正如其它新興科學(xué)技術(shù)一樣，虛擬現實(shí)技術(shù)也是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。 它的研究?jì)热萆婕暗?strong>人工智能、計算機科學(xué)、電子學(xué)、傳感器、計算機圖形學(xué)、智能控制、心理學(xué)等。我們必須清醒地認識到，雖然這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)潛力是巨大的，應用前景也是很廣闊的，但仍存在著(zhù)許多尚未解決的理論問(wèn)題和尚未克服的技術(shù)障礙?？陀^(guān)而論，目前虛擬現實(shí)技術(shù)所取得的成就，絕大部分還僅僅限于擴展了計算機的接口能力，僅僅是剛剛開(kāi)始涉及到人的感知系統和肌肉系統與計算機的結合作用問(wèn)題，還根本未涉及“人在實(shí)踐中得到的感覺(jué)信息是怎樣在人的大腦中存儲和加工處理成為人對客觀(guān)世界的認識”這一重要過(guò)程。只有當真正開(kāi)始涉及并找到對這些問(wèn)題的技術(shù)實(shí)現途徑時(shí)，人和信息處理系統間的隔閡才有可能被徹底的克服了。我們期待這有朝一日，虛擬現實(shí)系統成為一種對多維信息處理的強大系統，成為人進(jìn)行思維和創(chuàng )造的助手和對人們已有的概念進(jìn)行深化和獲取新概念的有力工具。 就像電影《黑客帝國》里描述的那樣，未來(lái)的我們竟可以生活在一個(gè)由電腦控制的虛擬世界里。在這個(gè)世界里，我們同樣擁有各種感覺(jué)，同樣擁有親戚朋友，同樣擁有工作，同樣擁有現實(shí)世界的一切“真實(shí)”。只是，這一切都是虛擬的。 人類(lèi)有許多夢(mèng)想，一些夢(mèng)想已經(jīng)變?yōu)楝F實(shí)，而有一些夢(mèng)想也許永遠都不可能實(shí)現。然而，有一種技術(shù)卻能使一切夢(mèng)想全部實(shí)現，這就是虛擬現實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR）。 虛擬現實(shí)是在計算機圖形學(xué)、計算機仿真技術(shù)、人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的交叉學(xué)科，對該技術(shù)的研究始于20世紀60年代。直到90年代初，虛擬現實(shí)技術(shù)才開(kāi)始作為一門(mén)較完整的體系而受到人們極大的關(guān)注。 基本概念 概括地說(shuō)，虛擬現實(shí)是人們通過(guò)計算機對復雜數據進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現實(shí)在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。 虛擬現實(shí)中的“現實(shí)”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，它可以是實(shí)際上可實(shí)現的，也可以是實(shí)際上難以實(shí)現的或根本無(wú)法實(shí)現的。而“虛擬”是指用計算機生成的意思。因此，虛擬現實(shí)是指用計算機生成的一種特殊環(huán)境，人可以通過(guò)使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個(gè)環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境，實(shí)現特殊的目的，即人是這種環(huán)境的主宰。 從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，虛擬現實(shí)就是一種先進(jìn)的計算機用戶(hù)接口，它通過(guò)給用戶(hù)同時(shí)提供諸如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等各種直觀(guān)而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，最大限度地方便用戶(hù)的操作。根據虛擬現實(shí)技術(shù)所應用的對象不同，其作用可表現為不同的形式，例如將某種概念設計或構思可視化和可操作化，實(shí)現逼真的遙控現場(chǎng)效果，達到任意復雜環(huán)境下的廉價(jià)模擬訓練目的等。該技術(shù)的主要特征有以下幾方面： 多感知性（Multi-Sensory）——所謂多感知是指除了一般計算機技術(shù)所具有的視覺(jué)感知之外，還有聽(tīng)覺(jué)感知、力覺(jué)感知、觸覺(jué)感知、運動(dòng)感知，甚至包括味覺(jué)感知、嗅覺(jué)感知等。理想的虛擬現實(shí)技術(shù)應該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、運動(dòng)等幾種。 浸沒(méi)感（Immersion）——又稱(chēng)臨場(chǎng)感，指用戶(hù)感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應該使用戶(hù)難以分辨真假，使用戶(hù)全身心地投入到計算機創(chuàng )建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切看上去是真的，聽(tīng)上去是真的，動(dòng)起來(lái)是真的，甚至聞起來(lái)、嘗起來(lái)等一切感覺(jué)都是真的，如同在現實(shí)世界中的感覺(jué)一樣。 交互性（Interactivity）——指用戶(hù)對模擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）。例如，用戶(hù)可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時(shí)手有握著(zhù)東西的感覺(jué)，并可以感覺(jué)物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著(zhù)手的移動(dòng)而移動(dòng)。 構想性（Imagination）——強調虛擬現實(shí)技術(shù)應具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類(lèi)認知范圍，不僅可再現真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構想客觀(guān)不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)完整的虛擬現實(shí)系統由虛擬環(huán)境、以高性能計算機為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺(jué)系統、以語(yǔ)音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽(tīng)覺(jué)系統、以方位跟蹤器、數據手套和數據衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設備，以及味覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)與力覺(jué)反饋系統等功能單元構成。 這里，虛擬環(huán)境處理器是VR系統的心臟，完成虛擬世界的產(chǎn)生和處理功能。輸入設備給VR系統提供來(lái)自用戶(hù)的輸入，并允許用戶(hù)在虛擬環(huán)境中改變自己的位置、視線(xiàn)方向和視野，也允許改變虛擬環(huán)境中虛擬物體的位置和方向。而輸出設備是由VR系統把虛擬環(huán)境綜合產(chǎn)生的各種感官信息輸出給用戶(hù)，使用戶(hù)產(chǎn)生一種身臨其境的逼真感。其主要的研究?jì)热莅ㄒ韵聨讉€(gè)方面： 動(dòng)態(tài)環(huán)境建模——虛擬環(huán)境的建立是VR系統的核心內容，動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的就是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數據，并根據應用的需要建立相應的虛擬環(huán)境模型。三維數據的獲取可以采用CAD技術(shù)，更多的情況則需采用非接觸式的視覺(jué)技術(shù)，兩者有機結合可以有效地提高數據獲取的效率。 實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)——三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，這里的關(guān)鍵是如何實(shí)現“實(shí)時(shí)”生成。為了達到實(shí)時(shí)的目的，至少要保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，最好高于30幀/秒。
在不降低圖形的質(zhì)量和復雜程度的前提下，如何提高刷新頻率是該技術(shù)的主要內容。 立體顯示和傳感器技術(shù)——虛擬現實(shí)的交互能力依賴(lài)于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，現有的設備遠遠不能滿(mǎn)足需要，比如頭盔式三維立體顯示器有以下缺點(diǎn)：過(guò)重（1.5 kg至2kg）、分辨率低（圖像質(zhì)量差）、延遲大（刷新頻率低）、行動(dòng)不便（有線(xiàn)）、跟蹤精度低、視場(chǎng)不夠寬、眼睛容易疲勞等，因此有必要開(kāi)發(fā)新的三維顯示技術(shù)。同樣，數據手套、數據衣服等都有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點(diǎn)。另外，力覺(jué)和觸覺(jué)傳感裝置的研究也有待進(jìn)一步深入，虛擬現實(shí)設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高。 應用系統開(kāi)發(fā)工具——虛擬現實(shí)應用的關(guān)鍵是尋找合適的場(chǎng)合和對象，即如何發(fā)揮想像力和創(chuàng )造性。選擇適當的應用對象可以大幅度提高生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)強度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。為了達到這一目的，必須研究虛擬現實(shí)的開(kāi)發(fā)工具，例如VR系統開(kāi)發(fā)平臺、分布式虛擬現實(shí)技術(shù)等。 系統集成技術(shù)——由于VR系統中包括大量的感知信息和模型，因此系統集成技術(shù)起著(zhù)至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標定技術(shù)、數據轉換技術(shù)、數據管理模型、識別與合成技術(shù)等等。 關(guān)鍵技術(shù) 虛擬現實(shí)是多種技術(shù)的綜合，包括實(shí)時(shí)三維計算機圖形技術(shù)，廣角（寬視野）立體顯示技術(shù)，對觀(guān)察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù)，以及觸覺(jué)/力覺(jué)反饋、立體聲、語(yǔ)音輸入輸出技術(shù)等。下面對這些技術(shù)分別加以說(shuō)明。 實(shí)時(shí)三維計算機圖形技術(shù)相比較而言，利用計算機模型產(chǎn)生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準確的模型，又有足夠的時(shí)間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)。例如在飛行模擬系統中，圖像的刷新相當重要，同時(shí)對圖像質(zhì)量的要求也很高，再加上非常復雜的虛擬環(huán)境，問(wèn)題就變得相當困難。 廣角（寬視野）的立體顯示人看周?chē)氖澜鐣r(shí)，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子里融合起來(lái)，就形成了一個(gè)關(guān)于周?chē)澜绲恼w景象，這個(gè)景象中包括了距離遠近的信息。當然，距離信息也可以通過(guò)其他方法獲得，例如眼睛焦距的遠近、物體大小的比較等。 在VR系統中，雙目立體視覺(jué)起了很大作用。用戶(hù)的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統采用單個(gè)顯示器，但用戶(hù)帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產(chǎn)生了立體感。 用戶(hù)（頭、眼）的跟蹤：在人造環(huán)境中，每個(gè)物體相對于系統的坐標系都有一個(gè)位置與姿態(tài)，而用戶(hù)也是如此。用戶(hù)看到的景象是由用戶(hù)的位置和頭（眼）的方向來(lái)確定的。 跟蹤頭部運動(dòng)的虛擬現實(shí)頭套：在傳統的計算機圖形技術(shù)中，視場(chǎng)的改變是通過(guò)鼠標或鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現的，用戶(hù)的視覺(jué)系統和運動(dòng)感知系統是分離的，而利用頭部跟蹤來(lái)改變圖像的視角，用戶(hù)的視覺(jué)系統和運動(dòng)感知系統之間就可以聯(lián)系起來(lái)，感覺(jué)更逼真。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，用戶(hù)不僅可以通過(guò)雙目立體視覺(jué)去認識環(huán)境，而且可以通過(guò)頭部的運動(dòng)去觀(guān)察環(huán)境。 在用戶(hù)與計算機的交互中，鍵盤(pán)和鼠標是目前最常用的工具，但對于三維空間來(lái)說(shuō)，它們都不太適合。在三維空間中因為有六個(gè)自由度，我們很難找出比較直觀(guān)的辦法把鼠標的平面運動(dòng)映射成三維空間的任意運動(dòng)?，F在，已經(jīng)有一些設備可以提供六個(gè)自由度，如3Space數字化儀和SpaceBall空間球等。另外一些性能比較優(yōu)異的設備是數據手套和數據衣。 立體聲人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強度的差別來(lái)確定聲音的方向，因為聲音到達兩只耳朵的時(shí)間或距離有所不同。常見(jiàn)的立體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(lái)實(shí)現的，所以會(huì )有一種方向感?，F實(shí)生活里，當頭部轉動(dòng)時(shí)，聽(tīng)到的聲音的方向就會(huì )改變。但目前在VR系統中，聲音的方向與用戶(hù)頭部的運動(dòng)無(wú)關(guān)。 觸覺(jué)與力覺(jué)反饋在一個(gè)VR系統中，用戶(hù)可以看到一個(gè)虛擬的杯子。你可以設法去抓住它，但是你的手沒(méi)有真正接觸杯子的感覺(jué)，并有可能穿過(guò)虛擬杯子的“表面”，而這在現實(shí)生活中是不可能的。解決這一問(wèn)題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動(dòng)的觸點(diǎn)來(lái)模擬觸覺(jué)。 語(yǔ)音輸入輸出在VR系統中，語(yǔ)音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環(huán)境能聽(tīng)懂人的語(yǔ)言，并能與人實(shí)時(shí)交互。而讓計算機識別人的語(yǔ)音是相當困難的，因為語(yǔ)音信號和自然語(yǔ)言信號有其“多邊性”和復雜性。例如，連續語(yǔ)音中詞與詞之間沒(méi)有明顯的停頓，同一詞、同一字的發(fā)音受前后詞、字的影響，不僅不同人說(shuō)同一詞會(huì )有所不同，就是同一人發(fā)音也會(huì )受到心理、生理和環(huán)境的影響而有所不同。 使用人的自然語(yǔ)言作為計算機輸入目前有兩個(gè)問(wèn)題，首先是效率問(wèn)題，為便于計算機理解，輸入的語(yǔ)音可能會(huì )相當羅嗦。其次是正確性問(wèn)題，計算機理解語(yǔ)音的方法是對比匹配，而沒(méi)有人的智能。 代表性設備 在VR系統中，有許多有趣的、功能不同的專(zhuān)用設備，下面選一些代表性的設備加以介紹。 BOOM可移動(dòng)式顯示器：它是一種半投入式視覺(jué)顯示設備。使用時(shí)，用戶(hù)可以把顯示器方便地置于眼前，不用時(shí)可以很快移開(kāi)。BOOM使用小型的陰極射線(xiàn)管，產(chǎn)生的像素數遠遠小于液晶顯示屏，圖像比較柔和，分辨率為1280×1024像素，彩色圖像。 數據手套：數據手套是一種輸入裝置，它可以把人手的動(dòng)作轉化為計算機的輸入信號。它由很輕的彈性材料構成。該彈性材料緊貼在手上，同時(shí)附著(zhù)許多位置、方向傳感器和光纖導線(xiàn)，以檢測手的運動(dòng)。光纖可以測量每個(gè)手指的彎曲和伸展，而通過(guò)光電轉換，手指的動(dòng)作信息可以被計算機識別。 TELETACT手套：它是一種用于觸覺(jué)和力覺(jué)反饋的裝置，利用小氣袋向手提供觸覺(jué)和力覺(jué)的刺激。這些小氣袋能被迅速地加壓和減壓。當虛擬手接觸一件虛擬物體時(shí)，存儲在計算機里的該物體的力模式被調用，壓縮機迅速對氣袋充氣或放氣，使手部有一種非常精確的觸覺(jué)。 數據衣是為了讓VR系統識別全身運動(dòng)而設計的輸入裝置。數據衣對人體大約50多個(gè)不同的關(guān)節進(jìn)行測量，包括膝蓋、手臂、軀干和腳。通過(guò)光電轉換，身體的運動(dòng)信息被計算機識別。通過(guò)BOOM顯示器和數據手套與虛擬現實(shí)交互數據衣。
虛擬現實(shí)的本質(zhì)是人與計算機的通信技術(shù)，它幾乎可以支持任何人類(lèi)活動(dòng)，適用于任何領(lǐng)域。 較早的虛擬現實(shí)產(chǎn)品是圖形仿真器，其概念在60年代被提出，到80年代逐步興起，90年代有產(chǎn)品問(wèn)世。1992年世界上第一個(gè)虛擬現實(shí)開(kāi)發(fā)工具問(wèn)世，1993年眾多虛擬現實(shí)應用系統出現，1996年NPS公司使用慣性傳感器和全方位踏車(chē)將人的運動(dòng)姿態(tài)集成到虛擬環(huán)境中。到1999年，虛擬現實(shí)技術(shù)應用更為廣泛，涉足航天、軍事、通信、醫療、教育、娛樂(lè )、圖形、建筑和商業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。專(zhuān)家預測，隨著(zhù)計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展和價(jià)格的下降，預計本世紀虛擬現實(shí)技術(shù)會(huì )進(jìn)入家庭。 VR技術(shù)在醫療領(lǐng)域也大有作為。該技術(shù)可用于解剖教學(xué)、復雜手術(shù)過(guò)程的規劃，在手術(shù)過(guò)程中提供操作和信息上的輔助，預測手術(shù)結果等。另外，在遠程醫療中，虛擬現實(shí)技術(shù)也很有潛力。例如在偏遠的山區，通過(guò)遠程醫療虛擬現實(shí)系統，患者不進(jìn)城也能夠接受名醫的治療。對于危急病人，還可以實(shí)施遠程手術(shù)。醫生對病人模型進(jìn)行手術(shù)，他的動(dòng)作通過(guò)衛星傳送到遠處的手術(shù)機器人。手術(shù)的實(shí)際圖像通過(guò)機器人上的攝像機傳回醫生的頭盔立體顯示器，并將其和虛擬病人模型進(jìn)行疊加，為醫生提供有用的信息。美國斯坦福國際研究所已成功研制出遠程手術(shù)醫療系統。 在航天領(lǐng)域，VR技術(shù)也非常重要。例如，失重是航天飛行中必須克服的困難，因為在失重情況下對物體的運動(dòng)難以預測。為了在太空中進(jìn)行精確的操作，需要對宇航員進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的失重仿真訓練。為了逼真地模擬太空中的情景，美國航天局NASA在“哈勃太空望遠鏡的修復和維護”計劃中采用了VR仿真訓練技術(shù)。 在訓練中，宇航員坐在一個(gè)模擬的具有“載人操縱飛行器”功能并帶有傳感裝置的椅子上。椅子上有用于在虛擬空間中作直線(xiàn)運動(dòng)的位移控制器和用于繞宇航員重心調節宇航員朝向的旋轉控制器。宇航員頭戴立體頭盔顯示器，用于顯示望遠鏡、航天飛機和太空的模型，并用數據手套作為和系統進(jìn)行交互的手段。訓練時(shí)宇航員在望遠鏡周?chē)涂梢赃M(jìn)行操作，并且通過(guò)虛擬手接觸操縱桿來(lái)抓住需要更換的“模塊更換儀”。抓住模塊更換儀后，宇航員就可以利用座椅的控制器在太空中飛行。 在對象可視化領(lǐng)域中，VR技術(shù)應用的例子是模擬風(fēng)洞。模擬風(fēng)洞可以讓用戶(hù)看到模擬的空氣流場(chǎng)，使他感到就像真的站在風(fēng)洞里一樣。虛擬風(fēng)洞的目的是讓工程師分析多旋渦的復雜三維性和效果、空氣循環(huán)區域、旋渦被破壞的亂流等。例如，可以將一個(gè)航天飛機的CAD模型數據調入模擬風(fēng)洞進(jìn)行性能分析。為了分析氣流的模式，可以在空氣流中注入軌跡追蹤物，該追蹤物將隨氣流飄移，并把運動(dòng)軌跡顯示給用戶(hù)。追蹤物可以通過(guò)數據手套投降到任意指定的位置，用戶(hù)可以從任意視角觀(guān)察其運動(dòng)軌跡。 在軍事領(lǐng)域中，VR技術(shù)應用的一個(gè)例子是“聯(lián)網(wǎng)軍事訓練系統”。在該系統中，軍隊被布置在與實(shí)際車(chē)輛和指揮中心相同的位置，他們可以看到一個(gè)有山、樹(shù)、云彩、硝煙、道路、建筑物以及由其他部隊操縱的車(chē)輛的模擬戰場(chǎng)。這些由實(shí)際人員操作的車(chē)輛可以相互射擊，系統利用無(wú)線(xiàn)電通信和聲音來(lái)加強真實(shí)感。系統的每個(gè)用戶(hù)可以通過(guò)環(huán)境視點(diǎn)來(lái)觀(guān)察別人的行動(dòng)。炮火的顯示極為真實(shí)，用戶(hù)可以看到被攻擊部隊炸毀的情況。從直升機上看到的場(chǎng)景也非常逼真。這個(gè)模擬系統可用來(lái)訓練坦克、直升機和進(jìn)行軍事演習，以及訓練部隊之間的協(xié)同作戰能力。 當然，虛擬現實(shí)技術(shù)的應用遠不止以上這些。隨著(zhù)計算機技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬現實(shí)與我們的生活將日益密切。 | 
