自从计算机诞生以来，传统的信息处理环境一直是以计算机为中心，是“人适应计算机”。要实现以人为本，让“计算机适应人”，必须解决一系列技术问题，形成和谐的人机环境。虚拟现实技术就是解决这一类问题的方法之一。本文着重从实物虚化、虚物实化、高性能计算处理技术等四个方面阐述虚拟现实技术的发展及其应用领域现状。

概念与特征

　　虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。VR带来了人机交互的新概念、新内容、新方式和新方法，使得人机交互的内容更加丰富、形象，方式更加自然、和谐。
　　虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，它具有以下主要特征：
　　 （1）依托学科的高度综合化；
　　 （2）人的临场化；
　　 （3）系统或环境的大规模集成化；
　　 （4）数据表示的多样化和标准化，数据存储的大容量、数据传输的高速化与数据处理的分布式和并行化。

关键技术

　　实物虚化、虚物实化和高性能的计算处理技术是VR技术的三个主要方面。实物虚化是将现实世界的多维信息映射到计算机的数字空间生成相应的虚拟世界，为高性能的计算处理提供必要的信息数据。虚物实化通过各种计算和仿真技术使计算机生成的虚拟世界中的事物所产生的各种刺激以尽可能自然的方式反馈给用户。
　　1.实物虚化
　　实物虚化主要包括基本模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉跟踪和视点感应等关键技术，这些技术使得真实感虚拟世界的生成、虚拟环境对用户操作的检测和操作数据的获取成为可能。
　　（1）基本模型构建技术
基本模型的构建是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，它将真实世界的对象物体在相应的三维虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性。
模型构建首先要建立对象物体的几何模型，确定其空间位置和几何元素的属性。例如，通过CAD/CAM或二维图纸构建产品或建筑的三维几何模型；通过GIS数据和卫星、遥感或航拍照片构造大型虚拟战场。
　　为了增强虚拟环境的真实感，物理特性和行为规则建模要表现出对象物体的质量、动量、材料等物理特性，并在虚拟环境中遵循一定的运动和动力学规律。
　　当几何模型和物理模型很难准确地刻画出真实世界中存在的某些特别对象或现象时，可根据具体的需要采用一些特别的模型构建方法。例如，可以对气象数据进行建模生成虚拟环境的气象情况（阴天、晴天、雨、雾）。
　　（2）空间跟踪技术
虚拟环境的空间跟踪主要是通过头盔显示器、数据手套(DATAGLOVE)，立体眼镜，数据衣等交互设备上的空间传感器，确定用户的头、手、躯体或其他操作物在三维虚拟环境中的位置和方向。
　　跟踪系统一般由发射器、接收器和电子部件组成。目前的跟踪系统有电磁、机械、光学、超声等几类。
　　数据手套是VR系统常用的人机交互设备，它可测量出手的位置和形状从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。Cyber Glove通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向。
　　（3）声音跟踪技术
利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差等进行虚拟环境的声音跟踪是实物虚化的重要组成部分。声波飞行时间测量法和相位相干测量法是两种可以实现声音位置跟踪的基本算法。在小的操作范围内，声波飞行时间法能表现出较好的精确度和相应性。随操作范围的扩大，声波飞行时间法的数据传输率降低，易受伪声音的脉冲干扰。相位相干法本质上不易受到噪声干扰，并允许过滤冗余数据存在且不会引起滞留。但相位相干法不能直接测量距离而只能测量位置的变化，易受累计误差的干扰。
　　声音跟踪一般包括若干个发射器、接受器和控制单元。它可以与头盔显示器相连，也可以与数据衣、数据手套等其他设备相连。
　　（4）视觉跟踪与视点感应技术
　　实物虚化的视觉跟踪技术使用从视频摄像机到X-Y平面阵列，周围光或者跟踪光在图像投影平面不同时刻和不同位置上的投影，计算被跟踪对象的位置和方向。视觉跟踪的实现必须考虑精度和操作范围间的折衷选择，采用多发射器和多传感器的设计能增强视觉跟踪的准确性，但使系统变得复杂并且昂贵。
　　视点感应必须与显示技术相结合，采用多种定位方法（眼罩定位、头盔显示、遥视技术和基于眼肌的感应技术）可确定用户在某一时刻的视线。例如将视点检测和感应技术集成到头盔显示系统中，飞行员仅靠“注视”就可在某些非常时期操纵虚拟开关或进行飞行控制。
　　2.虚物实化
　　确保用户在虚拟环境中获取视觉、听觉、力觉和触觉等感官认知的关键技术，是虚物实化的主要研究内容。
　　（1）视觉感知
　　虚拟环境中

大部分具有一定形状的物体或现象，可以通过多种途径使用户产生真实感很强的视觉感知。CRT显示器、大屏幕投影、多方位电子墙、立体眼镜、头盔显示器（HMD）等是VR系统中常见的显示设备。不同的头盔显示器具有不同的显示技术，根据光学图像被提供的方式，头盔显示设备可分为投影式和直视式。
　　能增强虚拟环境真实感的立体显示技术，可以使用户的左、右眼看到有视差的两幅平面图像，并在大脑中将它们合成并产生立体视觉感知。头盔显示器、立体眼镜是两种常见的立体显示设备。目前，基于激光全息计算的立体显示技术、用激光束直接在视网膜上成像的显示技术正在研究之中。
　　（2）听觉感知
　　听觉是仅次于视觉的感知途径，虚拟环境的声音效果，可以弥补视觉效果的不足，增强环境逼真度。
　　用户所感受的三维立体声音，有助于用户在操作中对声音定位。传统声音模型的定位是根据声源到达听者两耳的时间差ITD和声源对左、右两耳的压力差IID来定位的，但它无法解释单耳定位。现代声音模型侧重于用头部相关传递函数HRTF描述声音从声源到外耳道的传播过程，并可以支持单耳定位。HRTF主要用滤波的方法来模拟头部效应、耳廓效应和头部遮掩效应。NASA空军研究中心曾经在人工耳道中放入很小的麦克风，记录许多不同声源对头部的脉冲响应，然后根据HRTF与脉冲结果，产生虚拟环境的位置感。
　　（3）力觉和触觉感知
　　能否让参与者产生“沉浸”感的关键因素之一是用户能否在操纵虚拟物体的同时，感受到虚拟物体的反作用力，从而产生触觉和力觉感知。例如，当你用手扳动虚拟驾驶系统的汽车档位杆时，你的手能感觉到档位杆的震动和松紧。
　　力觉感知主要由计算机通过力反馈手套、力反馈操纵杆对手指产生运动阻尼从而使用户感受到作用力的方向和大小。由于人的力觉感知非常敏感，一般精度的装置根本无法满足要求，而研制高精度力反馈装置又相当困难和昂贵，这是人们面临的难题之一。
　　如果没有触觉反馈，当用户接触到虚拟世界的某一物体时容易使手穿过物体。解决这种问题的有效方法是在用户的交互设备中增加触觉反馈。触觉反馈主要是基于视觉、气压感、振动触感、电子触感和神经肌肉模拟等方法来实现的。向皮肤反馈可变电脉冲的电子触感反馈和直接刺激皮层的神经肌肉模拟反馈都不太安全，相对而言，气压式和振动触感式是较为安全的触觉反馈方法。
　　3.高性能计算处理技术
虚拟现实是以计算机技术为核心的现代高新科技，高性能的计算处理技术是直接影响系统性能的关键所在。具有高计算速度，强处理能力，大存储容量和强联网特性等特征的高性能计算处理技术主要包括以下研究内容：
　　（1）服务于实物虚化和虚物实化的数据转换和数据预处理；
　　（2）实时、逼真图形图像生成与显示技术；
　　（3）多种声音的合成与声音空间化技术；
　　（4）多维信息数据的融合、数据转换、数据压缩、数据标准化以及数据库的生成；
　　（5）模式识别。如命令识别、语音识别，以及手势和人的面部表情信息的检测、合成和识别；
　　（6）高级计算模型的研究。如专家系统、自组织神经网、遗传算法等；
　　（7）分布式与并行计算，以及高速、大规模的远程网络技术。
　　4. 分布式虚拟现实
　　分布式虚拟现实的研究目标是建立一个可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境，处于不同地理位置的用户如同进入到一个真实世界，不受物理时空的限制，通过姿势、声音或文字等“在一起”进行交流、学习、研讨、训练、娱乐，甚至协同完成同一件比较复杂的产品设计或进行同一艰难任务的演练。
　　分布式虚拟现实的研究有两大阵营。一个是国际互联网上的分布式虚拟现实，如基于VRML标准的远程虚拟购物。另一个是在由军方投资的高速专用网，如采用ATM技术的美国军方国防仿真互联网DSI。

应用领域

　　VR技术的产生和发展，为解决和处理要巨额资金和巨大人力投入，或者不得不承担人员伤亡危险的各种问题提供了新方法，目前VR技术的应用主要集中在以下几个方面：
　　1.产品设计与性能评价
　　波音777飞机的设计是虚拟原型机的应用典型实例，它由300万个零件组成，所有的设计在一个由数百台工作站组成的虚拟环境中进行。
1996年，加州伯克利分校在SGI工作站上实现了本校新楼Soda Hall的实时漫游。我国北京航空航天大学虚拟现实与可视化新技术研究室，也完成了恒昌花园及其房内装修、虚拟北航等漫游系统的开发，目前正在为国家科技馆建造一个珠穆朗玛峰及其周边环境的漫游系统。
　　2.教育与娱乐
　　将VR技术应用于教育可以使学生能够游览海底、遨游太空、观摩历史城堡，甚至深入原子内部观察电子的运动轨迹。分布式虚拟图书馆突破了物理时空的限制并有效地利用了共享资源，基于国际互联网的分布式虚拟图书馆具有巨大的前景。
VR技术在娱乐业有着极其广泛的应用。第一个大规模的VR娱乐系统“BattleTech”，将每个“座舱”仿真器联网进行组之间的对抗，三

维逼真视景、游戏杆、油门、刹车和受到打击时的晃动给用户很强的感官刺激。
　　3.高难度和危险环境下的训练
　　服务于医疗手术训练的VR系统，用CT或MRI数据在计算机中重构人体或某一器官的几何模型，并赋予一定的物理特征（例如密度、韧度、组织比例等），并通过机械手或数据手套等高精度的交互工具在计算机中模拟手术过程，以达到训练、研究的目的。
美国的NASA和ESA(欧洲空间局)曾成功地将VR技术应用于航天运载器的空间活动、空间站的自由操作和对哈勃空间的维修。
　　4.分布式虚拟战场环境
　　军事领域是VR技术最早研究和应用的领域。最早的分布式虚拟战场环境应该是1983年DARPA和美国陆军共同制定的SIMNET研究计划。从1994年开始，美国DARPA与USACOM联合开展了战争综合演练场STOW的研究,形成了一个包括海陆空多兵种、3700个仿真实体参与、地域范围覆盖500×750km2的军事演练环境。
　　我国从1996年起，国家863计划支持下的DVENET，是由北京航空航天大学联合浙江大学、国防科技大学、装甲兵工程学院、解放军测绘学院和中科院软件所等单位开发的一个分布式虚拟环境基础信息平台。基于DVENET的分布式虚拟战场环境，将分布在不同地域的若干真实仿真器和虚拟仿真器联合在一起，进行异地协同与对抗战术仿真演练。
 

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