論文摘要：介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念、基本特征與類型，并從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用出發(fā)，論述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，并針對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了簡單分析。
隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為近幾年來國內(nèi)外科技界關(guān)注的一個熱點(diǎn)，它的興起，為人機(jī)交互界面的發(fā)展開創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域，為各類工程的大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化提供了新的描述方法。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)、軍事訓(xùn)練、建筑設(shè)計(jì)、教育培訓(xùn)等眾多領(lǐng)域。
一、虛擬現(xiàn)實(shí)分類
根據(jù)用戶參與的形式的不同，通常把虛擬現(xiàn)實(shí)分成四大類。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)，沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)，分布式虛擬現(xiàn)實(shí)。
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桌面虛擬現(xiàn)實(shí)（PCVR）系統(tǒng)，基本上是一套基于普通PC平臺的小型桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。 其實(shí)就是使用個人計(jì)算機(jī)即PC機(jī)或PC工作站去產(chǎn)生仿真，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)的參與者是不完全沉浸的，他要求參與者使用標(biāo)準(zhǔn)的CRT顯示器和立體顯示技CJFD2000以及位置跟蹤器和另外一個手控輸入設(shè)備，如數(shù)據(jù)手套和六個自由度的三維空間鼠標(biāo)器，戴上立體眼鏡坐在監(jiān)視器前，在一些專業(yè)軟件的幫助下，但可以通過計(jì)算機(jī)屏幕觀察360度范圍內(nèi)的虛擬境界。
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沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一種高級的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它提供一個完全沉浸的體驗(yàn)，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。沉浸式虛擬系統(tǒng)是一套比較復(fù)雜的系統(tǒng)，它的優(yōu)點(diǎn)是使用戶全身心地沉浸到虛擬世界中去，缺點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)備價格昂貴，難以普及推廣。
（三）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)
增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境組合在一起的一種系統(tǒng)，它既允許用戶看到真實(shí)世界，同時也可以看到疊加在真實(shí)世界的虛擬對象，這種系統(tǒng)既可減少對構(gòu)成復(fù)雜真實(shí)環(huán)境的計(jì)算，又可對實(shí)際物體進(jìn)行操作，真正達(dá)到亦真亦幻的境界。
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分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，將異地的不同用戶聯(lián)結(jié)起來，多個用戶通過網(wǎng)絡(luò)同時參加一個虛擬空間，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷，對同一虛擬世界進(jìn)行觀察和操作，達(dá)到協(xié)同工作的目的，從而將虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用提升到了一個更高的境界。
二、國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展及其現(xiàn)狀
（一）美國研究狀況
美國作為VR技術(shù)的發(fā)源地，其研究水平基本上就代表國際VR發(fā)展的水平。近年來,虛擬現(xiàn)實(shí)在美國航空航天和軍事領(lǐng)域的若干成功應(yīng)用所獲得的巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，促使美國政府進(jìn)一步加大了對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的支持力度。在美國虛擬現(xiàn)實(shí)在以下三個方面發(fā)揮重大作用：（1）武器系統(tǒng)性能評價；（2）武器操縱訓(xùn)練；（3）指揮大規(guī)模軍事演習(xí)。虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用將大幅度降低以上三者所需的費(fèi)用，極大地提高效益，并消除意外傷亡事故。美國政府所支持的虛擬現(xiàn)實(shí)研究也正是緊緊圍繞著提供這三種能力的系統(tǒng)和環(huán)境而展開的。
在軍事領(lǐng)域，美國的主要研究單位為：美國空軍技術(shù)研究所(Air Force Institute of Technology)主要研究人類因素的檢測、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及與大規(guī)模分布綜合環(huán)境應(yīng)用有關(guān)的人機(jī)交互問題，尤其對那些培養(yǎng)實(shí)際操作人員的環(huán)境感興趣。這些環(huán)境的特點(diǎn)是有明確的目的性、大規(guī)模、復(fù)雜及主動性。有目的性的含義是在環(huán)境中的活動者具有明確的目標(biāo)，并主動采取行動來達(dá)到這些目標(biāo)。海軍研究生院圖形和圖像實(shí)驗(yàn)室(Naval Postgraduate School Graphics and Video laboratory)的研究目標(biāo)是為基于網(wǎng)絡(luò)化虛擬環(huán)境的交互仿真開發(fā)低價格模擬器。他們正在研制一種便宜的、實(shí)時網(wǎng)絡(luò)化的飛行模擬器NPSNET4。它使用SIMNET和分布式交互仿真兩種協(xié)議進(jìn)行主機(jī)之間的通信。NPSNET計(jì)劃注意虛擬世界的系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)世界問題中的應(yīng)用。美國陸軍研究所(U.S.Army Research Institute)從事虛擬環(huán)境的行為科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)兩方面的研究,并在美國陸軍委員會支持下的用于戰(zhàn)斗訓(xùn)練的仿真電子戰(zhàn)場的應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。密西根大學(xué)(University of Michigan)承擔(dān)了SOAR項(xiàng)目，其目的是要通過提供改進(jìn)了的空仿真兵力來擴(kuò)充LORAL MODSAF。這一計(jì)劃將使美國國防部在虛擬戰(zhàn)役仿真中具有智能化的和難以戰(zhàn)勝的敵方戰(zhàn)機(jī)具備時態(tài)推理能力、多目標(biāo)管理和傳感能力，使管理和操縱敵方兵力的人減至最少。 在航天領(lǐng)域，現(xiàn)在NASA已經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護(hù)VR訓(xùn)練系統(tǒng)，空間站VR訓(xùn)練系統(tǒng)，并且已經(jīng)建立了可供全國使用的VR教育系統(tǒng)。北卡羅來納大學(xué)(UNC)的計(jì)算機(jī)系是進(jìn)行VR研究最早的大學(xué)，他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術(shù)仿真、建筑仿真等。
美國政府對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)非常重視，他們支持的虛擬現(xiàn)實(shí)研究計(jì)劃都是面向航空航天和軍事應(yīng)用的。虛擬現(xiàn)實(shí)將在武器系統(tǒng)的性能評價和設(shè)計(jì)、操縱訓(xùn)練和大規(guī)模軍事演習(xí)及戰(zhàn)役指揮方面發(fā)揮重要作用，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。美國已初步建成了一些洲際范圍的分布式虛擬環(huán)境，并將有人操縱和半自主兵力引入虛擬的戰(zhàn)役空間，,在世界上處于領(lǐng)先地位。
（二）中國研究現(xiàn)狀
我國VR技術(shù)研究起步較晚，與國外發(fā)達(dá)國家還有一定的差距，但現(xiàn)在已引起國家有關(guān)部門和科學(xué)家們的高度重視，并根據(jù)我國的國情，制定了開展VR技術(shù)的研究計(jì)劃。九五規(guī)劃、國家自然科學(xué)基金委、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃等都把VR列入研究項(xiàng)目。
國內(nèi)一些重點(diǎn)院校，已積極投入到了這一領(lǐng)域的研究工作。北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系是國內(nèi)最早進(jìn)行VR研究、最有權(quán)威的單位之一，著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理；實(shí)現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺等。浙江大學(xué)開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時漫游系統(tǒng)，還研制出了在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進(jìn)網(wǎng)格的快速生成算法；哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng)成功地虛擬出了人的高級行為中特定人臉圖像的合成、表情的合成和唇動的合成等技術(shù)問題。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國近些年發(fā)展極為迅速，被廣泛的應(yīng)用在城市規(guī)劃、教育培訓(xùn)、文物保護(hù)、醫(yī)療、房地產(chǎn)、互聯(lián)網(wǎng)、勘探測繪、生產(chǎn)制造、軍事航天等數(shù)十個重要的行業(yè)，全世界的目光都聚焦于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中國的蓬勃發(fā)展。流行一時的網(wǎng)絡(luò)游戲，實(shí)質(zhì)上也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種簡單應(yīng)用。
最近，中國首款虛擬現(xiàn)實(shí)游戲射日精英也已經(jīng)橫空出世。
縱觀多年來的發(fā)展歷程，VR技術(shù)的未來研究仍將遵循“低成本、高性能”這一原則，從軟件、硬件上展開，并將在以下主要方向發(fā)展：
動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。
實(shí)時三維圖形生成和顯示技術(shù)。在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是今后重要的研究內(nèi)容。此外，現(xiàn)有的虛擬設(shè)備還不能滿足系統(tǒng)的需要，有必要開發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術(shù)。
新型交互設(shè)備的研制。虛擬現(xiàn)實(shí)需要頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、三維位置傳感器和三維聲音產(chǎn)生器等。因此，新型、便宜、做工精良的數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)服將成為未來研究的重要方向。
智能化語音虛擬現(xiàn)實(shí)建模。虛擬現(xiàn)實(shí)建模如果將VR技術(shù)與智能技術(shù)、語音識別技術(shù)結(jié)合起來將會給虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展帶來巨大的意義。
大型網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)(Distributed Virtual Reality，DVR)的應(yīng)用。目前，分布式虛擬交互仿真已成為國際上的研究熱點(diǎn)，相繼推出了DIS、MA等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)分布式VR在航天中極具應(yīng)用價值，例如，國際空間站的參與國分布在世界不同區(qū)域，分布式VR訓(xùn)練環(huán)境不需要在各國重建仿真系統(tǒng)，這樣不僅減少了研制費(fèi)設(shè)備費(fèi)用，而且也減少了人員出差的費(fèi)用和異地生活的不適。
結(jié)語
虛擬現(xiàn)實(shí)從其萌芽到今天的日漸成熟已經(jīng)經(jīng)歷了一段相當(dāng)長的時間，伴隨著計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也將迎來一個快速發(fā)展的階段，使我們的虛擬現(xiàn)實(shí)中的場景更加真實(shí)，虛擬顯示中的人物也更加形象生動，成為一個真正意義上的“人”。
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