虛拟現實技術是一(yī)種可以創建和體(tǐ)驗虛拟世界的計算機仿真系統，它利用計算機生(shēng)成一(yī)種模拟環境，是一(yī)種多源信息融合的、交互式的三維動态視景和實體(tǐ)行爲的系統仿真使用戶沉浸到該環境中(zhōng)。

簡介

虛拟現實技術是仿真技術的一(yī)個重要方向，是仿真技術與計算機圖形學人機接口技術多媒體(tǐ)技術傳感技術網絡技術等多種技術的集合，是一(yī)門富有挑戰性的交叉技術前沿學科和研究領域。虛拟現實技術(VR)主要包括模拟環境、感知(zhī)、自然技能和傳感設備等方面。模拟環境是由計算機生(shēng)成的、實時動态的三維立體(tǐ)逼真圖像。感知(zhī)是指理想的VR應該具有一(yī)切人所具有的感知(zhī)。除計算機圖形技術所生(shēng)成的視覺感知(zhī)外(wài)，還有聽(tīng)覺、觸覺、力覺、運動等感知(zhī)，甚至還包括嗅覺和味覺等，也稱爲多感知(zhī)。自然技能是指人的頭部轉動，眼睛、手勢、或其他人體(tǐ)行爲動作，由計算機來處理與參與者的動作相适應的數據，并對用戶的輸入作出實時響應，并分(fēn)别反饋到用戶的五官。傳感設備是指三維交互設備。

           發展曆史

虛拟現實技術演變發展史大(dà)體(tǐ)上可以分(fēn)爲四個階段：有聲形動态的模拟是蘊涵虛拟現實思想的第一(yī)階段（1963年以前）；虛拟現實萌芽爲第二階段（1963 -1972 ）；虛拟現實概念的産生(shēng)和理論初步形成爲第三階段（1973 -1989 ）；虛拟現實理論進一(yī)步的完善和應用爲第四階段（1990 -2004 ）。

          特征

多感知(zhī)性

指除一(yī)般計算機所具有的視覺感知(zhī)外(wài)，還有聽(tīng)覺感知(zhī)、觸覺感知(zhī)、運動感知(zhī)，甚至還包括味覺、嗅覺、感知(zhī)等。理想的虛拟現實應該具有一(yī)切人所具有的感知(zhī)功能。

存在感

指用戶感到作爲主角存在于模拟環境中(zhōng)的真實程度。理想的模拟環境應該達到使用戶難辨真假的程度。

交互性

指用戶對模拟環境内物(wù)體(tǐ)的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度。

自主性

指虛拟環境中(zhōng)的物(wù)體(tǐ)依據現實世界物(wù)理運動定律動作的程度。

關鍵技術

虛拟現實是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術，廣角（寬視野）立體(tǐ)顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體(tǐ)聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等。下(xià)面對這些技術分(fēn)别加以說明。

實時三維計算機圖形

相比較而言，利用計算機模型産生(shēng)圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準确的模型，又(yòu)有足夠的時間，我(wǒ)們就可以生(shēng)成不同光照條件下(xià)各種物(wù)體(tǐ)的精确圖像，但是這裏的關鍵是實時。例如在飛行模拟系統中(zhōng)，圖像的刷新相當重要，同時對圖像質量的要求也很高，再加上非常複雜的虛拟環境，問題就變得相當困難。

顯示

人看周圍的世界時，由于兩隻眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子裏融合起來，就形成了一(yī)個關于周圍世界的整體(tǐ)景象，這個景象中(zhōng)包括了距離(lí)遠近的信息。當然，距離(lí)信息也可以通過其他方法獲得，例如眼睛焦距的遠近、物(wù)體(tǐ)大(dà)小(xiǎo)的比較等。

在VR系統中(zhōng)，雙目立體(tǐ)視覺起了很大(dà)作用。用戶的兩隻眼睛看到的不同圖像是分(fēn)别産生(shēng)的，顯示在不同的顯示器上。有的系統采用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡後，一(yī)隻眼睛隻能看到奇數幀圖像，另一(yī)隻眼睛隻能看到偶數幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就産生(shēng)了立體(tǐ)感。

用戶（頭、眼）的跟蹤：在人造環境中(zhōng)，每個物(wù)體(tǐ)相對于系統的坐标系都有一(yī)個位置與姿态，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來确定的。

跟蹤頭部運動的虛拟現實頭套：在傳統的計算機圖形技術中(zhōng)，視場的改變是通過鼠标或鍵盤來實現的，用戶的視覺系統和運動感知(zhī)系統是分(fēn)離(lí)的，而利用頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統和運動感知(zhī)系統之間就可以聯系起來，感覺更逼真。另一(yī)個優點是，用戶不僅可以通過雙目立體(tǐ)視覺去(qù)認識環境，而且可以通過頭部的運動去(qù)觀察環境。

在用戶與計算機的交互中(zhōng)，鍵盤和鼠标是目前最常用的工(gōng)具，但對于三維空間來說，它們都不太适合。在三維空間中(zhōng)因爲有六個自由度，我(wǒ)們很難找出比較直觀的辦法把鼠标的平面運動映射成三維空間的任意運動。現在，已經有一(yī)些設備可以提供六個自由度，如3Space數字化儀和SpaceBall空間球等。另外(wài)一(yī)些性能比較優異的設備是數據手套和數據衣。

聲音

人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我(wǒ)們靠聲音的相位差及強度的差别來确定聲音的方向，因爲聲音到達兩隻耳朵的時間或距離(lí)有所不同。常見的立體(tǐ)聲效果就是靠左右耳聽(tīng)到在不同位置錄制的不同聲音來實現的，所以會有一(yī)種方向感。現實生(shēng)活裏，當頭部轉動時，聽(tīng)到的聲音的方向就會改變。但目前在VR系統中(zhōng)，聲音的方向與用戶頭部的運動無關。

感覺反饋

在一(yī)個VR系統中(zhōng)，用戶可以看到一(yī)個虛拟的杯子。你可以設法去(qù)抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛拟杯子的“表面”，而這在現實生(shēng)活中(zhōng)是不可能的。解決這一(yī)問題的常用裝置是在手套内層安裝一(yī)些可以振動的觸點來模拟觸覺。

語音

在VR系統中(zhōng)，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛拟環境能聽(tīng)懂人的語言，并能與人實時交互。而讓計算機識别人的語音是相當困難的，因爲語音信号和自然語言信号有其“多邊性”和複雜性。例如，連續語音中(zhōng)詞與詞之間沒有明顯的停頓，同一(yī)詞、同一(yī)字的發音受前後詞、字的影響，不僅不同人說同一(yī)詞會有所不同，就是同一(yī)人發音也會受到心理、生(shēng)理和環境的影響而有所不同。

使用人的自然語言作爲計算機輸入目前有兩個問題，首先是效率問題，爲便于計算機理解，輸入的語音可能會相當啰嗦。其次是正确性問題，計算機理解語音的方法是對比匹配，而沒有人的智能。

技術特點

VR藝術是伴随着“虛拟現實時代”的來臨應運而生(shēng)的一(yī)種新興而獨立的藝術門類，在《虛拟現實藝術： 形而上的終極再創造》一(yī)文中(zhōng)，關于VR藝術有如下(xià)的定義：“以虛拟現實（VR）、增強現實（AR）等人工(gōng)智能技術作爲媒介手段加以運用的藝術形式，我(wǒ)們稱之爲虛拟現實藝術，簡稱VR藝術。該藝術形式的主要特點是超文本性和交互性。”

“作爲現代科技前沿的綜合體(tǐ)現，VR藝術是通過人機界面對複雜數據進行可視化操作與交互的一(yī)種新的藝術語言形式，它吸引藝術家的重要之處，在于藝術思維與科技工(gōng)具的密切交融和二者深層滲透所産生(shēng)的全新的認知(zhī)體(tǐ)驗。與傳統視窗操作下(xià)的新媒體(tǐ)藝術相比，交互性和擴展的人機對話(huà)，是VR藝術呈現其獨特優勢的關鍵所在。從整體(tǐ)意義上說，VR藝術是以新型人機對話(huà)爲基礎的交互性的藝術形式，其最大(dà)優勢在于建構作品與參與者的對話(huà)，通過對話(huà)揭示意義生(shēng)成的過程。

藝術家通過對VR、AR等技術的應用，可以采用更爲自然的人機交互手段控制作品的形式，塑造出更具沉浸感的藝術環境和現實情況下(xià)不能實現的夢想，并賦予創造的過程以新的含義。如具有VR性質的交互裝置系統可以設置觀衆穿越多重感官的交互通道以及穿越裝置的過程，藝術家可以借助軟件和硬件的順暢配合來促進參與者與作品之間的溝通與反饋，創造良好的參與性和可操控性；也可以通過視頻界面進行動作捕捉，儲存訪問者的行爲片段，以保持參與者的意識增強性爲基礎，同步放(fàng)映增強效果和重新塑造、處理過的影像；通過增強現實、混合現實等形式，将數字世界和真實世界結合在一(yī)起，觀衆可以通過自身動作控制投影的文本，如數據手套可以提供力的反饋，可移動的場景、360度旋轉的球體(tǐ)空間不僅增強了作品的沉浸感，而且可以使觀衆進入作品的内部，操縱它、觀察它的過程，甚至賦予觀衆參與再創造的機會。”

技術應用

醫學

VR在醫學方面的應用具有十分(fēn)重要的現實意義。在虛拟環境中(zhōng)，可以建立虛拟的人體(tǐ)模型，借助于跟蹤球、HMD、感覺手套，學生(shēng)可以很容易了解人體(tǐ)内部各器官結構，這比現有的采用教科書的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個SGI工(gōng)作站建立了一(yī)個虛拟外(wài)科手術訓練器，用于腿部及腹部外(wài)科手術模拟。這個虛拟的環境包括虛拟的手術台與手術燈，虛拟的外(wài)科工(gōng)具（如手術刀、注射器、手術鉗等），虛拟的人體(tǐ)模型與器官等。借助于HMD及感覺手套，使用者可以對虛拟的人體(tǐ)模型進行手術。但該系統有待進一(yī)步改進，如需提高環境的真實感，增加網絡功能，使其能同時培訓多個使用者，或可在外(wài)地專家的指導下(xià)工(gōng)作等。手術後果預測及改善殘疾人生(shēng)恬狀況，乃至新型藥物(wù)的研制等方面，VR技術都有十分(fēn)重要的意義。

在醫學院校，學生(shēng)可在虛拟實驗室中(zhōng)，進行“屍體(tǐ)”解剖和各種手術練習。用這項技術，由于不受标本、場地等的限制，所以培訓費用大(dà)大(dà)降低。一(yī)些用于醫學培訓、實習和研究的虛拟現實系統，仿真程度非常高，其優越性和效果是不可估量和不可比拟的。例如，導管插入動脈的模拟器，可以使學生(shēng)反複實踐導管插入動脈時的操作；眼睛手術模拟器，根據人眼的前眼結構創造出三維立體(tǐ)圖像，并帶有實時的觸覺反饋，學生(shēng)利用它可以觀察模拟移去(qù)晶狀體(tǐ)的全過程，并觀察到眼睛前部結構的血管、虹膜和鞏膜組織及角膜的透明度等。還有麻醉虛拟現實系統、口腔手術模拟器等。

外(wài)科醫生(shēng)在真正動手術之前，通過虛拟現實技術的幫助，能在顯示器上重複地模拟手術，移動人體(tǐ)内的器官，尋找最佳手術方案并提高熟練度。在遠距離(lí)遙控外(wài)科手術，複雜手術的計劃安排，手術過程的信息指導，手術後果預測及改善殘疾人生(shēng)活狀況，乃至新藥研制等方面，虛拟現實技術都能發揮十分(fēn)重要的作用。 [1]

娛樂

豐富的感覺能力與3D顯示環境使得VR成爲理想的視頻遊戲工(gōng)具。由于在娛樂方面對VR的真實感要求不是太高，故近些年來VR在該方面發展最爲迅猛。如Chicago（芝加哥）開(kāi)放(fàng)了世界上第一(yī)台大(dà)型可供多人使用的VR娛樂系統，其主題是關于3025年的一(yī)場未來戰争；英國開(kāi)發的稱爲“Virtuality”的VR遊戲系統，配有HMD，大(dà)大(dà)增強了真實感；1992年的一(yī)台稱爲“Legeal Qust”的系統由于增加了人工(gōng)智能功能，使計算機具備了自學習功能，大(dà)大(dà)增強了趣味性及難度，使該系統獲該年度VR産品獎。另外(wài)在家庭娛樂方面VR也顯示出了很好的前景。

作爲傳輸顯示信息的媒體(tǐ)，VR在未來藝術領域方面所具有的潛在應用能力也不可低估。VR所具有的臨場參與感與交互能力可以将靜态的藝術（如油畫、雕刻等）轉化爲動态的，可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術。另外(wài)，VR提高了藝術表現能力，如一(yī)個虛拟的音樂家可以演奏各種各樣的樂器，手足不便的人或遠在外(wài)地的人可以在他生(shēng)活的居室中(zhōng)去(qù)虛拟的音樂廳欣賞音樂會等等。

對藝術的潛在應用價值同樣适用于教育，如在解釋一(yī)些複雜的系統抽象的概念如量子物(wù)理等方面，VR是非常有力的工(gōng)具，Lofin等人在1993年建立了一(yī)個“虛拟的物(wù)理實驗室”，用于解釋某些物(wù)理概念，如位置與速度，力量與位移等。

軍事航天

模拟訓練一(yī)直是軍事與航天工(gōng)業中(zhōng)的一(yī)個重要課題，這爲VR提供了廣闊的應用前景。美國國防部高級研究計劃局DARPA自80年代起一(yī)直緻力于研究稱爲SIMNET的虛拟戰場系統，以提供坦克協同訓練，該系統可聯結200多台模拟器。另外(wài)利用VR技術，可模拟零重力環境，替非标準的水下(xià)訓練宇航員(yuán)的方法。

室内設計

虛拟現實不僅僅是一(yī)個演示媒體(tǐ)，而且還是一(yī)個設計工(gōng)具。它以視覺形式反映了設計者的思想，比如裝修房屋之前，你首先要做的事是對房屋的結構、外(wài)形做細緻的構思，爲了使之定量化，你還需設計許多圖紙(zhǐ)，當然這些圖紙(zhǐ)隻能内行人讀懂，虛拟現實可以把這種構思變成看得見的虛拟物(wù)體(tǐ)和環境，使以往隻能借助傳統的設計模式提升到數字化的即看即所得的完美境界，大(dà)大(dà)提高了設計和規劃的質量與效率。運用虛拟現實技術，設計者可以完全按照自己的構思去(qù)構建裝飾“虛拟”的房間，并可以任意變換自己在房間中(zhōng)的位置，去(qù)觀察設計的效果，直到滿意爲止。既節約了時間，又(yòu)節省了做模型的費用。