理解虚拟现实技术 vr虚拟现实技术原理

虚拟现实（VirtualReality，简称VR）技术产生于20世纪60年代，VR一词创始于20世纪80年代，该技术涉及计算机图形学、传感器技术、动力学、光学、人工智能及社会心理学等研究领域，是多媒体和三维技术发展的更高境界。虚拟现实技术是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，是一种新的人机交互接口。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（VirtualEnvironment，简称VE），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，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。

虚拟现实技术一经问世，人们就对它产生了浓厚的兴趣。虚拟现实技术不但已开始在医学、军事、房地产、设计、考古、艺术、娱乐等诸多领域得到了越来越广泛的应用，而且还给社会带来了巨大的经济效益。因此业内人士认为：20世纪80年代是个人计算机的时代，90年代是网络、多媒体的时代，而21世纪则将是虚拟现实技术的时代。

1.1 虚拟现实技术的基本概念

　　首先我们提出为什么要研究虚拟仿真的问题，因为这个问题不搞清，我们就很难有意愿深入的学习这门新兴的科学。

对于传统人机交互方式，既人与计算机之间的交互是通过键盘、鼠标、显示屏等工具实现。而虚拟现实是将计算科学处理对象统一看作一个计算机生成的空间（虚拟空间或虚拟环境），并将操作它的人看作是这个空间的一个组成部分(man-in-the-loop)。

人与计算机空间的对象之间的交互是通过各种先进的感知技术与显示技术（即虚拟现实技术）完成的。人可以感受到虚拟环境中的对象，虚拟环境也可以感受到人对它的各种操作（类似于人与真实世界的交互方式）。

虚拟现实的概念最早是由美国人JaronLanier提出来的。虚拟（Virtual）说明这个世界和环境是虚拟的，是人工制造出来的，是存在于计算机内部的。用户可以“进入”这个虚拟环境中，可以以自然的方式和这个环境之间进行交互。所谓交互是指在感知环境和干预环境中，可让用户产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感，即身临其境的感觉。而虚拟环境系统则包括操作者，人机接口和计算机。

（1）人机接口的内容：计算机提供“环境”，不是数据和信息。这改变了人机接口的内容。

（2）人机接口的形式：操作者由视觉，力觉感知环境，由自然的动作操作环境，而不是由屏幕、键盘、鼠标和计算机交互，这改变了人机接口的形式。

（3）效果：逼真的感知和自然力的动作，使人产生身临其境的感觉，这改变了人机接口的效果。虚拟现实的主要目的是实现自然人机交互，即实现一种逼真的视、听、触觉一体化的计算机生成环境，这改变了人机接口的效果。

虚拟现实的主要实现方法是借助必要的装备，实现人与虚拟环境之间的信息转换，最终实现人与环境之间的自然交互与作用。在阐述了什么是虚拟现实技术的基础上，我们将进一步给出它的定义。通常虚拟现实的定义分为狭义和广义两种。

1.1.1 狭义的定义

1.1.2 广义的定义

1.1.3 虚拟现实技术的特性

虚拟现实是计算机与用户之间的一种更为理想化的人-机界面形式。与传统计算机接口相比，虚拟现实系统具有三个重要特征：沉浸感（Immersion），交互性（Interactivity），想像力（Imagination），任何虚拟现实系统都可以用三个“I”来描述其特征。其中沉浸感与交互性是决定一个系统是否属于虚拟现实系统的关键特征。VR技术的三角形如图1.1所示。

交互性（Interactivity）

沉浸感(Immersion)想象力(Imagination)

图1.1 VR技术的三角形

1．沉浸感(Immersion)

沉浸感又称临声感。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者通过头盔显示器、数据手套或数据衣等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。当使用者移动头部时，虚拟环境中的图像也实时地跟随变化，物体可以随着手势移动而运动，还可听到三维仿真声音。使用者在虚拟环境中，一切感觉都非常逼真，有种身临其境的感觉。

2．交互性(Interaction)

虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，对虚拟环境中的任何对象进行观察或操作。

3．想像性(Imagination)

由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。

1.1.4 虚拟现实系统组成

具有三“I”特性的虚拟现实系统，其系统基本组成主要包括观察者、传感器、效果产生器及实景仿真器组成。虚拟现实系统的基本组成如图1.2所示。

图1.2 虚拟现实系统的基本组成

1)效果产生器：是完成人与虚拟境界硬件交互的接口装置，包括能产生沉浸感受的各类输出装置，以及能测定视线方向和手指动作的输入装置。

2)实景仿真器：是虚拟现实系统的核心部分，由计算机软件、硬件系统、软件配套硬件（如图形加速卡和声卡等）组成，接收（发出）效果产生器所产生（接受）的信号。

3)应用系统：是面向具体问题的软件部分，用以描述仿真的具体内容，包括仿真的动态逻辑、结构及仿真对象之间和仿真对象与用户之间的交互关系。应用系统的内容直接取决于虚拟现实系统的应用目的。

4)几何构造系统：提供了描述仿真对象的物理特性（外形、颜色、位置）的信息，然后，虚拟现实系统中的应用系统在生成虚拟境界时，要使用和处理这些信息。

但有一点值得我们注意，既不同类型的虚拟现实系统采用的设备是不一样的，如沉浸式系统，其主要设备包括了PC、头盔显示器(HMD)、数据手套和头部跟踪器、屏幕、三维立体声音设备。实景仿真器是是虚拟现实系统的核心部件，用于完成虚拟世界的产生和处理功能。输入设备将用户输入的信息传递给虚拟现实系统，并允许用户在虚拟环境中改变自己的位置、视线方向和视野，也允许改变虚拟环境中虚拟物体的位置和方向，而输出设备是由虚拟系统把虚拟环境综合产生的各种感官信息输出给用户，使用户产生一种身临其境的逼真感。

1.1.4 虚拟现实的关键技术

从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。而实物虚化、虚物实化和高性能计算处理技术是VR技术的3个主要方面：

1．实物虚化

如何将真实世界中的物（特别是人）与事件（特别是人的动作）传入虚拟环境中，是一个感知的问题。网络技术是如何让多个用户（特别是不在同一地理位置的多个用户）参与到同一个虚拟环境中。这就要求是个分布式结构。

实物虚化是现实世界空间向多维信息化空间的一种映射,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。

2．虚物实化

虚物实化是如何根据虚拟环境生成人可直接感受到的真实信号（声、光、电）。是一个显示（输出）问题，也是确保用户从虚拟环境中获取同真实环境中一样或相似的视觉、听觉、力觉和触觉等感官认知的关键技术。能否让参与者产生沉浸感的关键因素除了视觉和听觉感知外，还有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。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。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,如图1.3所示。

图1.3 实物虚化与虚物实化

3．高性能计算处理技术（虚拟现实主要基于以下几种技术实现）

（1）基本模型构建技术：它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3D虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性。例如车辆在柏油地、草地、沙地和泥地上行驶时情况会有所不同，或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）等等。

（2） 空间跟踪技术：主要是通过头盔显示器（Head MountedDisplay）、数据手套（Data Glove）、数据衣（DataSuit）等常用的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3D虚拟环境中的位置和方向。

（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。

（4）视觉跟踪与视点感应技术：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。

（5）高性能计算处理技术：主要包括数据转换和数据预处理技术；实时、逼真图形图像生成与显示技术；多种声音的合成与声音空间化技术；多维信息数据的融合、数据压缩以及数据库的生成；包括命令识别、语音识别，以及手势和人的面部表情信息的检测等在内的模式识别；分布式与并行计算，以及高速、大规模的远程网络技术。

1.2虚拟现实系统的分类

虚拟现实系统按其功能不同，可分成沉浸型虚拟现实系统、增强现实性的虚拟现实系统、桌面型虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统等四种类型。

1．沉浸型虚拟现实系统(Immersive VR)

沉浸型虚拟系统是一套比较复杂的系统。使用者必须头戴头盔（HMD）、手带数据手套等传感跟踪装置，才能与虚拟世界进行交互。由于这种系统可以将使用者的视觉、听觉与外界隔离，从而排除外界干扰，全身心地投入到虚拟现实中去。

　　这种系统的优点是用户可完全沉浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备价格昂贵，难以普及推广。常见的沉浸型系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统。

2．增强现实性的虚拟现实系统

不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是现实中无法感知或不方便的感受。典型实例是战斗机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投身到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机。

3．桌面型虚拟现实系统（Desktop VR）

是利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的窗口。使用者通过各种输入设备便可与虚拟环境进行交互，这些外部设备包括鼠标、追踪球、力矩球等。这种系统的特点是结构简单、价格低廉，易于普及推广，缺点是缺乏真实的现实体验。常见桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实QuickTimeVR（由苹果公司推出的快速虚拟系统，是采用360度全景拍摄来生成逼真的虚拟情景，用户在普通的电脑上，利用鼠标和键盘，就能真实地感受到所虚拟的情景)、虚拟现实造型语言（VRML，VirtualReality Modeling Language）等，表1-1列出了桌面虚拟现实技术示例。

表1-1 桌面虚拟现实技术示例

4．分布式虚拟现实系统(Distributed VR)

是将异地的不同用户联结起来，共享一个虚拟空间，多个用户通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协同工作的目的。例如，异地的医科学生，可以通过网络，对虚拟手术室中的病人进行外科手术。

1.3 虚拟现实技术的主要研究对象

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。

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)即时生成相应的图形画面。

6．人工智能技术(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。

1.4虚拟现实技术的主要应用领域

VR技术的应用范围很广，诸如国防、建筑设计、工业设计、培训、医学领域。例如,建筑设计师可以运用虚拟现实技术向客户提供三维虚拟模型，而外科医生还可以在三维虚拟的病人身上或远程真人实施外科手术。Helsel与Doherty早在1993年就对全世界范围内已经进行的805项VR研究项目作了统计，结果表明：目前在娱乐、教育及艺术方面的应用占据主流，达21.4％，其次是军事与航空达12.7％，医学方面达6.13％，机器人方面占6.21％，商业方面占4.96％，另外在可视化计算、制造业等方面也有相当的比重。下面简要介绍其部分应用。这种格局至今未变，只是其在医学领域略有提升。

1.4.1 医学

VR在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，学生可以很容易了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。

　　Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。借助于HMD及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指导下工作等。

在医学院校，学生可在虚拟实验室中，进行“尸体”解剖和各种手术练习。用这项技术，由于不受标本、场地等的限制，所以培训费用大大降低。一些用于医学培训、实习和研究的虚拟现实系统，仿真程度非常高，其优越性和效果是不可估量和不可比拟的。例如，导管插入动脉的模拟器，可以使学生反复实践导管插入动脉时的操作；眼睛手术模拟器，根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像，并带有实时的触觉反馈，学生利用它可以观察模拟移去晶状体的全过程，并观察到眼睛前部结构的血管、虹膜和巩膜组织及角膜的透明度等。还有麻醉虚拟现实系统、口腔手术模拟器等。外科医生在真正动手术之前，通过虚拟现实技术的帮助，能在显示器上重复地模拟手术，移动人体内的器官，寻找最佳手术方案并提高熟练度。在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生活状况，乃至新药研制等方面，虚拟现实技术都能发挥十分重要的作用。

另外，在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生恬状况，乃至新型药物的研制等方面，VR技术都有十分重要的意义。

1.4.2 娱乐、艺术与教育

丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对VR的真实感要求不是太高，故近些年来VR在该方面发展最为迅猛。如美国Chicago开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的VR游戏系统，配有HMD，大大增强了真实感；1992年的一台称为“LegealQust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度VR产品奖。另外在家庭娱乐方面VR也显示出了很好的前景。

作为传输显示信息的媒体，VR在未来艺术领域方面所具有的潜在应用能力也不可低估。VR所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的，可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。另外，VR提高了艺术表现能力，如一个虚拟的音乐家可以演奏各种各样的乐器，手足不便的人或远在外地的人可以在他生活的居室中去虚拟的音乐厅欣赏音乐会等等。

VR的潜在应用价值同样适用于教育，如在解释一些复杂的系统抽象的概念如量子物理等方面，VR是非常有力的工具，Lofin等人在1993年建立了一个“虚拟的物理实验室”，用于解释某些物理概念，如位置与速度，力量与位移等。

1.4.3 军事与航天工业

模拟演练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为VR提供了广阔的应用前景，如图1.4所示。美国国防部高级研究计划局DARPA自80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统，以提供坦克协同训练，该系统可联结200多台模拟器。另外利用VR技术，可模拟零重力环境，以代替现在非标准的水下训练宇航员的方法。

图1.4 军事与航天

1.4.4 管理工程

VR在管理工程方面也显示出了无与伦比的优越性。如设计一新型建筑物时，可以在建筑物动工之前用VR技术模拟显示；在有当财政发生危机时，可以帮助分析大量的股票、债券等方面的数据以寻找对策等等。

总的来说，虚拟现实是一个充满活力、具有巨大应用前景的高新技术领域，但仍存在许多有待解决与突破的问题。为了提高VR系统的交互性、逼真性和沉浸感，在新型传感和感知机理、几何与物理建模新方法、高性能计算，特别是高速图形图像处理，以及人工智能、心理学、社会学等方面都有许多挑战性的问题有待解决。但是我们坚信在这一高新技术领域我国一定会有所作为的。

1.4.5室内设计

虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具。它以视觉形式反映了设计者的思想，比如装修房屋之前，你首先要做的事是对房屋的结构、外形做细致的构思，为了使之定量化，你还需设计许多图纸，当然这些图纸只能内行人读懂，虚拟现实可以把这种构思变成看得见的虚拟物体和环境，如图1.5所示，使以往只能借助传统的设计模式提升到数字化的即看即所得的完美境界，大大提高了设计和规划的质量与效率。运用虚拟现实技术，设计者可以完全按照自己的构思去构建装饰“虚拟”的房间，并可以任意变换自己在房间中的位置，去观察设计的效果，直到满意为止。既节约了时间，又节省了做模型的费用。

图1.5室内表现效果

1.4.6 房产开发

随着房地产业竞争的加剧，传统的展示手段如平面图、表现图、沙盘、样板房等已经远远无法满足消费者的需要。因此敏锐把握市场动向，果断启用最新的技术并迅速转化为生产力，方可以领先一步，击溃竞争对手。虚拟现实技术是集影视广告、动画、多媒体、网络科技于一身的最新型的房地产营销方式，在国内的广州、上海、北京等大城市，国外的加拿大、美国等经济和科技发达的国家都非常热门，是当今房地产行业一个综合实力的象征和标志，其最主要的核心是房地产销售，同时在房地产开发中的其他重要环节包括申报、审批、设计、宣传等方面都有着非常迫切的需求。房地产项目的表现形式可大致分为：实景模式、水晶沙盘两种；其中可对项目周边配套、红线以内建筑和总平、内部业态分布等进行详细剖析展示，由外而内表现项目的整体风格，并可通过鸟瞰、内部漫游、自动动画播放等形式对项目逐一表现，增强了讲解过程的完整性和趣味性，如图1.6所示是地产建筑虚拟表现。

图1.6 地产建筑表现

1.4.7 工业仿真

当今世界工业已经发生了巨大的变化，大规模人海战术早已不再适应工业的发展，先进科学技术的应用显现出巨大的威力，特别是虚拟现实技术的应用正对工业进行着一场前所未有的革命。虚拟现实已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用。虚拟现实技术的引入,将使工业设计的手段和思想发生质的飞跃,更加符合社会发展的需要,可以说在工业设计中应用虚拟现实技术是可行且必要的。

工业仿真系统不是简单的场景漫游，是真正意义上用于指导生产的仿真系统，它结合用户业务层功能和数据库数据组建一套完全的仿真系统，可组建B/S、C/S两种架构的应用，可与企业ERP、MIS系统无缝对接，支持SqlServer、Oracle、MySql等主流数据库。

工业仿真所涵盖的范围很广，从简单的单台工作站上的机械装配到多人在线协同演练系统。

防患于未然，是各行各业尤其是具有一定危险性行业（消防、电力、石油、矿产等）的关注重点，如何确保在事故来临之时做到最小的损失，定期的执行应急推演是传统并有效地一种防患方式，但其弊端也相当明显，投入成本高，每一次推演都要投入大量的人力、物力，大量的投入使得其不可能进行频繁性的执行，虚拟现实的产生为应急演练提供了一种全新的开展模式，将事故现场模拟到虚拟场景中去，在这里人为的制造各种事故情况，组织参演人员做出正确响应。这样的推演大大降低了投入成本，提高了推演实训时间，从而保证了人们面对事故灾难时的应对技能，并且可以打破空间的限制方便的组织各地人员进行推演，这样的案例已有应用，必将是今后应急推演的一个趋势。虚拟油气管道显示见图1.7所示。

虚拟演练有着如下优势：

仿真性：虚拟演练环境是以现实培演练环境为基础进行搭建的，操作规则同样立足于现实中实际的操作规范，理想的虚拟环境甚至可以达到使受训者难辨真假的程度。

开放性：虚拟演练打破了演练空间上的限制，受训者可以在任意的地理环境中进行集中演练，身处何地的人员，只要通过相关网络通信设备即可进入相同的虚拟演练场所进行实时的集中化演练。

针对性：与现实中的真实演练相比，虚拟演练的一大优势就是可以方便的模拟任何培训科目，借助虚拟现实技术，受训者可以将自身置于各种复杂、突发环境中去，从而进行针对性训练，提高自身的应变能力与相关处理技能。

自主性：借助自身的虚拟演练系统，各单位可以根据自身实际需求在任何时间、任何地点组织相关培训指导，受训者等相关人员进行演练，并快速取得演练结果，进行演练评估和改进。受训人员亦可以自发的进行多次重复演练，使受训人员始终处于培训的主导地位，掌握受训主动权，大大增加演练时间和演练效果。

安全性：作为电力培训中重中之重的安全性，虚拟的演练环境远比现实中安全，培训与受训人员可以大胆的在虚拟环境中尝试各种演练方案，即使创下“大祸”，也不会造成“恶果”，而是将这一切放入演练评定中去，作为最后演练考核的参考。这样，在确保受训人员人身安全万无一失的情况下，受训人员可以卸去事故隐患的包袱，尽可能极端的进行演练，从而大幅的提高自身的技能水平，确保在今后实际操作中的人身与事故安全。

为企业构建一套全数字开放式数字资源库，通过在数字虚拟空间内实时录制、构建一套应急演练库，并可在虚拟数字环境中再现相应应急演练流程，在虚拟的环境中提高员工的业务水平。

图1.7 管线介绍

1.4.8 文物古迹

利用虚拟现实技术，结合网络技术，可以将文物的展示、保护提高到一个崭新的阶段。首先表现在将文物实体通过影像数据采集手段，建立起实物三维或模型数据库，保存文物原有的各项型式数据和空间关系等重要资源，实现濒危文物资源的科学、高精度和永久的保存。虚拟文物在现如图1.8所示。

图1.8 文物展示

其次利用这些技术来提高文物修复的精度和预先判断、选取将要采用的保护手段，同时可以缩短修复工期。通过计算机网络来整合统一大范围内的文物资源，并且通过网络在大范围内来利用虚拟技术更加全面、生动、逼真地展示文物，从而使文物脱离地域限制，实现资源共享，真正成为全人类可以“拥有”的文化遗产。使用虚拟现实技术可以推动文博行业更快地进入信息时代，实现文物展示和保护的现代化。

1.4.9 游戏

三维游戏既是虚拟现实技术的重要应用方向之一，也为虚拟现实技术的快速发展起了巨大的需求牵引作用。尽管存在众多的技术难题，虚拟现实技术在竞争激烈的游戏市场中还是得到了越来越多的重视和应用。可以说，电脑游戏自产生以来，一直都在朝着虚拟现实的方向发展，虚拟现实技术发展的最终目标已经成为三维游戏工作者的崇高追求。从最初的文字MUD游戏，到二维游戏、三维游戏，再到网络三维游戏，游戏在保持其实时性和交互性的同时，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加强。我们相信，随着三维技术的快速发展和软硬件技术的不断进步，在不远的将来，真正意义上的虚拟现实游戏必将为人类娱乐、教育和经济发展做出新的更大的贡献。下面图1.9与图1.10是虚拟现实新硬件设备的使用。

1.5虚拟现实的发展和应用简史

1.5.1 虚拟现实技术发展历程

虚拟现实技术的发展和应用基本上可以分为三个阶段；

第一阶段是20世纪50年代到70 年代,是属于准备阶段；

第二阶段是 80 年代初到 80 末,是虚拟现实技术走出实验室,进入实际应用阶段；

第三阶段是从90年代初至今, 是虚拟现实技术全面发展时期。

1．虚拟现实技术的探索阶段, 形成了虚拟现实技术的基本思想。

美国是虚拟现实技术研究和应用的发源地，早在 1956 年 MortonHeileg就开发出了一个叫做 Sensorama的摩托车仿真器,Sensorama具有三维显示及立体声效果,能产生振动和风吹的感觉。1965年，Sutherland在“终极的显示”的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。在虚拟现实技术发展史上一个重要的里程碑是在1968 年美国计算机图形学之父 Ivan Sutherlan在哈佛大学组织开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器(HelmetMounted Display即HMD)及头部位置跟踪系统。在一个完整的头盔显示系统中,用户不仅可以看到三维物体的线框图,还可以确定三维物体在空间的位置。并通过头部运动从不同视角观察三维场景的线框图。在当时的计算机图形技术水平下,IvanSutherlan取得的成就是非凡的。目前,在大多数虚拟现实系统中都能看到HMD的影子,因而,许多人认为Ivan Sutherlan 不仅是 “图形学之父” ,而且还是 “虚拟现实技术之父” 。

2．虚拟现实技术基本概念的逐步形成

基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“VirtualReality”一词。80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。这一时期出现了两个比较典型的虚拟现实系统,即 VIDEOPLACE 与VIEW系统。VIDEOPLACE 是由 M.W.Krueger来设计的,它是一个计算机生成的图形环境,在该环境中参与者看到他本人的图像投影在一个屏幕上,通过协调计算机生成的静物属性及动体行为,可使它们实时地响应参与者的活动。VIEW 系统是NASA Ames实验中心研制的第一个进入实际应用的虚拟现实系统,当1985年 VIEW系统雏形在美国NASAAmes实验中心完成时, 该系统以低廉的价格,让参与者有 “真实体验” 的效果引起有关专家的注意。

随后,VIRW系统又装备了数据手套、头部跟踪器等硬件设备,还提供了语音、 手势等交互手段,使之成为一个名副其实的虚拟现实系统。目前,大多数虚拟现实系统的硬件体系结构大都由VIEW发展而来,由此可见VIEW在虚拟现实技术发展过程中的重要作用。VIEW的成功对虚拟现实技术的研制者是一个很大的鼓舞,并引起了世人的极大关注。

3．虚拟现实技术全面发展时期

在这一阶段可以说是虚拟现实技术从研究转向应用阶段。进入90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，如娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的遥操作、教育与培训、信息可视化以及远程通讯等，人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满了憧憬与兴趣。

1.5.2 虚拟现实系统研究现状和发展趋势

VR技术领域几乎是所有发达国家都在大力研究的前沿领域，它的发展速度非常迅速。基于VR技术的研究主要有VR技术与VR应用两大类。在国外VR技术研究方面研究得较好的有美国、德国、英国、日本、韩国等国家。在国内，浙江大学、北京航空航天大学等单位在VR方面的研究工作开展得比较早，成果也较多。

美国VR技术的研究水平基本上代表了国际VR技术发展的水平，它是全球研究最早，研究范围最广的国家，其研究内容几乎涉及从新概念发展（如VR的概念模型）、单项关键技术（如触觉反馈）到VR系统的实现及应用等有关VR技术的各个方面。

欧洲的VR技术研究主要由欧共体的计划支持，在英国、德国、瑞典、荷兰、西班牙等国家都积极进行了VR技术的开发与应用。

英国在VR技术的研究与开发的某些方面，如分布式并行处理、辅助设备（触觉反馈设备等）设计、应用研究等方面，在欧洲是领先的。

在德国，以德国FhG-IGD图形研究所和德国计算机技术中心（GMD）为代表。它主要从事虚拟世界的感知、虚拟环境的控制和显示、机器人远程控制、VR在空间领域的应用、宇航员的训练、分子结构的模拟研究等。德国的计算机图形研究所（IGD）测试平台，主要用于评估VR技术对未来系统和界面的影响，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。

在亚洲，日本的VR技术研究发展十分迅速，同时在韩国、新加坡等国家也积极开展了VR技术方面的研究工作。在当前实用VR技术的研究与开发中，日本是居于领先位置的国家之一。它主要致力于建立大规模VR知识库的研究，另外在VR游戏方面的研究也做了很多工作，但日本大部分VR硬件是从美国进口的。

总之VR技术是一项投资大、具有高难度的科技领域，和一些发达国家相比，我国VR技术研究始于20世纪90年代初，相对其他国家来说起步较晚，技术上有一定的差距，但这已引起我国政府有关部门和科学家们的高度重视，并及时根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。例如，“九五”和“十五”规划、国家863计划、国家自然科学基金会、国防科工委等都把VR列入了重点资助范围。在国家“973项目”中VR技术的发展应用已列为重中之重，而且支持研究开发的力度也越来越大。与此同时，国内一些重点高等院校，已积极投入到这一领域的研究工作中，并先后建立起省级和国家级虚拟仿真实验教学中心。在此就不一一列举了。纵观VR的发展历程，未来VR技术的研究仍将延续“低成本、高性能”原则，从软件、硬件两方面展开，发展方向主要归纳如下：

1．动态环境建模技术。虚拟环境的建立是VR技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。

2．实时三维图形生成和显示技术。三维图形的生成技术已比较成熟，而关键是怎样“实时生成”，在不降低图形的质量和复杂程度的基础上，如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外，VR还依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术。

3．新型交互设备的研制。虚拟现实技术实现人能够自由与虚拟世界对象进行交互，犹如身临其境，借助的输入输出设备主要有头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此，新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。

4．智能化语音虚拟现实建模。虚拟现实建模是一个比较繁复的过程，需要大量的时间和精力。如果将VR技术与智能技术、语音识别技术结合起来，可以很好地解决这个问题。我们对模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据，然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、导航以及评价，将模型用对象表示出来，并且将各种基本模型静态或动态地连接起来，最终形成系统模型。人工智能一直是业界的难题，人工智能在各个领域十分有用，在虚拟世界也大有用武之地，良好的人工智能系统对减少乏味的人工劳动具有非常积极的作用。

5．分布式虚拟现实技术的展望。分布式虚拟现实是今后虚拟现实技术发展的重要方向。随着众多DVE开发工具及其系统的出现，DVE本身的应用也渗透到各行各业，包括医疗、工程、训练与教学以及协同设计。仿真训练和教学训练是DVE的又一个重要的应用领域，包括虚拟战场、辅助教学等。另外，研究人员还用DVE系统来支持协同设计工作。近年来，随着Internet应用的普及，一些面向Internet的DVE应用使得位于世界各地多个用户可以进行协同工作。将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络联结起来，采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟合成环境，参与者可自由地进行交互作用。特别是在航空航天中应用价值极为明显，因为国际空间站的参与国分布在世界不同区域，分布式VR训练环境不需要在各国重建仿真系统，这样不仅减少了研制费和设备费用，减少了人员出差的费用以及异地生活的不适。

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