1、VR 概述一、 虚拟现实技术概述自从计算机发明以来，计算机一直是传统信息处理环境的主体，它只具有在数字化的单维信息空间中处理问题的能力。而事实上，人类是依靠自己的感知和认知能力全方位的获取知识，是在多维化的信息空间中认识问题。这样就产生了人类认识问题的认识空间与计算机处理问题的信息空间不一致的矛盾，人类被排斥在计算机为主体的信息处理环境之外，而且较难以直接理解信息处理工具的处理结果，更难以把人类的感知能力和认知经验与计算机信息处理环境直接联系起来。因此，人们迫切需要突破现有的数字计算机只能处理单纯数字信息的限制，建立一个能包容图像、声音、化学气味等多种信息源的信息空间，人们不但可以从外部观察信
2、息处理的结果，而且能通过视觉、听觉、嗅觉、口令、手势等多种形式参与到信息处理环境中去，这种信息处理环境被称为虚拟环境。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真。虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统(其中虚拟世界是全体虚拟环境的总称) 。通过虚拟现实系统所建立的信息空间，已不再是单纯的数字信息空间，而是一个包容多种信息的多维化的信息空间(Cyberspace)，人类的感性认识和理性认识能力都能在这个多维化的信息空间中得到充分的发挥。要创建一个能让参与者具有身临其境感，具有完善地交互作用能力的虚拟现实系统，在硬件方面，需要高性能的计算
3、机软硬件和各类先进的传感器；软件方面，主要是需要提供一个能产生虚拟环境的工具集。二、 国内外虚拟现实技术的研究状况2.1 国外虚拟现实技术的研究（1 ） 、美国的研究状况美国是从事虚拟现实研究最早、研究范围和水平最高、相关研究对国家发展贡献最大的国家，从事虚拟现实的大学包括 MIT、Stanford 大学、华盛顿大学、UniversityofIllinoisatChicago、 CMU 等几乎所有著名的大学，其研究内容侧重新概念发展(如虚拟现实的概念模型)、单项关键技术 (如触觉反馈)和系统实现，并参加了许多有关虚拟现实的国家项目。美国 VR 研究技术的水平基本上就代表国际 VR 发展的水平。
4、目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。（2 ） 、日本的研究状况在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中，日本是居于领先位置的国家之一，主要致力于建立大规模 VR 知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。但日本大部分虚拟现实硬件是从美国进口的。（3 ） 、英国的研究与开发在 VR 开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备（包括触觉反馈）设计和应用研究方面，在欧洲英国是领先的。到 1991 年底，英国已有从事 VR 的六个主要中心，它们是 WIndustries（工业集团公司） ，BritishAerospace （英国航空公司） ，D
5、imensionInternational，DivisionLtd，AdvancedRoboticsResearchCenter 和VirtualPresenceLtd（主要从事 VR 职产品销售） 。（4 ） 、欧洲其它国家VR 的研究在欧洲其它一些较发达的国家如：荷兰、德国、瑞典等也积极进行了 VR 的研究与应用。瑞典的 DIVE 分布式虚拟交互环境，是一个基于 Unix 的，不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。荷兰海牙 TNO 研究所的物理电子实验室(TNO-PEL)开发的训练和模拟系统，通过改进人机界面来改善现有模拟系统，以使用户完全介入模拟环境。德国的计算机图形
6、研究所(IGD)的测试平台，用于评估 VR 对未来系统和界面的影响，以及向用户和生产者提供通向先进的可视化、模拟技术和 VR 技术的途径。另外，德国在建筑业、汽车工业及医学界等也较早应用了 VR 技术，如德国一些著名的汽车企业奔驰、宝马、大众等都使用了 VR 技术；制药企业将 VR 用于新药的开发；医院开始用人体数字模型进行手术实验。2.2 国内虚拟现实技术的研究国内研究状况和一些发达国家相比，我国 VR 技术起步较晚，还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情制定了开展 VR 技术的研究，九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把 VR 列入了研
7、究项目。国内一些重点院校已积极投入到了这一领域的研究工作。北京航空航天大学计算机系：着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。浙江大学 CAD利用其它的环境编辑器对环境进行渲染。利用 VR 技术多感通道编辑器对以视觉为主的感觉进行仿真，使用户能以真实的感觉“进入”地图。利用数据手套、头盔显示器等交互工具从分析应用工具箱中提供应用工具，模拟人在现实环境中进行工作，如距离量算、面积计算等。（2
8、 ） 、在军事现代化中的应用怎样进行无人战争是当今的发展趋势。要进行无人战争的前提是要熟悉敌方的各种情况以及能灵活指挥。通过虚拟现实技术就能实现此目的。利用 VR 技术的强大三维场景模型，就可使指挥官亲临前线，掌握敌人的尽可多情况。在现在的导弹发射中，就是利用虚拟现实技术，使人在屏幕上跟踪其运动轨迹，动态调整其运动方向，使其顺利到达其目标。美国的太空演习战中也就是利用 VR 技术。VR 技术在军事中的应用随着高科技的发展会越来越重要，其发挥的威力也会更大。（3 ） 、在 GIS 中的应用在 GIS 中利用 VR 技术的三维场景模型和多感通道编辑器来对三维地物进行视觉的仿真，使人亲临地物之中，具
9、有逼真的感觉。在利用 VR 技术中，地理空间数据库的支持特别重要。地理数据库以地形数据为主，包括地形、水下、居民点、交通线、地物的三维数据等，是生成空间定位地形图像的基础。与之相配合的是地面影像数据库，这是根据已定位的航空照片与卫星照片数字化而成，是构成地形三维图像的重要数据来源。（4 ） 、在空间信息可视化的应用空间信息可视化一直是中国地图科学家关注的问题，其实现的主要途径是虚拟现实技术。（5 ） 、在其它方面的应用VR 技术在图像处理、电影业、文艺方面、医疗、娱乐、机器视觉等都有很大的作用。五、 虚拟现实的几个瓶颈问题（1 ） 、虚拟环境表示的准确性。为使虚拟环境与客观世界相一致，需要对其
10、中种类繁多、构形复杂的信息做出准确、完备的描述。同时，需要研究高效的建模方法，重建其演化规律以及虚拟对象之间的各种相互关系与相互作用。（2 ） 、虚拟环境感知信息合成的真实性。抽象的信息模型并不能直接为人类所直接感知，这就需要研究虚拟环境的视觉、听觉、力觉和触觉等感知信息的合成方法，重点解决合成信息的高保真性和实时性问题，以提高沉浸感。（3 ） 、人与虚拟环境交互的自然性。合成的感知信息实时地通过界面传递给用户，用户根据感知到的信息对虚拟环境中事件和态势做出分析和判断，并以自然方式实现与虚拟环境的交互。这就需要研究基于非精确信息的多通道人机交互模式和个性化的自然交互技术等，以提高人机交互效率。
11、（4 ） 、实时显示问题。尽管理论上讲能够建立起高度逼真的，实时漫游的 VR，但至少现在来讲还达不到这样的水平。这种技术需要强有力的硬件条件的支撑，例如速度极快的图形工作站和三维图形加速卡，但目前即使是最快的图形工作站也不能产生十分逼真，同时又是实时交互的 VR。其根本原因是因为引入了用户交互，需要动态生成新的图形时，就不能达到实时要求，从而不得不降低图形的逼真度以减少处理时间，这就是所谓的景物复杂度问题。（5 ） 、图形生成。图形生成是虚拟现实的重要瓶颈，虚拟现实最重要的特性是人可以在随意变化的交互控制下感受到场景的动态特性，换句话说，虚拟现实系统要求随着人的活动(位置、方向的变化)即时生成
12、相应的图形画面。（6 ） 、智能技术(ArtificialIntelligence，简称 AI)。在 VR 中，计算机是从人的各种动作，语言等变化中获得信息，要正确理解这些信息，需要借助于 AI 技术来解决，如语音识别、图像识别、自然语言理解等，这些智能接口领域的研究课题是 VR 技术的基础，同时也是 VR 技术的难点。本质上，上述 6 个问题的解决使得用户能够身临其境地感知虚拟环境，从而达到探索、认识客观事物的目的。概括地说，围绕着虚拟现实展开的研究都是围绕着这 6 个基本问题的。六、 虚拟现实技术未来的发展与展望虚拟现实技术是 20 世纪末才兴起来的一门崭新综合性的信息技术，尚处于初创时期
13、，远未达到成熟阶段。虽然我们也许不能清楚地设想出，新世纪里虚拟现实出现并普及的新形式，但我们能通过应用媒介形态变化原则和延伸媒介领域的主要传播特性，对未来的发展方向做一些展望。（1 ） 、动态环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，而动态环境建模技术的目的就是对实际环境的三维数据进行获取，从而建立对应的虚拟环境模型，创建出虚拟环境。（2 ） 、实时三维图形生成和显示技术。在生成三维图形方面，目前的技术已经比较成熟，关键是怎么样才能够做到实时生成，在不对图形的复杂程度和质量造成影响的前提下，如何让刷新频率得到有效的提高是今后重要的研究内容。另外，虚拟现实技术还依赖于传感器技术和立体
14、显示技术的发展，现有的虚拟设备还不能够让系统的需要得到充分的满足，需要开发全新的三维图形生成和显示技术。（3 ） 、适人化、智能化人机交互设备的研制。虽然手套和头盔等设备能够让沉浸感增强，但在实际使用当中效果并不尽如人意。交互方式使用最自然的视觉、听觉、触觉和自然语言的话，能够让虚拟现实的交互性效果得到有效的提高。（4 ） 、大型网络分布式虚拟现实的研究与应用。网络虚拟现实是指多个用户在一个基于网络的计算机集合当中，对新型的人机交互设备进行一个用，介入计算机中，产生适用于用户的虚拟情景环境。分布式虚拟环境系统除了要让复杂虚拟环境计算的需求得到满足之外，还需要让协同工作以及分布式仿真等应用对共享虚拟环境的自然需要得到满足。分布式虚拟现实可以看成是一种基于网络的虚拟现实系统，可以让多个用户同时参与，让不同地方的用户进入到同一个虚拟现实环境当中。目前，分布式虚拟现实系统已经成为了全世界的研究热点，我国也由杭州大学、北京航空航天大学、中国科学院软件所、中国科学院计算所以及装甲兵工程学院等单位共同感开发了一个分布虚拟环境基础信息平台，为我国开展分布式虚拟现实的研究提供了必要的软硬件基础环境和网络平台。
