虚拟现实技术资料讲解

虚拟现实技术

虚拟现实技术具有超越现实的虚拟性。它是伴随多媒体技术发展起来的计算机新技术，它利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨率显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，用户需要通过特殊的交互设备才能进入虚拟环境中。这是一门崭新的综合性信息技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大推进了计算机技术的发展。它的一个主要功能是生成虚拟境界的图形，故此又称为图形工作站。目前在此领域应用最广泛的是SGI、SUN等生产厂商生产的专用工作站，但近来基于In tel奔腾皿（W代）代芯片的和图形加速卡的微机图形工作站性能价格比优异，有可能异军突起。图像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设，目前常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。其中高档的头盔显示器在屏蔽现实世界的同时，提供高分辨率、大视场角的虚拟场景，并带有立体声耳机，可以使人产生强烈的浸没感。其他外设主要用于实现与虚拟现实的交互功能，包括数据手套、三维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、语音识别与合成系统

等等。虚拟现实技术的应用前景十分广阔。它始于军事和航空航

天领域的需求，但近年来，虚拟现实技术的应用已大步走进工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐等方面。它正在改变着我们的生活。

虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义，把这两个词放在一起，似乎没有意义，但是科学技术的发展却赋予了它新的含义。

虚拟现实的明确定义不太好说，按最早提出虚拟现实概念的学者https://www.360docs.net/doc/5415247608.html, niar的说法，虚拟现实，又称假想现实，意味着“用电子计算机合成的

人工世界”。从此可以清楚地看到，这个领域与计算机有着不可分离的密切关系，信息科学是合成虚拟现实的基本前

机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

浸没感(Immersion) ------- 又称临场感或存在感，指用户感到作

为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。

交互性(In teractivity ) 指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

构想性(Imagination ) ------- 又称为自主性--- 强调虚拟现实技

术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成编辑本段面临的问题

生成虚拟现实需要解决以下三个主要问题：

①

以假乱真的存在技术。即怎样合成对观察者的感官器官来说与实际存在相一致的输入信息，也就是如何可以产生与现实环境一样的视觉，触觉，嗅觉等。

②

相互作用。观察者怎样积极和能动地操作虚拟现实，以实现不同的视点景象和更高层次的感觉信息。实际上也就是怎么可以看得更像，听得更真等等。

③

自律性现实。感觉者如何在不意识到自己动作、行为的条件

下得到栩栩如生的现实感。在这里，观察者、传感器、计算机仿

真系统与显示系统构成了一个相互作用的闭环流程。

1、环境建模技术

即虚拟环境的建模，目的是获取实际三维环境的三维数据, 并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。

2、立体声合成和立体显示技术

在虚拟现实系统中消除声音的方向与用户头部运动的相关性，同时在复杂的场景中实时生成立体图形。

3、触觉反馈技术

在虚拟现实系统中让用户能够直接操作虚拟物体并感觉到虚拟物体的反作用力，从而产生身临其境的感觉。

4、交互技术

虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式，利用数字头盔、数字手套等复杂的传感器设备，三维交互技术与语音识别、语音输入技术成为重要的人机交互手段。

5、系统集成技术

由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术为重中之重：包括信息同步技术、模型标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等等。

虚拟现实是在计算机中构造出一个形象逼真的模型。人与该模型可以进行交互，并产生与真实世界中相同的反馈信息，使人

们获得和真实世界中一样的感受。当人们需要构造当前不存在的环境（合理虚拟现实）、人类不可能达到的环境（夸张虚拟现实）或构造纯粹虚构的环境（虚幻虚拟现实）以取代需要耗资巨大的真实环境时，就可以利用虚拟现实技术。

为了实现和在真实世界中一样的感觉，就需要有能实现各种感觉的技术。人在真实世界中是通过眼睛、耳朵、手指、鼻子等器官来实现视觉、触觉（力觉）、嗅觉等功能的。人们通过视觉观看到色彩斑斓的外部环境，通过听觉感知丰富多彩的音响世界，通过触觉了解物体的形状和特性，通过嗅觉知道周围的气味。总之，通过各种各样的感觉，使我们能够同客观真实世界交互（交流），使我们浸沉于和真实世界一样的环境中。

在这里，实现听觉最为容易；实现视觉是最基本的也是必不可少的和最常用的；实现触觉只有在某些情况下需要，现在正在

完善；实现嗅觉还刚刚开始。人从外界获得的信息，有80%—

90%来自视觉。因此在虚拟环境中，实现和真实环境中一样的视觉感受，对于获得逼真感、浸沉感至为重要。

在虚拟现实中和通常图像显示不同的是，要求显示的图像要随观察者眼睛位置的变化而变化。此外，要求能快速生成图像以获和实时感。例如，制作动画时不要求实时，为了保证质量每幅画面需要多长时间生成不受限制。而虚拟现实时生成的画面通常为30帧/秒。有了这样的图像生成能力，再配以适当的音响效果，就可以使人有身临其境的感受。

能够提供视觉和听觉效果的虚拟现实系统，已被用于各种各样的仿

真系统中。城市规划中，这样的系统正发挥着巨大作用。例如，许多城市都有自己的近期、中期和远景规划。在规划中需要考虑各个建筑同周围环境是否和谐相容，新建筑是否同周围的原有的建筑协调，以免造成建筑物建成后，才发现它破坏了城市原有风格和合理布局。

这样的仿真系统还可用以保护文物、重现古建筑。把珍贵的文物用虚拟现实技术展现出来供人参观，有利于保护真实的古文物。山东曲阜的孔子博物院就是这么做的。它把大成殿也制成模型，观众通过计算机便可浏览到大成殿几十根镂空雕刻的盘龙大石柱，还可以绕到大成殿后面游览。

用虚拟现实技术建立起来的水库和江河湖泊仿真系统，更能使人一览无遗。例如建立起三峡水库模型后，便可在水库建成之前，直观地看到建成后的壮观景象。蓄水后将最先淹没哪些村庄和农田，哪些文物将被淹没，这样能主动及时解决问题。如果建立了某地区防汛仿真系统，就可以模拟水位到达警戒线时哪些堤段会出现险情，万一发生决口将淹没哪些地区。这对制定应急预案有莫大的帮助。

虚拟现实的广泛用途，把计算机应用提高到一个崭新的水平，其作用和意义显而易见。此外，还可从更高的层次上来看待其作用和意义。一是在观念上，从“以计算机为主体”变成

“以人为主体”。二是在哲学上使人进一步认识“虚”和“实” 之间的关系。

过去的人机界面（人同计算机的交流）要求人去适应计算机，而使用虚拟现实技术后，人可以不必意识到自己在同计算机打交道，而可以

像在日常环境中处理事情一样同计算机交流。这就把人从操作计算机的复杂工作中解放出来。在信息技术日益复杂、用途日益广泛的今天，这充分发挥信息技术的潜力具有重大的意义。

虚和实的关系是一个古老的哲学命题。我们是处于真实的客观世界中，还是只处于自己感觉世界中，一直是唯物论和唯心论争论的焦点。以视觉为例，我们所看到的一切，不过是视网膜上

的影像。过去，视网膜上的影像都是真实世界的反映，因此客观的真实世界同主观的感觉世界是一致的。现在，虚拟现实导致了二重性，虚拟现实的景物对人感官来说是实实在在的存在，但它

又的的确确是虚构的东西。可是，按照虚构东西行事，往往又会

得出正确的结果。因此就引发了哲学上要重新认识“虚”和

“实”之间关系的课题。

编辑本段代表性设备

在VR系统中，有许多有趣的、功能不同的专用设备，下面选

一些代表性的设备加以介绍。

BOOM可移动式显示器

它是一种半投入式视觉显示设备。使用时，用户可以把显示

器方便地置于眼前，不用时可以很快移开。BOOM使用小型的阴极射线管，产生的像素数远远小于液晶显示屏，图像比较柔和，分辨率为1280X 1024像素，彩色图像。

数据手套：数据手套

一种输入装置，它可以把人手的动作转化为计算机的输入信

号。它由很轻的弹性材料构成。该弹性材料紧贴在手上，同时附着许多位置、方向传感器和光纤导线，以检测手的运动。光纤可以测量每个手指的弯曲和伸展，而通过光电转换，手指的动作信息可以被计算机识别。

TELETACT手套

它是一种用于触觉和力觉反馈的装置，利用小气袋向手提供

触觉和力觉的刺激。这些小气袋能被迅速地加压和减压。当虚拟

手接触一件虚拟物体时，存储在计算机里的该物体的力模式被调用，压缩机迅速对气袋充气或放气，使手部有一种非常精确的触觉。

数据衣

为了让VR系统识别全身运动而设计的输入装置。数据衣对人体大约50多个不同的关节进行测量，包括膝盖、手臂、躯干和脚。通过光电转换，身体的运动信息被计算机识别。通过BOOh显示器和数据手套与虚拟现实交互数据衣。

编辑本段虚拟现实技术的分类

桌面级的虚拟现实

桌面虚拟现实利用个人计算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。这些外部设备包括鼠标，追踪球，力矩球等。它要求参与者使用位置跟踪器和另一个手控输入设备，如鼠标，追踪球等，坐在监视器前，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与者并没有完全投入，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面级的虚拟现实最大特点是缺乏完全投入的功能，但是成本也相对低一些，因而，应用面比较广。常见桌面虚拟现实技术有：

基于静态图像的虚拟现实技术：这种技术不采用传统的利用计算机生成图像的方式，而采用连续拍摄的的图像和视频，在计算机中拼接以建立的实景化虚拟空间，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。

VRML虚拟现实造型语言）：它是一种在In ternet 网上应用极具前景的技术，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。VRML的最大特点在于利用文本描述三维空间，大大减少了在In ternet 网上传输的数据量，从而使得需要大量数据的虚拟现实得以在In ter net 网上实现。

桌面CAD系统：利用Open GL、DirectDraw等桌面三维图形绘制技术对虚拟世界进行建模，通过计算机的显示器进行观察，并有能自由地控制的视点和视角。这种技术在某种意义上来说也是一种虚拟现实技术，它通过计算机计算来生成三维模型，模型的复杂度和真实感受桌面