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浅谈虚拟现实的关键技术

摘要：为了实现大型设备装置的虚拟操作，培训人员对于大型

装置的实际操作能力，节约成本，首先对虚拟现实技术的发展进行

了认知与分解，指出了虚拟现实技术中的关键技术难点，基于对虚

拟现实技术特征的分析，着重研究了虚拟环境的关键技术，提出了

人机交互技术对于虚拟环境的重要作用。

关键词：虚拟现实；人机交互；三维感知；沉浸感；三维图形

生成

虚拟现实是一个看似真实的模拟环境，通过多个传感设备，用

户是可以根据自身感觉，使用人的自然技能来对虚拟世界中的某物

体进行考察或操作，参与其中的一个事件；参与者可以同时对视、

听等多种感知进行实时直观的体验，即“身临其境”的感觉。

1.虚拟现实技术概述

虚拟现实的概念主要包含有以下四个内容：首先，“感知”指的

是理想的虚拟现实技术应具备一切人所具有的感知，目前所具备的

感知仅局限于触觉、力觉、视觉、听觉、运动等，但不管从感知的

范围还是精确程度都无法和人相比拟。其次，“模拟环境”就是由

计算机所生成的具有实时动态的、双视点三维立体逼真图像，逼真

即要达到三维视觉，包括三维听觉、触觉以及嗅觉等的逼真。然后，

“传感设备”就是三维交互设备，经常使用的有数据手套，立体头

盔，位置跟踪器，数据衣，三维鼠标等用于用户身上的装置和现实

环境中的传感装置，如地板压力传感器、摄像机等。最后“自然

技能”则是人的眼睛、手势、头部转动或其他人的行为动作，由于

计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对于用户的输入作

出实时响应，同时分别反馈到用户的五官，从而使用户身临其境成

为该环境中的一位内部参与者，还可与在该环境中的其它参与者相

互打交道。

1.1虚拟现实的基本特征

虚拟现实系统通过为用户提供触觉、听觉、视觉等自然直观的

实时交互的方法，提供一种方便用户操作的先进人机界面，提高了

系统的工作效率，减轻用户的负担。美国的burdeag和philippe

coiffet两位科学家在题为《virtualrealitysystemand

applications》文中提出“虚拟现实技术的三角形”见图1。

由于虚拟现实不只是一种媒介或一个高层终端用户界面，其应

用能解决多方面的问题，而在这些应用中，虚拟现实和设计者并行

操作，为发挥它们的创造性而设计的，这在很大程度上依赖于人类

的想象力。交互性指参与者通过使用特定设备，使用人类的自然技

能实现对模拟环境的考察与操作的程度。例如说在虚拟的环境中完

成搬动盒子的操作，在搬动的过程中操作者能够感受盒子的重量，

从而达到逼真的效果。因此，在虚拟环境中实现的交互操作具备了

有效性和实时性[1]。

沉浸感则是虚拟现实中最为重要的技术特征。虚拟现实的追求

目标是在该环境中的一切感觉逼真，使用户在计算机所创建的三维

虚拟环境中有身临其境的所谓“沉浸感”。从理论上来说，虚拟现

实系统应具备人在客观世界中具有的所有感知功能。用户感觉自己

是虚拟环境中的一个部分，他感到被虚拟景物所包围，甚至可在该

环境中自由行动并与物体有相互作用。

1.2虚拟现实的关键技术

虚拟现实涉及到传感器技术、计算机图形技术、多媒体技术、

仿真技术及并行实时计算技术等领域，是这些技术更高层次的集成

和渗透。

虚拟现实的关键技术主要包括：

（1）立体显示和传感器技术

现有的虚拟现实设备并不能满足系统需要，比方说头盔式三维

立体显示器因为刷新频率较慢、跟踪的精度较低、自身过重、操作

者眼睛极易疲劳、分辨率也较低、视场不够宽缺点，数据手套、数

据衣等又因为延迟较大、分辨率也较低并且操作起来不够便捷等缺

点，但是虚拟现实依赖于立体显示和传感器技术的发展，因此我们

有必要开发出新的能够满足用户需求的三维显示技术。

（2）应用系统开发工具

寻找较为合适的场合和对象是虚拟现实应用的关键，为了达到

如何发挥想象力和创造性，选择适当的应用对象可以极大地提高效

率和操作的舒适度，因此研究虚拟现实的开发工具迫在眉睫。比如

分布式虚拟现实技术、虚拟现实系统开发平台等。

（3）动态环境建模技术

三维数据的获取可采用cad技术，但是更多情况下则必须采用

非接触式的视觉建模技术，只有两者的有机结合才可以有效提高数

据获取的效率。建立虚拟环境是虚现实拟技术的核心，动态环境建

模技术目的在于获取实际环境的三维数据，并结合应用需要，通过

采用获取的三