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虛擬現(xiàn)實技術

　　虛擬現(xiàn)實，英文名為Virtual Reality，簡稱VR技術。這一名詞是由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（Jaron Lanier）在80年代初提出的，也稱靈境技術或人工環(huán)境。

　　虛擬真實( virtual reality) 這個詞最早是由Jaron Lanier在上世紀八十年代初期組合出來的，他創(chuàng)造這個詞的目的是為了命名和“vitual environment”相對應的系統(tǒng)。他認為之前的“virtual environment”這個詞的含義只是關注于計算機技術創(chuàng)造出來的外部世界，而沒有包含人類自身和人類所創(chuàng)造出來的社會現(xiàn)實。他認為“人與人類所創(chuàng)造的社會現(xiàn)實之間的互動比外部的結構化的環(huán)境更為重要和根本。”因此他組合了virtual reality 這個詞來表達他的這樣一種觀點。但是這個詞最早的使用可以溯源到二十世紀三十年代，法國詩人、劇作家、導演以及演員Antonin Artaud在他的書The Theatre and Its Double (1938) 中描述一歌劇院的情境為“l(fā)a realite virtuelle ”,即為虛擬真實，“在其中角色、物體以及景致都被一種神秘的力量所驅使而神秘地漂浮著”。虛擬真實是計算機技術所創(chuàng)造出來的一-種幻象,在這種狀態(tài)之中,物體既是一種象征也是一種被體驗的對象。[1]

　　Brgitta Hosea將虛擬實在的特質(zhì)歸納為：由數(shù)據(jù)構成的虛構的假定的空間；蘊含著三維的空間信息；使人深入浸蘊的；并且可以互動和操控的。[1]

　　Michael Heim以三個以“i” 開頭的單詞來定義虛擬真實:[1]

　　1.“沉浸”(inmersion) 這是一種復雜和獨特的現(xiàn)象,人們在心理上感覺被轉移到另外的空間之中，沉浸的程度和滿足度取決于技術發(fā)展的程度。

　　2.“互動”(Interactivity) 這就要求計算機要像人的器官一樣生成和處理信息。計算機強大的系統(tǒng)完成和人的器官之間的雙向的信息交換。

　　3.“信息強度”(Information intensity) 虛擬真實有著這樣的一種特質(zhì)就是它本身蘊含智性，如遙感臨境,在一種特殊的臨境效應之下,進行遠程的控制和體驗。

　　作為一項尖端科技，虛擬現(xiàn)實集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網(wǎng)絡并行處理等技術的最新發(fā)展成果，是一種由計算機生成的高技術模擬系統(tǒng)，它最早源于美國軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，九十年代初逐漸為各界所關注并且在商業(yè)領域得到了進一步的發(fā)展。這種技術的特點在于計算機產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過計算機圖形構成的三維數(shù)字模型，并編制到計算機中去生成一個以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環(huán)境，從而使得在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于這個環(huán)境的感覺，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用，使人和計算機很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺。

虛擬現(xiàn)實的特點與重要意義

　　虛擬現(xiàn)實是發(fā)展到一定水平上的計算機技術與思維科學相結合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)為人類認識世界開辟了一條新途徑。虛擬現(xiàn)實的最大特點是：用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進行交互操作，改變了過去人類除了親身經(jīng)歷，就只能間接了解環(huán)境的模式，從而有效的擴展了自己的認知手段和領域。另外，虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個演示媒體，而且還是一個設計工具，它以視覺形式產(chǎn)生一個適人化的多維信息空間，為我們創(chuàng)建和體驗虛擬世界提供了有利的支持。

　　由于虛擬現(xiàn)實技術的實時三維空間表現(xiàn)能力、人機交互式的操作環(huán)境以及給人帶來的身臨其境的感受，它在軍事和航天領域的模擬和訓練中起到了舉足輕重的作用。近年來，隨著計算機硬件軟件技術的發(fā)展以及人們越來越認識到它的重要作用，虛擬技術在各行各業(yè)都得到了不同程度的發(fā)展，并且越來越顯示出廣闊的應用前景。虛擬戰(zhàn)場、虛擬城市、甚至“數(shù)字地球”;無一不是虛擬現(xiàn)實技術的應用。虛擬現(xiàn)實技術將使眾多傳統(tǒng)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性的改變。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成

　　一般的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要由專業(yè)圖形處理計算機、應用軟件系統(tǒng)、輸入設備和演示設備等組成.虛擬現(xiàn)實技術的特征之一就是人機之間的交互性（interaction）.為了實現(xiàn)人機之間的充分交換信息，必須設計特殊輸入工具和演示設備，以識別人的各種輸入命令，且提供相應反饋信息，實現(xiàn)真正的仿真效果。不同的項目可以根據(jù)實際的應用可以有選擇的使用這些工具，主要包括：頭盔式顯示器、跟蹤器、傳感手套、屏幕式、房式立體顯示系統(tǒng)、三維立體聲音生成裝置。

虛擬現(xiàn)實技術的分類

桌面級的虛擬現(xiàn)實

　　桌面虛擬現(xiàn)實利用個人計算機和低級工作站進行仿真，計算機的屏幕用來作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口，各種外部設備一般用來駕馭虛擬境界，并且有助于操縱在虛擬情景中的各種物體。這些外部設備包括鼠標，追蹤球，力矩球等。它要求參與者使用位置跟蹤器和另一個手控輸入設備，如鼠標，追蹤球等，坐在監(jiān)視器前，通過計算機屏幕觀察360度范圍內(nèi)的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時參與者并沒有完全投入，因為它仍然會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾。桌面級的虛擬現(xiàn)實最大特點是缺乏完全投入的功能，但是成本也相對低一些，因而，應用面比較廣。常見桌面虛擬現(xiàn)實技術有：

　　基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實技術：這種技術不采用傳統(tǒng)的利用計算機生成圖像的方式，而采用連續(xù)拍攝的的圖像和視頻，在計算機中拼接以建立的實景化虛擬空間，這使得高度復雜和高度逼真的虛擬場景能夠以很小的計算代價得到，從而使得虛擬現(xiàn)實技術可能在PC平臺上實現(xiàn)。

　　VRML(虛擬現(xiàn)實造型語言)：它是一種在Internet網(wǎng)上應用極具前景的技術，它采用描述性的文本語言描述基本的三維物體的造型，通過一定的控制，將這些基本的三維造型組合成虛擬場景，當瀏覽器瀏覽這些文本描述信息時，在本地進行解釋執(zhí)行，生成虛擬的三維場景。VRML的最大特點在于利用文本描述三維空間，大大減少了在Internet網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而使得需要大量數(shù)據(jù)的虛擬現(xiàn)實得以在Internet網(wǎng)上實現(xiàn)。

　　桌面CAD系統(tǒng)：利用Open GL、DirectDraw等桌面三維圖形繪制技術對虛擬世界進行建模，通過計算機的顯示器進行觀察，并有能自由地控制的視點和視角。這種技術在某種意義上來說也是一種虛擬現(xiàn)實技術，它通過計算機計算來生成三維模型，模型的復雜度和真實感受桌面計算機計算能力的限制。

投入的虛擬現(xiàn)實

　　高級虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供完全投入的功能，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中、并能全心投入和沉浸其中的感覺。常見的沉浸式系統(tǒng)有：

　　基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)：在這種系統(tǒng)中，參與虛擬體驗者要戴上一個頭盔式顯示器，視聽覺與外界隔絕，根據(jù)應用的不同，系統(tǒng)將提供能隨頭部轉動而隨之產(chǎn)生的立體視覺、三維空間。通過語音識別、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)服裝等先進的接口設備，從而使參與者以自然的方式與虛擬世界進行交互，如同現(xiàn)實世界一樣。這是目前沉浸度最高的一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

　　投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：它可以讓參與者從一個屏幕上看到他本身在虛擬境界中的形象，為此，使用中電視技術中的"鍵控"的技術，參與者站在某一純色(通常為蘭色)背景下，架在參與者前面的攝像機捕捉參與者的形象，并通過連接電纜，將圖像數(shù)據(jù)傳送給后臺處理的計算機，計算機將參與者的形象與純色背景分開，換成一個虛擬空間，與計算機相連的視頻投影儀將參與者的形象和虛擬境界本身一起投射到參與者觀看的屏幕上，這樣，參與者就可以看到他自己在虛擬空間中的活動情況。參與者還可以與虛擬空間進行實時的交互，計算機可識別參與者的動作，并根據(jù)用戶的動作改變虛擬空間，比如來回拍一個虛擬的球或走動等，這可使得參與者感覺就象是在真實空間中一樣。

　　遠程存在系統(tǒng)：遠程存在系統(tǒng)是一種虛擬現(xiàn)實與機器人控制技術相結合的系統(tǒng)，當某處的參與者操縱一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)時，其結果卻在另一個地方發(fā)生，參與者通過立體顯示器獲得深度感，顯示器與遠地的攝像機相連；通過運動跟蹤與反饋裝置跟蹤操作員的運動，反饋遠地的運動過程(如阻尼、碰撞等)，并把動作傳送到遠地完成。

增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實

　　增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實不僅是利用虛擬現(xiàn)實技術來模擬現(xiàn)實世界、仿真現(xiàn)實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環(huán)境的感受，也就是增強現(xiàn)實中無法感知或不方便感知感受。這種類型虛擬現(xiàn)實典型的實例是戰(zhàn)機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數(shù)和武器瞄準數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而可集中精力盯著敵人的飛機和導航偏差。

分布式虛擬現(xiàn)實

　　如果多個用戶通過計算機網(wǎng)絡連接在一起，同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經(jīng)歷，那虛擬現(xiàn)實則提升到了一個更高的境界，這就是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。目前最典型的分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是作戰(zhàn)仿真互聯(lián)網(wǎng)和SIMNET，作戰(zhàn)仿真互聯(lián)網(wǎng)(Defense Simulation Internet， DSI)是目前最大的VR項目之一。該項目是由美國國防部推動的一項標準，目的是使各種不同的仿真器可以在巨型網(wǎng)絡上互聯(lián)，它是美國國防高級研究計劃局1980年提出的SIMNET計劃的產(chǎn)物。SIMNET由坦克仿真器(Cab類型的)通過網(wǎng)絡連接而成，用于部隊的聯(lián)合訓練。通過SIMNET，位于德國的仿真器可以和位于美國的仿真器一樣運行在同一個虛擬世界，參與同一場作戰(zhàn)演習。

參考文獻

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