一．什么是虛擬現(xiàn)實？

虛擬現(xiàn)實（VirtualReality），簡稱VR或稱靈境技術(shù)，實際上是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界（VirtualWorld）的計算機系統(tǒng)。此種虛擬世界由計算機生成，可以是現(xiàn)實世界的再現(xiàn)，亦可以是構(gòu)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(chuàng)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(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)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(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。例子：日本松下公司用來招攬買主的“廚房世界”。你只要戴上特殊的頭盔和一只銀色的手套，就可以去“漫游”廚房世界了。你伸手去開門，門隨手而開，廚房內(nèi)的所有設(shè)備就會映人你的眼簾。你可以用手打開柜櫥的門和抽屜，查看里面的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，可從碗架上拿下盤子看看，也可以打開水龍頭，立即看見水流出來，聽見流水聲，還可查看水池下面的排水是否流暢，也可查看照明是否亮堂，試試通風排氣是否正?！?。可是當你拿下頭盔，摘下手套時，這一切又都消失了虛擬現(xiàn)實又稱“虛擬實境”。二．虛擬現(xiàn)實的特點與重要意義：虛擬現(xiàn)實是發(fā)展到一定水平上的計算機技術(shù)與\o"思維科學"思維科學相結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)為人類認識世界開辟了一條新途徑。虛擬現(xiàn)實的最大特點是：用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進行交互操作，改變了過去人類除了親身經(jīng)歷，就只能間接了解環(huán)境的模式，從而有效的擴展了自己的認知手段和領(lǐng)域。另外，虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個演示媒體，而且還是一個設(shè)計工具，它以視覺形式產(chǎn)生一個適人化的多維信息空間，為我們創(chuàng)建和體驗虛擬世界提供了有利的支持。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實時三維空間表現(xiàn)能力、人機交互式的操作環(huán)境以及給人帶來的身臨其境的感受，它在軍事和航天領(lǐng)域的模擬和訓練中起到了舉足輕重的作用。近年來，隨著計算機硬件軟件技術(shù)的發(fā)展以及人們越來越認識到它的重要作用，虛擬技術(shù)在各行各業(yè)都得到了不同程度的發(fā)展，并且越來越顯示出廣闊的應(yīng)用前景。虛擬戰(zhàn)場、虛擬城市、甚至“數(shù)字地球”;無一不是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)將使眾多傳統(tǒng)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性的改變。三．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成：一般的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要由專業(yè)圖形處理計算機、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入設(shè)備和演示設(shè)備等組成.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征之一就是人機之間的交互性（interaction）.為了實現(xiàn)人機之間的充分交換信息，必須設(shè)計特殊輸入工具和演示設(shè)備，以識別人的各種輸入命令，且提供相應(yīng)反饋信息，實現(xiàn)真正的仿真效果。不同的項目可以根據(jù)實際的應(yīng)用可以有選擇的使用這些工具，主要包括：頭盔式顯示器、跟蹤器、傳感手套、屏幕式、房式立體顯示系統(tǒng)、三維立體聲音生成裝置。四．虛擬現(xiàn)實技術(shù)的分類：[\o"編輯段落:桌面級的虛擬現(xiàn)實"編輯]1.桌面級的虛擬現(xiàn)實桌面虛擬現(xiàn)實利用個人計算機和低級工作站進行仿真，計算機的屏幕用來作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口，各種外部設(shè)備一般用來駕馭虛擬境界，并且有助于操縱在虛擬情景中的各種物體。這些外部設(shè)備包括鼠標，追蹤球，力矩球等。它要求參與者使用位置跟蹤器和另一個手控輸入設(shè)備，如鼠標，追蹤球等，坐在監(jiān)視器前，通過計算機屏幕觀察360度范圍內(nèi)的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時參與者并沒有完全投入，因為它仍然會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾。桌面級的虛擬現(xiàn)實最大特點是缺乏完全投入的功能，但是成本也相對低一些，因而，應(yīng)用面比較廣。常見桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)有：基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實技術(shù)：這種技術(shù)不采用傳統(tǒng)的利用計算機生成圖像的方式，而采用連續(xù)拍攝的的圖像和視頻，在計算機中拼接以建立的實景化虛擬空間，這使得高度復雜和高度逼真的虛擬場景能夠以很小的計算代價得到，從而使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)可能在PC平臺上實現(xiàn)。VRML(虛擬現(xiàn)實造型語言)：它是一種在Internet網(wǎng)上應(yīng)用極具前景的技術(shù)，它采用描述性的文本語言描述基本的三維物體的造型，通過一定的控制，將這些基本的三維造型組合成虛擬場景，當瀏覽器瀏覽這些文本描述信息時，在本地進行解釋執(zhí)行，生成虛擬的三維場景。VRML的最大特點在于利用文本描述三維空間，大大減少了在Internet網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而使得需要大量數(shù)據(jù)的虛擬現(xiàn)實得以在Internet網(wǎng)上實現(xiàn)。桌面CAD系統(tǒng)：利用OpenGL、DirectDraw等桌面三維圖形繪制技術(shù)對虛擬世界進行建模，通過計算機的顯示器進行觀察，并有能自由地控制的視點和視角。這種技術(shù)在某種意義上來說也是一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它通過計算機計算來生成三維模型，模型的復雜度和真實感受桌面計算機計算能力的限制。[\o"編輯段落:投入的虛擬現(xiàn)實"編輯]2．投入的虛擬現(xiàn)實高級虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供完全投入的功能，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中、并能全心投入和沉浸其中的感覺。常見的沉浸式系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)：在這種系統(tǒng)中，參與虛擬體驗者要戴上一個頭盔式顯示器，視聽覺與外界隔絕，根據(jù)應(yīng)用的不同，系統(tǒng)將提供能隨頭部轉(zhuǎn)動而隨之產(chǎn)生的立體視覺、三維空間。通過語音識別、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)服裝等先進的接口設(shè)備，從而使參與者以自然的方式與虛擬世界進行交互，如同現(xiàn)實世界一樣。這是目前沉浸度最高的一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：它可以讓參與者從一個屏幕上看到他本身在虛擬境界中的形象，為此，使用中電視技術(shù)中的"鍵控"的技術(shù)，參與者站在某一純色(通常為蘭色)背景下，架在參與者前面的攝像機捕捉參與者的形象，并通過連接電纜，將圖像數(shù)據(jù)傳送給后臺處理的計算機，計算機將參與者的形象與純色背景分開，換成一個虛擬空間，與計算機相連的視頻投影儀將參與者的形象和虛擬境界本身一起投射到參與者觀看的屏幕上，這樣，參與者就可以看到他自己在虛擬空間中的活動情況。參與者還可以與虛擬空間進行實時的交互，計算機可識別參與者的動作，并根據(jù)用戶的動作改變虛擬空間，比如來回拍一個虛擬的球或走動等，這可使得參與者感覺就象是在真實空間中一樣。遠程存在系統(tǒng)：遠程存在系統(tǒng)是一種虛擬現(xiàn)實與機器人控制技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)，當某處的參與者操縱一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)時，其結(jié)果卻在另一個地方發(fā)生，參與者通過立體顯示器獲得深度感，顯示器與遠地的攝像機相連；通過運動跟蹤與反饋裝置跟蹤操作員的運動，反饋遠地的運動過程(如阻尼、碰撞等)，并把動作傳送到遠地完成。[\o"編輯段落:增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實"編輯]3.增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實不僅是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬現(xiàn)實世界、仿真現(xiàn)實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環(huán)境的感受，也就是增強現(xiàn)實中無法感知或不方便感知感受。這種類型虛擬現(xiàn)實典型的實例是戰(zhàn)機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數(shù)和武器瞄準數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而可集中精力盯著敵人的飛機和導航偏差。[\o"編輯段落:分布式虛擬現(xiàn)實"編輯]4.分布式虛擬現(xiàn)實如果多個用戶通過計算機網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經(jīng)歷，那虛擬現(xiàn)實則提升到了一個更高的境界，這就是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。目前最典型的分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是作戰(zhàn)仿真互聯(lián)網(wǎng)和SIMNET，作戰(zhàn)仿真互聯(lián)網(wǎng)(DefenseSimulationInternet，DSI)是目前最大的VR項目之一。該項目是由美國國防部推動的一項標準，目的是使各種不同的仿真器可以在巨型網(wǎng)絡(luò)上互聯(lián)，它是美國國防高級研究計劃局1980年提出的SIMNET計劃的產(chǎn)物。SIMNET由坦克仿真器(Cab類型的)通過網(wǎng)絡(luò)連接而成，用于部隊的聯(lián)合訓練。通過SIMNET，位于德國的仿真器可以和位于美國的仿真器一樣運行在同一個虛擬世界，參與同一場作戰(zhàn)演習。五．虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景和優(yōu)勢：虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛，Helsel與Doherty在1993年對全世界范圍內(nèi)已經(jīng)進行的805項虛擬現(xiàn)實研究項目作了統(tǒng)計，結(jié)果表明：目前在娛樂、教育及藝術(shù)方面的應(yīng)用占據(jù)主流，其次是軍事與航空，醫(yī)學，商業(yè)，另外在可視化計算、制造業(yè)等方面也有相當?shù)谋戎亍Ｏ旅婧喴榻B其部分應(yīng)用。

（1）醫(yī)學虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用大致上有兩類。一是虛擬人體，也就是數(shù)字化人體，這樣的人體模型醫(yī)生更容易了解人體的構(gòu)造和功能。另一是虛擬手術(shù)系統(tǒng)，可用于指導手術(shù)的進行。

Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個SGI工作站建立了一個虛擬外科手術(shù)訓練器，用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺與手術(shù)燈，虛擬的外科工具（如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等），虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺手套，使用者可以對虛擬的人體模型進行手術(shù)。但該系統(tǒng)有待進一步改進，如需提高環(huán)境的真實感，增加網(wǎng)絡(luò)功能，使其能同時培訓多個使用者，或可在外地專家的指導下工作等。

（2）娛樂、藝術(shù)與教育豐富的感覺能力與3D顯示環(huán)境使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂方面對虛擬現(xiàn)實的真實感要求不是太高，故近些年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)在該方面發(fā)展最為迅猛。如Chicago（芝加哥）開放了世界上第一臺大型可供多人使用的虛擬現(xiàn)實娛樂系統(tǒng)，其主題是關(guān)于3025年的一場未來戰(zhàn)爭；英國開發(fā)的稱為“Virtuality”的虛擬現(xiàn)實游戲系統(tǒng)，配有HMD，大大增強了真實感；1992年的一臺稱為“LegealQust”的系統(tǒng)由于增加了人工智能功能，使計算機具備了自學習功能，大大增強了趣味性及難度，使該系統(tǒng)獲該年度虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品獎；

（3）軍事與航天工業(yè)模擬與練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個重要課題，這為虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用前景。美國國防部高級研究計劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱為SIMNET的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)，以提供坦克協(xié)同訓1練，該系統(tǒng)可聯(lián)結(jié)200多臺模擬器。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬戰(zhàn)爭過程已成為最先進的多快好省的研究戰(zhàn)爭、培訓指揮員的方法。戰(zhàn)爭實驗室在檢驗預定方案用于實戰(zhàn)方面也能起巨大作用。1991年海灣戰(zhàn)爭開始前，美軍便把海灣地區(qū)各種自然環(huán)境和伊拉克軍隊的各種數(shù)據(jù)輸入計算機內(nèi)，進行各種作戰(zhàn)方案模擬后才定下初步作戰(zhàn)方案。后來實際作戰(zhàn)的發(fā)展和模擬實驗結(jié)果相當一致。

（4）商業(yè)虛擬現(xiàn)實技術(shù)常被用于推銷。例如建筑工程投標時，把設(shè)計的方案用虛擬現(xiàn)實技術(shù)表現(xiàn)出來，便可把業(yè)主帶入未來的建筑物里參觀，如門的高度、窗戶朝向、采光多少、屋內(nèi)裝飾等，都可以感同身受。它同樣可用于旅游景點以及功能眾多、用途多樣的商品推銷。因為用虛擬現(xiàn)實技術(shù)展現(xiàn)這類商品的魅力，比單用文字或圖片宣傳更加有吸引力。

（5）科技開發(fā)虛擬現(xiàn)實技術(shù)可縮短開發(fā)周期，減少費用。例如克萊斯勒公司1998年初便利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在設(shè)計某兩種新型車上取得突破，首次使設(shè)計的新車直接從計算機屏幕投入生產(chǎn)線，也就是說完全省略了中間的試生產(chǎn)。由于利用了卓越的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使