虚拟现实概述与思考

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1、虚拟现实：概述与思考董士海，北京大学计算机系教授，博士生导师，图形研究室主任，兼任中国计算机学会cad及图形学专业委员会委员，中国图像图形学会理事，先后参加了我国第一台百万次计算机（150机）、计算机汉字激光照排系统（748工程）等研制及多个国家重点项目研究。　　面对当前知识经济、信息产业和国防现代化迅速发展的形势，我国政府、军队和企业十分重视信息技术的创新研究和长远发展，正制定和实施包括基础研究、高技术开发和产业攻关在内的各类国家规划，并已经或准备给予大量投入。作为技术发展重要驱动力的“虚拟现实”，

2、又一次成为人们关注的热点之一。　　概念与回顾　　什么是虚拟现实？“虚拟现实”（virtualreality，简称vr）是1989年美国的j．lanier（后来曾是专做vr产品的vpl公司董事长）提出的，国内也有人译为“灵境”、“幻真”等，国外与虚拟现实同类的术语，还有虚拟环境、人工现实及电脑空间等。所谓“虚拟现实”，是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。这一定义强调的是：逼真的

3、感觉、自然的交互、个人的视点及迅速的响应。　　虚拟现实是一项综合的技术，涉及计算机图形学、人机接口技术、传感技术及人工智能技术等，需要计算机、心理学、人类工程学（ergonomics）等专家共同开发研究。　　90年代，虚拟现实技术发展很快，各种开发虚拟现实设备或系统的公司成立，但虚拟现实离实际应用仍很远，已有的成果大多只能称为“演示”或“玩具”。　　最具吸引力的领域　　虚拟现实是一项难度很大的综合技术，要达到逼真的多种感觉和实时的自然交互是非常不容易的。例如：逼真的立体视感（沉浸感）需要宽视野和高分辨

4、率的显示设备，而现有的头盔显示器不仅分辨率低、价格贵，而且带在头上更是不方便；又如，要对大型地理数据（如地形图）进行三维浏览和交互处理，往往响应时间很慢；至于触觉反馈或嗅觉设备离实用更有很大距离，等等。　　虚拟现实涉及的关键技术主要有：大规模数据的场景建模技术；动态实时的立体视觉、听觉等生成技术；三维定位、方向跟踪、触觉反馈等传感技术和设备；符合人类认知心理的三维自然交互技术；三维交互软件及系统集成技术等。　　由于虚拟现实具有极其重要的应用前景，因而促使人们不断去创新、克服困难！哪些方面是最有吸引力的

5、虚拟现实应用领域呢？　　军事。美国国防部和军方认为：虚拟现实将在武器系统性能评价、武器操纵训练及指挥大规模军事演习三方面发挥重大作用。他们制定了战争综合演示厅计划、防务仿真交互网络计划、综合战役桥计划及虚拟座舱等应用环境，并在核武器试验及许多局部战争中进行了应用。　　航天航空。美国宇航局是虚拟现实最早的研究单位和应用者。宇宙飞船及各类航空器是需耗费巨资的现代化工具，而进入宇宙有大量未知、危险的因素，因而模拟各种航空器可能遇到的环境，不仅可节省大量费用，而且是十分必要的。虚拟风洞就是一例。　　计算机辅助

6、设计。各种工业产品、建筑物均需反复构思和设计，但往往用户仍不满意。美国波音公司butler设计了一架称为vs－x的虚拟飞机，它可使设计人员有身临其境观察飞机外形、内部结构及布局的效果。建筑设计师可在盖楼前通过虚拟建筑物，让用户自己来观察外形和内部房间部位，也便于设计师修改设计。　　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

7、观察器官内部的构造和病灶，具有极高的实验价值。　　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。　　远程控制。虚拟现实可采用遥控手段，通过机械手、机器人对危险或有毒环境进行操作。　　教育、游戏与其他。这是向人们，尤其是青少年提供生动的课堂和娱乐手段的好机遇，它具有三维声像效果，能进行交互操作的功能，因而已被商家们看好，竞相开发低档虚拟现实产品。　　图

8、1给出了一个简单的虚拟现实系统，包括：主计算机，用来生成各种虚拟现实的场景，进行各种实时计算和处理；一个双筒全方位监视器（boom），作为视觉设备，供人们观察用；另外，有一个数据手套作为三维自然交互的输入设备，供人们操作。这个系统里并没有立体听觉系统及分布环境。　　近年来，虚拟现实技术又有了很大的发展，主要是：1）使用基于图像的绘制技术（或与图形绘制相结合），以提高图形生成的速度；2）各种新的交互设备，譬如双手输入技术，三维力反馈设备，美国sensabl