虚拟现实（运用于仿真技术领域的模拟系统）

简介

所谓虚拟现实，顾名思义，就是虚拟和现实相互结合。从理论上来讲，虚拟现实技术（VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。虚拟现实技术就是利用现实生活中的数据，通过计算机技术产生的电子信号，将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象，这些现象可以是现实中真真切切的物体，也可以是我们肉眼所看不到的物质，通过三维模型表现出来。因为这些现象不是我们直接所能看到的，而是通过计算机技术模拟出来的现实中的世界，故称为虚拟现实。

虚拟现实技术受到了越来越多人的认可，用户可以在虚拟现实世界体验到最真实的感受，其模拟环境的真实性与现实世界难辨真假，让人有种身临其境的感觉；同时，虚拟现实具有一切人类所拥有的感知功能，比如听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉等感知系统；最后，它具有超强的仿真系统，真正实现了人机交互，使人在操作过程中，可以随意操作并且得到环境最真实的反馈。正是虚拟现实技术的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了许多人的喜爱。

发展历程

对现实世界的景物进行模拟仿真，一直是人类追求的一个目标。现代科学技术的发展把人类的这一追求不断推向新的阶段和高度，虚拟现实所生成的数字化环境在模拟现实世界方向上达到了新境界。用户可以借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用，相互影响，产生亲临相应真实环境的感受和体验。例如，人们可以在虚拟战场环境中进行军事训练和演练，在虚拟人体上进行手术训练和手术规划，也可以乘虚拟光速航天器在虚拟太空漫游，体验相对论世界。

1965年，计算机图形学的重要奠基人Ivan Sutherland发表了一篇短文“The Ultimate Dispaly”，以其丰富的想象力描绘了一种新的显示技术，他设想在这种显示技术支持下，观察者可以直接沉浸在计算机控制的虚拟环境之中，就如同在真实世界一样，观察者还能以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互，如触摸感知和控制虚拟对象等。Ivan Sutherland的文章从计算机显示和人机交互的角度提出了模拟现实的思想，推动了计算机图形技术的发展，并启发了头盔显示器、传感手套等新型人机交互设备的研究。

1966年，美国麻省理工学院(MIT)的林肯实验室研制出了第一个头盔式显示器，随后又将模拟力、触觉的反馈装置加入到系统中，总体上说20世纪六七十年代是VR思想、概念和技术的酝酿形成阶段。

进入80年代，随着计算机技术，特别是个人计算机和计算机网络的发展，VR技术发展加快。这一时期出现了几个典型的虚拟现实系统，推动了虚拟现实技术发展。1989年，Jaron Lanier提出了Virtual Reality一词，很快这一术语被研究人员普遍接受，成为这一科学技术领域的专用名称。

90年代以后，由于军事演练、航空航天、复杂设备研制等重要应用领域的巨大需求，VR技术进入了快速发展时期，这一时期用于虚拟现实系统开发的软件平台和建模语言开始在市场出现。1994年在日内瓦召开的第一届WWW大会上，提出了虚拟现实建模语言(Vietual reality modeling language,VRML)，开始了相关国际标准的制定。同年，Burdea G和Coiffet出版了“Vietual reality Technology”一书，用3I(Immersion、Interaction、Imagination)，即沉浸、交互和想象概括了虚拟现实的基本特征。

20世纪90年代初中国一些高校和科研院所的研究人员从不同角度开始对虚拟现实进行研究，在虚拟现实理论研究、技术创新、系统开发和应用推广方面都取得明显成绩。由于虚拟现实的学科综合性和不可替代性，以及经济、社会、军事领域越来越多的应用需求，2006年国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将虚拟现实技术列为信息领域优先发展的前沿技术之一，2008年美国工程院公布了人类21世纪面临的14个重大工程挑战问题，虚拟现实是其中之一。^[1]

分类

VR涉及学科众多，应用领域广泛，系统种类繁杂，这是由其研究对象、研究目标和应用需求决定的。从不同角度出发，可对VR系统做出不同分类。

1、根据沉浸式体验角度分类

沉浸式体验分为非交互式体验、人——虚拟环境交互式体验和群体——虚拟环境交互式体验等几类。该角度

虚拟现实

如果将该套系统网络化、多机化，使多个用户共享一套虚拟环境，便得到群体—虚拟环境交互式体验系统，如大型网络交互游戏等，此时的VR系统与真实世界无甚差异。

2、根据系统功能角度分类

系统功能分为规划设计、展示娱乐、训练演练等几类。规划设计系统可用于新设施的实验验证，可大幅缩短研发时长，降低设计成本，提高设计效率，城市排水、社区规划等领域均可使用，如VR模拟给排水系统，可大幅减少原本需用于实验验证的经费；展示娱乐类系统适用于提供给用户逼真的观赏体验，如数字博物馆，大型3D交互式游戏，影视制作等，如VR技术早在70年代便被Disney用于拍摄特效电影；训练演练类系统则可应用于各种危险环境及一些难以获得操作对象或实操成本极高的领域，如外科手术训练、空间站维修训练等。

特征

1、沉浸性

沉浸性是虚拟现实技术最主要的特征，就是让用户成为并感受到自己是计算机系统所创造环境中的一部分，虚拟现实技术的沉浸性取决于用户的感知系统，当使用者感知到虚拟世界的刺激时，包括触觉、味觉、嗅觉、运动感知等，便会产生思维共鸣，造成心理沉浸，感觉如同进入真实世界。

2、交互性

交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度，使用者进入虚拟空间，相应的技术让使用者跟环境产生相互作用，当使用者进行某种操作时，周围的环境也会做出某种反应。如使用者接触到虚拟空间中的物体，那么使用者手上应该能够感受到，若使用者对物体有所动作，物体的位置和状态也应改变。

3、多感知性

多感知性表示计算机技术应该拥有很多感知方式，比如听觉，触觉、嗅觉等等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前大多数虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、触觉、运动等几种。

4、构想性

构想性也称想象性，使用者在虚拟空间中，可以与周围物体进行互动，可以拓宽认知范围，创造客观世界不存在的场景或不可能发生的环境。构想可以理解为使用者进入虚拟空间，根据自己的感觉与认知能力吸收知识，发散拓宽思维，创立新的概念和环境。

5、自主性

是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。如当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。

关键技术

虚拟现实的关键技术主要包括：

1、动态环境建模技术

虚拟环境的建立是VR系统的核心内容，目的就是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要建立相应的虚拟环境模型。

2、实时三维图形生成技术

三维图形的生成技术已经较为成熟，那么关键就是“实时”生成。为保证实时，至少保证图形的刷新频率不低于15帧/秒，最好高于30帧/秒。

3、立体显示和传感器技术

虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的设备不能满足需要，力学和触觉传感装置的研究也有待进一步深入，虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高。

4、应用系统开发工具

虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，选择适当的应用对象可以大幅度提高生产效率，减轻劳动强度，提高产品质量。想要达到这一目的，则需要研究虚拟现实的开发工具。

5、系统集成技术

由于VR系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技术起着至关重要的作用，集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等。

技术应用

1、在影视娱乐中的应用

近年来，由于虚拟现实技术在影视业的广泛应用，以虚拟现实技术为主而建立的第一现场9DVR体验馆得以实

虚拟现实

2、在教育中的应用

如今，虚拟现实技术已经成为促进教育发展的一种新型教育手段。传统的教育只是一味的给学生灌输知识，而现在利用虚拟现实技术可以帮助学生打造生动、逼真的学习环境，使学生通过真实感受来增强记忆，相比于被动性灌输，利用虚拟现实技术来进行自主学习更容易让学生接受，这种方式更容易激发学生的学习兴趣。此外，各大院校利用虚拟现实技术还建立了与学科相关的虚拟实验室来帮助学生更好的学习。

3、在设计领域的应用

虚拟现实技术在设计领域小有成就，例如室内设计，人们可以利用虚拟现实技术把室内结构、房屋外形通过虚拟技术表现出来，使之变成可以看的见的物体和环境。同时，在设计初期，设计师可以将自己的想法通过虚拟现实技术模拟出来，可以在虚拟环境中预先看到室内的实际效果，这样既节省了时间，又降低了成本。

4、虚拟现实在医学方面的应用

医学专家们利用计算机，在虚拟空间中模拟出人体组织和器官，让学生在其中进行模拟操作，并且能让学生感受到手术刀切入人体肌肉组织、触碰到骨头的感觉，使学生能够更快的掌握手术要领。而且，主刀医生们在手术前，也可以建立一个病人身体的虚拟模型，在虚拟空间中先进行一次手术预演，这样能够大大提高手术的成功率，让更多的病人得以痊愈。

5、虚拟现实在军事方面的应用

由于虚拟现实的立体感和真实感，在军事方面，人们将地图上的山川地貌、海洋湖泊等数据通过计算机进行编写，利用虚拟现实技术，能将原本平面的地图变成一幅三维立体的地形图，再通过全息技术将其投影出来，这更有助于进行军事演习等训练，提高我国的综合国力。

除此之外，现在的战争是信息化战争，战争机器都朝着自动化方向发展，无人机便是信息化战争的最典型产物。无人机由于它的自动化以及便利性深受各国喜爱，在战士训练期间，可以利用虚拟现实技术去模拟无人机的飞行、射击等工作模式。战争期间，军人也可以通过眼镜、头盔等机器操控无人机进行侦察和暗杀任务，减小战争中军人的伤亡率。由于虚拟现实技术能将无人机拍摄到的场景立体化，降低操作难度，提高侦查效率，所以无人机和虚拟现实技术的发展刻不容缓。

6、虚拟现实在航空航天方面的应用

由于航空航天是一项耗资巨大，非常繁琐的工程，所以，人们利用虚拟现实技术和计算机的统计模拟，在虚拟空间中重现了现实中的航天飞机与飞行环境，使飞行员在虚拟空间中进行飞行训练和实验操作，极大地降低了实验经费和实验的危险系数。

现存问题

虚拟现实是新兴的信息科学技术领域，研究内容包括虚拟环境构造和应用的各个方面，存在的科学技术问题主要集中在建模、表现和人机交互三个方面。

1、虚拟现实中的建模，建模是虚拟现实的核心问题。现实世界对象在计算机数字空间中的表达，需要通过数学、物理，以及各种数字化方法将其自身状态、与其他对象之间的关系与相互作用及动态变化所遵循的规律映射为数字空间中的各种动静态数据表示，这一过程称为建模。建模存在一系列基本理论问题有待解决，如事物的可建模性、模型的复杂性、相似性，特别是模型的可信性度量等。

虚拟现实建模方法与所要模拟的对象类有关，也与应用领域密切相关。针对所要模拟对象的不同方面，可将建模方法分为景物外观建模、基于物理的建模、行为建模和虚实融合建模等。景物外观建模主要包括基于点云数据、网格、体素和材质光照信息的建模方法，景物外观建模起步时间较早，研究较多，物理建模在于体现对象的物理特性，使得虚拟环境中的动态景物更加逼真。目前体现较多的是虚拟实体的运动学和动力学特性，为进一步提高真实感，关于虚拟实体的材料、弹塑性和黏稠性等物理特性的研究越来越受到重视，物理特性的计算模型、高效算法以及有效的表现方法是需要研究解决的三大问题。近年来，虚拟现实应用对自治对象行为的智能水平提出了越来越高的需求，行为建模成为虚拟现实研究中一个重要方面，这一领域总体上属于人工智能的研究范畴。随着虚拟现实应用领域的不断扩展，虚实融合的环境受到人们的重视，通过虚拟现实建模构造相应的虚拟景物。将其融入真实场景，可以有效扩展人机交互的空间和虚拟现实的应用领域。其主要问题有虚实对象三维注册、遮挡处理、虚实光照融合处理等，由于现实世界形态的复杂性、发展的无限性，以及人类认识世界的局限性，使得建模成为虚拟现实领域永恒的研究内容。

2、虚拟环境对象的逼真表现表现技术是虚拟现实的重要研究内容，它将数字空间内的各种对象模型通过一定的表现方法和算法渲染在表现设备上呈现给用户，使用户产生相应的视、听、触(力)和嗅(味)觉等感受体验。表现方法与对象模型和表现设备直接相关，而且各种表现设备，如透视式头盔、全息真三维显示、力反馈操纵和触觉数据手套等都在不断发展。因此，这也是一个永恒的问题领域，嗅觉是人体的重要感知，如何让人感受到各种气味是虚拟现实领域研究的一个内容，嗅觉是由化学刺激产生的，这和视、听、触觉有很大不同，是一个难度很大的领域。

3、人机交互，主要是人对虚拟环境中对象的操作控制。这类问题涉及人或外部世界与虚拟环境对象之间互相作用的信息交换方式和人机交互设备，虚拟现实人机交互与计算机系统的人机交互具有十分密切的关系。既有一些共同的方式，也有明显的独特之处，计算机系统的人机交互主要是人与计算机之间的信息传递。而虚拟现实人机交互更强调人与虚拟环境之间的感知传递，这要求更高的自然性和真实感，真三维显示、自由度鼠标、三维空间方位跟踪，以及新概念虚拟现实人机交互机制和大量的面向领域应用的专用人机交互机制和人机交互设备是虚拟现实人机交互的重要研究内容。

虚拟现实是一个充满活力和挑战的科学技术领域，不仅存在有待解决的问题和难题，而且还在不断产生新的理论和关键技术问题，这些问题的解决会导致虚拟现实技术与应用的巨大发展。^[1]