4.6 虚拟现实

虚拟现实（virtual reality，VR）将是继多媒体、计算机网络之后，最具有应用前景的一种技术。它可应用于建模与仿真、科学计算可视化、设计与规划、教育与训练、医学、艺术与娱乐等方面。虚拟现实技术是一项综合的技术，涉及计算机科学、电子学、心理学、计算机图形学、人机接口技术、传感技术及人工智能技术等。这种技术的特点在于，运用计算机对现实世界进行全面仿真，创建与现实社会类似的环境，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，使用户与该环境直接进行自然交互。因此，虚拟现实技术表现出以下重要特征。

（1）多感知：就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。

（2）沉浸（又称临场感）：是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。

（3）交互：是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也会随着手的移动而移动。

将现实世界的多维信息映射到计算机的数字空间，并生成相应的虚拟世界，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。

（1）基本模型构建：基本模型的构建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三维虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性。模型构建首先要建立对象物体的几何模型，确定其空间位置和几何元素的属性。例如，通过CAD/CAM或二维图纸构建产品或建筑的三维几何模型；通过卫星、遥感或航拍照片构造大型虚拟战场。为了增强虚拟环境的真实感，物理特性和行为规则建模要表现出对象物体的质量、动量、材料等物理特性，并在虚拟环境中遵循一定的运动和动力学规律。

（2）空间跟踪：虚拟环境的空间跟踪主要是通过头盔显示器、数据手套、数据衣等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三维虚拟环境中的位置和方向。跟踪系统一般由发射器、接收器和电子部件组成。目前的跟踪系统有电磁、机械、光学、超声等几类。例如，数据手套是VR系统常用的一种人机交互设备，通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向，从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。

（3）声音跟踪：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。声音跟踪一般包括若干个发射器、接受器和控制单元。它可以与头盔显示器相连，也可以与数据衣、数据手套等其他设备相连。

（4）视觉跟踪与视点感应：视觉跟踪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。视觉跟踪的实现必须考虑精度和操作范围间的折中选择，采用多发射器和多传感器的设计能增强视觉跟踪的准确性，但使系统变得复杂并且成本高。视点感应需要与显示技术相结合，采用多种定位方法（眼罩定位、头盔显示、遥视技术和基于眼肌的感应技术）可确定用户在某一时刻的视线。

在虚拟环境中获取视觉、听觉、力觉和触觉等感官认知，是为了保证虚拟世界中的事物所产生的各种刺激以尽可能自然的方式反馈给用户。

（1）视觉感知：虚拟环境中大部分具有一定形状的物体或现象，可以通过多种途径使用户产生真实感很强的视觉感知。CRT显示器、大屏幕投影、多方位电子墙、立体眼镜、头盔显示器（HMD）等是VR系统中常见的显示设备。不同的头盔显示器具有不同的显示技术，根据光学图像提供的方式，头盔显示设备可分为投影式和直视式。

（2）听觉感知：听觉是仅次于视觉的感知途径，虚拟环境的声音效果，可以弥补视觉效果的不足，增强环境逼真度。用户所感受的三维立体声音，有助于用户在操作中对声音定位。

（3）力觉和触觉感知：能否让用户产生“沉浸”感的关键因素之一是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。例如，当用手扳动虚拟驾驶系统的汽车档位杆时，手能感觉到档位杆的震动和松紧。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。由于人的力觉感知非常敏感，对力反馈装置的精度要求很高。如果没有触觉反馈，当用户接触到虚拟世界的某一物体时容易使手穿过物体。解决这种问题的有效方法是在用户的交互设备中增加触觉反馈。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。

普通意义上的虚拟现实，需要大型计算机、头盔式显示器、立体眼镜、数据手套、洞穴式投影、密封舱等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实，人们通过这些设施以自然的方式（如头的转动、手的运动等）向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉及触觉等感觉世界，随着人们不同的动作，这些感觉也随之改变。事实上，随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术出现了多样化的发展趋势，虚拟现实技术不仅仅是指那些戴着头盔和手套等技术，而且还应该包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法，它的根本目标就是达到真实体验和基于自然技能的人机交互，能够达到或者部分达到这样目标的系统就称为虚拟现实系统。根据用户参与VR的不同形式以及沉浸的不同程度，可以把各种类型的虚拟现实技术大致划分4类。

1．桌面虚拟现实

桌面虚拟现实利用PC机或工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部设备包括鼠标，追踪球，力矩球等。它要求用户使用输入设备，通过计算机屏幕观察360°范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时用户缺少完全的沉浸，因为他们仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，但是成本也相对较低，因而，应用比较广泛。常见桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实QuickTime VR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。

2．完全沉浸的虚拟现实

高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其他传感设备，把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其他手控输入设备、声音等使得用户产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统等。

3．增强现实性的虚拟现实

增强现实性的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，而且要利用它来增强用户对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。

4．分布式虚拟现实

分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟环境，在这个环境中，位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接，或者多个用户同时参加一个虚拟现实环境，通过计算机与其他用户进行交互，并共享信息。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世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。