虚拟现实技术概述

（一）虚拟现实技术的概念

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机模拟产生一个三维世界的虚拟空间，为使用者提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以即时、没有限制地观察虚拟空间内的物体。

一个典型的虚拟现实系统主要包括：虚拟世界、计算机、虚拟现实软件、输入设备和输出设备5大组成部分（如图2-11所示）。其中，虚拟世界是可交互的虚拟环境，涉及模型构筑、力学特征、物理约束、照明及碰撞检测等；计算机环境涉及处理器配置、I/O通道及实时操作系统等；虚拟现实软件负责提供实时构造和参与虚拟世界的能力，涉及建模、物理仿真等；输入设备和输出设备用于观察和操纵虚拟世界，涉及跟踪系统、图像显示、声音交互、触觉反馈等。

图2-11 虚拟现实系统的一般构成

虚拟现实技术主要包括模拟环境、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，并对用户的输入做出实时响应，并分别反馈到用户的五官；传感设备是指三维交互设备。

虚拟现实技术追求的是将传统的计算机从一种需要人用键盘、鼠标对其进行操作的设备变成人处于计算机创造的人工环境中，通过感官、语言、手势等比较“自然”的方式进行“交互、对话”的系统和环境，它将从根本上改变目前让人去适应计算机的不友善的局面，而变成让计算机来适应人的一种新体制，从而使人不需要经过专门训练就可以在不知不觉中使用计算机，使计算机渗透到人们工作、学习和生活的各个领域，大大扩大了计算机的应用。

虚拟现实技术是一种综合计算机图形学、多媒体技术、人机接口技术、图像处理与模式识别、多传感技术、语音处理与音响技术、高性能计算机系统、并行实时计算技术、人工智能、仿真技术等多种学科而发展起来的技术，它以模拟方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界，在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，使参与者可以直接参与和探索虚拟对象在所处环境中的作用和变化，置身于虚拟的世界中，产生沉浸感。

近年来，VR成为发展很快且非常活跃的最新技术，掀起一系列R技术，如VR技术、AR技术、MR技术、CR技术，将人类带入了“三维”信息视角，彻底颠覆我们信息获取、信息产生、与世界交互、进行生产等诸多方式，就像计算机曾经改变世界那样。

1．VR（Vitual Reality，虚拟现实）

VR是利用计算设备模拟产生一个三维的虚拟世界，为用户提供视觉、听觉等感官的模拟，有十足的“沉浸感”与“临场感”，但看到的一切都是虚拟的。VR消费类设备现可分为三类：需要配合电脑的头戴式设备，代表为Oculus Rift，尚未商用；投射手机内容的VR转换支架，代表有暴风魔镜、Card Board；自带主机无须电脑、手机等外设的VR一体机。还有专业的VR内容生产设备，例如Nokia OZO。

VR尚处于初级阶段，内容和应用匮乏，佩戴舒适度、人机交互等问题依然是难点。

2．AR（Augmented Reality，增强现实）

AR将虚拟资讯加入实际生活场景，字面解释为“现实”就在这里，但是它被增强了。被谁增强了？被虚拟信息。实际上，智能手机上有很多应用都属于AR，比如一些LBS（基于地理位置的服务）应用，打开应用后，把手机摄像头对着某幢大厦，手机屏幕上便会浮现大厦的名称、楼层等相关信息。

GMC车载系统在其挡风玻璃上投射虚拟图像，用意是让驾驶者不需要低头查看仪表的显示与资料，始终保持抬头的姿态，降低低头与抬头期间忽略外界环境的快速变化，以及眼睛焦距需要不断调整产生的延迟与不适，或者帮助驾驶者更好地感知路况信息，提高驾驶安全性。Google Glass允许使用者与周围环境交互时，通过眼镜上的微型投影仪把虚拟图像直接投射到使用者的视网膜，使用者可以看到叠加过虚拟图像的现实世界。

3．MR（Mixed Reality，混合现实）

MR又称Hybrid Reality，包含AR以及AV（Augmented Vituality，增强虚拟），它将真实世界和虚拟世界混合在一起，产生新的可视化环境，环境中同时包含了物理实体与虚拟信息，并且是实时的。

AV（增强虚拟）则是将真实讯息加入在虚拟环境里，例如电玩游戏时可透过游戏手把感应重力，将现实中的重力特性加入到游戏中，调整、控制赛车的方向。MR是将虚拟世界与真实世界混合在一起，产生全新的视觉化环境。如图 2-12 所示，“现实-虚拟”区间（reality-virtuality continuum），向左至无穷表示现实环境，向右至无穷表示虚拟环境。从现实环境依次向右为增强现实（AR）、增强虚拟，直到虚拟环境，混合现实则包含了增强现实与增强虚拟。用户眼睛所见到的环境同时包含了现实的物理实体以及虚拟讯息，且可以实时呈现。较为知名的MR产品包含Magic Leap以及微软的Hololens。

4．CR（Cinematic Reality）

CR是Magic Leap曾提出的概念，指的是可以让虚拟实境效果呈现出宛如电影特效的逼真效果，但后期Magic Leap常用MR来归类自家产品，再加上要实现CR效果，充满更多现实中的挑战，相关探讨并不多。

图2-12 “现实—虚拟”区间（reality-virtuality continuum）

R技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。

（二）虚拟现实技术的特征

从本质上说，虚拟现实系统是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担，提高整个系统的工作效率。

美国科学家Burdea G.Philippe Coiffet曾在1992中世界电子年会上发表的“Virtual Reality Systemsand Applications”提出“虚拟现实技术的三角形”，如图2-13所示。

图2-13 虚拟现实技术的三角形

虚拟现实技术的三角形形象而简明地表示了虚拟现实技术所具有的最突出的“3I”特征：交互性（Interactivity）、沉浸感（Immersion）和构想性（Imagination）。

1．交互性（Interactivity）

交互性指参与者对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度，使用者必须能与虚拟场景进行交互，产生参与感。这种交互的产生主要借助于各种专用的三维交互设备（如头盔显示器、数据手套等），它们使人类能够利用自然技能，如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的对象发生交互关系。

2．沉浸感（Immersion）

沉浸感又称浸没感、临场感、存在感、投入感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。沉浸感必须存在一个由计算机产生的虚拟场景，这个虚拟场景能令使用者暂时脱离现实世界，产生一种现场感，理想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度。沉浸感包括以下两个方面：

（1）多感知性：又称感受性、全息性、真实性，是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还具有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术的限制，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种，无论从感知范围还是从感知的精确程度都尚无法与人相比。

（2）自主性：指虚拟环境中的物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动，或翻倒，或从桌面落到地面等。

3．构想性（Imagination）

构想性又称想象性，是指虚拟现实技术具有广阔的可想象空间，不但可以再现真实存在的环境，而且可以构想客观上不存在的、甚至不可能发生的环境。

人类在许多领域面临着越来越多前所未有而又必须解决和突破的问题，例如，载人航天、核试验、核反应堆维护、新武器等产品的设计研究，气象及自然灾害预报、医疗手术的模拟与训练以及多兵种军事联合训练与演练等，借助于VR技术，人类有可能从定性和定量综合集成的虚拟环境中得到感性和理性的认识，深化概念，产生新的构想。