什么是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬與現(xiàn)實(shí)兩詞具有相互矛盾的含義,，把這兩個(gè)詞放在一起,，似乎沒(méi)有意義，但是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展卻賦予了它新的含義,。虛擬現(xiàn)實(shí)的明確定義不太好說(shuō),，按比較早提出虛擬現(xiàn)實(shí)概念的學(xué)者J.Laniar的說(shuō)法，虛擬現(xiàn)實(shí),，又稱假想現(xiàn)實(shí),，意味著“用電子計(jì)算機(jī)合成的人工世界”。從此可以清楚地看到,，這個(gè)領(lǐng)域與計(jì)算機(jī)有著不可分離的密切關(guān)系,，信息科學(xué)是合成虛擬現(xiàn)實(shí)的基本前提。生成虛擬現(xiàn)實(shí)需要解決以下三個(gè)主要問(wèn)題：

虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)知識(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)是計(jì)算機(jī)與用戶之間的一種更為理想化的人-機(jī)界面形式,。通常用戶戴一個(gè)頭盔（用來(lái)顯示立體圖象的頭式顯示器）,，亮老手持傳感手套，仿佛置身于一個(gè)幻覺(jué)世界中,，在虛擬環(huán)境中漫游,，并允許操作其中的“物體”。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比,，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有三個(gè)重要特征：臨境性,，交互性，想象性,。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)潛在的應(yīng)用范圍很廣,，諸如國(guó)防、建筑設(shè)計(jì),、工業(yè)設(shè)計(jì),、培訓(xùn)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,。例如建筑設(shè)計(jì)師可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)向客戶提供三維虛擬模型,，而外科醫(yī)生還可以在三維虛擬的病人身上試行一種新的外科手術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)20多年的研究探索，于80年代末走出實(shí)驗(yàn)室,，開始進(jìn)入實(shí)用化階段,。目前，世界上少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家在經(jīng)濟(jì),、藝術(shù)乃至軍事等領(lǐng)域,，已開始廣泛應(yīng)用這種高新技術(shù)，并取得了顯著的綜合效益,。據(jù)外刊報(bào)道,，美國(guó)陸軍1994年的“路易斯安娜94”作戰(zhàn)演習(xí)，就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行的,。這次演習(xí)不但試驗(yàn)論證了美國(guó)陸軍制定的條令,、戰(zhàn)術(shù)和部隊(duì)編成，使之更加符合21世紀(jì)的作戰(zhàn)要求,，還節(jié)約演習(xí)經(jīng)費(fèi)近20億美元,。

那么，什么是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)呢,？簡(jiǎn)單地說(shuō),，就是人們利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境，通過(guò)自然技能使用傳感設(shè)備與之相互作用的新技術(shù),。它與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)完全不同,，是將模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)合三為一,，并利用頭盔顯示器,、圖形眼鏡、數(shù)據(jù)服,、立體聲耳機(jī),、數(shù)據(jù)手套及腳踏板等傳感裝置。把操作者與計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬環(huán)境連結(jié)在一起,。操作者通過(guò)傳感器裝置與虛擬環(huán)境交互作用,，可獲得視覺(jué)、聽覺(jué),、觸覺(jué)等多種感知,，并按照自己的意愿去改變“不隨心”的虛擬環(huán)境。比如,，計(jì)算機(jī)虛擬的環(huán)境是一座樓房,，內(nèi)有各種設(shè)備、物品,，操作者會(huì)如殲緩?fù)砼R其境一樣,，可以通過(guò)各種傳感裝置在屋內(nèi)行走查看,、開門關(guān)門、搬動(dòng)物品,；對(duì)房屋設(shè)計(jì)上的不滿意之處,，還可隨意改動(dòng)。顯然,，利用這種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行建筑,、機(jī)械、兵器等設(shè)計(jì)修改,，實(shí)施技術(shù)操作訓(xùn)練和軍事演習(xí)活動(dòng)要容易得多,，也便宜得多。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一經(jīng)應(yīng)用,，就向人們展示了誘人的前景，因而受到各國(guó)軍界的青睞,。從90年代初起,，美國(guó)率先將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于軍事領(lǐng)域，主要用于以下四個(gè)方面：一是虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,。即通過(guò)相應(yīng)的三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境圖形圖像庫(kù),，包括作戰(zhàn)背景、戰(zhàn)地場(chǎng)景,、各種武器裝備和作戰(zhàn)人員等,，為使用者創(chuàng)造一種險(xiǎn)象環(huán)生、幾近真實(shí)的立體戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,。以增強(qiáng)其臨場(chǎng)感覺(jué),，提高訓(xùn)練質(zhì)量。二是進(jìn)行單兵模擬訓(xùn)練,。讓士兵穿上數(shù)據(jù)服,，戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套，通過(guò)操作傳感裝置選擇不同的戰(zhàn)場(chǎng)背景,，輸入不同的處置方案,，體味不同的作戰(zhàn)效果，進(jìn)而像參加實(shí)戰(zhàn)一樣,，鍛煉和提高技術(shù)水平,、快速反應(yīng)能力和心理承受力。如美空軍用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研制的飛行訓(xùn)練模擬器,，能產(chǎn)生視覺(jué)控制,，能處理三維實(shí)時(shí)交互圖形，且有圖形以外的聲音和觸感,，不但能以正常方式操縱和控制飛行器,，還能處理虛擬現(xiàn)實(shí)中飛機(jī)以外的各種情況，如氣球的威脅、導(dǎo)彈的發(fā)射軌跡等,。三是實(shí)施諸軍兵種聯(lián)合演習(xí),，建立一個(gè)“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”，使參戰(zhàn)雙方同處其中,，根據(jù)虛擬環(huán)境中的各種情況及其變化,，“調(diào)兵遣將”、“斗智斗勇”,，實(shí)施“真實(shí)的”對(duì)抗演習(xí),。四是進(jìn)行指揮員訓(xùn)練。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),，根據(jù)偵察情報(bào)資料合成出戰(zhàn)場(chǎng)全景圖,，讓受訓(xùn)指揮員通過(guò)傳感裝置觀察敵我兵力部署和戰(zhàn)場(chǎng)情況，以便判斷敵情,，定下正確決心,。美國(guó)海軍開發(fā)的“虛擬艦艇作戰(zhàn)指揮中心”就能逼真地摸擬與真的艦艇作戰(zhàn)指揮中心幾乎完全相似的環(huán)境，生動(dòng)的視覺(jué),、聽覺(jué)和觸覺(jué)效果,，使受訓(xùn)軍官沉浸于“真敬改升實(shí)的”戰(zhàn)場(chǎng)之上。

當(dāng)然,，虛擬現(xiàn)實(shí)還是一門年輕的科學(xué)技術(shù),，尚存在不少有待解決的問(wèn)題。例如,，在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中,，操作者每次轉(zhuǎn)動(dòng)頭部，計(jì)算機(jī)必須更新三維圖像,，由于更新的數(shù)據(jù)太大,，以致計(jì)算機(jī)還無(wú)法完成實(shí)時(shí)運(yùn)算。這就造成了系統(tǒng)滯后,。再如,，美空軍的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器產(chǎn)生的視覺(jué)運(yùn)動(dòng)信號(hào)與人的感覺(jué)之間也存在差異，容易引起頭痛,、眩暈等,。

但不管怎樣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)畢竟開辟了富有發(fā)展?jié)摿Φ男骂I(lǐng)域,，它會(huì)隨著時(shí)間的推移日臻完善,，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，發(fā)揮的作用也將會(huì)越來(lái)越大,。

正如其它新興科學(xué)技術(shù)一樣,，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉,、集成的產(chǎn)物。

它的研究?jī)?nèi)容涉及到人工智能,、計(jì)算機(jī)科學(xué),、電子學(xué)、傳感器,、計(jì)算機(jī)圖形學(xué),、智能控制、心理學(xué)等,。我們必須清醒地認(rèn)識(shí)到,，雖然這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)潛力是巨大的，應(yīng)用前景也是很廣闊的,，但仍存在著許多尚未解決的理論問(wèn)題和尚未克服的技術(shù)障礙,。客觀而論,，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所取得的成就,，絕大部分還僅僅限于擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)的接口能力，僅僅是剛剛開始涉及到人的感知系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的結(jié)合作用問(wèn)題,，還根本未涉及“人在實(shí)踐中得到的感覺(jué)信息是怎樣在人的大腦中存儲(chǔ)和加工處理成為人對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)”這一重要過(guò)程。只有當(dāng)真正開始涉及并找到對(duì)這些問(wèn)題的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑時(shí),，人和信息處理系統(tǒng)間的隔閡才有可能被徹底的克服了,。我們期待這有朝一日，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)成為一種對(duì)多維信息處理的強(qiáng)大系統(tǒng),，成為人進(jìn)行思維和創(chuàng)造的助手和對(duì)人們已有的概念進(jìn)行深化和獲取新概念的有力工具,。

就像電影《黑客帝國(guó)》里描述的那樣，未來(lái)的我們竟可以生活在一個(gè)由電腦控制的虛擬世界里,。在這個(gè)世界里,，我們同樣擁有各種感覺(jué)，同樣擁有親戚朋友,，同樣擁有工作,，同樣擁有現(xiàn)實(shí)世界的一切“真實(shí)”。只是,，這一切都是虛擬的,。

人類有許多夢(mèng)想，一些夢(mèng)想已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),，而有一些夢(mèng)想也許永遠(yuǎn)都不可能實(shí)現(xiàn),。然而，有一種技術(shù)卻能使一切夢(mèng)想全部實(shí)現(xiàn),，這就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality,，簡(jiǎn)稱VR）,。

虛擬現(xiàn)實(shí)是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),、人機(jī)接口技術(shù),、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的交叉學(xué)科，對(duì)該技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代,。直到90年代初,，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)才開始作為一門較完整的體系而受到人們極大的關(guān)注。

基本概念

概括地說(shuō),，虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式,，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍,。

虛擬現(xiàn)實(shí)中的“現(xiàn)實(shí)”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境,，它可以是實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的，也可以是實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)的或根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,。而“虛擬”是指用計(jì)算機(jī)生成的意思,。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)是指用計(jì)算機(jī)生成的一種特殊環(huán)境,，人可以通過(guò)使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個(gè)環(huán)境中,，并操作、控制環(huán)境,，實(shí)現(xiàn)特殊的目的,，即人是這種環(huán)境的主宰。

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),，虛擬現(xiàn)實(shí)就是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口,，它通過(guò)給用戶同時(shí)提供諸如視覺(jué)、聽覺(jué),、觸覺(jué)等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段,，比較大限度地方便用戶的操作。根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所應(yīng)用的對(duì)象不同,，其作用可表現(xiàn)為不同的形式,，例如將某種概念設(shè)計(jì)或構(gòu)思可視化和可操作化，實(shí)現(xiàn)逼真的遙控現(xiàn)場(chǎng)效果,，達(dá)到任意復(fù)雜環(huán)境下的廉價(jià)模擬訓(xùn)練目的等,。該技術(shù)的主要特征有以下幾方面：

多感知性（Multi-Sensory）——所謂多感知是指除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺(jué)感知之外，還有聽覺(jué)感知,、力覺(jué)感知,、觸覺(jué)感知、運(yùn)動(dòng)感知,，甚至包括味覺(jué)感知,、嗅覺(jué)感知等,。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù),，特別是傳感技術(shù)的限制,，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺(jué)、聽覺(jué),、力覺(jué),、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等幾種,。

浸沒(méi)感（Immersion）——又稱臨場(chǎng)感,，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假,，使用戶全身心地投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中,，該環(huán)境中的一切看上去是真的，聽上去是真的,，動(dòng)起來(lái)是真的,，甚至聞起來(lái)、嘗起來(lái)等一切感覺(jué)都是真的,，如同在現(xiàn)實(shí)世界中的感覺(jué)一樣,。

交互性（Interactivity）——指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）。例如,，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體,，這時(shí)手有握著東西的感覺(jué)，并可以感覺(jué)物體的重量,，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。

構(gòu)想性（Imagination）——強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間,，可拓寬人類認(rèn)知范圍,，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境,。

一般來(lái)說(shuō),，一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計(jì)算機(jī)為核心的虛擬環(huán)境處理器,、以頭盔顯示器為核心的視覺(jué)系統(tǒng),、以語(yǔ)音識(shí)別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺(jué)系統(tǒng),、以方位跟蹤器,、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備，以及味覺(jué),、嗅覺(jué),、觸覺(jué)與力覺(jué)反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成,。

這里，虛擬環(huán)境處理器是VR系統(tǒng)的心臟,，完成虛擬世界的產(chǎn)生和處理功能,。輸入設(shè)備給VR系統(tǒng)提供來(lái)自用戶的輸入，并允許用戶在虛擬環(huán)境中改變自己的位置,、視線方向和視野,，也允許改變虛擬環(huán)境中虛擬物體的位置和方向。而輸出設(shè)備是由VR系統(tǒng)把虛擬環(huán)境綜合產(chǎn)生的各種感官信息輸出給用戶,，使用戶產(chǎn)生一種身臨其境的逼真感,。其主要的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

動(dòng)態(tài)環(huán)境建模——虛擬環(huán)境的建立是VR系統(tǒng)的核心內(nèi)容,，動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的就是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù),，并根據(jù)應(yīng)用的需要建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù),，更多的情況則需采用非接觸式的視覺(jué)技術(shù),，兩者有機(jī)結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。

實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)——三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟,，這里的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”生成,。為了達(dá)到實(shí)時(shí)的目的，至少要保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒,，比較好高于30幀/秒,。

在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜程度的前提下，如何提高刷新頻率是該技術(shù)的主要內(nèi)容,。

立體顯示和傳感器技術(shù)——虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展,，現(xiàn)有的設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，比如頭盔式三維立體顯示器有以下缺點(diǎn)：過(guò)重（1.5 kg至2kg）,、分辨率低（圖像質(zhì)量差）,、延遲大（刷新頻率低）、行動(dòng)不便（有線）,、跟蹤精度低,、視場(chǎng)不夠?qū)挕⒀劬θ菀灼诘?，因此有必要開發(fā)新的三維顯示技術(shù),。同樣，數(shù)據(jù)手套,、數(shù)據(jù)衣服等都有延遲大,、分辨率低、作用范圍小,、使用不便等缺點(diǎn),。另外,，力覺(jué)和觸覺(jué)傳感裝置的研究也有待進(jìn)一步深入，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高,。

應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具——虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場(chǎng)合和對(duì)象,，即如何發(fā)揮想像力和創(chuàng)造性。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對(duì)象可以大幅度提高生產(chǎn)效率,，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,，提高產(chǎn)品質(zhì)量。為了達(dá)到這一目的,，必須研究虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)工具,，例如VR系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等,。

系統(tǒng)集成技術(shù)——由于VR系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型,，因此系統(tǒng)集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù),、模型的標(biāo)定技術(shù),、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型,、識(shí)別與合成技術(shù)等等,。

關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)是多種技術(shù)的綜合，包括實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù),，廣角（寬視野）立體顯示技術(shù),，對(duì)觀察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù),，以及觸覺(jué)/力覺(jué)反饋,、立體聲、語(yǔ)音輸入輸出技術(shù)等,。下面對(duì)這些技術(shù)分別加以說(shuō)明,。

實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)

相比較而言，利用計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生圖形圖像并不是太難的事情,。如果有足夠準(zhǔn)確的模型,，又有足夠的時(shí)間,，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的***圖像,，但是這里的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)。例如在飛行模擬系統(tǒng)中,，圖像的刷新相當(dāng)重要,，同時(shí)對(duì)圖像質(zhì)量的要求也很高，再加上非常復(fù)雜的虛擬環(huán)境,，問(wèn)題就變得相當(dāng)困難,。

廣角（寬視野）的立體顯示

人看周圍的世界時(shí),，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同,，這些圖像在腦子里融合起來(lái),，就形成了一個(gè)關(guān)于周圍世界的整體景象，這個(gè)景象中包括了距離遠(yuǎn)近的信息。當(dāng)然，距離信息也可以通過(guò)其他方法獲得,，例如眼睛焦距的遠(yuǎn)近,、物體大小的比較等。

在VR系統(tǒng)中,，雙目立體視覺(jué)起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上,。有的系統(tǒng)采用單個(gè)顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后,，一只眼睛只能看到奇數(shù)幀圖像,，另一只眼睛只能看到偶數(shù)幀圖像，奇,、偶幀之間的不同也就是視差就產(chǎn)生了立體感,。

用戶（頭、眼）的跟蹤：在人造環(huán)境中,，每個(gè)物體相對(duì)于系統(tǒng)的坐標(biāo)系都有一個(gè)位置與姿態(tài),，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來(lái)確定的,。

跟蹤頭部運(yùn)動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)頭套：在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)中,，視場(chǎng)的改變是通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)的，用戶的視覺(jué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)是分離的,，而利用頭部跟蹤來(lái)改變圖像的視角,，用戶的視覺(jué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來(lái)，感覺(jué)更逼真,。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,，用戶不僅可以通過(guò)雙目立體視覺(jué)去認(rèn)識(shí)環(huán)境，而且可以通過(guò)頭部的運(yùn)動(dòng)去觀察環(huán)境,。

在用戶與計(jì)算機(jī)的交互中,，鍵盤和鼠標(biāo)是目前比較常用的工具，但對(duì)于三維空間來(lái)說(shuō),，它們都不太適合,。在三維空間中因?yàn)橛辛鶄€(gè)自由度，我們很難找出比較直觀的辦法把鼠標(biāo)的平面運(yùn)動(dòng)映射成三維空間的任意運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)在,，已經(jīng)有一些設(shè)備可以提供六個(gè)自由度,，如3Space數(shù)字化儀和SpaceBall空間球等。另外一些性能比較優(yōu)異的設(shè)備是數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣,。

立體聲

人能夠很好地判定聲源的方向,。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強(qiáng)度的差別來(lái)確定聲音的方向,，因?yàn)槁曇舻竭_(dá)兩只耳朵的時(shí)間或距離有所不同,。常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以會(huì)有一種方向感?，F(xiàn)實(shí)生活里,，當(dāng)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，聽到的聲音的方向就會(huì)改變,。但目前在VR系統(tǒng)中,，聲音的方向與用戶頭部的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。

觸覺(jué)與力覺(jué)反饋

在一個(gè)VR系統(tǒng)中,，用戶可以看到一個(gè)虛擬的杯子,。你可以設(shè)法去抓住它，但是你的手沒(méi)有真正接觸杯子的感覺(jué),，并有可能穿過(guò)虛擬杯子的“表面”,，而這在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能的。解決這一問(wèn)題的常用裝置是在手套內(nèi)層安裝一些可以振動(dòng)的觸點(diǎn)來(lái)模擬觸覺(jué),。

語(yǔ)音輸入輸出

在VR系統(tǒng)中,，語(yǔ)音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環(huán)境能聽懂人的語(yǔ)言,，并能與人實(shí)時(shí)交互,。而讓計(jì)算機(jī)識(shí)別人的語(yǔ)音是相當(dāng)困難的，因?yàn)檎Z(yǔ)音信號(hào)和自然語(yǔ)言信號(hào)有其“多邊性”和復(fù)雜性,。例如,，連續(xù)語(yǔ)音中詞與詞之間沒(méi)有明顯的停頓，同一詞,、同一字的發(fā)音受前后詞,、字的影響，不僅不同人說(shuō)同一詞會(huì)有所不同,，就是同一人發(fā)音也會(huì)受到心理,、生理和環(huán)境的影響而有所不同。

使用人的自然語(yǔ)言作為計(jì)算機(jī)輸入目前有兩個(gè)問(wèn)題,，首先是效率問(wèn)題,，為便于計(jì)算機(jī)理解，輸入的語(yǔ)音可能會(huì)相當(dāng)羅嗦,。其次是正確性問(wèn)題,，計(jì)算機(jī)理解語(yǔ)音的方法是對(duì)比匹配，而沒(méi)有人的智能,。

代表性設(shè)備

在VR系統(tǒng)中,，有許多有趣的、功能不同的專用設(shè)備,，下面選一些代表性的設(shè)備加以介紹,。

BOOM可移動(dòng)式顯示器：它是一種半投入式視覺(jué)顯示設(shè)備。使用時(shí),，用戶可以把顯示器方便地置于眼前,，不用時(shí)可以很快移開。BOOM使用小型的陰極射線管,，產(chǎn)生的像素?cái)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液晶顯示屏,，圖像比較柔和，分辨率為1280×1024像素,，彩色圖像,。

數(shù)據(jù)手套：數(shù)據(jù)手套是一種輸入裝置，它可以把人手的動(dòng)作轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)的輸入信號(hào),。它由很輕的彈性材料構(gòu)成,。該彈性材料緊貼在手上，同時(shí)附著許多位置,、方向傳感器和光纖導(dǎo)線,，以檢測(cè)手的運(yùn)動(dòng)。光纖可以測(cè)量每個(gè)手指的彎曲和伸展,，而通過(guò)光電轉(zhuǎn)換,，手指的動(dòng)作信息可以被計(jì)算機(jī)識(shí)別。

TELETACT手套：它是一種用于觸覺(jué)和力覺(jué)反饋的裝置,，利用小氣袋向手提供觸覺(jué)和力覺(jué)的刺激,。這些小氣袋能被迅速地加壓和減壓。當(dāng)虛擬手接觸一件虛擬物體時(shí),，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里的該物體的力模式被調(diào)用,，壓縮機(jī)迅速對(duì)氣袋充氣或放氣，使手部有一種非常***的觸覺(jué),。

數(shù)據(jù)衣是為了讓VR系統(tǒng)識(shí)別全身運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的輸入裝置,。數(shù)據(jù)衣對(duì)人體大約50多個(gè)不同的關(guān)節(jié)進(jìn)行測(cè)量，包括膝蓋,、手臂,、軀干和腳,。通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，身體的運(yùn)動(dòng)信息被計(jì)算機(jī)識(shí)別,。通過(guò)BOOM顯示器和數(shù)據(jù)手套與虛擬現(xiàn)實(shí)交互數(shù)據(jù)衣,。

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虛擬現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)是人與計(jì)算機(jī)的通信技術(shù)，它幾乎可以支持任何人類活動(dòng),，適用于任何領(lǐng)域,。

較早的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品是圖形仿真器，其概念在60年代被提出,，到80年代逐步興起,，90年代有產(chǎn)品問(wèn)世。1992年世界上***個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具問(wèn)世,，1993年眾多虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)出現(xiàn),，1996年NPS公司使用慣性傳感器和全方位踏車將人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)集成到虛擬環(huán)境中。到1999年,，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用更為廣泛,，涉足航天、軍事,、通信,、醫(yī)療、教育,、娛樂(lè),、圖形、建筑和商業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域,。專家預(yù)測(cè),，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展和價(jià)格的下降,，預(yù)計(jì)本世紀(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)進(jìn)入家庭,。

VR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域也大有作為。該技術(shù)可用于解剖教學(xué),、復(fù)雜手術(shù)過(guò)程的規(guī)劃,，在手術(shù)過(guò)程中提供操作和信息上的輔助，預(yù)測(cè)手術(shù)結(jié)果等,。另外,，在遠(yuǎn)程醫(yī)療中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也很有潛力,。例如在偏遠(yuǎn)的山區(qū),，通過(guò)遠(yuǎn)程醫(yī)療虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，患者不進(jìn)城也能夠接受名醫(yī)的治療,。對(duì)于危急病人,，還可以實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù),。醫(yī)生對(duì)病人模型進(jìn)行手術(shù)，他的動(dòng)作通過(guò)衛(wèi)星傳送到遠(yuǎn)處的手術(shù)機(jī)器人,。手術(shù)的實(shí)際圖像通過(guò)機(jī)器人上的攝像機(jī)傳回醫(yī)生的頭盔立體顯示器,，并將其和虛擬病人模型進(jìn)行疊加，為醫(yī)生提供有用的信息,。美國(guó)斯坦福國(guó)際研究所已成功研制出遠(yuǎn)程手術(shù)醫(yī)療系統(tǒng)。

在航天領(lǐng)域,，VR技術(shù)也非常重要,。例如，失重是航天飛行中必須克服的困難,，因?yàn)樵谑е厍闆r下對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)難以預(yù)測(cè),。為了在太空中進(jìn)行***的操作，需要對(duì)宇航員進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的失重仿真訓(xùn)練,。為了逼真地模擬太空中的情景,，美國(guó)航天局NASA在“哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的修復(fù)和維護(hù)”計(jì)劃中采用了VR仿真訓(xùn)練技術(shù)。

在訓(xùn)練中,，宇航員坐在一個(gè)模擬的具有“載人操縱飛行器”功能并帶有傳感裝置的椅子上,。椅子上有用于在虛擬空間中作直線運(yùn)動(dòng)的位移控制器和用于繞宇航員重心調(diào)節(jié)宇航員朝向的旋轉(zhuǎn)控制器。宇航員頭戴立體頭盔顯示器,，用于顯示望遠(yuǎn)鏡,、航天飛機(jī)和太空的模型，并用數(shù)據(jù)手套作為和系統(tǒng)進(jìn)行交互的手段,。訓(xùn)練時(shí)宇航員在望遠(yuǎn)鏡周圍就可以進(jìn)行操作,，并且通過(guò)虛擬手接觸操縱桿來(lái)抓住需要更換的“模塊更換儀”。抓住模塊更換儀后,，宇航員就可以利用座椅的控制器在太空中飛行,。

在對(duì)象可視化領(lǐng)域中，VR技術(shù)應(yīng)用的例子是模擬風(fēng)洞,。模擬風(fēng)洞可以讓用戶看到模擬的空氣流場(chǎng),，使他感到就像真的站在風(fēng)洞里一樣。虛擬風(fēng)洞的目的是讓工程師分析多旋渦的復(fù)雜三維性和效果,、空氣循環(huán)區(qū)域,、旋渦被破壞的亂流等。例如,，可以將一個(gè)航天飛機(jī)的CAD模型數(shù)據(jù)調(diào)入模擬風(fēng)洞進(jìn)行性能分析,。為了分析氣流的模式，可以在空氣流中注入軌跡追蹤物,，該追蹤物將隨氣流飄移,，并把運(yùn)動(dòng)軌跡顯示給用戶,。追蹤物可以通過(guò)數(shù)據(jù)手套投降到任意指定的位置，用戶可以從任意視角觀察其運(yùn)動(dòng)軌跡,。

在軍事領(lǐng)域中,，VR技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)例子是“聯(lián)網(wǎng)軍事訓(xùn)練系統(tǒng)”。在該系統(tǒng)中,，軍隊(duì)被布置在與實(shí)際車輛和指揮中心相同的位置,，他們可以看到一個(gè)有山、樹,、云彩,、硝煙、道路,、建筑物以及由其他部隊(duì)操縱的車輛的模擬戰(zhàn)場(chǎng),。這些由實(shí)際人員操作的車輛可以相互射擊，系統(tǒng)利用無(wú)線電通信和聲音來(lái)加強(qiáng)真實(shí)感,。系統(tǒng)的每個(gè)用戶可以通過(guò)環(huán)境視點(diǎn)來(lái)觀察別人的行動(dòng),。炮火的顯示極為真實(shí)，用戶可以看到被攻擊部隊(duì)炸毀的情況,。從直升機(jī)上看到的場(chǎng)景也非常逼真,。這個(gè)模擬系統(tǒng)可用來(lái)訓(xùn)練坦克、直升機(jī)和進(jìn)行軍事演習(xí),，以及訓(xùn)練部隊(duì)之間的協(xié)同作戰(zhàn)能力,。

當(dāng)然，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止以上這些,。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,，虛擬現(xiàn)實(shí)與我們的生活將日益密切。

初識(shí)VRML

VRML(Virtual Reality Modeling Language,，虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言)是一項(xiàng)和多媒體通訊（Multimedia Communication),、因特網(wǎng)（Internet）、虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality,，VR）等領(lǐng)域密切相關(guān)的新技術(shù),，其基本目標(biāo)是建立因特網(wǎng)上的交互式三維多媒體。VRML于1998年1月被正式批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC 14772-1:1997,通常稱為VRML97),，創(chuàng)立了標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的ISO/IEC記錄,，它還是***個(gè)用HTML發(fā)布的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

VRML是一種3D交換格式,，它定義了當(dāng)今3D應(yīng)用中的絕大多數(shù)常見概念,，諸如變換層級(jí)、光源,、視點(diǎn),、幾何,、動(dòng)畫、霧,、材質(zhì)屬性和紋理映射等等,。VRML的基本目標(biāo)是確保能夠成為一種有效的3D文件交換格式。

VRML是HTML的3D模型,。它把交互式三維能力帶入了萬(wàn)維網(wǎng),，即VRML是一種可以發(fā)布3D網(wǎng)頁(yè)的跨平臺(tái)語(yǔ)言。事實(shí)上,，三維提供了一種更自然的體驗(yàn)方式,，例如游戲、工程和科學(xué)可視化,、教育和建筑,。諸如此類的典型項(xiàng)目?jī)H靠基于網(wǎng)頁(yè)的文本和圖像是不夠的,，而需要增強(qiáng)交互性,、動(dòng)態(tài)效果連續(xù)感以及用戶的參與探索，這正是VRML的目標(biāo),。

VRML提供的技術(shù)能夠把三維,、二維、文本和多媒體集成為統(tǒng)一的整體,。當(dāng)把這些媒體類型和腳本描述語(yǔ)言（scripting language）以及因特網(wǎng)的功能結(jié)合在一起時(shí),，就可能產(chǎn)生一種全新的交互式應(yīng)用。VRML在支持經(jīng)典二維桌面模型的同時(shí),，把它擴(kuò)展到更廣闊的時(shí)空背景中,。

VRML是賽博空間（cyberspace）的基礎(chǔ)。賽博空間的概念是由科幻作家William Gibson提出的,。雖然VRML沒(méi)有為真正的用戶仿真定義必要的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)協(xié)議,，但是應(yīng)該看到VRML迅速發(fā)展的步伐。作為標(biāo)準(zhǔn),，它必須保持簡(jiǎn)單性和可實(shí)現(xiàn)性,，并在此前提下鼓勵(lì)前沿性的試驗(yàn)和擴(kuò)展。

“虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)是什么,？

“虛擬現(xiàn)實(shí)”（Virtual Reality）技術(shù)是在計(jì)算機(jī)繪圖等技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)激動(dòng)人心的新技術(shù)。它利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)造了一個(gè)虛擬的世界,、一個(gè)想像的環(huán)境,，而且使用者可以親臨這個(gè)虛擬的環(huán)境，與其相互作用,，就像在真實(shí)世界中一樣,。通過(guò)這一奇妙的技術(shù),，你可以漫游古希臘的城堡，一睹其建筑風(fēng)格,；你還可以體驗(yàn)滑冰運(yùn)動(dòng)的刺激和太空行走的滋味……你就是這個(gè)虛擬世界的一部分,，所有的感覺(jué)都將十分“逼真”。

以視覺(jué)效果為例,，“虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)與一般的計(jì)算機(jī)繪圖的比較大不同是,，使用者不再僅僅是某個(gè)圖像的觀察者，而是一個(gè)虛擬環(huán)境的參與者,。為了讓使用者完全“沉浸”在虛擬環(huán)境中,，一個(gè)實(shí)際的“虛擬現(xiàn)實(shí)”系統(tǒng)通常包括：實(shí)時(shí)的計(jì)算機(jī)三維繪圖系統(tǒng)、高清晰度的寬視場(chǎng)立體顯示器,、頭部跟蹤器,、手和手勢(shì)的傳感器、觸覺(jué)反饋器,、立體聲音響,、聲音輸入輸出設(shè)施等?？梢?，這是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合技術(shù)。

我們知道,，在真實(shí)世界中,，人的左右眼分別看到的是具有角度差異的景物，大腦所感受的立體世界是二者相混合的結(jié)果,。因此,，為了使人沉浸于虛擬環(huán)境之中，“虛擬現(xiàn)實(shí)”的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須類似地產(chǎn)生兩套具有角度差異的三維立體圖像,，由顯示器分別送到使用者的左右眼,，以構(gòu)造一個(gè)三維虛擬世界。

顯示器的典型設(shè)計(jì)是頭盔式,，兩個(gè)小型顯像管或液晶顯示器分別位于左右眼前,，其水平視野和垂直視野分別大于100°和60°，使用者基本上沒(méi)有透過(guò)“窗口”看景物的感覺(jué),。

為了進(jìn)一步加強(qiáng)使用者身臨其境的感覺(jué),，在視覺(jué)效果方面，除了提高顯示器的清晰度外,，頭部跟蹤器是另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),。在現(xiàn)實(shí)中沒(méi)老，人們看到的景物取決于觀察者頭部的位置和方位。據(jù)此,，在“虛擬現(xiàn)實(shí)”系統(tǒng)中,，一般采用裝在頭盔上的頭部跟蹤器，伏漏通過(guò)紅外線,、超聲波或磁場(chǎng)準(zhǔn)確地追蹤頭部的位置和方位,，并迅速通知計(jì)算機(jī)隨時(shí)相應(yīng)地調(diào)整和改變輸出的圖形。這樣,，使用者移動(dòng)頭部時(shí),，虛擬的景物也跟著變化，從而強(qiáng)化了以假亂真的效果,。缺察爛

在目前開發(fā)的“虛擬現(xiàn)實(shí)”系統(tǒng)中,，使用者與世界的直接相互作用主要由手來(lái)完成。一般的設(shè)計(jì)采用的是傳感手套,，它可以將手的位置,、方位和手指的角度和手勢(shì)及時(shí)通知計(jì)算機(jī)，并產(chǎn)生相應(yīng)的手的圖像,。以“虛擬現(xiàn)實(shí)”的飛行模擬器為例,，使用者可以在顯示器中看到自己的手操縱虛擬設(shè)備的情景。如果將可充氣氣泡或充電時(shí)可以從液體變成固體的材料和記憶材料置于傳感手套內(nèi),，形成觸覺(jué)反饋器,，還可以模擬觸覺(jué),。

此外,，“虛擬現(xiàn)實(shí)”系統(tǒng)還應(yīng)模擬真實(shí)世界中的聲音效果。這樣,，聲音與畫面的同步,、音源的位置和移動(dòng)等都是必須考慮的問(wèn)題。聲音的輸入輸出由計(jì)算機(jī)語(yǔ)音合成系統(tǒng)和語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)來(lái)完成,，目前使用者在使用該系統(tǒng)前尚需接受一定的訓(xùn)練,。

“虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)在技術(shù)訓(xùn)練、科學(xué)研究,、產(chǎn)品設(shè)計(jì),、教育培訓(xùn)、商業(yè)廣告,、文化娛樂(lè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力,。在技術(shù)訓(xùn)練方面，利用“虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)培訓(xùn)飛行員和外科醫(yī)生可以降低訓(xùn)練的費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn),。1993年,，美國(guó)宇航局曾利用此技術(shù)模擬失重環(huán)境訓(xùn)練宇航員進(jìn)行太空維修，結(jié)果成功地修好了哈勃望遠(yuǎn)鏡,。在科學(xué)研究上,，“虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)可以幫助科學(xué)家走進(jìn)染色體,、原子等微觀結(jié)構(gòu)“實(shí)地考察”。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面,，工程師可以用虛擬模型取代實(shí)物模型,，使設(shè)計(jì)更為方便。在教育培訓(xùn)方面,，學(xué)生可以進(jìn)入各種知識(shí)和技能的虛擬情境之中,，使知識(shí)和技能更加容易領(lǐng)會(huì)。在商業(yè)廣告方面,，顧客可以先享受各種虛擬的商品及服務(wù),，再確定購(gòu)買與否。在文化娛樂(lè)方面,，“虛擬現(xiàn)實(shí)”將會(huì)帶來(lái)更多有聲有色的體驗(yàn),。

總之，只要你不過(guò)于沉迷其中,，“虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)將向你展示一個(gè)無(wú)窮無(wú)境的想像空間……