虚拟现实技术略论

维普资讯 http://www.cqvip.com 总第４９期　南京广播电视大学学报　２００７年第４期　Ｓｕｍ　Ｎ０．４９　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｒａｄｉｏ＆ＴＶ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｎｏ．４．２００７　虚拟现实技术略论　褚志涛　（南京广播电视大学，江苏南京２１００２９）　【摘要】虚拟现实技术一经问世，人们就对它身临其境的真实感和对超越现实的虚拟性的追求，以及建　立的个人能够沉浸其中、进出自如并具有交互作用的虚拟世界，产生了浓厚的兴趣。文章主要从虚拟现实技术　的特点、应用领域和发展前景等方面进行了阐述。　【关键词】虚拟现实　沉浸感　应用与展望　【中图分类ｇ－Ｉ　ＴＰ３９１．９　【文献标识码】　Ａ　【文章编ｇ－Ｉ　１００９—１４５９（２００７）０４—００８９—０３　一、虚拟现实技术概述　式系统也可使用常规交互设备进行交互操作　虚拟　虚拟现实（Ｖｉｒｔ１１８ｌ　Ｒｅａｌｉｔｖ，ＶＲ）是由美国ＶＰＬ公　现实中强调人在所创建的虚拟世界中的体验　司的Ｊａｒｏｎ　Ｌａｎｉｅｒ于上世纪８０年代初提出的一个新　二、虚拟现实技术的特点　词．表示人类存在于计算机空问中的概念。它是２０　在１９９３年世界电子年会上．美国科学家Ｂｕｒｄｅａ　世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术　它融　Ｇ和Ｐｈｉｌｉｐｐｅ　Ｃｏｉｆｆｅｔ曾发表过一篇名为“Ｖｉｎｕａｌ　合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传　Ｒｅａｌｉｔｙ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”的文章．其中提出　感器技术等多个信息技术分支．从而大大推进了计　“虚拟现实技术的三角形”理论．它简要地说明了虚　算机技术的发展　虚拟现实系统向用户提供沉浸　拟现实技术所具有的３个最突出的特征：交互性　（ｉｍｍｅｒｓｅ）和多感觉通道（ｍｕｌｔｉ—ｓｅｎｓｏｒｙ）体验。在传　（Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）、沉浸性（Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ）和构想性　统的人机系统中。人是作者，机器只是被动地反应；　（Ｉｍａｇｉｎａｔｉｏｎ），也就是人们熟称的３“Ｉ”特性。　在一般的计算机系统中．人是用户．人与计算机之　１．沉浸性　（Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ）　问以一种对话方式工作：在虚拟现实中，人是主动　沉浸性。又称为投入性。虚拟现实技术是根据人　参与者。复杂系统中可能有许多参与者共同在以计　类的视觉、听觉、触觉等生理心理特点．由计算机产　算机网络系统为基础的虚拟环境中协同工作。虚拟　生逼真的三维立体图像。使用者戴上立体显示头盔、　现实技术的应用十分广泛．几乎可以支持任何人类　立体眼镜、数据手套、遥感控制器等交互设备．便可　活动和任何应用领域　将自己置身于虚拟环境中．成为虚拟环境中的一员。　虚拟现实是计算机生成的给人多种感官刺激　使用者通过传感器以自然的技能（如头的转动、身体　的虚拟世界，是一种高级的人机交互系统。在虚拟　的运动等）向计算机输入各种动作信息．并且通过视　现实中强调两点：（１）计算机生成的虚拟世界必须　觉、听觉以及触觉设施使人们“走人”逼真的三维世　是一个可以为人提供视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉　界。　等多种感官刺激的世界　目前虚拟现实通常由视　２．交互性（Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ、　觉、听觉和触觉三种刺激构成。（２）虚拟现实系统的　交互性。在计算机生成的这种虚拟环境中．人们　人机交互操作是对多通道信息进行的．并且对沉浸　可以利用多种传感设备进行交互．感觉就像是在真　式系统要求采用自然方式的交互操作．对于非沉浸　实客观世界中一样。比如：当用户用手去抓取虚拟环　【收稿日期１２００７—０８—２９　【作者简介】褚志涛，男，助教，南京广播电视大学开放教育直属部。　维普资讯 http://www.cqvip.com

褚志涛：虚拟现实技术略论　境中的物体时．手就有握东西的感觉，而且可感觉到　物体的重量　操作整个环境的自由度。这种呈现度信息的虚　拟学习和培训环境，将为参与者以最直观、最有效的　方式掌握一门新知识、新技能提供前所未有的新途　径。因此，该项技术的发展可应用于虚拟科学实验　３．构想・￣（Ｉｍａｇｉｎａｔｉｏｎ）　虚拟现实系统的应用是ＶＲ与设计者并行操　作，为发挥它们的创造性而设计的。过去，人只能从　定量计算为主的结果中得到启发而加深对事物的认　识。现在。借助于ＶＲ技术，人有可能从定性和定量　综合集成的虚拟环境中得到感性和理性的认识．进　室、立体观念、生态教育、交通规则教育、残疾朋友学　习、专业领域的教育训练等众多领域。　２．在建筑领域的应用　虚拟现实在建筑学和建筑业的应用方面很有潜　而使人能深化概念、产生新意和构想。主动地寻求、　探索信息，而不是被动地接收，这就更进一步地依赖　和体现了虚拟现实的创意和构想性　虚拟现实技术具有的“沉浸性”、“交互性”、“构　想性”，使得参与者能在虚拟环境中做到沉浸其中、　超越其上、进出自如和交互自由。它强调了人在虚　拟现实系统中的主导作用．即人的感受在整个系统　中是最重要的。因此，“沉浸性”和“交互性”这两个特　征．可以说是虚拟现实技术区别于任何一种其他相　关技术（如三维动画、仿真、遥现与遥作、科学可视化　以及传统的多媒体图形图像技术等）的本质区别。　三、虚拟现实技术的应用和前景展望　由于虚拟现实在技术上的进步与逐步成熟．其　应用在近几年发展迅速．应用领域已由过去的娱乐　与模拟训练发展到包含航空、航天、建筑、土木、医　疗、军事、教育、娱乐、艺术、金融、商业等广泛领域。　现在让我们展示一下ＶＲ技术目前和未来的应用领　域。我们列出的项目远非ＶＲ应用的全部范围。我们　可以肯定的一件事就是ＶＲ技术将会令我们震惊，　而且我们必须对此有所准备　１．在教育和培训领域的应用　ＶＲ技术在教育和培训领域的应用才刚刚开　始。美国一个“虚拟物理实验室”系统的设计就使得　学生可以通过亲身实践的方式进行学习。另外，在高　性能计算机和传感器的支持下，残疾人带上数据手　套后。就能将自己的手势翻译成讲话的声音；配上目　光跟踪装置后．就能将眼睛的动作翻译成手势、命令　或讲话的声音　虚拟现实技术能将三维空间的意念清楚的表示　出来，并产生视觉、听觉、触觉、嗅觉等各种感官的刺　激信息：同时，它使学习者能直接、自然地与虚拟环　境中的各种对象进行交互作用．以各种形式参与到　事件的发展变化过程中去．从而获得最大的控制和　力，建筑物还在设计阶段就可令人身临其境．随意修　改。设计师和业主都可先体验建筑物的结构并在施　工之前加以改动．避免施工期间或落成后再改动的　昂贵花费　将来．户主可以在设计阶段通过虚拟现实欣赏　需要购买的住宅，除了欣赏结构外，还可体验住宅内　外的音响效果以及装修效果　住宅建筑师和房地产　开发商尤其会利用虚拟住宅来推销他们的设计。　３．在金融领域的应用　某些公司早已开发出股市三维视像系统　股市　上各种股票在三维图景中用一个个直立的圆柱体表　示。这些圆柱体随着股票价格的升跌而涨、缩，并以　不同速率旋转，不同的颜色和特效表示，显现各种股　票的各种数据。这样，经纪人就能极快地洞察整个股　市的形势及各个股票的行情。点击某公司的柱体，即　可在屏幕上显示其深度信息．使经纪人可以抓住机　会快速决策　，　未来应用虚拟现实技术在股票市场上进行交易　将大为增长　那些在全球多个股票市场上交易的公　司会需要用虚拟现实技术确定走势和更快地进行交　易。事实上，他们能在真实时空中与股市交互作用。　他们的活动很像是在玩巨大而复杂的３Ｄ游戏　４．在艺术领域的应用　目前我们可以通过互联网虚拟地参观艺术馆和　博物馆。美国国家艺术馆采用高速网络和虚拟现实　技术建立的“虚拟美国国家艺术馆”能使任何一个人　通过网络，远距离地参观艺术馆，不仅仅使参观者能　尽兴地仔细欣赏展品，获得身临其境的感受，并且还　可以参加培训或参与研究，获得更多的知识。　ＶＲ在未来艺术领域方面所具有的潜在应用能　力不可低估　ＶＲ所具有的临场参与感和交互能力　可以将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的，　使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。另外．ＶＲ提　维普资讯 http://www.cqvip.com 褚志涛：虚拟现实技术略论　高了艺术表现力．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　在他的家中去虚拟的音乐厅欣赏音乐会等等。　基于两个ＳＧＩ工作站建立了一个虚拟外科手术训练　器．用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境　包括虚拟的手术台与手术灯．虚拟的外科工具（如手　５．在工程领域的应用　．术刀、注射器、手术钳等）。虚拟的人体模型与器官　等。借助于ＨＭＤ及感觉手套，使用者可以对虚拟的　人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进．如需　提高环境的真实感．增加网络功能，使其能同时培训　通过多个应用实例已经证明．把虚拟现实技术　用于大型设备的设计是十分有效和成功的。例如　Ｃａｔｅｒｐｉｌｌａｒ公司就与美国国家超级计算机应用中心　合作进行大型挖掘饥的设计。实物样品的生产需要　许多时间和经费。而改用电子样品或模拟样品则可　以省时、省钱．缩短新产品的推出周期。为了节省制　作样品费用．美界甚至将“建设之前先模拟”作　为座右铭刻在铜板上　“身临其境”和“可视化”是虚拟现实技术的两个　最基本特征。它借助于计算机图形学等技术手段，　被誉为科学技术之眼．因而在工程技术设计方面显　示出无可比拟的优越性　将来设计人员可以在交互　式虚拟空间中精心设计．并对所涉及的产品加以观　察、操作和反复试验。　６．在商业领域的应用　ＶＲ技术不仅在大型设计中发挥重要的作用．　也可以扩展到商业领域　在不动产或不便移动的大　型贵重产品的业务推广与销售中．它可以使客户在　购买前先看到产品的外貌与内在．甚至在虚拟世界　中使用它，因此这对房屋、土地、锅炉、大型机具、家　具、医疗健身器材、设计公司等众多行业的工作都　很有帮助。例如．日本东京一家百货公司的厨房用　品出售部有一个简易的ＶＲ系统　售货员向系统输　入顾客住宅里的厨房尺寸．顾客带上特殊的眼镜和　手套后．就会突然发现已经置身于一间和自家厨房　同等大小的房间里　随着电子商务的日益普及．ＩｎｔｅＩＴｌｅｔ对各个公司　和商家具有特别的吸引力。把虚拟现实技术应用于　网上销售、客户服务及虚拟购物中心等．特有可能　大幅度改善顾客购买商品经历。因为在一般的产品　宣传或展览的互联网页上．用户通常只能看见平面　的效果．使用ＶＲ技术后．顾客便可以访问虚拟世界　中的商店，将看到的虚拟实物放大、缩小或者作３６０　度旋转，从而充分展现出产品的特色与立体感，有　效地拉近了产品与消费者之间的距离　７．在医学领域的应用　Ｐｉｅｐｅｒ及Ｓａｔａｒａ等研究者在２０世纪９０年代初　多个使用者．或可在外地专家的指导下工作等。　虚拟技术在医学教学、临床诊断和手术等方面　的应用前景非常广阔　对于第一次走上手术台的医　生来说．难免会感到紧张和恐慌．而在虚拟技术的帮　助下．他们就可以非常轻松地在显示器上一遍又一　遍地做模拟手术．移动人体器官等．以寻找最佳手术　方案　医生们凭借虚拟技术所产生的图像可以“步　行”到人体内部去查看肿瘤．以便制定有效的治疗方　案并检查治疗效果　利用这一技术手段还可以确保　放射治疗的辐射只聚集到肿瘤部位．而不致伤害周　围的健康组织　８．在军事与航天工业领域的应用　模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要　课题．这为ＶＲ提供了广阔的应用前景。美国国防部　高级研究计划局ＤＡＲＰＡ自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。另外利用　ＶＲ技术．可模拟零重力环境，以代替现在非标准的　水下训练宇航员的方法　虚拟现实技术已经走过了相当长的一段风雨历　程。可以预见，在不久的将来，虚拟现实技术将会影　响甚至改变我们的观念与习惯．并将深入到人们的　日常工作与生活　【参考文献】　【ｌ】孟祥旭．李学庆．人机交互技术【Ｍ】．北京：清华大学出版　社．２００４．　【２］张茂军．虚拟现实系统【Ｍ】．北京：科学出版社，２００１．　［３］申蔚．夏立文．虚拟现实技术【Ｍ】．北京：北京希望电子出版　社．２００２．　［４］胡小强．虚拟现实技ｈｉ［Ｍ］．北京：北京邮电大学出版社，　２００５．　［５］杨晓红，刘书华．虚拟现实技术及其应用【Ｍ】．计算机时　代，２００２，（１）．　９１