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虚拟现实技术的概念

虚拟现实是从英文Virtual Reality 一词翻译过来的,简称为VR技术。Virtual是虚拟的意思,Reality是真实的意思,合并起来就是虚拟现实。虚拟现实技术产生于20世纪60年代,而“虚拟现实”这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔(Jaron Lanier)在20世纪80年代初提出的,也称灵境技术或人工环境,国内也有人翻译为“灵境”或“幻真”。作为一项尖端科技,虚拟现实集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的发展成果,是一种由计算机生成的高技术模拟系统,它开始源于美国军方的作战模拟系统,20世纪90年代初逐渐为各界所关注并且在商业领域得到了进一步的发展。这种技术的特点在于计算机产生一种人为虚拟的环境,这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型,并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主,也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境(也即虚拟环境 Virtual Environment,简称VE),从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉,可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化,并能与之发生“交互”作用,使人和计算机很好地“融为一体”,给人一种“身临其境”的感觉。

虚拟现实是发展到一定水平上的计算机技术与思维科学相结合的产物,它的出现为人类认识世界开辟了一条新途径。虚拟现实的特点是:用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作,改变了过去人类除了亲身经历,就只能间接了解环境的模式,从而有效地扩展了自己的认知手段和领域。另外,虚拟现实不仅仅是一个演示媒体,而且还是一个设计工具,它以视觉形式产生一个适人化的多维信息空间,为人们创建和体验虚拟世界提供了有力支持,由于虚拟现实技术的实时三维空间表现能力、人机交互式的操作环节以及给人带来的身临其境的感受,它在军事和航天领域的模拟和训练中起到了举足轻重的作用。近年来,随着计算机软硬件技术的发展以及人们越来越认识到它的重要作用,虚拟技术在各行业都得到了不同程度的发展,并且越来越显示出广阔的应用前景。虚拟战场、虚拟城市、甚至“数字地球”,无一不是虚拟现实技术的应用。虚拟现实技术将使众多传统行业和产业发生革命性的改变。

虚拟现实是通过多媒体技术与仿真技术相结合生成逼真的视觉、听觉和触觉一体化的虚拟环境,用户以自然的方式与虚拟环境中的客体进行体验和交互作用,从而产生身临其境的感受和体验,利用计算机生成的景象给人多种感官刺激的人机交互系统。

通常虚拟现实的定义分为狭义和广义两种。

(1)狭义的定义。把虚拟现实看成一种具有人机交互特征的人机界面(人机交互方式),亦可以称之为“自然人机界面”。在此环境中,用户看到的是全彩色主体景象,听到的是虚拟环境中的音响,手(或)脚可以感受到虚拟环境反馈给他的作用力,由此使用户产生一种身临其境的感觉。亦即人是以与感受真实世界一样的(自然的)方式来感受计算机生成的虚拟世界,具有和相应真实世界里一样的感觉。这里,计算机世界既可以是超越我们所处时空之外的虚构环境,也可以是一种对现实世界的仿真(强调是由计算机生成的,能让人有身临其境感觉的虚拟图形界面)。

(2)广义的定义。可以把虚拟现实看成对虚拟想象(三维可视化的)或真实三维世界的模拟(Simulation)。对某个特定环境真实再现后,用户通过接受和响应模拟环境的各种感官刺激,与其中虚拟的人及事物进行交互,使用户有身临其境的感觉。

如果不限定真实三维世界(视觉、听觉等等都是三维的),那些没有三维图形的世界,但模拟了真实世界的某些特征的,如网络上的聊天室,MUD(网络角色)扮演游戏等,也可称作虚拟世界,虚拟现实。

虚拟现实是把客观上存在的或不存在的东西,运用计算机技术,在用户眼前生成一个虚拟的环境使人感到沉浸在虚拟环境中的一种技术。虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界,是一个看似真实的模拟环境,通过多种传感设备,用户可以根据自身的感觉,使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作,参与其中的事件,同时提供视、听、触等直观而又自然的实时感知,并使参与者“沉浸”于模拟环境中。尽管该环境并不真实存在,但它作为一个逼真的三维环境,仿佛就在人们周围。可见,虚拟现实的概念包括了以下含义。

Virtual的英文本意是表现上具有真实事物的某些属性,但本质上是虚幻的。

Reality的英文本意是“真实”而不是“现实”。但是“虚拟现实的名称已经在中国广泛应用。

从这个名字可以看出,它的英文本意是“真实世界的一个映像”。

模拟环境就是由计算机生成的具有双视点、实时动态的三维立体逼真图像。逼真就是要达到三维视觉,甚至包括三维听觉、触觉及嗅觉等的逼真,而模拟环境可以是某一特定现实世界的真实实现,也可以是虚拟构想的世界。

感知是指理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知。除了计算机图形技术所生成的视觉感知外,还有听觉、触觉、力觉、运动等感知,甚至还包括嗅觉和味觉等,也被称为多感知(Multi-Sensation)。

自然技能是指人的头部转动、眼睛、手势或其他人体行为动作,由计算机来处理和参与者的动作相适应的数据,对用户的输入(手势、口头命令等)做出实时响应,并分别反馈到用户的五官,使用户有身临其境的感觉,并成为该模拟环境中的一个内部参与者,还可以和在该环境中的其他参与者打交道。

传感设备是指三维交互设备。常用的有立体头盔、数据手套、三维鼠标和数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置,如摄像机、地板压力传感器等。

VR 并不是真实的世界,也不是现实,而是一种可交替更迭的环境,人们可以通过计算机的各种媒体进入该环境,并与之交互:从技术上开看,VR与各相关技术有着或多或少的相似之处(计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、传感器技术和人工智能等),但在思想方法上,VR已经有质的飞跃。VR是一门系统性技术,它需要将所有组成部分作为一个整体去追求系统整体性能的*优。从脱离不同的应用背景来看,VR技术是把抽象、复杂的计算机数据空间表示为直观的、用户熟悉的事物,它的技术实质在于提供了一种高级的人与计算机交互的接口。

虚拟现实世界一词当前也频频出现。虚拟现实世界是由计算机及相关设备构造出来的。主要硬件有:计算机,可以是一台超级计算机,也可以是微型计算机网络系统,还可以是工作站;显示设备,有头盔显示器,双筒全方位监视器,风镜型显示器和全景大屏幕显示屏等;位置跟踪设备及其他交互设备,交互设备有数据手套和数据衣服等,由它们产生信号,与计算机实现交互作用。计算机有数据库,库内存有很多图像和声音等。


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