虚拟现实的关键技术

从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、极大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。而实物虚化、虚物实化和高性能计算处理技术是VR技术的3个主要方面。

（1）实物虚化。如何将真实世界中的物（特别是人）与事件（特别是人的动作）传入虚拟环境中，是一个感知的问题。网络技术是如何让多个用户（特别是不在同一地理位置的多个用户）参与到同一个虚拟环境中，这就要求是个分布式结构。

实物虚化是现实世界空间向多维信息化空间的一种映射，主要包括基本模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉跟踪和视点感应等关键技术，这些技术使得真实感虚拟世界的生成、虚拟环境对用户操作的检测和操作数据的获取成为可能。

（2）虚物实化。虚物实化是如何根据虚拟环境生成人可直接感受到的真实信号（声、光、电）。这是一个显示（输出）问题，也是确保用户从虚拟环境中获取同真实环境中一样或相似的视觉、听觉、力觉和触觉等感官认知的关键技术。能否让参与者产生沉浸感的关键因素除了视觉和听觉感知外，还有用户能否在操纵虚拟物体的同时，感受到虚拟物体的反作用力，从而产生触觉和力觉感知。力觉感知主要由计算机通过力反馈手套、力反馈操纵杆对手指产生运动阻尼从而使用户感受到作用力的方向和大小。触觉反馈主要是基于视觉、气压感、振动触感、电子触感和神经、肌肉模拟等方法来实现的。

（3）高性能计算处理技术（虚拟现实主要基于以下几种技术实现）。

· 基本模型构建技术：它是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，它将真实世界的对象物体在相应的3D虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性。例如车辆在柏油地、草地、沙地和泥地上行驶时情况会有所不同，或对气象数据进行建模生成虚拟环境的气象情况（阴天、晴天、雨、雾）等。

· 空间跟踪技术：主要是通过头盔显示器（Head Mounted Display）、数据手套（Data Glove）、数据衣（Data Suit）等常用的交互设备上的空间传感器，确定用户的头、手、躯体或其他操作物在3D虚拟环境中的位置和方向。

· 声音跟踪技术：利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差等进行虚拟环境的声音跟踪。

· 视觉跟踪与视点感应技术：使用从视频摄像机到X-Y平面阵列、周围光或者跟踪光在图像投影平面不同时刻和不同位置上的投影，计算被跟踪对象的位置和方向。

· 高性能计算处理技术：主要包括数据转换和数据预处理技术；实时、逼真图形图像生成与显示技术；多种声音的合成与声音空间化技术；多维信息数据的融合、数据压缩以及数据库的生成；包括命令识别、语音识别，以及手势和人的面部表情信息的检测等在内的模式识别；分布式与并行计算，以及高速、大规模的远程网络技术。

虚拟现实系统的分类

虚拟现实系统按照其功能的不同可以分成：桌面型虚拟现实系统、沉浸型虚拟现实系统、增强现实型虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统等四种类型。

1.桌面型虚拟现实系统（Desktop VR）

桌面虚拟现实就是利用笔记本电脑、台式机和低级工作站进行仿真，计算机的屏幕用来作为用户观察虚拟境界的一个窗口，各种外部设备一般用来驾驭虚拟境界，并且有助于操纵在虚拟情景中的各种物体。

桌面型虚拟现实系统虽然缺乏头盔显示器的投入效果，但是其应用仍然比较普遍，因为其成本相对要低得多，而且具备了投入型虚拟现实系统的技术要求。

桌面型虚拟现实是从事虚拟现实研究工作的必经阶段。主要有以下3种。

（1）基于静态图像的虚拟现实技术（360°全景）

这种技术采用连续拍摄的图像和视频，在计算机中拼接以建立360°实景化虚拟空间，这使得高度复杂和高度逼真的虚拟场景能够以很小的计算代价得到，从而使得虚拟现实技术可能在PC平台上实现。

（2）Web 3D。Web 3D是在Internet上应用非常具有前景的技术，它采用描述性的文本语言描述基本的三维物体的造型，通过一定的控制，将这些基本的三维造型组合成虚拟场景，当浏览器浏览这些文本描述信息时，在本地进行解释执行，生成虚拟的三维场景。

（3）桌面CAD系统。桌面CAD系统利用OpenGL、Direct3D等桌面三维图形绘制技术对虚拟世界进行建模渲染，通过计算机的显示器进行观察，并能自由地控制视点和视角。

2．沉浸型虚拟现实系统（Immersive VR）

沉浸型虚拟现实（也称高级虚拟现实）是一套比较复杂的系统。主要依赖于各种虚拟现实硬件设备，使用者必须头戴头盔、手戴数据手套等传感跟踪装置，才能与虚拟世界进行交互，这种系统可以将使用者的视觉、听觉与外界隔离，从而排除外界干扰，全身心地投入到虚拟现实中去，仿真显示也要比桌面虚拟现实更可信、更真实。这种系统的优点是用户可以完全沉浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备价格昂贵，难以普及推广。沉浸型虚拟现实主要包括：

（1）完全沉浸型虚拟现实系统。除了戴头盔显示器实现完全投入，还有一种完全沉浸系统-洞穴虚拟现实环境（CAVE）。它使参与者从听觉到视觉都能沉浸到虚拟环境中去。

（2）座舱。在沉浸型虚拟现实系统中，座舱是一种古老的虚拟现实模拟器，它不属于完全沉浸的范畴，当参与者进入座舱后就可以通过座舱的窗口观看一个虚拟境界。该窗口由一个或多个计算机显示器或视频监视器组成，用来显示虚拟场景。

（3）远程存在。

远程存在就是一种远程控制形式，当操作员在某处操作一个虚拟现实系统时，其结果却在很远的另一个地方发生，这种类型的投入需要一个立体显示器和两台摄像机以生成三维图像，这种图像使得操作员有一种深度的感觉。因而在观看虚拟境界时更清晰。例如，异地的医科学生，可以通过网络，对虚拟手术室中的病人进行外科手术。沉浸型虚拟现实系统体验器，它利用头盔式显示器、位置跟踪器、数据手套以及其他手控输入设备和声音等，可以使人有身临其境的感觉，在各种培训、演示以及高级游戏等用途广泛。

3. 增强现实型虚拟现实系统

增强现实型的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界，仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便感知的感受。这种类型的虚拟现实典型的实例就是飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，使飞行员不必低头读座舱中的仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机和导航偏差。

增强现实的制作流程包括各种角度的图像，插补缺损的图像和合成完整的成品。

4．分布式虚拟现实系统（Distributed VR）

分布式虚拟现实系统是将异地的不同用户联结起来，共享一个虚拟空间，多个用户通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协同工作的目的。分布式虚拟现实的研究基于两类网络平台：一类是在Internet上，另一类则是在高速专用网上。

Internet上的虚拟现实系统可追溯到早期基于文本的多参与者游戏MUD，还有基于VRML 标准的远程虚拟购物等。虚拟现实建模语言是一种可以发布3D网页的跨平台语言，可提供一种更自然的体验方式，包括交互性、动态效果、延续性以及用户的参与探索。

在高速专用网上，有采用ATM技术的美国军方的国防仿真互联网系统（JSIMS）。很早的分布式虚拟战场环境则是1983年美国陆军制订的虚拟环境研究计划，这一计划将分散在不同地点的地面坦克、车辆仿真通过计算机网络联合在一起，进行各种复杂任务的训练和作战演练。