虛擬現實技術

 定義
VR是一項綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產生臨場感。該技術集成了計算機圖形(CG)技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。

概括地說，虛擬現實是人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現實在技術思想上有了質的飛躍。

虛擬現實中的“現實”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環境，它可以是實際上可實現的，也可以是實際上難以實現的或根本無法實現的。而“虛擬”是指用計算機生成的意思。因此，虛擬現實是指用計算機生成的一種特殊環境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環境中，并操作、控制環境，實現特殊的目的，即人是這種環境的主宰。

發展
早在60年代初，隨著CAD技術的發展，人們就開始研究立體聲與三維立體顯示相結合的計算機系統。80年代，Jaron Lanier提出了"虛擬現實"VR（Virtual Reality）的觀點，目的在于建立一種新的用戶界面，使用戶可以置身于計算機所表示的三維空間資料庫環境中，并可以通過眼、手、耳或特殊的空間三維裝置在這個環境中"環游"，創造出一種"親臨其境"的感覺。

虛擬現實是人們通過計算機對復雜數據進行可視化、操作以及實時交互的環境。與傳統的計算機人――機界面（如鍵盤、鼠標器、圖形 用戶界面以及流行的Windows等）相比，虛擬現實無論在技術上還是思想上都有質的飛躍。傳統的人――機界面將用戶和計算機視為兩個獨立的實體，而將界面視為信息交換的媒介，由用戶把要求或指令輸入計算機，計算機對信息或受控對象作出動作反饋。虛擬現實則將用戶和計算機視為一個整體，通過各種直觀的工具將信息進行可視化，形成一個逼真的環境，用戶直接置身于這種三維信息空間中自由地使用各種信息，并由此控制計算機。

虛擬現實所使用的基本技術
一、虛擬現實用以下3種基本技術進行了概括：
1、三維計算機圖形學技術；
2、采用多種功能傳感器的交互式接口技術；
3、高清晰度顯示技術。

二、虛擬現實系統的技術
1、虛擬現實首先是一種可視化界面技術，可以有效地建立虛擬環境，這主要集中在兩個方面，一是虛擬環境能夠精確表示物體的狀態模型，二是環境的可視化及渲染。
2、虛擬現實僅是計算機系統設置的一個近似客觀存在的環境，為用戶提供逼真的三維視感、聽感、觸感和嗅感的感受。它是硬件、軟件和外圍設備的有機組合。
3、用戶可通過自身的技能以6個自由度在這個仿真環境里進行交互操作。
4、 虛擬現實的關鍵是傳感技術。
5、虛擬現實離不開視覺和聽覺的新型可感知動態數據庫技術?？筛兄獎討B數據庫技術與文字識別、圖像理解、語音識別和匹配技術關系密切，并需結合高速的動態數據庫檢索技術。
6、虛擬現實不僅是計算機圖形學或計算機成像生成的一幅畫面，更重要的是人們可以通過計算機和各種人機界面與機交互，并在精神感覺上進入環境。它需要結合人工智能，模糊邏輯和神經元技術。

虛擬現實的基本特征

多感知性
多感知性（Multi-Sensory）是指除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現實技術應該具有一切人所具有的感知功能。由于相關技術，特別是傳感技術的限制，目前虛擬現實技術所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等幾種。

浸沒感
浸沒感（Immersion）又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創建的三維虛擬環境中，該環境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現實世界中的感覺一樣。

交互性
交互性（Interactivity）指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動。

構想性（想象性）
構想性（Imagination）強調虛擬現實技術應具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可再現真實存在的環境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境。

由于浸沒感、交互性和構想性三個特性的英文單詞的第一個字母均為I，所以這三個特性又通常被統稱為3I特性。

一般來說，一個完整的虛擬現實系統由虛擬環境、以高性能計算機為核心的虛擬環境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統、以方位跟蹤器、數據手套和數據衣為主體的身體方位姿態跟蹤設備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統等功能單元構成。

關鍵技術
虛擬現實是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術，廣角（寬視野）立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等。下面對這些技術分別加以說明。

實時三維計算機圖形
相比較而言，利用計算機模型產生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準確的模型，又有足夠的時間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關鍵是實時。例如在飛行模擬系統中，圖像的刷新相當重要，同時對圖像質量的要求也很高，再加上非常復雜的虛擬環境，問題就變得相當困難。

廣角的立體顯示
人看周圍的世界時，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子里融合起來，就形成了一個關于周圍世界的整體景象，這個景象中包括了距離遠近的信息。當然，距離信息也可以通過其他方法獲得，例如眼睛焦距的遠近、物體大小的比較等。

在VR系統中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統采用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產生了立體感。

用戶（頭、眼）的跟蹤：在人造環境中，每個物體相對于系統的坐標系都有一個位置與姿態，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來確定的。

跟蹤頭部運動的虛擬現實頭套：在傳統的計算機圖形技術中，視場的改變是通過鼠標或鍵盤來實現的，用戶的視覺系統和運動感知系統是分離的，而利用頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統和運動感知系統之間就可以聯系起來，感覺更逼真。另一個優點是，用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認識環境，而且可以通過頭部的運動去觀察環境。

在用戶與計算機的交互中，鍵盤和鼠標是目前最常用的工具，但對于三維空間來說，它們都不太適合。在三維空間中因為有六個自由度，我們很難找出比較直觀的辦法把鼠標的平面運動映射成三維空間的任意運動?，F在，已經有一些設備可以提供六個自由度，如3Space數字化儀和SpaceBall空間球等。另外一些性能比較優異的設備是數據手套和數據衣。

立體聲
在一個VR系統中，用戶可以看到一個虛擬的杯子。你可以設法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺。

語音輸入輸出
在VR系統中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環境能聽懂人的語言，并能與人實時交互。而讓計算機識別人的語音是相當困難的，因為語音信號和自然語言信號有其“多邊性”和復雜性。例如，連續語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，同一詞、同一字的發音受前后詞、字的影響，不僅不同人說同一詞會有所不同，就是同一人發音也會受到心理、生理和環境的影響而有所不同。

使用人的自然語言作為計算機輸入目前有兩個問題，首先是效率問題，為便于計算機理解，輸入的語音可能會相當羅嗦。其次是正確性問題，計算機理解語音的方法是對比匹配，而沒有人的智能。

虛擬現實藝術
VR藝術是伴隨著“虛擬現實時代”的來臨應運而生的一種新興而獨立的藝術門類，在《虛擬現實藝術： 形而上的終極再創造》一文中，關于VR藝術有如下的定義：“以虛擬現實（VR）、增強現實（AR）等人工智能技術作為媒介手段加以運用的藝術形式，我們稱之為虛擬現實藝術，簡稱VR藝術……該藝術形式的主要特點是超文本性和交互性。”

藝術家通過對VR、AR等技術的應用，可以采用更為自然的人機交互手段控制作品的形式，塑造出更具沉浸感的藝術環境和現實情況下不能實現的夢想，并賦予創造的過程以新的含義。如具有VR性質的交互裝置系統可以設置觀眾穿越多重感官的交互通道以及穿越裝置的過程，藝術家可以借助軟件和硬件的順暢配合來促進參與者與作品之間的溝通與反饋，創造良好的參與性和可操控性；也可以通過視頻界面進行動作捕捉，儲存訪問者的行為片段，以保持參與者的意識增強性為基礎，同步放映增強效果和重新塑造、處理過的影像；通過增強現實、混合現實等形式，將數字世界和真實世界結合在一起，觀眾可以通過自身動作控制投影的文本，如數據手套可以提供力的反饋，可移動的場景、360度旋轉的球體空間不僅增強了作品的沉浸感，而且可以使觀眾進入作品的內部，操縱它、觀察它的過程，甚至賦予觀眾參與再創造的機會。”

應用領域
隨著計算機技術的發展，虛擬現實被廣泛應用于城市規劃、醫學領域、娛樂與藝術文化、衛星于航天工業、室內設計領域、地產開發領域、農村開發管理、虛擬工業仿真領域、應急處理預演、文物古跡還原、產品展示機展覽展示、教育學、地址文化研究等各個領域。

主要代表品牌
Virtools、iseemedia、AVS、VRCO、TechViz、3D立體展示系統、數據手套、眼晴跟蹤儀等等。