陳娟

摘要：虛擬現(xiàn)實技術是一種模擬人在自然環(huán)境中的視覺，聽覺，觸覺等行為的高度逼真的人機交互技術，是利用人類感知能力和操作能力的新方法。該文首先簡要闡述虛擬現(xiàn)實技術的概念及其特點。其次介紹了虛擬現(xiàn)實技術的分類及其主要技術構成，并概括了虛擬現(xiàn)實技術在城市規(guī)劃、旅游景觀、醫(yī)學、藝術教育、生物力學、工業(yè)仿真等方面的技術應用，最后對虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展及應用進行了總結展望。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術；技術構成；應用領域

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2012）35-8540-02

虛擬現(xiàn)實是在計算機圖形學、計算機仿真技術、人機交互技術、人工智能、多媒體技術以及傳感技術的基礎上發(fā)展起來的交叉學科，由于它生成的視覺環(huán)境、音效是立體的，人機交互是和諧友好的[2]，因此虛擬現(xiàn)實技術將一改人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現(xiàn)狀，即計算機創(chuàng)造的環(huán)境將人們陶醉在流連忘返的環(huán)境之中。

1虛擬現(xiàn)實技術

1.1定義

虛擬現(xiàn)實技術是一種模擬人在自然環(huán)境中的視覺，聽覺，觸覺等行為的高度逼真的人機交互技術，是利用人類感知能力和操作能力的新方法。它使計算機從一種只用鍵盤，鼠標進行操作的設備變成了人處于計算機生成的環(huán)境中，通過感官、語言、手勢等比較“自然”的方式進行“交互，對話”的系統(tǒng)和環(huán)境，即虛擬現(xiàn)實環(huán)境[1，2]。操作者可在其中自由地運動，隨意觀察周圍的景物并與之交互操作。虛擬現(xiàn)實的定義，可以簡單理解為：利用計算機生成的，能給人多種感官刺激，并能通過計算機對復雜數(shù)據(jù)進行可視化操作與交互的人機交互系統(tǒng)[3]。計算機生成的虛擬環(huán)境是能給人提供多種感覺的感官刺激的環(huán)境，能讓人有“沉浸”的感覺，虛擬現(xiàn)實通常由視覺、聽覺和觸覺構成。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)又是一種高級的人機交互系統(tǒng)，因此人機交互是虛擬現(xiàn)實的核心[4]。

1.2虛擬現(xiàn)實技術的特點[5]

沉浸性：也可理解為“身臨其境””，讓用戶感到自身存在于模擬環(huán)境中的真實程度，當用戶全身心投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，感覺一切都是真實的。

交互性：指從模擬環(huán)境得到反饋的自然程度，以及模擬環(huán)境內物體的可操作程度。例如用戶用手去抓虛擬環(huán)境中的物體，這時手就會有真的抓物體的感覺，并且物體會隨著手的移動而移動。

構想性：在虛擬現(xiàn)實技術中，人與虛擬環(huán)境的交互作用，在本質上意味著它不是預成性的，而是生成性的，它具有一定的想象空間。

由于沉浸性、交互性和構想性三個特性的英文單詞的第一個字母均為I，所以這三個特性又通常被統(tǒng)稱為3I特性[1，3]。

1.3虛擬現(xiàn)實技術的分類

按照虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)功能和實現(xiàn)方式的不同，可以把各種類型的虛擬現(xiàn)實技術劃分四類：

1）桌面虛擬現(xiàn)實。桌面虛擬現(xiàn)實最大特點是缺乏真實的現(xiàn)實體驗，但是成本也相對較低，因而，應用比較廣泛。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QuickTimeVR、虛擬現(xiàn)實造型語言VRML、桌面三維虛擬現(xiàn)實、MUD等。

2）沉浸的虛擬現(xiàn)實。常見的沉浸式系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、遠程存在系統(tǒng)。

3）增強現(xiàn)實性的虛擬現(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或導航偏差。

4）分布式虛擬現(xiàn)實。目前最典型的分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通過網(wǎng)絡連接而成，用于部隊的聯(lián)合訓練。[10]。

2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的主要硬件技術

虛擬現(xiàn)實硬件設備為特殊輸入和演示設備，以至于影響各種操作和指令，且提供反饋信息，實現(xiàn)真正生動的交互效果。虛擬現(xiàn)實硬件設備都包括三維空間跟蹤定位器，多通道環(huán)幕（立體）投影系統(tǒng)，三維空間交互球，數(shù)據(jù)手套等等。

虛擬現(xiàn)實生成設備：是一臺或多臺高性能計算機，是帶有圖形加速器和多條圖形輸出流水線的高性能圖形計算機[13]。

虛擬現(xiàn)實感知設備：感知設備是指將虛擬世界各類感知模型轉變?yōu)槿四芙邮艿亩嗤ǖ来碳ば盘柕脑O備。然而，相對成熟的感知信息和生產(chǎn)和檢測技術僅有視覺、聽覺和力覺三種通道。

虛擬現(xiàn)實跟蹤設備：跟蹤設備用于跟蹤并檢測位置和方位，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中人機交互操作。

基于自然方式的人機交互設備：應用手勢、體勢、眼神以及自然語言的人機交互設備，常見的有數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、眼球跟蹤器及語音綜合識別裝置[8]。

3虛擬現(xiàn)實的應用領域[9]

3.1旅游景觀中的應用

通過3D互動技術還原現(xiàn)實中的旅游景區(qū)，而從在網(wǎng)上構建一個3D虛擬景區(qū)。游客可以通過建立個性化的3D虛擬化身，在3D的景區(qū)環(huán)境中直接試玩旅游景點，身臨其境的查看擬真的景點信息，足不出戶的體驗千姿百態(tài)的風景勝跡以及景點背后的傳奇故事[4]。

3.2醫(yī)學中的應用

在醫(yī)學領域，虛擬現(xiàn)實技術和現(xiàn)代醫(yī)學的飛速發(fā)展以及兩者之間的融合使得虛擬現(xiàn)實技術已開始對生物醫(yī)學領域產(chǎn)生重大影響.在此領域，虛擬現(xiàn)實應用大致上有兩類：一類是虛擬人體，也就是數(shù)字化人體，這樣的人體模型，使醫(yī)生更容易了解人體的構造和功能.另一類是虛擬手術系統(tǒng)，可用于指導手術的進行。

3.3藝術教育中的應用[9]

作為顯示傳輸信息的媒體，虛擬現(xiàn)實在未來藝術領域所具有的潛在應用能力也是不可低估的。VR所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術（如油畫、雕刻等）轉化為動態(tài)的，可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術。另外，VR提高了藝術表現(xiàn)能力，通過動作捕捉系統(tǒng)采集演員的舞蹈動作和表情，在電腦輔助編排下可以預演演出效果，提高編排效率。

對藝術的潛在應用價值同樣適用于教育行業(yè)，如在解釋一些復雜的系統(tǒng)抽象的概念如量子物理等方面，VR是非常有力的工具，如“虛擬的物理實驗室”，用于解釋某些物理概念，如位置與速度，力量與位移等[9]。

3.4生物力學方面的應用

生物力學仿真就是應用力學原理和方法并結合虛擬現(xiàn)實技術，實現(xiàn)對生物體中的力學原理進行虛擬分析與仿真研究。利用虛擬仿真技術研究和表現(xiàn)生物力學，不但可以提高運動物體的真實感，滿足運動生物力學專家的計算要求，還可以大大節(jié)約研發(fā)成本，降低數(shù)據(jù)分析難度，提高研發(fā)效率。這一技術現(xiàn)已廣泛應用于外科醫(yī)學、運動醫(yī)學、康復醫(yī)學、人體工學、創(chuàng)傷與防護學等領域。

3.5工業(yè)仿真中的應用[9]

當今世界工業(yè)的發(fā)展非常迅速，已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，現(xiàn)階段的工業(yè)發(fā)展不再是大規(guī)模的人海戰(zhàn)術，需要的是先進的科學技術，特別是虛擬現(xiàn)實技術的應用正對工業(yè)發(fā)展進行著一場前所未有的革命。虛擬現(xiàn)實技術目前已經(jīng)被世界上一些大型企業(yè)廣泛地應用到工業(yè)的各個環(huán)節(jié)，對提高企業(yè)開發(fā)效率，加強數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低風險起到了重要的作用[5，6]。

3.6擴增實境中的應用

擴增實境是虛擬現(xiàn)實最具實用價值的應用之一。它在真實環(huán)境的基礎上把虛擬環(huán)境疊加進去，使二者有機結合，產(chǎn)生虛實難辯、亦幻亦真的感覺。例如：當人進入到一商店購某物時，即可在顯示設備上顯示此物的價格、性能及各種參數(shù)等。

4結論

虛擬現(xiàn)實（VR）技術是20世紀90年代以來興起的一種新型信息技術，它集多媒體、網(wǎng)絡技術、傳感技術等多種先進技術為一體，是當今前景最好的計算機技術之一。21世紀的計算機是VR計算機，VR是放大智慧的新工具，是億萬美元的產(chǎn)業(yè)。隨著計算機技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術將被廣泛應用于城市規(guī)劃、醫(yī)學領域、娛樂與藝術文化、衛(wèi)星與航天工業(yè)、室內設計領域、地產(chǎn)開發(fā)領域、農(nóng)村開發(fā)管理、虛擬工業(yè)仿真領域、應急處理預演、文物古跡還原、產(chǎn)品展示機展覽展示、教育學、地址文化研究等各個領域。

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[9]百度百科.虛擬現(xiàn)實技術[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/95269.htm

[10]賽博文化.虛擬現(xiàn)實[EB/OL].http：//www.techcn.com.cn/index.php？doc-view-980

[11]轉載-我的ET成長家園.虛擬現(xiàn)實技術漫談[EB/OL].http：//jiangzhenzhen.bokee.com/4885286.html

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