虚拟现实的基本概念

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简述虚拟现实技术

作者：李文霞 顾翀

来源：《今日印刷》2013年第06期

虚拟现实的特点

虚拟现实采用以计算机技术为核心的现代高技术，生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，使用户如身临其境一般，可以及时而没有限制地观察三维空间内的事物。由此可见，虚拟现实的主要特征为交互性、沉浸感和构想性。具体来说可以用3个“I”来概括，即Immersion、Interactivity和Imagination。

1.交互性（Interactivity）

虚拟现实的交互性是指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度以及用户从该虚拟环境中得到反馈的自然程度。而这种交互的产生，需要借助于各种专用的三维交互设备。例如，船舶结构虚拟装配系统中借助三维鼠标，用户便可以感受在虚拟船舶内走动并可以拆装设备。

2.沉浸感（Immersion）

又称临场感，指用户感到作为主角存在于该虚拟环境中的真实程度。VR技术最主要的技术特征就是使用户具备一种在计算机虚拟环境中的沉浸感，即让使用者觉得自己是计算机系统所创建的虚拟环境的一部分，使人由观察者变为参与者，从而能投入到计算机实践并沉浸其中。在曼恒数字呈现的虚拟船舶内，用户戴上三维立体眼镜便能感觉自己抽离了现实，沉浸于大海之中的船舶上。理想的模拟环境应该使用户全身心投入到计算机创建的三维虚拟环境中，在该环境中，看起来、听起来、闻起来、摸起来甚至尝起来感觉都是真的，跟现实世界毫无分别。

3.构想性（Imagination）

构想性强调虚拟现实技术广阔的想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。在电影《阿凡达》中，卡梅隆依靠自己的想象和虚拟现实技术，创造了一个梦幻般的星球——潘多拉星球，片中的岩石沙尘、森林陡山、外星生物都是构想的，虚拟现实的构想性应用给观众带来了首当其冲的视觉震撼。

虚拟现实技术发展及应用

摘要：本文首先综述了虚拟现实技术的概念、特征和关键技术，然后分析了虚拟现实技术国内外发展现状，最后着重介绍了虚拟现实在军事、医学、数字展陈等方面的应用。

关键词：虚拟现实技术；特征；关键技术；发展现状；应用领域

中国分类号： 文献标识码： 文章编号：

0引言

虚拟现实技术（Vritual Reality，VR）是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感器技术的基础上发展起来的一门新兴的交叉学科，它实时的三维空间表现能力、自然的人机交互式操作环境以及给人带来的身临其境的感受，从根本上改变了人与计算机之间枯燥、生硬和被动的交互现状，为人机交互技术的发展翻开了新的篇章，为智能工程的应用提供了新的界面工具。

虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术高层次的集成和渗透；它给用户以更逼真的体验，它为人们探索宏观世界和微观世界中由于种种原因不便于直接观察事物以得知运动变化规律的情况下，提供了极大的便利。由于它的诱人前景，一经问世就立即受到人们的高度重视。

1虚拟现实的特征【1】

虚拟现实技术就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户创造一个逼真的三维场景，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，让用户有身临其境的感觉，从而减轻用户的负担，提高整个系统的工作效率。它具有四个突出特征：①交互性（Interactivity）是指用户对虚拟环境中对象的可操作成度和从虚拟环境中得到反馈的自然成度，这种交互主要借助于各种专用设备的产生，从而使用户以自然方式如手势、语言等操作虚拟现实中的对象。②沉浸感（Immersion）VR的沉浸感又临场感，是VR的主要特征，是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度，即让用户由观察者变为参与者，感觉自己是计算机系统的一部分，并能全身心的沉浸于虚拟现实中。③想象力（Imagination）。VR的想象力是指用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未来进行想象的能力。④多感知性（Multi-sensation）所谓多感知就是说除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至应该包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术,特别是传感技术的限制,目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种，无论从感知范围还是从感知的精确程度都无法与人相比拟。

学术论坛　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　基于虚拟现实技术的产品概念设计　张帆　（北京服装学院　北京　１　０００２９）　摘要：本文通过对虚拟现实技术含义的阐释以及对传统产品概念设计流程的分析，针对传统产品概念设计方法的局限性，提出了在　产品概念设计阶段应用虚拟现实技术的重要性和可行性，介绍了基于桌面虚拟现实系统的产品概念设计方法。　关键词：虚拟现实技术　产品概念设计　虚拟概念设计　中图分类号：ＴＢｌ８　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２　３７９１（２００６）１２（ｃ）一０１８５—０２　１引言　波音７７７无图纸设计的成功对于产品设　计界来说无疑是一次巨大的撼动。由于采用　了数字化产品定义、异地无纸设计、数字化　制造、数字化预装配技术、数字化虚拟样机　技术、网络技术和并行工程等技术，波音公　司在设计中消除了ｌ２Ｏｏ０处干涉问题，设计更　改减少了９３％，设计费用减少了９４％，研发周　期由９年缩短为４．５年。可见，数字化技术对　于产品设计和制造来说意义何其巨大，随着　时代的发展，数字化技术将越发由一种设计　技术转变成为一种设计的方式。作为数字化　技术与人机交互技术相结合的重要成果，虚　拟现实技术已经从理论研究阶段进入了实际　应用阶段，探讨虚拟现实技术如何应用于产　品设计的过程中将具有十分重要的意义。　２虚拟现实技术的含义　２．１虚拟现实技术的定义　虚拟现实技术是发源于２Ｏ世纪后半期的　一种新的人机交互技术，它的产生缘于计算　机技术的飞速发展。按照最早提出虚拟现实　概念的学者——Ｊ．Ｌａｎｉａｒ的说法：虚拟现实　意味着“用电子计算机合成的人工世界　，其　本质在于它利用计算机软硬件技术能产生一　种人们可以通过视听触嗅等手段感受到的虚　拟幻境，以突破传统人机交互的行为模式。　相对于传统的人机交互方式，虚拟现实　技术有三个显著的特点：一是利用计算机软　硬件以及特殊的设备可以模拟出一个相当真　实的虚拟世界，使处于其中的人得到一种沉　浸感；二是这个虚拟环境是一个开放式的环　境，它能对用户多种形式的输入操作做出反　应，比如，动作、声音等等，具备很强的交互　性；三是正因为它有很强的交互性以及能带　给用户很深的沉浸感，因而，它能生动地反映　设计者的意图，具备很强的想象力。　２．２虚拟现实技术应用于产品设计的途径　目前在产品设计领域使用虚拟现实技术　的途径主要有三条：一是构建临境式虚拟现　实系统，这种系统的特点在于创造一个全沉　浸式的ＶＲ显示屏幕，使人和虚拟环境完全　融合，达到完美的虚拟效果，现在已研制出　弧形宽屏幕、３６０。环形屏幕和全封闭的半　球形屏幕等。由于相关设备费用昂贵，因　而，仅有少数大型企业采用这种虚拟现实系　统进行产品设计；二是构建增强现实型虚拟　现实系统，这种系统采用透明的头载式显示　器，将计算机图形与参与者的即时环境中的　物体叠加在一起，使得操作者对环境真实性　的感受得到增强，同时通过数据手套或其它　的操纵装置与虚拟环境进行沟通，从而获得　增强的沉浸感；三是构建基于工作站或ＰＣ机　的桌面虚拟现实系统，该系统利用个人计算　机和工作站生成虚拟环境，以计算机显示器　或其它台式显示器的屏幕作为虚拟环境的显　示装置，通过专用软件，参与者可通过输入设　备跟计算机进行交流，这种系统视野小、沉浸　感差，但费用低、易普及，已为越来越多的设　计者所采用，本文提出的虚拟概念设计方法　就是采用这种桌面虚拟现实系统。　３产品概念设计　３．１产品概念设计的含义　在理解产品概念设计之前首先要理解什　么是概念产品？概念产品是关于产品总体性　能、结构、形状、尺寸和系统性特征参数　的描述，是根据市场需求和产品定位而对产　品进行的规划和定位，是形式产品设计的依　据，并用以验证和评价对市场需求的满足程　度，以便制定企业所期望的商业目标。概念　产品并非用于直接生产、销售和服务的终端　产品，而是企业用于评估产品竞争力、生产　可行性、维护经济性甚至预测市场走向、引　导消费、强化企业形象的重要棋子。产品概　念设计即是以设计概念产品为目的，通过分　析用户需求到生成概念产品的一系列有序　的、可组织的、有目标的设计活动，它表　现为一个由粗到精、由模糊到清晰的不断进　化的过程。　３．２产品概念设计的过程　产品开发是一种程序，包括创造性的工　作、理解方面的工作、交流方面的工作、测　试方面的工作和说明的工作。从最为普遍的　意义上来说，产品开发的工作可以总结为三　个阶段：设计调查阶段，概念设计阶段，深　入设计阶段。具体的说，典型的产品开发程　序包括多项工作：产品开发目标的设定、设　计调研、概念设计、方案评估、深入设计、　模型制作、样机制作、市场试销、批量生　产、市场导入。在这个过程中，产品概念　设计的主要任务是根据需求分析的进一步细　化和具体化，对产品的功能、形态、色彩、　材质、结构和工艺进行规划和描述。　４在产品概念设计阶段引入虚拟现实技术　４．１虚拟产品概念设计的相比较优势　由于传统的产品设计流程是一个串行的　设计过程，从设计调查到概念设计再到详细　设计、模具、生产，整个过程缺乏信息反　馈，往往导致产品被生产出来才发现存在着　种种问题，传统产品的开发模式也不能在产　品的开发设计阶段就对其生命周期全过程中　的各种因素考虑周全，以致延长了产品开发　的周期，增加了成本，甚至导致最终丧失商　机。随着技术进步和市场竞争的日益激烈，　产品的技术含量和复杂程度在不断增加，而　产品的生命周期日益缩短。因此，缩短新产　品的开发和上市周期就成为企业形成竞争优　势的重要因素。特别是作为产品开发的概念　设计阶段，它肩负的任务是整体规划产品的　功能、形态、结构等，为企业产品开发提　供设计上、生产上、销售上的依据，为下　一步的深入设计和生产加工做好准备。然　而，串行的设计模式限制了信息反馈的范　围，延长了设计调整的时间，概念产品往往　得不到有效的评价和分析，导致批量生产的　终端产品得不到市场的认可，致使整个产品　开发成功率较低。虚拟现实技术和信息技术　的高速发展颠覆了传统串行的设计流程，使　得产品开发中采用并行设计模式有了技术基　础。在产品概念设计阶段，可以充分利用虚　拟现实技术将数字化模型投放市场和企业各　部门进行广泛讨论，及时收集各方信息，迅　速调整设计方案，从而规避开发风险，缩短　研发时间，降低生产成本，占据市场先机。　４．２在产品概念设计阶段应用虚拟设计的方法　以及技术手段　４．２．１虚拟概念设计阶段的流程　虚拟概念设计阶段不同于传统的概念设　计阶段，而是将设计调研、概念设计、方案评　估作为一个整体加以看待。因为采用并行设　计的方式，产品设计的各个阶段都能得到信　息反馈，作为产品概念设计阶段，它需要得到　各方的反馈信息来不断调整设计，所以获取　信息反馈和进行概念设计就成为密不可分的　一个整体。虚拟现实技术的应用使得反馈信　息的时间大大缩短，成本也相应降低，因而反　复的进行“需求分析——设计一一评估一一　再分析一一再设计　就成为虚拟概念设计阶　段的主要内容。　４．２．２虚拟概念设计阶段的内容　根据前述虚拟概念设计的流程，虚拟概　念设计的内容相应的分为三个部分：需求分　析、概念设计、方案评估。　需求分析包括产品构想、市场分析、消　费者分析和竞争分析：产品构想是企业对未　来新产品产生的希望和预见；市场分析的目　的在于明确该类产品的性能、风格、价位、　市场规模和分销模式，以及市场销售总量估　算等；用户的需求分析则包括明确消费者购　科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　

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虚拟现实最重要的价值是什么？

作者：尚俊杰

来源：《中国信息技术教育》2015年第10期

近年来，随着图形图像技术的快速发展，虚拟现实技术越来越成熟，在教育中的应用价值也越来越引人注意。所谓虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），指的是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，观察三度空间内的事物。虚拟现实最为人熟知的或许就是3D电影了，或者模拟驾驶。

随着时间推移，增强现实（Augmented Reality，简称AR）更加引人注意，它是在虚拟现实的基础上发展起来的新技术，是通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知的技术，将虚拟的信息应用到真实世界，并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实的增强。比如，头戴头盔，走在大街上，就可以随时看到几十年前的街道景象。

我们在这里不去管技术的细节，也不去区分什么是虚拟现实，什么是增强现实，什么是模拟，什么是仿真，我们只是来思考一下，这些虚拟现实类技术在教育中究竟有什么用？

首先，利用这些技术，可以实现以前无法或者很难实现的教学方式。比如，医学院的学生需要大量解剖人体，可是尸体很难找，而虚拟解剖就可以部分代替。再如，飞行员必须练习应对被鸟撞、引擎着火等危险情况，可是在正常的飞行练习中很难碰到这些情况，而虚拟实验可以模仿这样的危险情况。在中小学的教学中，学生应该做大量的物理、化学实验，可是在现实中因为各种条件的限制，很多实验无法进行，而利用虚拟实验则可以替代。

其次，虚拟现实技术可以人为地增加或减少因素，可以拉长或压缩实验过程。很多时候，在完全真实的情境中的学习效果未必就好。比如，如果希望学生了解小麦的生长过程，今年10月种下去，明年5月收割，到时候学生可能早忘了，而虚拟农场可以在短时间内让学生体验播种、施肥、浇水、成熟、收割等全过程。