什么是虛擬現實？
什么是虛擬現實？
虛擬現實（Virtual Reality），簡稱VR或稱靈境技術，實際上是一種可創建和體驗虛擬世界（Virtual World）的計算機系統。此種虛擬世界由計算機生成，可以是現實世界的再現，亦可以是構想中的世界，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互。它是以仿真的方式給用戶創造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界,并通過頭盔顯示器（HMD）、數據手套等輔助傳感設備，提供用戶一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環境中的作用與變化，產生沉浸感。VR技術是計算機技術、計算機圖形學、計算機視覺、視覺生理學、視覺心理學、仿真技術、微電子技術、多媒體技術、信息技術、立體顯示技術、傳感與測量技術、軟件工程、語音識別與合成技術、人機接口技術、網絡技術及人工智能技術等多種高新技術集成之結晶。其逼真性和實時交互性為系統仿真技術提供有力的支撐。它同時具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和構想性（imagination），使人們能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有交互效能多維化的信息環境。
沉浸性是指用戶對虛擬世界中的真實感，此種真實感將使用戶難以覺察、分辨出其自身正處于一個由計算機生成的虛擬環境中；交互性是指用戶對虛擬世界中的物體的可操作性；構想性是指用戶在虛擬世界的多維信息空間中，依靠自身的感知和認知能力可全方位地獲取知識，發揮主觀能動性，尋求對問題的完美解決。研究和開發VR技術的根本目的旨在擴展人類的認知與感知能力，建立和諧的人機環境。
VR技術是系統仿真中新興技術之一，它實際上是一種采用計算機技術制作仿真的假想世界的技術，采用計算機產生一個被仿真世界的動態、三維視覺環境，使操作者產生一種身臨其境的感覺。采用此項新技術，參與者使用硬件，如鍵盤、數據手套、三維鼠標器、跟蹤球、操縱桿、空間球、眼球跟蹤裝置、超聲波頭部跟蹤器、頭盔顯示器、攝錄像設備、大屏幕彩色投影機、立體護目鏡、音響、耳機、語音識別與合成裝置、工作站及數據服等以獲得所需的感知，來體驗計算機世界境況。
一、VR系統的構成
VR環境系統包括建模、控制和媒體數據源三大部分。建模系指利用物理的或數學的方法，對需要仿真的實際系統進行描述獲得近似的數學模型。這是進行數字仿真或半實物仿真必不可少的步驟。地物的幾何建模技術是虛擬地景仿真中最為重要的研究領域之一。虛擬地形環境（Virtual Terrain Environment）是應用VR技術在數字地圖的基礎上建立起來的，逼真地描述地球表面及其現象的實時、交互的地形場景。虛擬地形環境的研究，提供了一種新的空間環境認知手段，必將促進地圖學、地理學等相關信息科學理論的發展與深入；它是未來數字化戰場測繪的保障方式；它的研究將會促進VR技術進一步的研究與發展，提高VR技術的應用水平，為諸如數字化城市、數字化社會及數字化地球的實用化提供有效的技術積累。
基于圖像的建模（Image-Based Modeling,IBM）技術近來發展迅速，它采用一組采樣圖像來建立VR環境的模型，而不是使用傳統基于幾何建模所采用的幾何圖元，從而使VR技術能在個人計算機（PC）上得到應用與推廣。其技術包括：場景的采樣；VR環境的表示；由場景的采樣轉化為VR環境表示的建模技術。VR系統是一種由計算機局部或全部生成的多維虛擬感覺環境，給參與者產生各種感官信息，如視覺、聽覺、手感、觸感、味覺及嗅覺等，能體驗、接受并認識客觀世界中的客觀事物。三維立體顯示是其一項必不可少的關鍵設備，它是系統向用戶輸出反饋信息的主要手段。雙眼視覺對產生VR系統環境至關重要。VR系統可由如下各部分構成：
①高性能計算機系統、計算機圖像的特征采樣與圖形交互作用技術。
②虛擬環境生成器，軍事訓練模擬中的視景生成技術是當前研究的一個重要內容。智能虛擬環境（IVE）是VR、人工智能及人工生命技術的有機結合，目前，有關IVE的研究工作在國外亦剛剛起步，有眾多關鍵技術仍需作進一步的研究。現從事IVE研究的人員大多來自人工智能和知識工程領域，隨著對IVE技術研究的深入，該領域必將會得到重大的突破，具有高度行為真實感的、支持多個參與者的、具有生命特征的智能虛擬世界將會日趨涌現。當前VR研究中的一個熱門課題是分布式虛擬環境（DVE）。
③計算機網絡。
④三維視景圖像生成及立體顯示系統，基于圖像的視景生成技術需解決的問題是顯示的模型及如何在模型上產生出圖像。這主要有柱面模型和球面模型兩種，戰場環境仿真是作戰仿真的重要內容，逼真的戰場環境實時仿真是作戰仿真之基礎，因此充分利用VR及計算機圖形學最新研究成果的戰場可視化系統便應運而生。
⑤立體音響生成與揚聲系統，它是虛擬環境多維信息中的一個重要組成部分。聽覺是僅次于視覺的感知途徑，它向用戶提供的輔助信息，可增強視覺的感知，彌補視覺效果之不足，增強環境的逼真性。利用不同聲源到達某一特定位置的時間差、相位差及聲壓差等進行虛擬環境的聲音跟蹤是實物虛化的重要組成部分；聲波傳播時間測定法和相位相干測定法屬于實現聲音定位跟蹤的兩種基本方法。若給綜合戰場環境中加入虛擬聲音，將會增強綜合戰場環境的逼真性與完整性，可給作戰指揮員提供強烈的沉浸感和臨場感，減弱大腦對視覺的依賴性，并能獲得更多的信息。
⑥力反饋觸覺系統，參與者在虛擬環境中產生沉浸感的重要因素之一是用戶在用手或身體操縱虛擬物體時，能感受到虛擬物體與虛擬物體之間的作用力與反作用力，從而產生出觸覺和力覺的感知。
⑦人體的姿勢、頭、眼、手位置的跟蹤測量系統，運動跟蹤作為人與虛擬環境之間信息交互的一個重要因素，是近年來VR技術發展的一個重要領域。人體行為交互是人際之間除語音外的一種重要交互方法，行為表現模型的建立是一個技術關鍵。信息社會的顯著特點與基礎是數字化技術，人類自身的數字化便顯得頗為重要，需進行深入的研究，這便是虛擬人合成的研究目的及其意義所在，最終使得計算機與人之間可實現自然化的交互。
⑧人機接口界面及多維的通信方式，這些技術目前主要集中反映在頭盔顯示器和數據手套這兩類交互設備中。
⑨各種數據庫（地形地貌、地理信息、圖像紋理、氣動數據、武器性能參數、導航數據、氣象數據、背景干擾及通用模型等）。
⑩軟件支撐環境，需建立并開發出虛擬世界數據庫；在底層支撐軟件及三維造型軟件的支撐下，建立起VR系統的開發工具軟件；在輸入輸出傳感器等硬件支撐下，建立起人機交互圖形的界面。
二、VR的關鍵技術
與傳統的信息系統相比，VR系統屬于一種新型多維化人機和諧的信息系統。在此種VR系統內，人們感受到的最突出的特點是其沉浸性、交互性和構想性。為實現這種新型的信息處理系統，滿足人們對沉浸性、交互性和構想性日趨增高的需求，在眾多技術難題中至少應重點提高3項關鍵技術的水平。
⒈提高“身臨其境”的沉浸感
VR的沉浸性是使人具有逼真感之根本。為了逼真地模擬視覺功能，在很大程度上是依賴于VR技術的圖像處理和理解能力，圖像處理的質量愈高，圖像處理的速度愈快，圖像識別的能力愈強，系統的理解能力愈完善，系統的視覺沉浸感便愈佳。視覺是提高沉浸感的重要因素，但并非是惟一的因素；聽覺可能是VR技術中最先達到逼真程度的領域；觸覺是一個剛起步研究與試驗的領域。由微處理器和傳感器構成的數據手套，與視覺、聽覺相配合，大大地增強了VR系統的逼真感；而嗅覺與味覺還屬于一個尚未實質性地開展研究的領域。故提高VR系統的沉浸感，尚需進行大量艱苦的工作。
⒉開發高性能的傳感器
VR的交互性是達到人機和諧之關鍵，其性能優劣在很大程度上取決于與計算機相連的高性能傳感器及其相應的軟件。交互技術研究的主要任務是設計出交互技術并評估其性能，目前至關重要的兩種設計方法是：依據應用程序的特殊需求，憑直覺或想象設計出交互技術；按任務的結構劃分來指導進行設計。
為與虛擬環境發生交互作用，迄今已研制出多種傳感設備，上述所提到的鼠標器、數據手套、跟蹤球和超聲波頭部跟蹤器等，每一種傳感設備都各有千秋，選用時要注意揚長避短。目前針對VR系統的需求研制的性能更為完善的傳感器，如用紅外或其他光學方法跟蹤眼睛的活動，當知道人的眼睛注視何處時，便可用其實現某些控制。目前這些新型的傳感設備尚未成熟，人們正通過研制新材料、新結構、新工藝或新的控制機理，以提高其性能，這是當前VR技術中頗為活躍的一部分研究工作。
虛擬現實（Virtual Reality），簡稱VR或稱靈境技術，實際上是一種可創建和體驗虛擬世界（Virtual World）的計算機系統。此種虛擬世界由計算機生成，可以是現實世界的再現，亦可以是構想中的世界，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互。它是以仿真的方式給用戶創造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界,并通過頭盔顯示器（HMD）、數據手套等輔助傳感設備，提供用戶一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環境中的作用與變化，產生沉浸感。VR技術是計算機技術、計算機圖形學、計算機視覺、視覺生理學、視覺心理學、仿真技術、微電子技術、多媒體技術、信息技術、立體顯示技術、傳感與測量技術、軟件工程、語音識別與合成技術、人機接口技術、網絡技術及人工智能技術等多種高新技術集成之結晶。其逼真性和實時交互性為系統仿真技術提供有力的支撐。它同時具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和構想性（imagination），使人們能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有交互效能多維化的信息環境。
沉浸性是指用戶對虛擬世界中的真實感，此種真實感將使用戶難以覺察、分辨出其自身正處于一個由計算機生成的虛擬環境中；交互性是指用戶對虛擬世界中的物體的可操作性；構想性是指用戶在虛擬世界的多維信息空間中，依靠自身的感知和認知能力可全方位地獲取知識，發揮主觀能動性，尋求對問題的完美解決。研究和開發VR技術的根本目的旨在擴展人類的認知與感知能力，建立和諧的人機環境。
VR技術是系統仿真中新興技術之一，它實際上是一種采用計算機技術制作仿真的假想世界的技術，采用計算機產生一個被仿真世界的動態、三維視覺環境，使操作者產生一種身臨其境的感覺。采用此項新技術，參與者使用硬件，如鍵盤、數據手套、三維鼠標器、跟蹤球、操縱桿、空間球、眼球跟蹤裝置、超聲波頭部跟蹤器、頭盔顯示器、攝錄像設備、大屏幕彩色投影機、立體護目鏡、音響、耳機、語音識別與合成裝置、工作站及數據服等以獲得所需的感知，來體驗計算機世界境況。
一、VR系統的構成
VR環境系統包括建模、控制和媒體數據源三大部分。建模系指利用物理的或數學的方法，對需要仿真的實際系統進行描述獲得近似的數學模型。這是進行數字仿真或半實物仿真必不可少的步驟。地物的幾何建模技術是虛擬地景仿真中最為重要的研究領域之一。虛擬地形環境（Virtual Terrain Environment）是應用VR技術在數字地圖的基礎上建立起來的，逼真地描述地球表面及其現象的實時、交互的地形場景。虛擬地形環境的研究，提供了一種新的空間環境認知手段，必將促進地圖學、地理學等相關信息科學理論的發展與深入；它是未來數字化戰場測繪的保障方式；它的研究將會促進VR技術進一步的研究與發展，提高VR技術的應用水平，為諸如數字化城市、數字化社會及數字化地球的實用化提供有效的技術積累。
基于圖像的建模（Image-Based Modeling,IBM）技術近來發展迅速，它采用一組采樣圖像來建立VR環境的模型，而不是使用傳統基于幾何建模所采用的幾何圖元，從而使VR技術能在個人計算機（PC）上得到應用與推廣。其技術包括：場景的采樣；VR環境的表示；由場景的采樣轉化為VR環境表示的建模技術。VR系統是一種由計算機局部或全部生成的多維虛擬感覺環境，給參與者產生各種感官信息，如視覺、聽覺、手感、觸感、味覺及嗅覺等，能體驗、接受并認識客觀世界中的客觀事物。三維立體顯示是其一項必不可少的關鍵設備，它是系統向用戶輸出反饋信息的主要手段。雙眼視覺對產生VR系統環境至關重要。VR系統可由如下各部分構成：
①高性能計算機系統、計算機圖像的特征采樣與圖形交互作用技術。
②虛擬環境生成器，軍事訓練模擬中的視景生成技術是當前研究的一個重要內容。智能虛擬環境（IVE）是VR、人工智能及人工生命技術的有機結合，目前，有關IVE的研究工作在國外亦剛剛起步，有眾多關鍵技術仍需作進一步的研究。現從事IVE研究的人員大多來自人工智能和知識工程領域，隨著對IVE技術研究的深入，該領域必將會得到重大的突破，具有高度行為真實感的、支持多個參與者的、具有生命特征的智能虛擬世界將會日趨涌現。當前VR研究中的一個熱門課題是分布式虛擬環境（DVE）。
③計算機網絡。
④三維視景圖像生成及立體顯示系統，基于圖像的視景生成技術需解決的問題是顯示的模型及如何在模型上產生出圖像。這主要有柱面模型和球面模型兩種，戰場環境仿真是作戰仿真的重要內容，逼真的戰場環境實時仿真是作戰仿真之基礎，因此充分利用VR及計算機圖形學最新研究成果的戰場可視化系統便應運而生。
⑤立體音響生成與揚聲系統，它是虛擬環境多維信息中的一個重要組成部分。聽覺是僅次于視覺的感知途徑，它向用戶提供的輔助信息，可增強視覺的感知，彌補視覺效果之不足，增強環境的逼真性。利用不同聲源到達某一特定位置的時間差、相位差及聲壓差等進行虛擬環境的聲音跟蹤是實物虛化的重要組成部分；聲波傳播時間測定法和相位相干測定法屬于實現聲音定位跟蹤的兩種基本方法。若給綜合戰場環境中加入虛擬聲音，將會增強綜合戰場環境的逼真性與完整性，可給作戰指揮員提供強烈的沉浸感和臨場感，減弱大腦對視覺的依賴性，并能獲得更多的信息。
⑥力反饋觸覺系統，參與者在虛擬環境中產生沉浸感的重要因素之一是用戶在用手或身體操縱虛擬物體時，能感受到虛擬物體與虛擬物體之間的作用力與反作用力，從而產生出觸覺和力覺的感知。
⑦人體的姿勢、頭、眼、手位置的跟蹤測量系統，運動跟蹤作為人與虛擬環境之間信息交互的一個重要因素，是近年來VR技術發展的一個重要領域。人體行為交互是人際之間除語音外的一種重要交互方法，行為表現模型的建立是一個技術關鍵。信息社會的顯著特點與基礎是數字化技術，人類自身的數字化便顯得頗為重要，需進行深入的研究，這便是虛擬人合成的研究目的及其意義所在，最終使得計算機與人之間可實現自然化的交互。
⑧人機接口界面及多維的通信方式，這些技術目前主要集中反映在頭盔顯示器和數據手套這兩類交互設備中。
⑨各種數據庫（地形地貌、地理信息、圖像紋理、氣動數據、武器性能參數、導航數據、氣象數據、背景干擾及通用模型等）。
⑩軟件支撐環境，需建立并開發出虛擬世界數據庫；在底層支撐軟件及三維造型軟件的支撐下，建立起VR系統的開發工具軟件；在輸入輸出傳感器等硬件支撐下，建立起人機交互圖形的界面。
二、VR的關鍵技術
與傳統的信息系統相比，VR系統屬于一種新型多維化人機和諧的信息系統。在此種VR系統內，人們感受到的最突出的特點是其沉浸性、交互性和構想性。為實現這種新型的信息處理系統，滿足人們對沉浸性、交互性和構想性日趨增高的需求，在眾多技術難題中至少應重點提高3項關鍵技術的水平。
⒈提高“身臨其境”的沉浸感
VR的沉浸性是使人具有逼真感之根本。為了逼真地模擬視覺功能，在很大程度上是依賴于VR技術的圖像處理和理解能力，圖像處理的質量愈高，圖像處理的速度愈快，圖像識別的能力愈強，系統的理解能力愈完善，系統的視覺沉浸感便愈佳。視覺是提高沉浸感的重要因素，但并非是惟一的因素；聽覺可能是VR技術中最先達到逼真程度的領域；觸覺是一個剛起步研究與試驗的領域。由微處理器和傳感器構成的數據手套，與視覺、聽覺相配合，大大地增強了VR系統的逼真感；而嗅覺與味覺還屬于一個尚未實質性地開展研究的領域。故提高VR系統的沉浸感，尚需進行大量艱苦的工作。
⒉開發高性能的傳感器
VR的交互性是達到人機和諧之關鍵，其性能優劣在很大程度上取決于與計算機相連的高性能傳感器及其相應的軟件。交互技術研究的主要任務是設計出交互技術并評估其性能，目前至關重要的兩種設計方法是：依據應用程序的特殊需求，憑直覺或想象設計出交互技術；按任務的結構劃分來指導進行設計。
為與虛擬環境發生交互作用，迄今已研制出多種傳感設備，上述所提到的鼠標器、數據手套、跟蹤球和超聲波頭部跟蹤器等，每一種傳感設備都各有千秋，選用時要注意揚長避短。目前針對VR系統的需求研制的性能更為完善的傳感器，如用紅外或其他光學方法跟蹤眼睛的活動，當知道人的眼睛注視何處時，便可用其實現某些控制。目前這些新型的傳感設備尚未成熟，人們正通過研制新材料、新結構、新工藝或新的控制機理，以提高其性能，這是當前VR技術中頗為活躍的一部分研究工作。
- 上一篇：關于虛擬現實技術 2017/6/19
- 下一篇：什么是CPU虛擬化技術 2017/6/19