湯朋 張暉

摘 要：隨著科學技術的進步和發(fā)展，虛擬現實技術逐漸滲透各個行業(yè)，不僅給人們帶來了前所未有的新鮮體驗，而且給各行業(yè)帶來了許多便捷。文章概括介紹了虛擬現實技術的概念、發(fā)展歷史、特征，有關虛擬現實涉及的技術及應用。

關鍵詞：虛擬現實技術;發(fā)展歷史;關鍵技術

一、虛擬現實技術的概念

虛擬現實技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它是通過利用計算機而生成的一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統仿真，可以使用戶沉浸到該環(huán)境中。

二、虛擬現實發(fā)展歷史

1.第一階段（1963年以前）有聲形動態(tài)的模擬是蘊涵虛擬現實思想的階段

1929年，Edward Link設計出用于訓練飛行員的模擬器;1956年，Morton Heilig開發(fā)出多通道仿真體驗系統Sensorama。

2.第二階段（1963—1972 ）虛擬現實萌芽階段

1965年，Ivan Sutherland發(fā)表論文“UltimateDisplay” （終極的顯示）;1968年，Ivan Sutherland研制成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器（HMD）;1972年，Nolan Bushell開發(fā)出第一個交互式電子游戲Pong。

3.第三階段（1973—1989 ）虛擬現實概念的產生和理論初步形成階段

1977年，Dan Sandin等研制出數據手套Sayre Glove;1984年，NASA AMES研究中心開發(fā)出用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器;1984年，VPL公司的Jaron Lanier首次提出“虛擬現實”的概念;1987年，Jim Humphries設計了雙目全方位監(jiān)視器（BOOM）的最早原型。

4.第四階段（1990年至今 ）虛擬現實理論進一步的完善和應用階段

1990年，提出VR技術包括三維圖形生成技術、多傳感器交互技術和高分辨率顯示技術;VPL公司開發(fā)出第一套傳感手套“DataGloves”，第一套HMD “EyePhoncs”;21世紀以來，VR技術高速發(fā)展，軟件開發(fā)系統不斷完善，有代表性的如MultiGen Vega、Open Scene Graph、Virtools等。

三、虛擬現實技術的特征及其關鍵技術

（一）虛擬現實技術具有四個重要特征

1.多感知性

多感知性指除一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至還包括味覺、嗅覺、感知等。理想的虛擬現實應該具有一切人所具有的感知功能。

2.存在感

存在感指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應該達到使用戶難辨真假的程度。

3.交互性

交互性指用戶對模擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。

4.自主性

自主性指虛擬環(huán)境中的物體依據現實世界物理運動定律動作的程度。

（二）虛擬現實的關鍵技術

1.動態(tài)環(huán)境建模技術

虛擬環(huán)境的建立是VR系統的核心內容，目的就是獲取實際環(huán)境的三維數據，并根據應用的需要建立相應的虛擬環(huán)境模型。

2.實時三維圖形生成技術

三維圖形的生成技術已經較為成熟，那么關鍵就是“實時”生成。為了達到實時的目的，至少保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，最好高于30幀/秒。

3.立體顯示和傳感器技術

虛擬現實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術的發(fā)展，現有的設備遠遠不能滿足需要，力學和觸覺傳感裝置的研究也有待進一步深入，虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高。

4.應用系統開發(fā)工具

虛擬現實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，例如如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造性。選擇適當的應用對象可以大幅度提高生產效率，減輕勞動強度，提高產品質量。想要達到這一目的，則需要研究虛擬現實的開發(fā)工具。

5.系統集成技術

由于VR系統中包括大量的感知信息和模型，因此系統集成技術起著至關重要的作用，集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別與合成技術等。

四、虛擬現實在生活中的應用

虛擬現實技術近年來應用于各個方面，現在挑出幾個代表進行介紹。

1.虛擬現實技術在游戲娛樂方面的應用

虛擬理想技術使人無論怎樣轉動視角，其所看到的場景均為電腦預先設定的虛擬場景，從而使使用者感到身在其中，產生極強的沉浸感與參與感。盡管玩家內心清楚游戲中的人物與場景全是假的，但環(huán)繞視野與聲光觸覺模擬器使他的潛意識認為自己處于真實的世界，電腦能夠立即中止簡單的運算，將準確的3D世界影像傳回，爆發(fā)臨場感，達到人在房中但心游天下的效果。

這項技術相比傳統顯示技術最大的不同是以一個360°無死角的屏幕代替了有限的一維屏界，給人以身臨其境之感，與BD技術的結合和傳感器的使用更減少了傳統游戲無法避免的人機隔閡，具有廣闊的市場前景與應用價值。在美國芝加哥虛擬娛樂世界，人們排長隊購買門票參加虛擬現實的戰(zhàn)斗游戲。游戲人坐在駕駛艙里，艙內有控制器立體屏幕。游玩的人可以乘飛艇探測遙遠的星球，飛行中要保護自己防止巨型坦克的襲擊，并用激光槍展開射擊競賽，也可以低頭彎腰、扭身拐行，躲開史前翼身恐龍的沖擊。

2.虛擬現實技術在醫(yī)學方面的應用

虛擬現實技術可以進行個性化醫(yī)學診斷、治療，逼真預期不同的治療方案在人體上的不同反應。與傳統的主觀判斷相比，在虛擬人體上進行各種無法在真人身上進行的診療試驗，可以根據獲得的治療數據和人體反應進行科學分析和判斷，可以做出更加理性和真實可行的診斷和治療方案。虛擬手術仿真系統可以根據各種醫(yī)學影像信息和數據創(chuàng)建虛擬手術環(huán)境，并在虛擬環(huán)境中建立3D模型設計切口位置、角度，預演手術的過程，從中可以提前預測手術過程中可能出現的問題并采取補救措施，從而提高手術的成功率。有了這個虛擬系統，醫(yī)生可以更加合理地選擇制訂手術方案和方法，減少手術給患者帶來的各種損傷和傷害，并可以提高準確判斷病灶的位置的準度，對各種復雜的內科、外科手術都有很好的輔助判斷效果。

3.虛擬現實技術在教育方面的應用

在不能室外教學的情況下，可以利用互聯網和虛擬現實技術觀摩實際發(fā)生的地理室外教學，以彌補無法外出的缺憾。VR 虛擬現實技術正是適應了這一要求，營造了一種滿足學生探索自然奧秘、認識社會生活環(huán)境的學習環(huán)境。虛擬現實技術的實施還有利于營造促使學生形成地理信息意識與能力的教學環(huán)境，使地理課堂教學方式呈現出多樣性、創(chuàng)造性和新穎性。VR 技術改變了教材的呈現方式、學生的學習方式、教師的教學方式 與師生活動方式，極大促進了地理課堂教學改革。

4.虛擬現實技術在心理學方面的應用

虛擬現實技術其實最早被用于焦慮障礙的治療，且主要集中在恐高癥、飛行恐怖、幽閉恐怖和廣場恐怖等方面。1994年，Rothbaum小組設計出了一套治療飛行恐怖的虛擬現實系統，成功治愈了一名女性飛行恐怖患者。該小組還對虛擬現實暴露療法和傳統療法進行了比較，發(fā)現虛擬現實與傳統暴露療法效果相當并且可以長期保持。Muhlberger小組將30名飛行恐怖患者隨機分為虛擬現實組和放松治療組，治療后兩組都有明顯改善，但是虛擬現實組的效果明顯優(yōu)于對照組。類似的研究還有很多，都證明虛擬現實的確擁有良好的治療作用。

五、虛擬現實技術的進一步展望

虛擬現實技術是許多相關學科領域交叉、集成的產物。它的研究內容涉及人工智能、計算機科學、電子學、傳感器、計算機圖形學、智能控制、心理學等。雖然這個領域的技術潛力是巨大的，應用前景也是很廣闊的，但仍存在許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術障礙?？陀^而論，目前虛擬現實技術所取得的成就，絕大部分還僅僅限于擴展了計算機的接口能力，僅僅是剛剛開始涉及人的感知系統和肌肉系統與計算機結合作用問題，還根本未涉及“人在實踐中得到的感覺信息是怎樣在人的大腦中存儲加工處理成為人對客觀世界的認識”這一重要過程。只有當真正開始涉及并找到對這些問題的技術實現途徑時，人和信息處理系統間的隔閡才有可能被徹底克服。我們期待有朝一日，虛擬現實系統成為一種對多維信息處理的強大系統，成為人進行思維和創(chuàng)造的助手和對人們已有的概念進行深化和獲取新概念的有力工具。

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