虚拟现实技术：从理论到实践

（1）概述 虚拟现实（Virtual Reality，VR）是20世纪末发展起来的一种涉及众多学科的高新实用技术，又称“灵境”、“幻境”。它是一种全新的人机交互系统，集成了先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术于一体，利用计算机生成虚拟环境，它能对介入者产生各种感官刺激，如视觉、听觉、触觉、嗅觉等，给人以身临其境的感觉，并且人还可以以自然的方式与环境进行交互，强调了人在虚拟环境的主导作用。

1）定义。虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场等），通过各种传感设备使用户“沉浸”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。在这里，模拟环境是指计算机生成的具有表面色彩的立体图形，它可以是现实世界的真实体现，也可以是纯粹构想的世界；传感设备是指包括立体头盔、数据手套、数据衣等装置和设置于现实环境中的传感装置；自然交互是指用日常使用方式对环境内物体进行操作。

2）VR的基本特征

①沉浸感。不同于传统计算机接口技术，使用者使用自然的方式交互，完全沉浸于计算机所营造的虚拟环境中。

②交互性。与传统三维动画特征的区别，是使用者不再是被动地接受信息或者是旁观，而是使用交互输入设备操纵虚拟物体，改变虚拟世界。

③构想。使用者利用VR得到感性和理性的认识，从而深化概念和萌发新意。

3）虚拟现实与计算机仿真、视景仿真的关系。VR虽是多学科的综合体，但它是以仿真技术为核心的，所以也可以把它看做一种类型的仿真系统，在仿真中VR可视为三维仿真模型的高级界面。仿真的目的是决策问题。决策分为宏观决策和微观决策。目前的VR系统的应用属于微观决策一类，虽然有些VR系统规模很大，但涉及的却都是局部决策。

①视景仿真是计算机仿真的重要分支，它着重于达到非常逼真的三维仿真效果。

②视景仿真是VR的重要表现形式，使用了很多的VR技术，VR在某种意义上是视景仿真的延伸，是三维视景的高级阶段。

③视景仿真目前更侧重于视觉和听觉的身临其境，VR向全方位的身临其境发展，有触觉、嗅觉等其他感官反应。VR是更先进的计算机接口技术。

VR与视景仿真、计算机仿真的关系如图13-4所示。

（2）虚拟现实技术 虚拟现实是计算机仿真技术的一个重要部分。与前面提到的仿真技术不同的是，它主要不是建立模型并进行计算，而强调用计算机生成一种特殊环境。为了产生这种环境，需要用三维计算机图形技术，采用多种功能传感器的交互接口，同时应具有高清晰度显示装置。

1）虚拟现实的关键技术(www.xing528.com)

①实时三维计算机图形技术。用计算机模型去产生图形形象，关键是实时。例如在飞行模拟系统中，图像的刷新要求每秒25～30帧。也就是说，基于有高质量的图像显示，又要求高速度和复杂的虚拟环境。在硬件方面，要有高质量的工作站；在软件方面，要研究好计算机算法，以快速生成图像。虚拟现实编程需要多方面的知识，包括实时系统、面对对象的语言、网络、物理建模以及多任务协调等。同时，还应有可扩展的、面向对象的功能库，使用者可根据需要加入适当的模块。

②视觉、听觉及触觉技术。视觉技术包括立体视觉及视觉显示。所谓立体视觉就是深度（距离）线索，包括：静态图像的深度线索，如明暗变化、阴影及重叠等；运动深度线索，近的物体动得快（或动得多），远处的物体动得慢（或动得少）；双目体视线索，即利用双目的视差来造成立体感。利用这些线索，并把显示器、专用光学系统以及位置、方向的跟踪系统组合在一起，就构成了视觉显示。为了产生虚拟触觉，研究人员开发了触觉和力反馈装置。虽然它们的样式不同，但所做的事情大致相同。若在手指上装上压力传感器，手臂的动作就能把机械或动力信号记录下来。再将得到的触觉信号传给操作人员，就可以产生力反馈。

③虚拟现实系统的输入。虚拟现实系统的输入包括：数据手套、数据衣和三维鼠标、语音输入等。数据手套的原理是通过测量手指的弯曲和伸展，来获取数据。可以在手套内装入光纤，当手指弯曲时，部分光从光纤内逸出，根据逸出光的多少，确定手指弯曲的程度。数据衣的原理和数据手套的原理差不多，只是测量的环节更多。在一个空心球内装入三个传感器，球上有一个小开关，用以选择输出参数。球握在手中，球的运动被转换成虚拟空间中的物体运动或光标的运动。这种三维系统用于短时间的导航或操作是非常有效的。

图13-4 VR与视景仿真、计算机仿真的关系

2）虚拟现实的应用。飞行仿真是虚拟现实的一个应用实例。飞行仿真系统由以下四部分组成：

①飞行员的操作系统。

②显示外部图像的视觉系统。

③产生运动感的运动系统。

④计算和控制飞行运动的计算机系统。

操作舱模拟实际驾驶舱，其速度表、温度表、以及各种显示器由计算机控制。当飞行员操作驾驶杆时，系统产生响应的电信号输入计算机，通过油压、电动机等作用于各种操作装置，使得飞行员感受到同实际飞行一样的力反馈。视觉显示系统向飞行员提供有真实感的图像。运动系统向飞行员提供一种身临其境的感觉。虚拟驾驶舱是具有六个自由度的运动系统，可使飞行员感觉到：起飞、着陆的加速度；飞行中由于机体运动产生的线加速度和角加速度；在乱气流中飞行时的机体振动；失速时的机体振动；滑行时的轮胎振动和着陆时的擦地振动等。