1.1　虚拟现实

1.1.1　虚拟现实的概念

关于虚拟现实的概念，不同领域有不同的定义和描述。

地理信息学：存在于计算机系统中的逻辑环境，通过输出设备模拟显示现实世界中的三维物体和它们的运动规律和方式。

通信科技学：利用计算机发展中的高科技手段构造的，使参与者获得与现实一样的感觉的一个虚拟的境界。

资源信息学：一种模拟三维环境的技术，用户可以如在现实世界一样地体验和操纵这个环境。

虚拟现实（Virtual Reality，缩写为VR），又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。用户不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其他客观限制，感受到真实世界中无法亲身经历的体验。

1.1.2　虚拟现实发展历史与特征

虚拟现实最早兴起于20世纪80年代的知觉模拟系统。当时的兴起是为了建立一种新型的人机交互界面，使用户可以用虚拟系统对真是世界的状态进行动态模拟。在虚拟现实世界中，计算机根据用户的姿势、命令做出响应，使用户和虚拟环境之间建起一种实时的交互性关系，产生逼真的沉浸感，完全置身另一个环境当中。

虚拟现实技术的演变发展史大体可分为四个阶段：有声形动态的模拟是蕴涵虚拟现实思想的第一阶段（1963）；虚拟现实发展的萌芽为第二阶段（1963～1972年）；虚拟现实概念的产生和理论初步形成为第三阶段（1973～1989年）；虚拟现实理论进一步的完善和应用为第四阶段（1990～2004年）。

虚拟现实主要有四大特点：多感知性、沉浸感、交互性和构想性。

多感知性（Multi-Sensory），指除了一般计算机技术所具有的视觉之外，还有听觉、力觉、触觉、运动感，甚至包括味觉、嗅觉等。

沉浸感（Immersion），又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。人浸沉在虚拟环境中，具有和在真实环境中一样的感觉，难辨真假。

交互性（Interaction），指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度。在虚拟环境中体验者不是被动地感受，而是可以通过自己的动作改变感受的内容。

构想性（Imagination），指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。构想性强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，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。

1.1.3　虚拟现实的关键技术与应用

虚拟现实利用计算机技术生成逼真的、具备视听触嗅味等多种感知的虚拟环境。它借助于计算机生成一个三维空间，通过将用户置身于该环境中，借助轻便的多维输入输出设备（如跟踪器、头盔显示器、眼跟踪器、三维输入设备和传感器等）和高速图形计算机，并根据由此而产生的一种身临其境的感觉，去感知和研究客观世界的变化规律。

虚拟现实的技术实质在于提供一种高级的人机接口，它改变了人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，给用户提供了一个趋于人性化的虚拟信息空间。虚拟现实的出现，使人们从纷繁复杂的数据中解放出来，这种形式是传统表现方式所无法比拟的，它给人们提供了一个崭新的信息交流平台。

从目前的发展来看，虚拟技术是很多技术发展的综合，它包含了很多技术的融合，如实时三维计算机的图形图像技术，广角立体显示技术，对听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等的跟踪技术，以及触觉的反馈、立体声、网络信号的传播、语言技术的输出输入，等等。

虚拟现实的关键技术有动态环境建模技术、立体显示和传感器技术、系统开发工具应用技术、实时三维图形生成技术、系统集成技术。动态环境建模技术是虚拟现实比较核心的技术，它的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围有待提高。同时，显示效果对虚拟现实的真实感、沉浸感，都需要通过高的清晰度来实现。虚拟现实技术应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。

虚拟现实系统主要由检测模块、反馈模块、传感器模块、控制模块、建模模块构成。检测模块，检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。反馈模块，接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。传感器模块，一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。控制模块则是对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。建模模块，获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。在五个模块的协调作用下，最终够建出3D模型，实现对现实的虚拟过程。

虚拟现实在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，学生可以很容易了解人体内部各器官结构，通过虚拟现实技术的帮助，能在显示器上重复地模拟手术，移动人体内的器官，寻找最佳手术方案并提高熟练度。在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生活状况，乃至新药研制等方面，虚拟现实技术都能发挥十分重要的作用。

在学习娱乐领域，丰富的感觉能力与3D显示环境使得虚拟现实成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对虚拟现实的真实感要求不是太高，故近些年来虚拟现实在该方面发展最为迅猛。如Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的虚拟现实娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的虚拟现实游戏系统，配有HMD，大大增强了真实感；1992年的一台称为“Legeal Qust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度虚拟现实产品奖。另外，在家庭娱乐方面虚拟现实也显示出了很好的前景。

在艺术领域，虚拟现实技术作为传输显示信息的媒体，在未来艺术领域方面具有非常大的发展潜力。虚拟现实所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的，可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。另外，虚拟现实提高了艺术表现能力，如一个虚拟的音乐家可以演奏各种各样的乐器，手足不便的人或远在外地的人可以在他生活的居室中去虚拟的音乐厅欣赏音乐会，等等。

在教育和军事航天领域，虚拟现实技术在解释一些复杂的系统抽象的概念等方面，是非常有力的工具，Lofin等人在1993年建立了一个“虚拟的物理实验室”，用于解释某些物理概念，如位置与速度，力量与位移等；模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为虚拟现实提供了广阔的应用前景。美国国防部高级研究计划局DARPA自20世纪80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统，以提供坦克协同训练，该系统可联结200多台模拟器。

在工业领域，虚拟现实已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用。虚拟现实技术的引入，将使工业设计的手段和思想发生质的飞跃，更加符合社会发展的需要，可以说在工业设计中应用虚拟现实技术是可行且必要的。

在虚拟场景模拟领域，虚拟现实的产生为应急演练提供了一种全新的开展模式，将事故现场模拟到虚拟场景中去，在这里人为地制造各种事故情况，组织参演人员做出正确响应。这样的推演大大降低了投入成本，提高了推演实训时间，从而保证了人们面对事故灾难时的应对技能，并且可以打破空间的限制，方便地组织各地人员进行推演。

在城市规划领域，虚拟现实技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图。在虚拟的环境中对于不理想的地方也可以进行修改，有效的合作是保证城市规划最终成功的前提，虚拟现实技术为这种合作提供了理想的桥梁，这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。建筑展示动画设计用于项目方案报批的直观载体，降低与政府部门之间的沟通成本，提高沟通的效率。开发商还可以在虚拟现实的技术中，通过动画任意截取图片或片段制作广告，从而降低广告投入成本。应用虚拟现实技术，目标客户可以在地产漫游虚拟现实演示系统中自由行走、任意观看，冲击力强，能使客户获得身临其境的真实感受，大大促进了合同签约的速度。据美国著名的不动产网站realtor的数据显示，有虚拟现实技术展示的地产漫游房产比没有虚拟现实技术展示的房产访问率增加40%，购房效果增加28.5%。地产漫游可以使方案具有多用途功能，地产漫游还可以用于网上广告作产品销售推广、公司品牌推广、售楼现场展示、公司网站和房地产项目网站展示、作为公司的历史资料永久保存、用于商业项目长期招商、招租、用于各类评比活动。一次性投入，可以应用在项目报批、建设、销售、招商招租等各个环节，并可以永久使用。通过建筑漫游动画可以让购房者在电脑上选户型，看到直观的样板房形象，在销售处放上电脑运用VR技术能让购房者在电脑上亲眼看到几年后才建成的小区，通过地产漫游观赏到优美的小区环境设计效果。

在游戏娱乐领域，三维游戏是虚拟现实技术重要的应用方向之一，为虚拟现实技术的快速发展起了巨大的需求牵引作用。尽管存在众多的技术难题，虚拟现实技术在竞争激烈的游戏市场中还是得到了越来越多的重视和应用。可以说，电脑游戏自产生以来，一直都在朝着虚拟现实的方向发展，虚拟现实技术发展的最终目标已经成为三维游戏工作者的崇高追求。从最初的文字MUD游戏，到二维游戏、三维游戏，再到网络三维游戏，游戏在保持其实时性和交互性的同时，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加强。随着三维技术的快速发展和软硬件技术的不断进步，在不远的将来，真正意义上的虚拟现实游戏必将为人类娱乐、教育和经济发展做出新的更大的贡献。

1.1.4　虚拟现实未来的发展趋势

目前，虚拟现实的发展已成为社会关注的热点，尤其是在其强调沉浸、体验的虚拟现实互动方面。虚拟博物馆、虚拟操作台、体验游戏等多种虚拟互动多媒体系统为社会展示了虚拟现实技术广泛的应用范围和广阔的发展前景。同时，也为发展中的虚拟现实交互设计提供了更多的发展空间。

随着虚拟现实技术在城市规划、军事等方面应用的不断深入，人们在建模与绘制方法、交互方式和系统构建方法等方面对虚拟现实技术都提出来更高的需求。为了满足这些新的需求，近年来，虚拟现实相关技术研究遵循“低成本、高性能”原则取得了快速发展表现出一些新的特点和发展趋势。主要表现在以下方面。

①动态环境建模技术，虚拟环境的建立是VR技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。

②实时三维图形生成和显示技术。三维图形的生成技术已比较成熟，而关键是如何“实时生成”，在不降低图形质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外，VR依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术。

③媒介与人的融合。可以设想，依靠智能技术的发展，人们终将摆脱程序化的管理方式，使自己的心力和智力在更大的空间里得到“提升”，创造乐趣和才能全面发展的要求得到满足。虚拟现实技术，正是人类进入高度文明社会前的必然的也是必需的技术发展背景和条件。在数字化时代，虚拟现实技术将越来越人性化。有一天，人们会发现所面对的计算机和网络，将不再是一堆单调和呆板的硬件，而是会说话、根据人的语言、表情和手势做出相应反映的智能化器件。同计算机和网络打交道，将会如同和人打交道一样方便。对于普通大众而言，虚拟现实这一数字媒介将不再是神秘的、不可捉摸的事物，而是善解人意的精灵，它了解人对信息的特殊需求，在人需要它的时候，适时为人们送来信息。借助于虚拟现实技术，把电子途径直接与人们的生物神经网络连接起来，人机界面不仅是由生硬到友好，而且是向界面发展，从而最终把其纳入人的本体。虚拟现实技术的人性化，最终将体现出自然性，达到“天人合一”的完美境界。

④大型网络分布式虚拟现实的研究与应用。网络虚拟现实是指多个用户在一个基于网络的计算机集合中，利用新型的人机交互设备介入计算机产生多维的、适用于用户（即适人化）应用的、相关的虚拟情景环境。分布式虚拟环境系统除了满足复杂虚拟环境计算的需求外，还应满足分布式仿真与协同工作等应用对共享虚拟环境的自然需求。分布式虚拟现实系统必须支持系统中多个用户、信息对象（实体）之间通过消息传递实现的交互。分布式虚拟现实可以看作是基于网络的虚拟现实系统，是可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境，处于不同地理位置的用户如同进入到同一个真实环境中。目前，分布式虚拟现实系统已成为国际上的研究热点，相继推出了相关标准，在国家“八六三”计划的支持下，由若干高校和研究所共同开发了一个分布虚拟环境基础信息平台，为我国开展分布式虚拟现实的研究提供了必要的网络平台和软硬件基础环境。虚拟现实技术的发展必然是与自然界系统生态运动和谐一致，与人自身的要求一致。随着VR技术在未来时代各个领域的应用与发展，必将给人类带来巨大的经济和社会效益。