虚拟现实技术简述

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虚拟现实技术

作者：刘军

来源：《科技探索》2012年第11期

摘要：虚拟现实技术是许多相关学科领域交叉、集成的产物，它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制等。我们必须清醒的认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。

关键词：虚拟 传感器智能控制

1、虚拟现实的概念

虚拟现实是一种高度逼真地模拟人在现实生活中视觉、听觉、动作等行为的人机界面交互技术.它用计算机加上先进的外围设备，模拟现实世界中的一切，模拟过去发生的事件或将来可能要发生的事件.虚拟现实是目前最先进的人机交互界面，提供给用户一种临境和多感觉通道的体验，试图寻找一种最佳的人机通信方式。虚拟现实也称为人工环境，虚拟现实的出现，最初源于对一些特殊环境的需要。如对化工训练等一些带有危险性的环境的模拟，或是源于物理实验、化学试验等一些微观世界的模拟，以及对牛顿力学世界、数学环境等一些抽象概念的模拟，对一些不存在的环境的模拟，或是对昂贵的试验设备和实验环境的模拟等。虚拟现实的概念，可以从狭义和广义两方面去理解[1]。

（1）狭义的概念

根据“虚拟现实术语工作组”提交的IEEE的标准草案中的解释，虚拟现实是指用于创建人造世界的计算机系统，在这个世界里，使用者有沉浸于其中的感觉，能在其内漫游并能操纵其内的物体。这是对虚拟现实的狭义的定义，是针对沉浸式虚拟现实而言的[2]。这种虚拟现实的典型特征即为沉浸感，即使用者完全沉浸于计算机所创造的虚拟环境中，分辨不出真实与虚拟之间的差别。使用者的感觉与行动都与人在自然状态下相似。要实现这种沉浸感，必须使计算机能对人的视、听、触、嗅、味觉进行模拟，这就要有一些最新发展起来的计算机软硬件技术支持，如数字手套，数字外套等。另一特征是强大的交互性，即使用者能通过专用设备，用人类的自然技能在模拟的环境里漫游，对其中的物体进行操作。以虚拟现实目前的技术来看，使用者还是可以感觉到它是处于一个非真实的环境中。

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。

1.虚拟现实技术有哪些

1、桌面式虚拟现实

桌面式虚拟现实系统是应用最为方便灵活的一种虚拟现实系统。有实现成本低，应用方便灵活，对硬件设备要求极低，为了增强效果，可以在桌面虚拟现实系统中借助立体投影设备，增大显示屏幕，达到增加沉浸感及多人观看的目的。

2、沉浸式虚拟现实

沉浸式虚拟现实系统提供了一个完全沉浸的体验，使用户有一种放佛置身于真实世界之中的感觉，通过采用洞穴式立体显示装置（CAVE系统）或头盔式显示器（HMD）等设备，使用户产生一种身临其境、完全投入和沉浸其中的感觉。

3、增强式虚拟现实

增强式虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且是要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强在现实中无法或不方便获得的感受。因此，增强现实的应用潜力是相当巨大的。

4、分布式虚拟现实

在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟现实世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。分布式虚拟现实系统在远程教育、工程技术、建筑、电子商务、交互式娱乐、远程医疗、大规模军事训练等领域都有着极其广泛的应用前景。

2.虚拟现实技术应用

1、在影视娱乐中的应用

近年来，由于虚拟现实技术在影视业的广泛应用，以虚拟现实技术为主而建立的第一现场9DVR体验馆得以实现。

第一现场9DVR体验馆自建成以来，在影视娱乐市场中的影响力非常大，此体验馆可以让观影者体会到置身于真实场景之中的感觉，让体验者沉浸在影片所创造的虚拟环境之中。

同时，随着虚拟现实技术的不断创新，此技术在游戏领域也得到了快速发展。虚拟现实技术是利用电脑产生的三维虚拟空间，而三维游戏刚好是建立在此技术之上的，三维游戏几乎包含了虚拟现实的全部技术，使得游戏在保持实时性和交互性的同时，也大幅提升了游戏的真实感。

虚拟现实（VR）需要攻克的技术难点

目前，虚拟现实（VR）技术在各领域发展得如火如荼，涵盖人机、教育、医疗、视频等各行各业，它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、听觉等感官的模拟。

虚拟现实（VR）的理想状态是让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物，但目前我们的技术还并没有完全达到，那么虚拟现实（VR）技术还存在哪些技术难点需要攻克呢？

大范围多目标精确实时定位

当前，虚拟现实（VR）产品的定位主要依靠Light House来完成。Light House包括红外发射装置和红外接收装置。红外发射装置沿着水平和垂直两个方向高速扫描特定空间，在头盔和手柄上均布有不少于3个红外接收器，且头盔（手柄）上所有的红外接收器之间的相对位置保持不变。当红外激光扫过头盔或手柄上的红外接收器时，接收器会立即响应。根据多个红外接收器之间的响应时间差，不仅可以计算出头盔（手柄）的空间位置信息还能得出姿态角度信息。

目前虚拟现实（VR）产品只能工作于一个独立的空旷房间中，障碍物会阻挡红外光的传播。而大范围、复杂场景中的定位技术仍需突破。多目标定位对于多人同时参与的应用场景至关重要。当前的虚拟现实系统主要为个人提供沉浸式体验，例如单个士兵作战训练。当多个士兵同时参与时，彼此希望看见队友，从而到达一种更真实的群体作战训练，这不仅需要对多个目标进行定位，还需要实现多个目标的数据共享。

“沉浸体验”和“真实感”的平衡

沉浸体验常被作为衡量虚拟现实好坏的一个重要指标，然而在当前的技术条件下，沉浸体验却成了另一个衡量指标——画面“真实感”（即清晰度）的“天敌”。想要画面变得更真实，就需要高清晰度来支持，如果清晰度提高了，那么画面就会离人眼更远，从而降低沉浸体验。

之所以会如此，主要是因为屏幕分辨率的限制。我们可以理解为，离屏幕越近，颗粒感越强，而颗粒感，通过透镜放大后进一步明显，从而使得人眼获取的实境比较模糊。如果分辨率没有高到一定程度，就无法解决这个难题。

虚拟现实技术（VR）

一． 定义：

VR（Virtual Reality，即虚拟现实，简称VR），是由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）在20世纪80年代初提出的。其具体内涵是：综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。其中，计算机生成的、可交互的三维环境称为虚拟环境（即Virtual Environment，简称VE）。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它利用计算机生成一种模拟环境，利用多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。

二、技术介绍：

VR = Virtual Reality，虚拟现实，或称灵境技术，实际上是一种可创建和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。

（一）友好度很重要

随着社会经济的发展，计算机已经成为社会生活中不可缺少的重要组成部分，友好的人机接口技术很早已成为人们关心的一个重要课题，因为一个比较差的人机交互接口很可能将使一个功能很强的产品变得不可接受。总体来讲，人机接口技术主要研究方向有两个方面：（1）人如何命令系统（2）系统如何向用户提供信息。众所周知，人在使用计算机方面的感受（即人机交互部分的友好度）直接影响到人对系统的接受程度，而这两个方面直接决定了人机交互部分的友好度。

（二）虚拟现实 互联网时代的来临使得人类的交流采用了新的方式，进入了新的领域。具体发展过程如下：命令界面—图形用户界面—多媒体界面—虚拟现实。

那么，什么是虚拟现实技术？

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），是由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）在20世纪80年代初提出的。其具体内涵是：综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。其中，计算机生成的、可交互的三维环境成为虚拟环境（即Virtual Environment，简称VE）。