技術(shù)研究的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)出交互技術(shù)并評估其性能，目前至關(guān)重要的兩種設(shè)計(jì)方法是：依據(jù)應(yīng)用程序的特殊需求，憑直覺或想象設(shè)計(jì)出交互技術(shù)；按任務(wù)的結(jié)構(gòu)劃分來指導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
為與虛擬環(huán)境發(fā)生交互作用，迄今已研制出多種傳感設(shè)備，上述所提到的鼠標(biāo)器、數(shù)據(jù)手套、跟蹤球和超聲波頭部跟蹤器等，每一種傳感設(shè)備都各有千秋，選用時要注意揚(yáng)長避短。目前針對VR系統(tǒng)的需求研制的性能更為完善的傳感器，如用紅外或其他光學(xué)方法跟蹤眼睛的活動，當(dāng)知道人的眼睛注視何處時，便可用其實(shí)現(xiàn)某些控制。目前這些新型的傳感設(shè)備尚未成熟，人們正通過研制新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝或新的控制機(jī)理，以提高其性能，這是當(dāng)前VR技術(shù)中頗為活躍的一部分研究工作。
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文章來源：中國投影網(wǎng)
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