虛擬現實技術的應用現狀及未來展望

摘要：虛擬現實技術作為一種綜合多種科學技術的計算機領域新技術,是國內外計算機仿真應用研究的熱點，涉及眾多發展和應用領域，極大地豐富了我們的生活。本文針對虛擬現實的歷史、發展、應用現狀進行了必要的概述,同時就作者近期的工作做了介紹以及對虛擬現實未來發展方向做了初步的展望.

關鍵詞： 虛擬現實；交互技術； 虛擬環境

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)18-20ppp-0c

The Application of Virtual Reality Technology Status and Future Prospects

SHU Jian-hua

(School of Software Engineering Tongji University, Master, Shanghai,China,200000)

Abstract:The Virtual reality technology as a comprehensive variety of computer science and technology in the field of new technologies, It is the application of domestic and international hot spots, many involving the development and application areas, greatly enrich our lives. In this paper, the history of virtual reality, development and application of a need for an overview at the same time the author on the recent work done on virtual reality and the future direction of giving us some ideas about the future development of virtual reality technology.

Key words: Virtual reality; Interactive technology; virtual environment

1 引言

虛擬現實(Virtual Reality,VR)技術，又稱“靈境技術”、“虛擬環境”、“賽伯空間”、“模擬實境”、“虛擬實境”、“仿真技術”等，是在現代科學技術（如計算機圖形學、圖像處理與識別、計算機仿真技術、人機接口技術、實時分布處理技術、數據庫技術、多媒體技術、多傳感器技術和人的行為學研究等）的基礎上發展起來的一門交叉科學技術。其特點以計算機技術為主，利用計算機等設備創造一個視聽感受逼真的三維虛擬環境，該環境是人工虛構的，在這個虛構的環境中能實現與現實相同的感受，可以利用它觀察周圍世界，可以與虛擬世界進行人機互動等，大大加速了人機互動技術的發展。VR技術的出現，為人機交互界面的發展開創了新的研究平臺，為智能工程提供了新的界面工具，為裝置藝術可視化發展提供了新的展示空間。

2 虛擬現實技術的發展概述

VR的發展概括起來大致為三個階段：20世紀50年代到70年代，是虛擬現實技術的探索階段；80年代前中期，是虛擬現實技術從實驗室走向實用的階段；80年代末到21世紀初，是虛擬現實技術快速發展時期。

1965年“虛擬現實技術之父” Lvan Sutherland博士在《終極的顯示》的論文中首次提出了具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現實系統的基本思想，隨后幾年又展開了頭盔式顯示器(HMD)的研制工作，取得了顯著的成績，因此這一理論影響至今。在第一個HMD的樣機完成不久，研制者又把能模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個系統中。1970年，出現了第一個功能較齊全的HMD系統。

基于從60年代以來所取得的一系列成就，美國的JaronLanier在上世紀80年代正式提出了“VirtualReality”一詞。美國宇航局(NASA)及美國國防部組織了一系列有關虛擬現實技術的研究，并取得了令人矚目的研究成果，從而引起了人們對虛擬現實技術的廣泛關注。隨后開發出用于火星探測的虛擬環境視覺顯示器，將火星探測器發回的數據輸入計算機，為地面研究人員構造了火星表面的三維虛擬環境。到了90年代，計算機硬件技術與軟件系統極大的推動虛擬現實技術的發展，加速了大型數據集合的聲音和圖象的實時動畫制作的發展。1993年11月，宇航員利用虛擬現實系統成功地完成了從航天飛機的運輸艙內取出新的望遠鏡面板的工作，用VR技術設計出由300萬個零件組成的波音777飛機；1996年10月31日，世界第一個虛擬現實技術博覽會在倫敦舉行；同年12月，世界第一個虛擬現實環球網在英國投入運行；進入21世紀后，虛擬技術得到進一步發展，世界最大的虛擬現實技術軟件公司之一的英國“超景”公司總裁深刻地認識到虛擬現實技術的產生，是因特網繼文字時代后的又一次飛躍，有著巨大潛力和發展空間，應用前景不可估量；因此組織開發出在電腦屏幕可以游覽的“超級城市”立體圖像，真實模擬人們生活場景等等。隨著因特網傳輸速度的加快，VR技術也趨于成熟，這種網絡將廣泛應用于工程設計、教育、醫療、軍事、娛樂等領域。

3 虛擬現實技術的應用現狀

3.1 軍事與航空航天

虛擬現實的技術根源可以追隨到軍事領域，軍事應用是推動虛擬現實技術發展的主要力量，是虛擬現實系統最為重要的應用領域。模擬訓練一直是軍事與航天工業中的一個重要課題，這為VR提供了廣闊的應用前景。海灣戰爭的美國士兵對周邊的環境不覺得陌生，是由于虛擬現實已把他們帶入那漫無邊際的風塵黃沙，讓他們“身臨其境”感受到大漠的荒涼。美國國防部先進研究課題局(DARPA)自80年代初起一直致力于研究稱為SIMNET的虛擬戰場系統，這個課題結果產生了仿真網絡，連到美國和德國200多個坦克仿真器。在航空航天方面，宇航員利用虛擬現實系統進行各種訓練，美國航空航天局計劃將虛擬現實系統用于國際空間站組裝、訓練等工作。

3.2 醫學方面

虛擬人體在醫學方面的應用十分重要。借助于跟蹤球、HMD、感覺手套探索工具，可以很容易了解人體內部器官結構，經過3D可視化，可以更好的展示人體各器官和組織且還可以進行功能性的演藝。Pieper和Satara等研究者在90年代基于兩個SGI工作站建立了一個虛擬外科手術訓練器，用于腿部及腹部外科手術模擬。這個虛擬的環境包括虛擬的手術臺與手術燈，虛擬的外科工具，虛擬的人體模型和器官等。借助于HMD及感覺手套，使用者可以對虛擬的人體模型進行手術。另外，對于危急病人，還可以實施遠程手術。在遠程遙控外科手術、復雜手術的計劃安排、手術過程的信息指導、手術后果預測及改善殘疾人生恬狀況，新型藥物的研制等，VR技術都有十分重要的意義。

3.3 工程管理

VR在工程管理方面也顯示出無與倫比的優越性。設計新型建筑物時，可以在動工之前用VR技術顯示建筑物，為安全生產和管理工程奠定基礎；當財政發生危機時，可以幫助其分析股票、債券等方面的數據分析以找到最佳的處理對策等等。

3.4 建筑設計與城市規劃設計

德國是運用VR技術在建筑設計最早的行業。自1991年起，德國多家研究所和公司探索和研究交互效果的“虛擬設計”。當時城市規劃、工程建筑設計的輔助開發工具就在全力使用虛擬現實技術，把虛擬現實技術作為其規劃的視覺依據。浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發了一套桌面型虛擬建筑實時漫游系統，實現了立體視覺，還提供了方便的交互工具，整個系統的實時性和畫面的真實感處于全國領先水平。

3.5 娛樂、藝術與教育領域

豐富的感覺能力與3D顯示環境使得VR成為理想的視頻游戲娛樂工具。英國開發了一款游戲系統——“Virtuality”，配有HMD，大大提高了真實感；Chicago（芝加哥）開放了世界上第一臺大型可供多人使用的VR娛樂系統，其相關主題為3025年的一場未來戰爭； 1992年開發的稱為“Legeal Qust”的系統由于增加了人工智能功能，使計算機具備了學習功能，大大增強了趣味性及難度，因此該系統獲得了當年的VR產品獎。

隨著數字媒體的發展，虛擬現實技術在藝術方面發揮的作用不可估量。豐富了藝術的表現形式，強化了藝術表現力；手足不便的人可以在居室中去虛擬音樂廳欣賞音樂會，可以足不出戶在家觀看電子博物館；另外，數字化的文化遺產也是虛擬現實技術的應用方向之一，對文化遺產的保護與復原發揮很大的意義，可以利用VR技術漫游世界古跡，感受古代戰場，還原古跡原貌。

隨著虛擬現實技術的普及，在教育方面出現了虛擬校園、虛擬課堂、遠程教育等。中國浙江大學研制開發了基于人物的電子學習環境(ELVIS)，用來輔助9-12歲小學生進行故事創作。中國科技大學運用VR技術開發了第一套基于虛擬現實的教學軟件，豐富了教學環境。

4 我們的工作

在傳統的人與計算機系統中，用戶是一個外部的觀察者，只是通過顯示屏有限的小窗口，觀察計算機內的合成環境。傳統的人機交互最常用的設備是鍵盤和鼠標，人們通過它們與合成環境中的物體進行交互，這與我們現實世界中的通訊方式相差甚遠?；友b置技術主要是通過計算機硬件及軟件程序平臺、自動化等技術結合計算機輸入、輸出設備和一些表現性的綜合材料來表現藝術，其最大特點就是參與者能與虛擬環境進行自然的交互，能用人類自然的技能與感知能力與虛擬世界中的對象進行交互作用。針對目前整個業界的發展狀況，結合我國VR技術發展的現實以及應用需求的實際情況，作者認為我們尚有很大的可研發空間，然而就目前虛擬現實技術的理論及文字性的材料有限，在一些大型展覽中，其作品卻越來越多，鑒于它的發展及技術研究，作者從互動裝置藝術的虛擬性方法入手，結合實踐對它進行了規類、劃分和技術應用，打破傳統的單一的靜態裝置，為業界對它的研究作一些理論性和實踐鋪墊。針對大型場合控制系統，其可控性和可觀性都存在許多困難，最重要的問題就是虛擬現實計算空間與人的認知空間中的多維信息映射算法的構造和實現，在這方面的研究主要應該在新型材料微型傳感器開發設計，新型裝置的設計，建立一套科學的觸覺力覺設備實驗環境和評估標準，包括各項該類裝置設計和實用評估指標?；友b置未來市場空間很大，有待于我們繼續開發和應用更廣闊的領域。

5 展望

VR 技術的實質是構建一種人為的能與之進行自由交互的“世界”，在這個“世界”中參與者可以實時地探索或移動其中的對象。沉浸式虛擬現實是最理想的追求目標， 實現的方式主要是戴上特制的頭盔顯示器、數據手套以及身體部位跟蹤器， 通過聽覺、觸覺和視覺在虛擬場景中進行體驗?？梢灶A測短期內游戲玩家可以戴上頭盔身著游戲專用衣服及手套真正體驗身臨其境的“虛擬現實”游戲空間，它的出現將淘汰現有的各種大型游戲，推動科技的發展?？v觀VR的發展歷程， 未來VR技術的研究仍將延續“低成本、高性能”原則， 從軟件、硬件兩方面展開，發展方向主要歸納如下：

（1）動態環境建模技術。虛擬環境的建立是VR 技術的核心內容，動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，并根據需要建立相應的虛擬環境模型。

（2）實時三維圖形生成和顯示技術。三維圖形的生成技術已比較成熟， 而關鍵是怎樣“實時生成”，在不降低圖形的質量和復雜程度的基礎上， 如何提高刷新頻率將是今后重要的研究內容。此外，VR還依賴于立體顯示和傳感器技術的發展， 現有的虛擬設備還不能滿足系統的需要， 有必要開發新的三維圖形生成和顯示技術。

（3）新型交互設備的研制。虛擬現實技術實現人能夠自由與虛擬世界對象進行交互， 猶如身臨其境，借助的輸入輸出設備主要有頭盔顯示器、數據手套、數據衣服、三維位置傳感器和三維聲音產生器等。因此， 新型、便宜、魯棒性優良的數據手套和數據服將成為未來研究的重要方向。

（4）智能化語音虛擬現實建模。虛擬現實建模是一個比較繁復的過程，需要大量的時間和精力。如果將VR 技術與智能技術、語音識別技術結合起來， 可以很好地解決這個問題。我們對模型的屬性、方法和一般特點的描述通過語音識別技術轉化成建模所需的數據，然后利用計算機的圖形處理技術和人工智能技術進行設計、導航以及評價， 將模型用對象表示出來， 并且將各種基本模型靜態或動態地連接起來， 最終形成系統模型。人工智能一直是業界的難題，人工智能在各個領域十分有用，在虛擬世界也大有用武之地，良好的人工智能系統對減少乏味的人工勞動具有非常積極的作用。

（5）分布式虛擬現實技術的展望。分布式虛擬現實是今后虛擬現實技術發展的重要方向。隨著眾多DVE開發工具及其系統的出現，DVE本身的應用也滲透到各行各業，包括醫療、工程、訓練與教學以及協同設計。仿真訓練和教學訓練是DVE的又一個重要的應用領域，包括虛擬戰場、輔助教學等。另外，研究人員還用DVE系統來支持協同設計工作。近年來，隨著Internet應用的普及，一些面向Internet的DVE應用使得位于世界各地多個用戶可以進行協同工作。將分散的虛擬現實系統或仿真器通過網絡聯結起來， 采用協調一致的結構、標準、協議和數據庫，形成一個在時間和空間上互相耦合的虛擬合成環境， 參與者可自由地進行交互作用。特別是在航空航天中應用價值極為明顯，因為國際空間站的參與國分布在世界不同區域，分布式VR訓練環境不需要在各國重建仿真系統， 這樣不僅減少了研制費和設備費用，減少了人員出差的費用以及異地生活的不適。

近幾十年來，通信技術、計算機的同步發展和相互促進成為世界上信息技術與產業飛速發展的主要特征。特別是網絡技術的迅速崛起與普及，使得信息應用系統在深度和廣度上發生了質的變化。虛擬現實主要依靠人機交互的發展，目前技術上已初步解決人腦數據的讀取，在不久的將來，開發者將完全解決通過神經系統自動進入虛擬現實環境的“人腦——計算機接口”問題，通過對人腦提取和反饋神經信號使人完全融入“虛擬現實”世界。當然從技術角度，我們應該對基于多用戶虛擬環境進行必要的技術研究。因為將來的VR技術將越來越重視人在其中的交互。虛擬現實充滿活力、具有無限的應用前景的高新技術領域，但仍然存在許多有待解決與突破的問題。為了提高系統的交互性、逼真性和沉侵性，在新型傳感和感知肌理、幾何與建模新方法、高性能計算，特別是高速圖形圖像處理，以及人工智能、心理學、社會學等方面都有許多具有挑戰性的問題有待我們進一步解決。

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收稿日期：2008-04-13

作者簡介：舒建華（1978-），男，湖南懷化人，助教，中國礦業大學從事研究與教學工作，同濟大學軟件學院研究生在讀 ，主要研究方向：圖形學，虛擬現實技術，數字媒體視覺設計，藝術設計等。