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虚虚拟拟现现实实技技术术

虚拟现实技术同义词虚拟现实技术⼀般指虚拟现实虚拟现实技术是⼀种可以创建和体验虚拟世

界的计算机仿真系统它利⽤计算机⽣成⼀种模拟环境是⼀

种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体⾏为的系统仿真使⽤户沉浸到该环境中。简

介虚拟现实技术是仿真技术的⼀个重要⽅向是仿真技

术与计算机图形学⼈机接⼝技术多媒体技术传感技术⽹络技术等多种技术的集合是⼀门富有

挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术

(VR)主要包括模拟环境、感知、⾃然技能和传感设备等⽅⾯。模拟环境是由计算机⽣成的、实

时动态的三维⽴体逼真图像。感知是指理想的VR

应该具有⼀切⼈所具有的感知。除计算机图形技术所⽣成的视觉感知外还有听觉、触觉、⼒

觉、运动等感知甚⾄还包括嗅觉和味觉等也称为多

感知。⾃然技能是指⼈的头部转动眼睛、⼿势、或其他⼈体⾏为动作由计算机来处理与参

与者的动作相适应的数据并对⽤户的输⼊作出实时响

应并分别反馈到⽤户的五官。传感设备是指三维交互设备。发展历史虚拟现实技术演变发展

史⼤体上可以分为四个阶段：有声形动态的模拟是蕴涵

虚拟现实思想的第⼀阶段（1963年以前）；虚拟现实萌芽为第⼆阶段（1963-1972）；虚拟现

实概念的产⽣和理论初步形成为第三

阶段（1973-1989）；虚拟现实理论进⼀步的完善和应⽤为第四阶段（1990-2004）。特征多感

知性指除⼀般计算机所具

有的视觉感知外还有听觉感知、触觉感知、运动感知甚⾄还包括味觉、嗅觉、感知等。理

想的虚拟现实应该具有⼀切⼈所具有的感知功能。存在

感指⽤户感到作为主⾓存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使⽤户难辨真

假的程度。交互性指⽤户对模拟环境内物体的可操作程

度和从环境得到反馈的⾃然程度。⾃主性指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作

的程度。关键技术虚拟现实是多种技术的综合包括实

时三维计算机图形技术⼴⾓（宽视野）⽴体显⽰技术对观察者头、眼和⼿的跟踪技术以

及触觉/⼒觉反馈、⽴体声、⽹络传输、语⾳输⼊输出

技术等。下⾯对这些技术分别加以说明。实时三维计算机图形相⽐较⽽⾔利⽤计算机模型产

⽣图形图像并不是太难的事情。如果有⾜够准确的模型

⼜有⾜够的时间我们就可以⽣成不同光照条件下各种物体的精确图像但是这⾥的关键是

实时。例如在飞⾏模拟系统中图像的刷新相当重要

同时对图像质量的要求也很⾼再加上⾮常复杂的虚拟环境问题就变得相当困难。显⽰⼈看

周围的世界时由于两只眼睛的位置不同得到的图像

略有不同这些图像在脑⼦⾥融合起来就形成了⼀个关于周围世界的整体景象这个景象中

包括了距离远近的信息。当然距离信息也可以通过其

他⽅法获得例如眼睛焦距的远近、物体⼤⼩的⽐较等。在VR系统中双⽬⽴体视觉起了很⼤

作⽤。⽤户的两只眼睛看到的不同图像是分别产⽣的

显⽰在不同的显⽰器上。有的系统采⽤单个显⽰器但⽤户带上特殊的眼镜后⼀只眼睛只

能看到奇数帧图像另⼀只眼睛只能看到偶数帧图像

奇、偶帧之间的不同也就是视差就产⽣了⽴体感。⽤户（头、眼）的跟踪：在⼈造环境中每

个物体相对于系统的坐标系都有⼀个位置与姿态⽽⽤

户也是如此。⽤户看到的景象是由⽤户的位置和头（眼）的⽅向来确定的。跟踪头部运动的虚

拟现实头套：在传统的计算机图形技术中视场的改变

是通过⿏标或键盘来实现的⽤户的视觉系统和运动感知系统是分离的⽽利⽤头部跟踪来改

变图像的视⾓⽤户的视觉系统和运动感知系统之间就

可以联系起来感觉更逼真。另⼀个优点是⽤户不仅可以通过双⽬⽴体视觉去认识环境⽽

且可以通过头部的运动去观察环境。在⽤户与计算机的

交互中键盘和⿏标是⽬前最常⽤的⼯具但对于三维空间来说它们都不太适合。在三维空

间中因为有六个⾃由度我们很难找出⽐较直观的办法

把⿏标的平⾯运动映射成三维空间的任意运动。现在已经有⼀些设备可以提供六个⾃由度

如3Space数字化仪和SpaceBall空间球

等。另外⼀些性能⽐较优异的设备是数据⼿套和数据⾐。声⾳⼈能够很好地判定声源的⽅向。

在⽔平⽅向上我们靠声⾳的相位差及强度的差别来确

定声⾳的⽅向因为声⾳到达两只⽿朵的时间或距离有所不同。常见的⽴体声效果就是靠左右

⽿听到在不同位置录制的不同声⾳来实现的所以会有

⼀种⽅向感。现实⽣活⾥当头部转动时听到的声⾳的⽅向就会改变。但⽬前在VR系统中

声⾳的⽅向与⽤户头部的运动⽆关。感觉反馈在⼀个

VR系统中⽤户