VR系統 又名：虛擬現實系統

　　計算機理論

　　VR是一項綜合集成技術，涉及計算機圖形學,人機交互技術,傳感技術,人工智能等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產生臨場感。該技術集成了計算機圖形(CG)技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。

　　概括地說，虛擬現實是人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現實在技術思想上有了質的飛躍。

　　虛擬現實中的“現實”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環境，它可以是實際上可實現的，也可以是實際上難以實現的或根本無法實現的。而“虛擬”是指用計算機生成的意思。因此，虛擬現實是指用計算機生成的一種特殊環境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環境中，并操作、控制環境，實現特殊的目的，即人是這種環境的主宰。

　　基本特征

　　多感知性

　?。∕ulti-Sensory）——所謂多感知是指除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現實技術應該具有一切人所具有的感知功能。由于相關技術，特別是傳感技術的限制，虛擬現實技術所具有的感知功能僅限于視覺,聽覺,力覺,觸覺,運動等幾種。

　　浸沒感

　?。↖mmersion）——又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創建的三維虛擬環境中，該環境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現實世界中的感覺一樣。

　　交互性

　?。↖nteractivity）——指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動。

　　構想性

　?。↖magination）——強調虛擬現實技術應具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可再現真實存在的環境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境。

　　組成

　　一般來說，一個完整的虛擬現實系統由虛擬環境、以高性能計算機為核心的虛擬環境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統、以方位跟蹤器、數據手套和數據衣為主體的身體方位姿態跟蹤設備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統等功能單元構成。

　　應用

　　城市規劃

　　城市規劃一直是對全新的可視化技術需求最為迫切的領域之一，虛擬現實技術可以廣泛的應用在城市規劃的各個方面，并帶來切實且可觀的利益： 展現規劃方案虛擬現實系統的沉浸感和互動性不但能夠給用戶帶來強烈、逼真的感官沖擊，獲得身臨其境的體驗，還可以通過其數據接口在實時的虛擬環境中隨時獲取項目的數據資料，方便大型復雜工程項目的規劃、設計、投標、報批、管理，有利于設計與管理人員對各種規劃設計方案進行輔助設計與方案評審。 規避設計風險 虛擬現實所建立的虛擬環境是由基于真實數據建立的數字模型組合而成，嚴格遵循工程項目設計的標準和要求建立逼真的三維場景，對規劃項目進行真實的“再現”。用戶在三維場景中任意漫游，人機交互，這樣很多不易察覺的設計缺陷能夠輕易地被發現，減少由于事先規劃不周全而造成的無可挽回的損失與遺憾，大大提高了項目的評估質量。 加快設計速度運用虛擬現實系統，我們可以很輕松隨意的進行修改，改變建筑高度，改變建筑外立面的材質、顏色，改變綠化密度，只要修改系統中的參數即可。從而大大加快了方案設計的速度和質量，提高了方案設計和修正的效率，也節省了大量的資金，提供合作平臺 。

　　虛擬現實技術能夠使政府規劃部門、項目開發商、工程人員及公眾可從任意角度，實時互動真實地看到規劃效果，更好地掌握城市的形態和理解規劃師的設計意圖。有效的合作是保證城市規劃最終成功的前提，虛擬現實技術為這種合作提供了理想的橋梁，這是傳統手段如平面圖、效果圖、沙盤乃至動畫等所不能達到的。 加強宣傳效果對于公眾關心的大型規劃項目，在項目方案設計過程中，虛擬現實系統可以將現有的方案導出為視頻文件用來制作多媒體資料予以一定程度的公示，讓公眾真正的參與到項目中來。當項目方案最終確定后，也可以通過視頻輸出制作多媒體宣傳片，進一步提高項目的宣傳展示效果。

　　醫學

　　VR在醫學方面的應用具有十分重要的現實意義。在虛擬環境中，可以建立虛擬的人體模型，借助于跟蹤球、HMD、感覺手套，學生可以很容易了解人體內部各器官結構，這比現有的采用教科書的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個SGI工作站建立了一個虛擬外科手術訓練器，用于腿部及腹部外科手術模擬。這個虛擬的環境包括虛擬的手術臺與手術燈，虛擬的外科工具（如手術刀、注射器、手術鉗等），虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺手套，使用者可以對虛擬的人體模型進行手術。但該系統有待進一步改進，如需提高環境的真實感，增加網絡功能，使其能同時培訓多個使用者，或可在外地專家的指導下工作等。另外，在遠距離遙控外科手術，復雜手術的計劃安排，手術過程的信息指導，手術后果預測及改善殘疾人生恬狀況，乃至新型藥物的研制等方面，VR技術都有十分重要的意義。

　　藝術教育

　　豐富的感覺能力與3D顯示環境使得VR成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂方面對VR的真實感要求不是太高，故近些年來VR在該方面發展最為迅猛。如Chicago（芝加哥）開放了世界上第一臺大型可供多人使用的VR娛樂系統，其主題是關于3025年的一場未來戰爭；英國開發的稱為“Virtuality”的VR游戲系統，配有HMD，大大增強了真實感；1992年的一臺稱為“Legeal Qust”的系統由于增加了人工智能功能，使計算機具備了自學習功能，大大增強了趣味性及難度，使該系統獲該年度VR產品獎。另外在家庭娛樂方面VR也顯示出了很好的前景。

　　作為傳輸顯示信息的媒體，VR在未來藝術領域方面所具有的潛在應用能力也不可低估。VR所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態的藝術（如油畫、雕刻等）轉化為動態的，可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術。另外，VR提高了藝術表現能力，如一個虛擬的音樂家可以演奏各種各樣的樂器，手足不便的人或遠在外地的人可以在他生活的居室中去虛擬的音樂廳欣賞音樂會等等。

　　對藝術的潛在應用價值同樣適用于教育，如在解釋一些復雜的系統抽象的概念如量子物理等方面，VR是非常有力的工具，Lofin等人在1993年建立了一個“虛擬的物理實驗室”，用于解釋某些物理概念，如位置與速度，力量與位移等。

　　軍工

　　模擬與練一直是軍事與航天工業中的一個重要課題，這為VR提供了廣闊的應用前景。美國國防部高級研究計劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱為SIMNET的虛擬戰場系統，以提供坦克協同訓1練，該系統可聯結200多臺模擬器。另外利用VR技術，可模擬零重力環境，可以代替非標準的水下訓練宇航員的方法。

　　室內設計

　　虛擬現實不僅僅是一個演示媒體，而且還是一個設計工具。它以視覺形式反映了設計者的思想，比如裝修房屋之前，你首先要做的事是對房屋的結構、外形做細致的構思，為了使之定量化，你還需設計許多圖紙，當然這些圖紙只能內行人讀懂，虛擬現實可以把這種構思變成看得見的虛擬物體和環境，使以往只能借助傳統的設計模式提升到數字化的即看即所得的完美境界，大大提高了設計和規劃的質量與效率。運用虛擬現實技術，設計者可以完全按照自己的構思去構建裝飾“虛擬”的房間，并可以任意變換自己在房間中的位置，去觀察設計的效果，直到滿意為止。既節約了時間，又節省了做模型的費用。

　　房產開發

　　隨著房地產業競爭的加劇，傳統的展示手段如平面圖、表現圖、沙盤、樣板房等已經遠遠無法滿足消費者的需要。因此敏銳把握市場動向，果斷啟用最新的技術并迅速轉化 為生產力，方可以領先一步，擊潰競爭對手。虛擬現實技術是集影視廣告、動畫、多媒體、網絡科技于一身的最新型的房地產營銷方式，在國內的廣州、上海、北京等大城市，國外的加拿大、美國等經濟和科技發達的國家都非常熱門，是當今房地產行業一個綜合實力的象征和標志，其最主要的核心是房地產銷售！同時在房地產開發中的其他重要環節包括申報、審批、設計、宣傳等方面都有著非常迫切的需求。

　　工業仿真

　　當今世界工業已經發生了巨大的變化，大規模人海戰術早已不再適應工業的發展，先進科學技術的應用顯現出巨大的威力，特別是虛擬現實技術的應用正對工業進行著一場前所未有的革命。虛擬現實已經被世界上一些大型企業廣泛地應用到工業的各個環節，對企業提高開發效率，加強數據采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低企業風險起到了重要的作用。虛擬現實技術的引入,將使工業設計的手段和思想發生質的飛躍,更加符合社會發展的需要,可以說在工業設計中應用虛擬現實技術是可行且必要的。

　　軍事模擬

　　虛擬戰場環境 采用虛擬現實技術使受訓者在視覺和聽覺上真實體驗戰場環境、熟悉將作戰區域的環境特征。用戶通過必要的設備可與虛擬環境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產生“沉浸”于等同真實環境的感受和體驗。虛擬戰場環境的實現方法可通過相應的三維戰場環境圖形圖像庫，包括作戰背景、戰地場景、各種武器裝備和作戰人員等。通過背景生成與圖像合成創造一種險象環生、幾近真實的立體戰場環境。使演練者“真正”進入形象逼真的戰場。從而可以增強受訓者的臨場感覺，大大提高訓練質量。

　　單兵模擬訓練與評判在該應用系統中導調人員可設置不同的戰場背景，給出不同的情況，而受訓者則通過立體頭盔、數據服、和數據手套或三維鼠標操作傳感裝置可做出或選擇相應的戰術動作，輸入不同的處置方案，體驗不同的作戰效果，進而像參加實戰一樣，鍛煉和提高技戰術水平、快速反應能力和心理承受力。與常規的訓練方式相比較，虛擬現實訓練具有環境逼真，“身臨其境”感強、場景多變，訓練針對性強和安全經濟，可控制性強等特點。如美空軍用虛擬現實技術研制的飛行訓練模擬器，能產生視覺控制，能處理三維實時交互圖形，且有圖形以外的聲音和觸感，不但能以正常方式操縱和控制飛行器，還能處理虛擬現實中飛機以外的各種情況，如氣球的威脅、導彈的發射軌跡等。

　　諸軍種聯合虛擬演習建立一個“虛擬戰場”，使參戰雙方同處其中，根據虛擬環境中的各種情況及其變化，實施“真實的”對抗演習。在這樣的虛擬作戰環境中，可以使眾多軍事單位參與到作戰模擬來中，而不受地域的限制，可大大提高了戰役訓練的效益；還可以評估武器系統的總體性能，啟發新的作戰思想。

　　虛擬軍事演習系統可以任意增加聯合演習的次數。這樣便于作戰方案與理論的研究。傳統的實兵演習周期長、耗費大，如果借助虛擬軍事演習系統進行訓練，就可以較小的代價、較短的時間實施大規模戰區、戰略級演習，并可通過多次演習或一次演習多種方案，發現、解決實戰中可能出現的問題。 進行指揮員訓練利用虛擬現實技術，根據偵察情況資料合成出戰場全景圖，讓受訓指揮員通過傳感裝置觀察雙方兵力部署和戰場情況，以便判斷敵情，定下正確決心。例如美國海軍開發的“虛擬艦艇作戰指揮中心”就能逼真地模擬與真的艦艇作戰指揮中心幾乎完全相似的環境，生動的視覺、聽覺和觸覺效果，使受訓軍官沉浸于“真實的”戰場之中。虛擬現實技術可以使相距幾千公里的士兵與作戰指揮人員在網絡上進行對抗作戰演習和訓練，效果如同在真實的戰場上一樣。

　　文物古跡

　　利用虛擬現實技術，結合網絡技術，可以將文物的展示、保護提高到一個嶄新的階段。首先表現在將文物實體通過影像數據采集手段，建立起實物三維或模型數據庫，保存文物原有的各項型式數據和空間關系等重要資源，實現瀕危文物資源的科學、高精度和永久的保存。 其次利用這些技術來提高文物修復的精度和預先判斷、選取將要采用的保護手段，同時可以縮短修復工期。 通過計算機網絡來整合統一大范圍內的文物資源，并且通過網絡在大范圍內來利用虛擬技術更加全面、生動、逼真地展示文物，從而使文物脫離地域限制，實現資源共享，真正成為全人類可以“擁有”的文化遺產。使用虛擬現實技術可以推動文博行業更快地進入信息時代，實現文物展示和保護的現代化。

　　游戲中

　　三維游戲既是虛擬現實技術重要的應用方向之一，也為虛擬現實技術的快速發展起了巨大的需求牽引作用。 盡管存在眾多的技術難題，虛擬現實技術在競爭激烈的游戲市場中還是得到了越來越多的重視和應用?？梢哉f，電腦游戲自產生以來，一直都在朝著虛擬現實的方向發展，虛擬現實技術發展的最終目標已經成為三維游戲工作者的崇高追求。從最初的文字MUD游戲，到二維游戲、三維游戲，再到網絡三維游戲，游戲在保持其實時性和交互性的同時，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加強。我們相信，隨著三維技術的快速發展和軟硬件技術的不斷進步，在不遠的將來，真正意義上的虛擬現實游戲必將為人類娛樂、教育和經濟發展做出新的更大的貢獻。

　　WEB3D

　　WEB3D主要有四類運用方向：商業、教育、娛樂、和虛擬社區。對企業和電子商務 三維的表現形式，能夠全方位的展現一個物體，具有二維平面圖象不可比擬的優勢。企業將他們的產品發布成網上三維的形式，能夠展現出產品外形的方方面面，加上互動操作，演示產品的功能和使用操作，充分利用互聯網高速迅捷的傳播優勢來推廣公司的產品。對于網上電子商務，將銷售產品展示做成在線三維的形式，顧客通過對之進行觀察和操作能夠對產品有更加全面的認識了解，決定購買的幾率必將大幅增加，為銷售者帶來更多的利潤?，F在國內最流行的WEB3D平臺是VR-Platform Internet Explorer，又稱VRPIE或者VRPIE3D互聯網平臺。[1]

　　對教育業現今的教學方式，不再是單純的依靠書本、教師授課的形式。計算機輔助教學(CAI)的引入，彌補了傳統教學所不能達到的許多方面。在表現一些空間立體化的知識，如原子、分子的結構、分子的結合過程、機械的運動時，三維的展現形式必然使學習過程形象話，學生更容易接受和掌握。許多實際經驗告訴我們，做比聽和說更能接受更多的信息。使用具有交互功能的3D課件，學生可以在實際的動手操作中得到更深的體會。

　　對計算機遠程教育系統而言，引入Web3D內容必將達到很好的在線教育效果。 對娛樂游戲業娛樂游戲業永遠是一個不衰的市場?，F今，互連網上已不是單一靜止的世界，動態HTML、flash動畫、流式音視頻，使整個互連網呈現生機黯然。動感的頁面較之靜態頁面更能吸引更多的瀏覽者。三維的引入，必將造成新一輪的視覺沖擊，使網頁的訪問量提升。娛樂站點可以在頁面上建立三維虛擬主持這樣的角色來吸引瀏覽者。游戲公司除了在光盤上發布3D游戲外，可以在網絡環境中運行在線三維游戲。利用互連網絡的優勢，受眾和覆蓋面得到迅速擴張。

　　對虛擬現實展示與虛擬社區使用Web3D實現網絡上的VR展示，只須構建一個三維場景，人以第一視角在其中穿行。場景和控制者之間能產生交互，加之高質量的生成畫面使人產生身臨其境的感覺。對于象虛擬展廳、建筑房地產虛擬漫游展示，提供了解決方案。如果是建立一個多用戶而且可以互相傳遞信息的環境，也就形成了所謂的虛擬社區。

　　道路橋梁

　　虛擬現實技術在道路橋梁應用現狀在高速公路與橋梁建設中虛擬現實技術也得到了應用。由于道路橋梁需要同時處理大量的三維模型與紋理數據，導致這種形勢需要很高的計算機性能作為后臺支持，但隨著近些年來計算機軟硬件技術的提高，一些原有的技術瓶頸得到了解決，使虛擬現實的應用達到了前所未有的發展 。

　　在我國，許多學院和機構也一直在從事這方面的研究與應用。三維虛擬現實平臺軟件，可廣泛的應用于橋梁道路設計等行業。該軟件適用性強、操作簡單、功能強大、高度可視化、所見即所得，他的出現將給正在發展的VR產業提示入新的活力。 虛擬現實技術在道路橋梁方面的應用虛擬現實技術在高速公路和橋梁建設方面有著非常廣闊的應用前景，可由后臺置入穩定的數據庫信息，便于受眾對各項技術指標進行實時的查詢，周邊再輔以多種媒體信息，如工程背景介紹,標段概況,技術數據,截面等,電子地圖,聲音、圖像、動畫，并與核心的虛擬技術產生交互，從而實現演示場景中的導航、定位與背景信息介紹等諸多實用、便捷的功能。

　　地理

　　應用虛擬現實技術，將三維地面模型、正射影像和城市街道、建筑物及市政設施的三維立體模型融合在一起，再現城市建筑及街區景觀，用戶在顯示屏上可以很直觀地看到生動逼真的城市街道景觀，可以進行諸如查詢、量測、漫游、飛行瀏覽等一系列操作，滿足數字城市技術由二維GIS向三維虛擬現實的可視化發展需要，為城建規劃、社區服務、物業管理、消防安全、旅游交通等提供可視化空間地理信息服務。

　　電子地圖技術是集地理信息系統技術、數字制圖技術、多媒體技術和虛擬現實技術等多項現代技術為一體的綜合技術。電子地圖是一種以可視化的數字地圖為背景，用文本、照片、圖表、聲音、動畫、視頻等多媒體為表現手段展示城市、企業、旅游景點等區域綜合面貌的現代信息產品，它可以存貯于計算機外存，以只讀光盤、網絡等形式傳播，以桌面計算機或觸摸屏計算機等形式提供大眾使用。由于電子地圖產品結合了數字制圖技術的可視化功能、數據查詢與分析功能以及多媒體技術和虛擬現實技術的信息表現手段，加上現代電子傳播技術的作用，它一出現就贏得了社會的廣泛興趣!

　　教育

　　虛擬現實應用于教育是教育技術發展的一個飛躍。它營造了“自主學習”的環境，由傳統的“以教促學”的學習方式代之為學習者通過自身與信息環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式。

　　它主要具體應用在以下幾個方面

　　1科技研究

　　當前許多高校都在積極研究虛擬現實技術及其應用，并相繼建起了虛擬現實與系統仿真的研究室，將科研成果迅速轉化實用技術，如北京航天航空大學在分布式飛行模擬方面的應用；浙江大學在建筑方面進行虛擬規劃、虛擬設計的應用；哈爾濱工業大學在人機交互方面的應用；清華大學對臨場感的研究等都頗具特色。有的研究室甚至已經具備獨立承接大型虛擬現實項目的實力。 虛擬學習環境虛擬現實技術能夠為學生提供生動、逼真的學習環境，如建造人體模型、電腦太空旅行、化合物分子結構顯示等，在廣泛的科目領域提供無限的虛擬體驗，從而加速和鞏固學生學習知識的過程。親身去經歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力，主動地去交互與被動的灌輸，有本質的差別。 虛擬實驗利用虛擬現實技術，可以建立各種虛擬實驗室，如地理、物理、化學、生物實驗室等等，擁有傳統實驗室難以比擬的優勢：

　　1、節省成本通常我們由于設備、場地、經費等硬件的限制。許多實驗都無法進行。而利用虛擬現實系統，學生足不出戶便可以做各種實驗，獲得與真實實驗一樣的體會。在保證教學效果的前提下，極大的節省了成本。

　　2、規避風險真實實驗或操作往往會帶來各種危險，利用虛擬現實技術進行虛擬實驗，學生在虛擬實驗環境中，可以放心地去做各種危險的實驗。例如：虛擬的飛機駕駛教學系統，可免除學員操作失誤而造成飛機墜毀的嚴重事故。

　　3、打破空間、時間的限制利用虛擬現實技術，可以徹底打破時間與空間的限制。大到宇宙天體，小至原子粒子，學生都可以進入這些物體的內部進行觀察。一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，通過虛擬現實技術，可以在很短的時間內呈現給學生觀察。例如，生物中的孟德爾遺傳定律，用果蠅做實驗往往要幾個月的時間，而虛擬技術在一堂課內就可以實現。

　　2虛擬實訓基地：

　　利用虛擬現實技術建立起來的虛擬實訓基地，其“設備”與“部件”多是虛擬的，可以根據隨時生成新的設備。教學內容可以不斷更新，使實踐訓練及時跟上技術的發展。同時，虛擬現實的沉浸性和交互性，使學生能夠在虛擬的學習環境中扮演一個角色，全身心地投入到學習環境中去，這非常有利于學生的技能訓練。包括軍事作戰技能、外科手術技能、教學技能、體育技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技、電器維修技能等各種職業技能的訓練，由于虛擬的訓練系統無任何危險，學生可以不厭其煩地反復練習，直至掌握操作技能為止。例如：在虛擬的飛機駕駛訓練系統中，學員可以反復操作控制設備，學習在各種天氣情況下駕駛飛機起飛、降落，通過反復訓練，達到熟練掌握駕駛技術的目的。又如在虛擬旅游的教學過程當中用學生利用VRP-TRAVEL虛擬旅游平臺，可以讓師生足不出戶，就能在三維立體的虛擬環境中遍覽遙在萬里之外的風光美景，形象逼真，細致生動。通過情景化的學習界面、人機交互式的模擬旅游體驗，改善教學環境、優化教學過程、增強教學效果。

　　3虛擬仿真校園：

　　教育部在一系列相關的文件中，多次涉及到了虛擬校園，闡明了虛擬校園的地位和作用。虛擬校園也是虛擬現實技術在教育培訓中最早的具體應用，它由淺至深有三個應用層面，分別適應學校不同程度的需求：簡單的虛擬我們的校園環境供游客瀏覽 基于教學、教務、校園生活，功能相對完整的三維可視化虛擬校園 以學員為中心，加入一系列人性化的功能，以虛擬現實技術作為遠程教育基礎平臺 虛擬遠程教育虛擬現實可為高校擴大招生后設置的分校和遠程教育教學點提供可移動的電子教學場所，通過交互式遠程教學的課程目錄和網站，由局域網工具作校園網站的鏈接，可對各個終端提供開放性的、遠距離的持續教育，還可為社會提供新技術和高等職業培訓的機會，創造更大的經濟效益與社會效益。隨著虛擬現實技術的不斷發展和完善，以及硬件設備價格的不斷降低，我們相信，虛擬現實技術以其自身強大的教學優勢和潛力，將會逐漸受到教育工作者的重視和青睞，最終在教育培訓領域廣泛應用并發揮其重要作用。

　　虛擬演播

　　隨著計算機網絡和三維圖形軟件等先進信息技術的發展，電視節目制作方式發生了很大的變化。視覺和聽覺效果以及人類的思維都可以靠虛擬現實技術來實現。它升華了人類的邏輯思維。虛擬演播室則是虛擬現實技術與人類思維相結合在電視節目制作中的具體體現。虛擬演播系統的主要優點是它能夠更有效地表達新聞信息，增強信息的感染力和交互性。傳統的演播室對節目制作的限制較多。虛擬演播系統制作的布景是合乎比例的立體設計，當攝像機移動時，虛擬的布景與前景畫面都會出現相應的變化，從而增加了節目的真實感。用虛擬場景在很多方面成本效益顯著。如它具有及時更換場景的能力，在演播室布景制作中節約經費。不必移動和保留景物，因此可減輕對雇員的需求壓力。對于單集片，虛擬制作不會顯出很大的經濟效益，但在使用背景和攝像機位置不變的系列節目中它可以節約大量的資金。另外，虛擬演播室具有制作優勢。當考慮節目格局時，制作人員的選擇余地大，他們不必過于受場景限制。對于同一節目可以不用同一演播室，因為背景可以存入磁盤。它可以充分發揮創作人員的藝術創造力與想象力，利用現有的多種三維動畫軟件，創作出高質量的背景。

　　水文地質

　　虛擬現實技術是利用計算機生成的虛擬環境逼真地模擬人在自然環境中的視覺、聽覺、運動等行為的人機界面的新技術。利用虛擬現實技術沉浸感、與計算機的交互功能和實時表現功能，建立相關的地質、水文地質模型和專業模型，進而實現對含水層結構、地下水流、地下水質和環境地質問題（例如地面沉降、海水入侵、土壤沙漠化、鹽漬化、沼澤化及區域降落漏斗擴展趨勢）的虛擬表達。具體實現步驟包括建立虛擬現實數據庫、三維地質模型、地下水水流模型、專業模型和實時預測模型。

　　目的

　　這些使操作者能夠真正進入一個由計算機生成的交互式三維虛擬環境中，與之產生互動，進行交流 。通過參與者與仿真環境的相互作用，并借助人本身對所接觸事物的感知和認知能力，幫助啟發參與者的思維，以全方位的獲取環境所蘊含的各種空間信息和邏輯信息。身臨其境的沉浸感和人機互動的趣味性是虛擬現實的實質特征，對時空環境的現實構想（即啟發思維，獲取信息的過程 ）是虛擬現實的最終目的。

　　其他

　　虛擬現實是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術，廣角（寬視野）立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等。下面對這些技術分別加以說明。

　　一，實時三維計算機圖形技術

　　相比較而言，利用計算機模型產生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準確的模型，又有足夠的時間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關鍵是實時。例如在飛行模擬系統中，圖像的刷新相當重要，同時對圖像質量的要求也很高，再加上非常復雜的虛擬環境，問題就變得相當困難。

　　二，廣角（寬視野）的立體顯示

　　人看周圍的世界時，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子里融合起來，就形成了一個關于周圍世界的整體景象，這個景象中包括了距離遠近的信息。當然，距離信息也可以通過其他方法獲得，例如眼睛焦距的遠近、物體大小的比較等。

　　在VR系統中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統采用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產生了立體感。

　　用戶（頭、眼）的跟蹤：在人造環境中，每個物體相對于系統的坐標系都有一個位置與姿態，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來確定的。

　　跟蹤頭部運動的虛擬現實頭套：在傳統的計算機圖形技術中，視場的改變是通過鼠標或鍵盤來實現的，用戶的視覺系統和運動感知系統是分離的，而利用頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統和運動感知系統之間就可以聯系起來，感覺更逼真。另一個優點是，用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認識環境，而且可以通過頭部的運動去觀察環境。

　　在用戶與計算機的交互中，鍵盤和鼠標是目前最常用的工具，但對于三維空間來說，它們都不太適合。在三維空間中因為有六個自由度，我們很難找出比較直觀的辦法把鼠標的平面運動映射成三維空間的任意運動。已經有一些設備可以提供六個自由度，如3Space數字化儀和SpaceBall空間球等。另外一些性能比較優異的設備是數據手套和數據衣。

　　三，立體聲

　　人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強度的差別來確定聲音的方向，因為聲音到達兩只耳朵的時間或距離有所不同。常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來實現的，所以會有一種方向感?，F實生活里，當頭部轉動時，聽到的聲音的方向就會改變。在VR系統中，聲音的方向與用戶頭部的運動無關。

　　四，觸覺與力覺反饋

　　在一個VR系統中，用戶可以看到一個虛擬的杯子。你可以設法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺。

　　五，語音輸入輸出

　　在VR系統中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環境能聽懂人的語言，并能與人實時交互。而讓計算機識別人的語音是相當困難的，因為語音信號和自然語言信號有其“多邊性”和復雜性。例如，連續語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，同一詞、同一字的發音受前后詞、字的影響，不僅不同人說同一詞會有所不同，就是同一人發音也會受到心理、生理和環境的影響而有所不同。

　　使用人的自然語言作為計算機輸入目前有兩個問題，首先是效率問題，為便于計算機理解，輸入的語音可能會相當啰嗦。其次是正確性問題，計算機理解語音的方法是對比匹配，而沒有人的智能。

　　虛擬現實技術特征及其系統的關鍵技術

　　從本質上說,虛擬現實就是一種先進的計算機用戶接口,它通過給用戶同時提供諸如視、聽、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段、最大限度地方便用戶的操作,從而減輕用戶的負擔、提高整個系統的工作效率。因此虛擬現實技術具有以下四個重要特征。

　?。ㄒ唬┒喔兄?/h3>

　　所謂多感知性就是指導包括視覺感知外, 還包括聽覺、力覺、觸覺和運動感知、甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。

　?。ǘ┐嬖诟?/h3>

　　又稱臨場感,它是指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該達到使用戶難以分辨真假的程度。

　?。ㄈ┙换バ?/h3>

　　它是指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度(包括實時性)。我們借助與我們8的感覺器官,在虛擬的環境中體驗真實的環境。

　?。ㄋ模┳灾餍?/h3>

　　是指虛擬環境中物體依據物理定律進行動作的程度。虛擬現實系統的關鍵技術主要由動態環境建模技術、實時三維圖形生成技術、立體顯示和傳感器技術、應用系統開發工具和系統集成技術等五個方面組成。其中動態環境建模技術的目的是根據應用的需要獲取實際環境的三維數據, 并利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。而三維圖形的生成技術關鍵是如何實現“實時”生成。立體顯示和傳感器技術是虛擬現實中實施交互能力的關鍵。

　　虛擬現實技術的應用

　　虛擬現實技術的應用極為廣泛，Helsel與Doherty在1993年對全世界范圍內已經進行的805項虛擬現實研究項目作了統計，結果表明：在娛樂、教育及藝術方面的應用占據主流，其次是軍事與航空，醫學，商業，另外在可視化計算、制造業等方面也有相當的比重。下面簡要介紹其部分應用。

　?。?）醫學 虛擬現實技術應用大致上有兩類。一是虛擬人體，也就是數字化人體，這樣的人體模型醫生更容易了解人體的構造和功能。另一是虛擬手術系統，可用于指導手術的進行。

　?。?）娛樂、藝術與教育 豐富的感覺能力與3D顯示環境使得虛擬現實技術成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂方面對虛擬現實的真實感要求不是太高，故近些年來虛擬現實技術在該方面發展最為迅猛。如Chicago（芝加哥）開放了世界上第一臺大型可供多人使用的虛擬現實娛樂系統，其主題是關于3025年的一場未來戰爭；英國開發的稱為“Virtuality”的虛擬現實游戲系統，使該系統獲該年度虛擬現實產品獎；

　?。?）軍事與航天工業 模擬與練一直是軍事與航天工業中的一個重要課題，這為虛擬現實技術提供了廣闊的應用前景。利用虛擬現實技術模擬戰爭過程已成為最先進的多快好省的研究戰爭、培訓指揮員的方法。戰爭實驗室在檢驗預定方案用于實戰方面也能起巨大作用。1991年海灣戰爭開始前，美軍便把海灣地區各種自然環境和伊拉克軍隊的各種數據輸入計算機內，進行各種作戰方案模擬后才定下初步作戰方案。后來實際作戰的發展和模擬實驗結果相當一致。

　?。?）商業 虛擬現實技術常被用于推銷。例如建筑工程投標時，把設計的方案用虛擬現實技術表現出來，便可把業主帶入未來的建筑物里參觀，如門的高度、窗戶朝向、采光多少、屋內裝飾等，都可以感同身受。它同樣可用于旅游景點以及功能眾多、用途多樣的商品推銷。因為用虛擬現實技術展現這類商品的魅力，比單用文字或圖片宣傳更加有吸引力。

　?。?）科技開發 虛擬現實技術可縮短開發周期，減少費用。例如克萊斯勒公司1998年初便利用虛擬現實技術，在設計某兩種新型車上取得突破，首次使設計的新車直接從計算機屏幕投入生產線，也就是說完全省略了中間的試生產。 由于利用了卓越的虛擬現實技術，使克萊斯勒避免了1500項設計差錯，節約了8個月的開發時間和8000萬美元費用。利用虛擬現實技術還可以進行汽車沖撞試驗，不必使用真的汽車便可顯示出不同條件下的沖撞后果。

　　在虛擬現實技術已經和理論分析、科學實驗一起，成為人類探索客觀世界規律的三大手段。用它來設計新材料，可以預先了解改變成分對材料性能的影響。在材料還沒有制造出來之前便知道用這種材料制造出來的零件在不同受力情況下是如何損壞的。

　　以上僅列出虛擬現實技術的部分應用前景，可以預見，在不久的將來，虛擬現實技術將會影響甚至改變我們的觀念與習慣，并將深入到人們的日常工作與生活。

　　虛擬現實技術的進一步展望

　　虛擬現實從其萌芽到今天的日漸成熟已經走過了相當長的一段風雨歷程。它的研究內容涉及到多項學科領域。我們同時也認識到,這個領域的技術具有巨大的潛力和廣闊的應用前景。

　　客觀而論,虛擬現實技術研究的內容還僅僅限于擴展了計算機的接口能力和剛剛涉及到人的感知系統和肌肉系統與計算機的結合作用問題,還根本未涉及“人在實踐中得到的感覺信息是怎樣在人的大腦中存儲和加工處理成為人對客觀世界的認識”這一重要過程。只有當真正開始涉及并找到對這些問題的技術實現途徑時,人和信息處理系統間的隔閡才有可能被徹底的克服了。我們期待這有朝一日,虛擬現實系統成為一種對多維信息處理的強大系統,成為人進行思維和創造的助手和對人們已有的概念進行深化和獲取新概念的有力工具。

　　我們相信隨著計算機技術和網絡技術的飛速發展,計算機3D運算能力和網絡帶寬大大提高,虛擬現實在生產生活中的應用將日益廣泛。

　　虛擬現實仿真

　　1.實物虛化

　　實物虛化主要包括基本模型構建、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤和視點感應等關鍵技術，這些技術使得真實感虛擬世界的生成、虛擬環境對用戶操作的檢測和操作數據的獲取成為可能。

　?。?） 基本模型構建技術

　　基本模型的構建是應用計算機技術生成虛擬世界的基礎，它將真實世界的對象物體在相應的三維虛擬世界中重構，并根據系統需求保存部分物理屬性。深度創藝的模型構建首先是要建立對象物體的幾何模型，確定其空間位置和幾何元素的屬性并通過GIS數據或者遙感來增強虛擬環境的真實感，并在虛擬環境中遵循一定的運動和動力學規律。當幾何模型和物理模型很難準確地刻畫出真實世界中存在的某些特別對象或現象時，可根據具體的需要采用一些特別的模型構建方法。

　?。?）空間跟蹤技術

　　虛擬環境的空間跟蹤主要是通過頭盔顯示器、數據手套(DATAGLOVE)，立體眼鏡，數據衣等交互設備上的空間傳感器，確定用戶的頭、手、軀體或其他操作物在三維虛擬環境中的位置和方向。跟蹤系統一般由發射器、接收器和電子部件組成。深度創藝的跟蹤系統有電磁、機械、光學、超聲等幾類。數據手套是VR系統常用的人機交互設備，它可測量出手的位置和形狀從而實現環境中的虛擬手及其對虛擬物體的操縱。Cyber Glove通過手指上的彎曲、扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關節的位置和方向。

　　(3）聲音跟蹤技術

　　利用不同聲源的聲音到達某一特定地點的時間差、相位差、聲壓差等進行虛擬環境的聲音跟蹤是深度創藝為客戶打造實物虛化的重要組成部分。聲音跟蹤一般包括若干個發射器、接受器和控制單元。它可以與頭盔顯示器相連，也可以與數據衣、數據手套等其他設備相連。

　?。?）視覺跟蹤與視點感應技術

　　實物虛化的視覺跟蹤技術使用從視頻攝像機到X-Y平面陣列，周圍光或者跟蹤光在圖像投影平面不同時刻和不同位置上的投影，計算被跟蹤對象的位置和方向。視覺跟蹤的實現必須考慮精度和操作范圍間的折衷選擇，采用多發射器和多傳感器的設計能增強視覺跟蹤的準確性，但使系統變得復雜并且昂貴。深度創藝的視點感應是必須與顯示技術相結合的，采用了多種定位方法（眼罩定位、頭盔顯示、遙視技術和基于眼肌的感應技術），可確定用戶在某一時刻的視線。例如將視點檢測和感應技術集成到頭盔顯示系統中，飛行員僅靠“注視”就可在某些非常時期操縱虛擬開關或進行飛行控制。

　　2.虛物實化

　　確保用戶在虛擬環境中獲取視覺、聽覺、力覺和觸覺等感官認知的關鍵技術，是虛物實化的主要研究內容。

　?。?）視覺感知

　　虛擬環境中大部分具有一定形狀的物體或現象，可以通過多種途徑使用戶產生真實感很強的視覺感知。CRT顯示器、大屏幕投影、多方位電子墻、立體眼鏡、頭盔顯示器（HMD）等是VR系統中常見的顯示設備。不同的頭盔顯示器具有不同的顯示技術，根據光學圖像被提供的方式，頭盔顯示設備可分為投影式和直視式。能增強虛擬環境真實感的立體顯示技術，可以使用戶的左、右眼看到有視差的兩幅平面圖像，并在大腦中將它們合成并產生立體視覺感知。頭盔顯示器、立體眼鏡是兩種常見的立體顯示設備。深度創藝基于激光全息計算的立體顯示技術、用激光束直接在視網膜上成像的顯示技術正在研究之中。

　?。?）聽覺感知

　　聽覺是僅次于視覺的感知途徑，虛擬環境的聲音效果，可以彌補視覺效果的不足，增強環境逼真度。

　?。?）力覺和觸覺感知

　　能否讓參與者產生“沉浸”感的關鍵因素之一是用戶能否在操縱虛擬物體的同時，感受到虛擬物體的反作用力，從而產生觸覺和力覺感知。由于人的力覺感知非常敏感，一般精度的裝置根本無法滿足要求，而研制高精度力反饋裝置又相當困難和昂貴，這是人們面臨的難題之一。如果沒有觸覺反饋，當用戶接觸到虛擬世界的某一物體時容易使手穿過物體。深度創藝解決這種問題的有效方法是在用戶的交互設備中增加觸覺反饋。觸覺反饋主要是基于視覺、氣壓感、振動觸感、電子觸感和神經肌肉模擬等方法來實現的。

　　3.高性能計算處理技術

　　虛擬現實是以計算機技術為核心的現代高新科技，高性能的計算處理技術是直接影響系統性能的關鍵所在。具有高計算速度，強處理能力，大存儲容量和強聯網特性等特征的高性能計算處理技術是深度創藝研究的主要內容。

　　4. 分布式虛擬現實

　　分布式虛擬現實的研究目標是建立一個可供多用戶同時異地參與的分布式虛擬環境，處于不同地理位置的用戶如同進入到一個真實世界，不受物理時空的限制，通過姿勢、聲音或文字等“在一起”進行交流、學習、研討、訓練、娛樂，甚至協同完成同一件比較復雜的產品設計或進行同一艱難任務的演練。深度創藝分布式虛擬現實的研究有兩大陣營。一個是國際互聯網上的分布式虛擬現實，如基于VRML標準的遠程虛擬購物。另一個是在由軍方投資的高速專用網，如采用ATM技術的美國軍方國防仿真互聯網DSI。

　　目前我國三維虛擬現實技術的實現手段多是采用同期國外現成的三維圖形引擎進行二次開發。比較流行，相對效率較高的三維圖形引擎主要有Vega、Vegaprim、Vtree、Virtools、Quest3D等。Vega系列的引擎的設計層次太多，直接導致了頂層系統難以直接有效的發揮硬件圖形設備的特性，而使其運行隨著數據量的增加變得異常緩慢。

　　仿真技術的應用在軍事與航天工業、城市規劃與經營、建筑設計、房地產開發、科技館、博物館、專業展示館、產品的設計與展示、古文化遺產還原以及保護、模擬訓練設備、游戲、娛樂等眾多領域中。

　　除此之外，虛擬現實技術在航天、通信、交通、醫療、教育、藝術、體育、分子化學、科學計算可視化等多個領域都有廣泛的應用。我們甚至可以大膽的預測，在不久的將來虛擬現實技術將滲透到所有與信息系統相關的學科和領域。

　　虛擬現實技術及其發展前景

　　虛擬現實（Virtual Reality，VR）是計算機網絡世界的熱點之一，在社會生活的許多方面有著非常美好的發展前景，更是數字地球概念提出的依據和基礎技術。

　　虛擬現實是計算機模擬的三維環境，是一種可以創建和體驗虛擬世界（Virtual World）的計算機系統。虛擬環境是由計算機生成的，它通過人的視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產生身臨其境的感覺的視景仿真。它是一門涉及計算機、圖像處理與模式識別、語音和音響處理、人工智能技術、傳感與測量、仿真、微電子等技術的綜合集成技術。用戶可以通過計算機進入這個環境并能操縱系統中的對象并與之交互。三維環境下的實時性和可交互性是其主要特征。

　　虛擬現實不是真的，也不是現實，它只是一個在桌面上可實時地做交互式三維圖形用戶界面的工具。就像窗口系統及鼠標驅動用戶界面一樣，虛擬現實可使得運用計算機更加有效、透明。根據設計者的構想，用戶可以沉浸到數據空間中，將用戶在一定時間內與現實環境相隔離，然后投入到可實時交互的虛擬環境中，并且駕馭其中的數據，使人有一種身臨其境的感覺。

　　虛擬現實界面的數據交互工具是一項正在發展中的技術，它的目的是使信息系統盡可能地滿足人的需要，人機的交互更加人性化，用戶可以更直接地與數據交互。除了傳統的顯示器、鍵盤、鼠標、游戲桿外，

　　儀器手套（Instrumented glove）、數據手套（Data Glove）、立體偏振眼鏡，就是這類產品。立體視覺的產品還有頭盔式顯示器（HMD）、液晶快門眼鏡（Liquid Crystal shutter glasses）。據報道，處于實驗室研究階段的VR設備有沉浸式VR系統，加入了如HMD、多個大型投影式顯示器，甚至增加觸覺、力感和接觸反饋等交互式設備，更有人大膽預言會向全身數據服裝的方向發展。

　　虛擬現實的應用領域十分廣泛，主要在工程設計、計算機輔助設計（CAD）、數據可視化、飛行模擬、多媒體遠程教育、遠程醫療、藝術創作、游戲、娛樂等方面。

　　Web的出現更使虛擬現實技術引起人們普遍的關注。人們對它寄予厚望，希望利用這個技術使世界各地的人，可以在三維環境下交流。多個用戶可以進行基于文本的或是聲音技術的閑談，在網上建立一個真正的三維社區已不再只是夢想中的事。

　　VRML是面向對象的一種語言，它類似Web超級鏈接所使用的HTML語言，也是一種基于文本的語言，并可以運行在多種平臺之上，只不過能夠更多地為虛擬現實環境服務。它提供對三維世界及其內部基本對象的描述，如球體、平面、圓錐、圓柱、立方體等，并把他們同二維的頁面鏈接起來，是一種非常簡潔的高級語言。最新的VRML2.0版除了提供VRML 1.0版的基本功能外，最主要的特點是加入了行為功能和多用戶環境，使Web網上的三維世界動起來了。另外，它將支持動畫、交互性、與JAVAScript和JAVA的集成及聲音。VRML的出現，是由于當代網絡技術與虛擬現實技術的迅猛發展的需要，它使得Web的頁面不再局限于二維空間。VRML增加動作、動畫模擬、傳感器和聲音后，網絡站點創作人員可以制作規模大、交互性強的三維應用程序。

　　虛擬現實發展前景十分誘人，而與網絡通信特性的結合，更是人們所夢寐以求的。在某種意義上說它將改變人們的思維方式，甚至會改變人們對世界、自己、空間和時間的看法。它是一項發展中的、具有深遠的潛在應用方向的新技術。利用它，我們可以建立真正的遠程教室，在這間教室中我們可以和來自五湖四海的朋友們一同學習、討論、游戲，就像在現實生活中一樣。使用網絡計算機及其相關的三維設備，我們的工作、生活、娛樂將更加有情趣。因為數字地球帶給我們的是一個絢麗多彩的三維的世界!

　　憧憬未來總是令人興奮，它會引發人們的美夢般的遐想。數字地球如夢想插上科學的翅膀，使我們感到并不是遙不可及，甚至其中的一部分雛形已經應用到我們的現實生活中。