虚拟现实解决方案
虚拟现实的应用领域
一. 虚拟现实介绍
什么是虚拟现实？
虚拟现实（Vi rtual R eality），也叫虚拟仿真。简称VR或称灵境技术，实际上是一种可创建和体验虚拟世界（Virtua l Wo rld）的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界,并通过头盔显示器（HMD）、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。VR技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。它同时具有沉浸性
（immersio n）、交互性（int eraction）和构想性（ima ginatio n），使人们能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有交互效能多维化的信息环境。
沉浸性是指用户对虚拟世界中的真实感，此种真实感将使用户难以觉察、分辨出其自身正处于一个由计算机生成的虚拟环境中；
交互性是指用户对虚拟世界中的物体的可操作性；构想性是指用户在虚拟世界的多维信息空间中，依靠自身的感知和认知能力可全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求对问题的完美解决。研究和开发VR技术的根本目的旨在扩展人类的认知与感知能力，建立和谐的人机环境。
VR技术是系统仿真中新兴技术之一，它实际上是一种采用计算机技术制作仿真的假想世界的技术，采用计算机产生一个被仿真世界的动态、三维视觉环境，使操作者产生一种身临其境的感觉。
采用此项新技术，参与者使用硬件，如键盘、数据手套、三维鼠标器、跟踪球、操纵杆、空间球、眼球跟踪装置、超声波头部跟踪器、头盔显示器、摄录像设备、大屏幕彩色投影机、立体护目镜、音响、耳机、语音识别与合成装置、工作站及数据服等以获得所需的感知，
来体验计算机世界境况。虚拟现实技术已经发展很多年，虚拟现实的应用领域也越来越广泛，最初是用于军事仿真，近年来在城市规划，室内设计,文物保护，交通模拟，虚拟现实游戏，工业设计，远程教育等方面都取得了巨大的发展，虚拟无限相信，这是不可逆转的趋势，并且会运用更加广泛。
1:城市规划
由于城市规划项目的关联性、复杂性和前瞻性要求较高，城市规划一直是对全新的可视化方案需求最为迫切的领域之一。运用城市规划仿真系统可以使政府规划部门、项目开发商、工程人员和各界人士可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果获得前所未有的直观感受，这是传统手段如沙盘、效果图、平面图等所不能达到的。
提高项目评估质量
由于虚拟现实系统能够实时地对规划项目进行真实的“再现”，很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，大大减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾。
提高项目管理能力和效率
我们知道传统的一些表现形式如效果图、模型等，很容易在某些方面如间距、高低、光照、材料等被人为地修饰以误导评估人员，尤其是对于非专业人员，从而作出有利于一方的判断和决定。如果城建部门建立一个标准的虚拟现实系统总平台，要求开发机构或设计单位将他们的方案（可作为子系统）以相同的细节精度、尺寸比例和视觉质量直接导入，那么方案评估才更为准确、公正-。另外，如果总系统需要增加新的项目，或其中的项目遇到方案修改，可以随时导入或更新系统的数据信息，并且可供日后存档，极大地方便了政府规划管理部门的管理工作，提高了效率，节省了成本。
提高公众参与度和部门协同作业
由于虚拟现实打破了专业人士和非专业人士之间的沟通障碍，使得各部门能通过统一的仿真环境进行交流，能更好的理解设计方的思路和各方的意见，能更快的找到问题，达成共识和解决一些设计中存在的缺陷。提高方案设计和修正的效率，大大加快了方案设计的速度和质量。
提高市民公开展示和城市形象宣传的效果
虚拟现实系统的沉浸感和互动性不但能够让用户获得身临其境
的体验，同时还能随时获取项目的数据资料，而且更可以导出视频文件用来制作多媒体宣传资料，进一步提高项目的宣传展示效果。
2.房地产开发项目
近几年在房地产的表现和推广应用方面，VR虚拟现实技术被得到越来越多的应用，更有逐步取代效果图和三维动画之势。用VR虚拟技术不仅可以十分完美的表现整个小区的环境，设施。还能表现不存在但即将建成的绿化带，喷泉，休息区，运动场等等。不仅如此，用户还能在整个小区中任意漫游、仔细欣赏小区的每一处风景。大大刺激了浏览者的感受。房地产开发仿真系统和虚拟样板房系统不仅能使开发商与建筑师、规划师、景观设计师排除由于技术语言而造成的交流障碍。使交流更加直观化，客观化。而且能让公司各部门排除由工种不同而造成的沟通障碍，使各部门的工作衔接的更紧密，极大的促进了工作效率。系统对项目的每一个阶段性方案都实行动态模拟，互动对比和最佳优化，降低或避免开发风险，减短项目开发周期，降低开发成本从而提高房地产项目全面决策的科学性和整体开发管理的有效性。
房地产开发仿真系统和虚拟样板房系统以虚拟现实技术平台为基础，以同样的工作模式将房地产楼盘建筑外观，景观绿化，各款户型的最终设计结果，通过计算机图纸绘制成精确的三维数字模型，导入虚拟程序，模拟建成后的真实效果（即楼盘的虚拟环境和虚拟样板房）。通过液晶投影仪大屏幕输出，完美构筑一个逼真，明晰的高端展示环境。客户不仅获得身临其境般的体验，更可自主，随意的进行室内外漫游观看，实时信息查询。
3.古迹复原
中国是一个具有5000多年历史的文明古国。先辈们为我们留下了无数历史和文化魁宝，中国的世界遗产拥有量在全世界排名第四，但不幸的是众多名胜古迹因战乱和因年代久远老化腐蚀等人为或自然因素遭到损毁，其代价将是无法用金钱来估量的。随着科技的进步和数字时代的道来，我们已经开始研究使用虚拟技术来保护珍贵的人类文化遗产工作。虚拟现实技术凭其对海量场景数据运算和仿真功能，能将消失在几千年前的古迹真实再现，更能让人置身其中进行游览。目前，用计算机重建各种景观的三维模型已经不存在技术障碍了，主
要的困难是要取得足够详细和精确的数据来建立框架，然后在生成模型的时候需要大量的计算，所以需要有足够的耐心。那么随着历史的变迁，将各种人类文化遗产进行虚拟复原的价值就会更加明显。
4.企业形象产品展示
静态的图片、程序化的摄像固然可以展示企业形象，但未免单调、本分了一些，对于企业的发展规划远景更是无能为力，通过虚拟现实技术，我们可以把一个企业真实、互动地展现出来：企业的奋斗历程、发展变迁，企业欣欣向荣的现状，企业未来规划远景都能身临其境、历历在目。
产品是每个企业的“摇钱树”，传统的产品展示主要是样品展示，样品携带不便、不能上网展示，如果是设计中的产品展示更是只能“纸上谈兵”。利用产品的虚拟现实展示，无论是已生产的产品、设计中的产品，还是设想中的概念产品，我们都能够随时随地向顾客展示，也可以发布在互联网上，顾客不但可以了解产品的整体外观，还可以模拟进行操作、“试用”产品，了解其性能。
5.特色服务展示
风景如画的旅游胜地，如果用虚拟现实技术模拟和修饰，并通过电脑展示出来，当您跟顾客介绍公司的旅游服务时，有如身临其境，那将是多么美妙的感觉！如果您的企业对外业务很多，时时都有数以百计地客人来访，您可通过虚拟现实技术并结合大型投影设备，将办公环境、特色服务等一一栩栩如生地呈现在顾客面前，在节省人力物力的同时，顾客也体会到了高新科技带来的全新感受！
6.展览及交易会展示
参加各类大小展会，已经成为您工作中的重要内容之一了吗？我们可为您提供虚拟展览定制服务。根据不同的展览要求，采用虚拟现实、数据库、多媒体等先进的计算机技术，构建一个虚拟的全三维的展览馆，人可以在其间自由行走查看内容，通过图、文、声、像等丰富的多媒体表现方式全面展现参展项目的技术特点和样品特征等，并可随时更新和在Internet上发布展览内容。而且可以根电子商务和在线定购等系统结合。
7.三维可视化交通线路设计
交通线路设计是在三维地形表面拟订交通线路的造型包括确定
位置和相关尺寸，以及它和周围环境（包括地形环境、生态环境、人
文环境等等）的协调等等。从这一点上来讲，交通线路设计（包括铁路、公路、轻轨等）都是在二维地形图进行，包括数字地图。从形式上看，地形图运用了一套专门的符号和文字来表示地形，其中19世纪出现的以等高线表示地貌的技术一直沿用至今。而对地物则设计特定的图形符号，从信息传递的角度上讲，这是一种特殊的语言-地图语言。用这种抽象的地图语言来表示现实地形要素，对于大多数不具备专门的地图学知识的使用者来说，是难以直观理解和接受的。因此，根据测绘学等学科的理论，借助先进的计算技术，制作具有高度真实性和可量测性的地形三维立体模型，实现三维地形表面的逼真还原，无疑对包括交通线路设计在内的土木工程设计有非常重要的意义。在城市交通的发展规划中，道路初选涉及很多问题，如各种选线比较分析、开辟线路需要拆迁的房屋量、线路的长度、通达度如何等等，虚拟现实技术基于GIS技术的支持，目前在这些方面的应用已日趋成熟。
8.游戏
对于游戏的开发，目前VR技术比较适合开发：角色扮演类、动作类、冒险解迷类、竞速赛车类的游戏，其先进的图像引擎丝毫不亚于目前的主流游戏引擎的图像表现效果，而且整合配套的动力学和AI系统更给游戏的开发提供了便利。
9.军事
VR技术就是诞生于军事应用，在军事应用方面很多，包括：模拟战场，模拟操作，模拟驾驶，模拟装配等等...都需要通过VR技术来实现。而且在相关军事工作汇报中也会有VR技术的支持。
10.教育
VR技术在教育领域，主要是发挥其互动性和生动的表现效果，用于立体几何、物理化学等相关课件的模拟制作。而且在相关专业的培训机构，VR虚拟现实技术能够提供学员更多的辅助，比如虚拟驾驶、各种交通规则的模拟。特种器械模拟操作、模拟装备等等。
11.外科手术和人体器官的模拟
外科医生的培训是一项投资大、时间长的工作，这是因为不能随便让实习医生在病人身上动手术，可是不亲自动手，又如何学会手术呢？虚拟手术台已能部分模仿外科手术的现场。同样，提供模拟的人体器
官，可让学生逼真地观察器官内部的构造和病灶，具有极高的实验价值。
12.科学研究和计算的可视化
各种分子结构模型、大坝应力计算的结果、地震石油勘探数据处理等，均十分需要三维（甚至多维）图形可视化的显示和交互浏览，虚拟现实技术为科学研究、探索微观形态等提供了形象直观的工具。
二、VR虚拟现实技术系统的构成
VR环境系统包括建模、控制和媒体数据源三大部分。建模系指利用物理的或数学的方法，对需要仿真的实际系统进行描述获得近似的数学模型。这是进行数字仿真或半实物仿真必不可少的步骤。地物的几何建模技术是虚拟地景仿真中最为重要的研究领域之一。虚拟地形环境（Virt ual Terr ain Env ironmen t）是应用VR技术在数字地图的基础上建立起来的，逼真地描述地球表面及其现象的实时、交互的地形场景。虚拟地形环境的研究，提供了一种新的空间环境认知手段，必将促进地图学、地理学等相关信息科学理论的发展与深入；它是未来数字化战场测绘的保障方式；它的研究将会促进VR技术进一步的研究与发展，提高VR技术的应用水平，为诸如数字化城市、数字化社会及数字化地球的实用化提供有效的技术积累。
基于图像的建模（Ima ge-Base d Mo deling,IBM）技术近来发展迅速，它采用一组采样图像来建立VR环境的模型，而不是使用传统基于几何建模所采用的几何图元，从而使VR技术能在个人计算机（P C）上得到应用与推广。其技术包括：场景的采样；VR环境的表示；由场景的采样转化为VR环境表示的建模技术。VR系统是一种由计算机局部或全部生成的多维虚拟感觉环境，给参与者产生各种感官信息，如视觉、听觉、手感、触感、味觉及嗅觉等，能体验、接受并认识客观世界中的客观事物。三维立体显示是其一项必不可少的关键设备，它是系统向用户输出反馈信息的主要手段。双眼视觉对产生VR系统环境至关重要。VR系统可由如下各部分构成：
①高性能计算机系统、计算机图像的特征采样与图形交互作用技术。
②虚拟环境生成器，军事训练模拟中的视景生成技术是当前研究的一个重要内容。智能虚拟环境（IV E）是VR、人工智能及人工生命技术的有机结合，目前，有关IVE的研究工作在国外亦刚刚起步，有众多关键技术仍需作进一步的研究。现从事IVE研究的人员大多来自人
工智能和知识工程领域，随着对IVE技术研究的深入，该领域必将会得到重大的突破，具有高度行为真实感的、支持多个参与者的、具有生命特征的智能虚拟世界将会日趋涌现。当前VR研究中的一个热门课题是分布式虚拟环境（DVE）。
③计算机网络。
④三维视景图像生成及立体显示系统，基于图像的视景生成技术需解决的问题是显示的模型及如何在模型上产生出图像。这主要有柱面模型和球面模型两种，战场环境仿真是作战仿真的重要内容，逼真的战场环境实时仿真是作战仿真之基础，因此充分利用VR及计算机图形学最新研究成果的战场可视化系统便应运而生。
⑤立体音响生成与扬声系统，它是虚拟环境多维信息中的一个重要组成部分。听觉是仅次于视觉的感知途径，它向用户提供的辅助信息，可增强视觉的感知，弥补视觉效果之不足，增强环境的逼真性。利用不同声源到达某一特定位置的时间差、相位差及声压差等进行虚拟环境的声音跟踪是实物虚化的重要组成部分；声波传播时间测定法和相位相干测定法属于实现声音定位跟踪的两种基本方法。若给综合战场环境中加入虚拟声音，将会增强综合战场环境的逼真性与完整性，可给作战指挥员提供强烈的沉浸感和临场感，减弱大脑对视觉的依赖性，并能获得更多的信息。
⑥力反馈触觉系统，参与者在虚拟环境中产生沉浸感的重要因素之一是用户在用手或身体操纵虚拟物体时，能感受到虚拟物体与虚拟物体之间的作用力与反作用力，从而产生出触觉和力觉的感知。
⑦人体的姿势、头、眼、手位置的跟踪测量系统，运动跟踪作为人与虚拟环境之间信息交互的一个重要因素，是近年来VR技术发展的一个重要领域。人体行为交互是人际之间除语音外的一种重要交互方法，行为表现模型的建立是一个技术关键。信息社会的显著特点与基础是数字化技术，人类自身的数字化便显得颇为重要，需进行深入的研究，这便是虚拟人合成的研究目的及其意义所在，最终使得计算机与人之间可实现自然化的交互。
⑧人机接口界面及多维的通信方式，这些技术目前主要集中反映在头盔显示器和数据手套这两类交互设备中。
⑨各种数据库（地形地貌、地理信息、图像纹理、气动数据、武器性能参数、导航数据、气象数据、背景干扰及通用模型等）。
⑩软件支撑环境，需建立并开发出虚拟世界数据库；在底层支撑软件及三维造型软件的支撑下，建立起VR系统的开发工具软件；在输入输出传感器等硬件支撑下，建立起人机交互图形的界面。
三、VR虚拟现实技术的关键技术
与传统的信息系统相比，VR系统属于一种新型多维化人机和谐的信息系统。在此种VR系统内，人们感受到的最突出的特点是其沉浸性、交互性和构想性。为实现这种新型的信息处理系统，满足人们对沉浸性、交互性和构想性日趋增高的需求，在众多技术难题中至少应重点
提高3项关键技术的水平。
⒈提高“身临其境”的沉浸感
VR的沉浸性是使人具有逼真感之根本。为了逼真地模拟视觉功能，在很大程度上是依赖于VR技术的图像处理和理解能力，图像处理的质量愈高，图像处理的速度愈快，图像识别的能力愈强，系统的理解能
力愈完善，系统的视觉沉浸感便愈佳。视觉是提高沉浸感的重要因素，
但并非是惟一的因素；听觉可能是VR技术中最先达到逼真程度的领域；触觉是一个刚起步研究与试验的领域。由微处理器和传感器构成的数
据手套，与视觉、听觉相配合，大大地增强了VR系统的逼真感；而嗅觉与味觉还属于一个尚未实质性地开展研究的领域。故提高VR系统的沉浸感，尚需进行大量艰苦的工作。
⒉开发高性能的传感器
VR的交互性是达到人机和谐之关键，其性能优劣在很大程度上取
决于与计算机相连的高性能传感器及其相应的软件。交互技术研究的
主要任务是设计出交互技术并评估其性能，目前至关重要的两种设计
方法是：依据应用程序的特殊需求，凭直觉或想象设计出交互技术；
按任务的结构划分来指导进行设计。
为与虚拟环境发生交互作用，迄今已研制出多种传感设备，上述所提到的鼠标器、数据手套、跟踪球和超声波头部跟踪器等，每一种
传感设备都各有千秋，选用时要注意扬长避短。目前针对VR系统的需求研制的性能更为完善的传感器，如用红外或其他光学方法跟踪眼睛
的活动，当知道人的眼睛注视何处时，便可用其实现某些控制。目前
这些新型的传感设备尚未成熟，人们正通过研制新材料、新结构、新
工艺或新的控制机理，以提高其性能，这是当前VR技术中颇为活跃的一部分研究工作。