虛擬現實技術應用研究論文

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摘要：虛擬現實技術是二十世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術，在最近幾年發展迅速，其應用領域設計到教育、軍事、娛樂和醫學等許多行業。本文概述了虛擬現實技術的概念、基本特征和技術分類，提出了虛擬現實技術發展的技術瓶頸，闡述了虛擬現實技術應用和優勢。

關鍵詞：虛擬現實；沉浸；交互；想象；

VirtualReality；Immersion；Interaction；Imagination

1、虛擬現實技術的概念

虛擬現實技術（VirtualRealityTechnology）是一項綜合集成技術，它的出現是計算機圖形學、人機交互技術、傳感器技術、人機接口技術以及人工智能技術等交叉與綜合的結果。它利用計算機生成逼真的三維視覺、聽覺、嗅覺等各種感覺，使用戶通過適當裝置，自然地對虛擬現實世界進行體驗和交互作用。簡單地說，虛擬現實技術就是用計算機創造現實世界。

2、虛擬現實技術特征

1993年BurdeaG在Electro93國際會議上發表的“VirtualRealitySystemandApplication”一文中，提出了虛擬現實技術三個特征，即：沉浸感、交互性、想象性。

沉浸感是指用戶可以沉浸于計算機生成的虛擬環境中和使用戶投入到計算機生成的虛擬場景中的能力，用戶在虛擬場景中有“身歷其境”之感。它所看到的、聽到的、嗅到的、觸摸到的，完全與真實環境中感受的一樣。它是虛擬現實系統的核心。

交互性是指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力。它是人機和諧的關鍵性因素。用戶進入虛擬環境后，通過多種傳感器與多維化信息的環境發生交互作用，用戶可以進行必要的操作，虛擬環境中做出的相應響應，亦與真實的一樣，如拿起虛擬環境中的一個籃球，你可以感受到球的重量，扔在地上還可以彈跳。交互性包含對象的可操作程度及用戶從環境中得到反饋的自然程度、虛擬場景中對象依據物理學定律運動的程度等，例如，當物體受到力的作用時，物體會沿著力的方向移動、翻到或者從桌面落到地面等。

想象性是指通過用戶沉浸在“真實的”虛擬環境中，與虛擬環境進行了各種交互作用，從定性和定量綜合集成的環境中得到感性和理性的認識，從而可以深化概念，萌發新意，產生認識上的飛躍。因此，虛擬現實不僅僅是一個用戶與終端的接口，而且可以使用戶沉浸于此環境中獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而產生新的構思。這種構思結果輸入到系統中去，系統會將處理后的狀態實時顯示或由傳感裝置反饋給用戶。如此反復，這是一個學習——創造——再學習——再創造的過程，因而可以說，虛擬現實是啟發人的創造性思維的活動。

3、虛擬現實技術的分類

虛擬現實是從英文VirtualReality一詞翻譯過來的，Virtual就是虛假的意思，Reality就是真實的意思，合并起來就是虛擬現實，也就是說本來沒有的事物和環境，通過各種技術虛擬出來，讓你感覺到就如真實的一樣。

實際應用的虛擬現實系統可分為四類：

一、桌面虛擬現實系統，也稱窗口中的虛擬現實。它可以通過桌上型機實現，所以成本較低，功能也最簡單，主要用于CAD（計算機輔助設計）、CAM（計算機輔助制造）、建筑設計、桌面游戲等領域。

二、沉浸虛擬現實系統，如各種用途的體驗器，使人有身臨其境的感覺，各種培訓、演示以及高級游戲等用途均可用這種系統。

三、分布式虛擬現實系統，它在因特網環境下，充分利用分布于各地的資源，協同開發各種虛擬現實的利用。它通常是浸沉虛擬現實系統的發展，也就是把分布于不同地方的沉浸虛擬現實系統，通過因特網連接起來，共同實現某種用途。美國大型軍用交互仿真系統NPSNet以及因特網上多人游戲MUD便是這類系統。

四、增強現實又稱混合現實系統。它是把真實環境和虛擬環境結合起來的一種系統，既可減少構成復雜真實環境的開銷（因為部分真實環境由虛擬環境取代），又可對實際物體進行操作（因為部分系統即系真實環境），真正達到了亦真亦幻的境界，是今后發展的方向。

4、虛擬現實技術發展的瓶頸

虛擬現實技術的發展過程中遇到的問題很多，可以歸結為3大難題：

4．1虛擬現實設備的“貴族化”。要構建一個高質量的虛擬現實系統，首先需要昂貴的外部設備，無論是高分辯率的頭盔顯示器HMD，還是立體投影顯示器，無論是空間定位器，還是高精度的數據手套，都是價格不菲。其次，為完成復雜場景的實時渲染，還需要高性能的圖形工作站以及相應的軟件。在一些專用領域，但普通的信息系統用戶可能會望而卻步。

4．2繁瑣的三維建模。基于圖形的虛擬環境首先要解決的問題便是三維造型。當圖形渲染技術在向實現真實感大踏步前進的時候，生成精確三維模型的過程還像二十幾年前一樣困難。在三維激光掃描技術上的進步提供了簡化模型構造過程的一些承諾。然而，這些自動化模型獲取方法也驗證了真實世界的幾何是極端復雜的。大部分的模型仍需要人工繪制，而且需要聘請高水平的專業人士，所以其費用是相當驚人的。比如在電影《坦克尼克號》中，為實現場景三維建模及各種特技處理所花的人工費用高達2500萬美元，這筆錢足以制造一艘同樣規模的真船。繁瑣的三維建模也是制約虛擬現實技術發展的嚴重障礙。

4．3數據量大。虛擬現實技術要想得到很大的發展，需要與Internet結合，這恐怕已是不爭的事實。目前虛擬現實技術應用的數據量仍然很大，在現有網絡整體速度較慢的情況下，Internet用戶必須等待較長時間，這往往令人難以忍受。我們應該在虛擬現實系統中考慮數據壓縮問題，這個問題可能現在還未引起人們的重視，但是隨著應用的深入，這是一個不可回避的問題。

5、虛擬現實技術的應用前景和優勢

虛擬現實技術的應用極為廣泛，Helsel與Doherty在1993年對全世界范圍內已經進行的805項虛擬現實研究項目作了統計，結果表明：目前在娛樂、教育及藝術方面的應用占據主流，其次是軍事與航空，醫學，商業，另外在可視化計算、制造業等方面也有相當的比重。下面簡要介紹其部分應用。

（1）醫學虛擬現實技術應用大致上有兩類。一是虛擬人體，也就是數字化人體，這樣的人體模型醫生更容易了解人體的構造和功能。另一是虛擬手術系統，可用于指導手術的進行。

Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個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（如手術刀、注射器、手術鉗等），虛擬的人體模型與器官等。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。但該系統有待進一步改進，如需提高環境的真實感，增加網絡功能，使其能同時培訓多個使用者，或可在外地專家的指導下工作等。

（2）娛樂、藝術與教育豐富的感覺能力與3D顯示環境使得虛擬現實技術成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂方面對虛擬現實的真實感要求不是太高，故近些年來虛擬現實技術在該方面發展最為迅猛。如Chicago（芝加哥）開放了世界上第一臺大型可供多人使用的虛擬現實娛樂系統，其主題是關于3025年的一場未來戰爭；英國開發的稱為“Virtuality”的虛擬現實游戲系統，配有HMD，大大增強了真實感；1992年的一臺稱為“LegealQust”的系統由于增加了人工智能功能，使計算機具備了自學習功能，大大增強了趣味性及難度，使該系統獲該年度虛擬現實產品獎；

（3）軍事與航天工業模擬與練一直是軍事與航天工業中的一個重要課題，這為虛擬現實技術提供了廣闊的應用前景。美國國防部高級研究計劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱為SIMNET的虛擬戰場系統，以提供坦克協同訓1練，該系統可聯結200多臺模擬器。利用虛擬現實技術模擬戰爭過程已成為最先進的多快好省的研究戰爭、培訓指揮員的方法。戰爭實驗室在檢驗預定方案用于實戰方面也能起巨大作用。1991年海灣戰爭開始前，美軍便把海灣地區各種自然環境和伊拉克軍隊的各種數據輸入計算機內，進行各種作戰方案模擬后才定下初步作戰方案。后來實際作戰的發展和模擬實驗結果相當一致。

（5）商業虛擬現實技術常被用于推銷。例如建筑工程投標時，把設計的方案用虛擬現實技術表現出來，便可把業主帶入未來的建筑物里參觀，如門的高度、窗戶朝向、采光多少、屋內裝飾等，都可以感同身受。它同樣可用于旅游景點以及功能眾多、用途多樣的商品推銷。因為用虛擬現實技術展現這類商品的魅力，比單用文字或圖片宣傳更加有吸引力。

（6）科技開發虛擬現實技術可縮短開發周期，減少費用。例如克萊斯勒公司1998年初便利用虛擬現實技術，在設計某兩種新型車上取得突破，首次使設計的新車直接從計算機屏幕投入生產線，也就是說完全省略了中間的試生產。由于利用了卓越的虛擬現實技術，使克萊斯勒避免了1500項設計差錯，節約了8個月的開發時間和8000萬美元費用。利用虛擬現實技術還可以進行汽車沖撞試驗，不必使用真的汽車便可顯示出不同條件下的沖撞后果。

在虛擬現實技術已經和理論分析、科學實驗一起，成為人類探索客觀世界規律的三大手段。用它來設計新材料，可以預先了解改變成分對材料性能的影響。在材料還沒有制造出來之前便知道用這種材料制造出來的零件在不同受力情況下是如何損壞的。

以上僅列出虛擬現實技術的部分應用前景，可以預見，在不久的將來，虛擬現實技術將會影響甚至改變我們的觀念與習慣，并將深入到人們的日常工作與生活。

6、總結

虛擬現實技術是本世紀發展的重要技術之一，作為一門科學和藝術將會不斷走向成熟，在各行各業中將得到廣泛應用，并發揮神奇的作用，二十一世紀將是虛擬現實技術的時代。

當然，虛擬現實技術還是一門年輕的科學技術，尚存在不少有待解決的問題。例如，在計算機生成的虛擬環境中，操作者每次轉動頭部，計算機必須更新三維圖像，由于更新的數據太大，以致計算機還無法完成實時運算。這就造成了系統滯后。再如，美空軍的虛擬現實模擬器產生的視覺運動信號與人的感覺之間也存在差異，容易引起頭痛、眩暈等。

但不管怎樣，虛擬現實技術畢竟開辟了富有發展潛力的新領域，它會隨著時間的推移日臻完善，發揮的作用也將會越來越大。

7、參考文獻

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