虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)——張晨暉虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義：虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。概括地說，虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過計(jì)算機(jī)對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展：早在60年代初，隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，人們就開始研究立體聲與三維立體顯示相結(jié)合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。80年代，JaronLanier提出了“虛擬現(xiàn)實(shí)”VR（VirtualReality）的觀點(diǎn)，目的在于建立一種新的用戶界面，使用戶可以置身于計(jì)算機(jī)所表示的三維空間資料庫環(huán)境中，并可以通過眼、手、耳或特殊的空間三維裝置在這個(gè)環(huán)境中“環(huán)游“，創(chuàng)造出一種”親臨其境“的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過計(jì)算機(jī)對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化、操作以及實(shí)時(shí)交互的環(huán)境。與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)人――機(jī)界面（如鍵盤、鼠標(biāo)器、圖形用戶界面以及流行的Windows等）相比，虛擬現(xiàn)實(shí)無論在技術(shù)上還是思想上都有質(zhì)的飛躍。傳統(tǒng)的人――機(jī)界面將用戶和計(jì)算機(jī)視為兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，而將界面視為信息交換的媒介，由用戶把要求或指令輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對信息或受控對象作出動作反饋。虛擬現(xiàn)實(shí)則將用戶和計(jì)算機(jī)視為一個(gè)整體，通過各種直觀的工具將信息進(jìn)行可視化，形成一個(gè)逼真的環(huán)境，用戶直接置身于這種三維信息空間中自由地使用各種信息，并由此控制計(jì)算機(jī)。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)用以下3種基本技術(shù)進(jìn)行了概括：1、三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)；2、采用多種功能傳感器的交互式接口技術(shù)；3、高清晰度顯示技術(shù)。二、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)

1、虛擬現(xiàn)實(shí)首先是一種可視化界面技術(shù)，可以有效地建立虛擬環(huán)境，這主要集中在兩個(gè)方面，一是虛擬環(huán)境能夠精確表示物體的狀態(tài)模型，二是環(huán)境的可視化及渲染。2、虛擬現(xiàn)實(shí)僅是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)置的一個(gè)近似客觀存在的環(huán)境，為用戶提供逼真的三維視感、聽感、觸感和嗅感的感受。它是硬件、軟件和外圍設(shè)備的有機(jī)組合。3、用戶可通過自身的技能以6個(gè)自由度在這個(gè)仿真環(huán)境里進(jìn)行交互操作。4、虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵是傳感技術(shù)。5、虛擬現(xiàn)實(shí)離不開視覺和聽覺的新型可感知?jiǎng)討B(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)?？筛兄?jiǎng)討B(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)與文字識別、圖像理解、語音識別和匹配技術(shù)關(guān)系密切，并需結(jié)合高速的動態(tài)數(shù)據(jù)庫檢索技術(shù)。6、虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)或計(jì)算機(jī)成像生成的一幅畫面，更重要的是人們可以通過計(jì)算機(jī)和各種人機(jī)界面與機(jī)交互，并在精神感覺上進(jìn)入環(huán)境。它需要結(jié)合人工智能，模糊邏輯和神經(jīng)元技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)：1、多感知性2、浸沒感3、交互性4、構(gòu)象性（虛擬現(xiàn)實(shí)圖片）1、多感知性：所謂多感知是指除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)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(yùn)動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運(yùn)動等幾種。2、浸沒感：又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)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(xiàn)實(shí)世界中的感覺一樣。3、交互性：

指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時(shí)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。4、構(gòu)想性：強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。由于浸沒感、交互性和構(gòu)想性三個(gè)特性的英文單詞的第一個(gè)字母均為I，所以這三個(gè)特性又通常被統(tǒng)稱為3I特性。一般來說，一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計(jì)算機(jī)為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統(tǒng)、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)、以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)面臨的問題：生成虛擬現(xiàn)實(shí)需要解決以下三個(gè)主要問題：

①以假亂真的存在技術(shù)。即怎樣合成對觀察者的感官器官來說與實(shí)際存在相一致的輸入信息，也就是如何可以產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)環(huán)境一樣的視覺，觸覺，嗅覺等。

②相互作用。觀察者怎樣積極和能動地操作虛擬現(xiàn)實(shí)，以實(shí)現(xiàn)不同的視點(diǎn)景象和更高層次的感覺信息。實(shí)際上也就是怎么可以看得更像，聽得更真等等。③自律性現(xiàn)實(shí)。感覺者如何在不意識到自己動作、行為的條件下得到栩栩如生的現(xiàn)實(shí)感。在這里，觀察者、傳感器、計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)相互作用的閉環(huán)流程。虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)中運(yùn)用用的關(guān)鍵技技術(shù)：1、環(huán)境建建模技術(shù)即虛擬環(huán)境的建模，目目的是獲取取實(shí)際三維維環(huán)境的三三維數(shù)據(jù)，，并根據(jù)應(yīng)應(yīng)用的需要要，利用獲獲取的三維維數(shù)據(jù)建立立相應(yīng)的虛虛擬環(huán)境模模型。2、立體聲聲合成和立立體顯示技技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)中消消除聲音的的方向與用用戶頭部運(yùn)運(yùn)動的相關(guān)關(guān)性，同時(shí)時(shí)在復(fù)雜的的場景中實(shí)實(shí)時(shí)生成立立體圖形。。3、觸覺反饋饋技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)系系統(tǒng)中讓用戶戶能夠直接操操作虛擬物體體并感覺到虛虛擬物體的反反作用力，從從而產(chǎn)生身臨臨其境的感覺覺。4、交互技術(shù)術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)中的的人機(jī)交互遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鍵盤和鼠標(biāo)的傳統(tǒng)統(tǒng)模式，利用用數(shù)字頭盔、、數(shù)字手套等等復(fù)雜的傳感感器設(shè)備，三三維交互技術(shù)術(shù)與語音識別別、語音輸入入技術(shù)成為重重要的人機(jī)交交互手段。5、系統(tǒng)集成成技術(shù)由于虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)系統(tǒng)中包括括大量的感知知信息和模型型，因此系統(tǒng)統(tǒng)的集成技術(shù)術(shù)為重中之重重：包括信息息同步技術(shù)、、模型標(biāo)定技技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換技術(shù)、識識別和合成技技術(shù)等等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的應(yīng)用：1、科技開發(fā)上2、商業(yè)上3、醫(yī)療上4、娛樂上5、教育上6、工業(yè)上7、軍事上虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)術(shù)的前景：虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展展前景十分誘誘人，而與網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信特性性的結(jié)合，更更是人們所夢夢寐以求的。。在某種意義義上說它將改改變?nèi)藗兊乃妓季S方式，甚甚至?xí)淖內(nèi)巳藗儗κ澜?、、自己、空間間和時(shí)間的看看法。它是一一項(xiàng)發(fā)展中的的、具有深遠(yuǎn)遠(yuǎn)的潛在應(yīng)用用方向的新技技術(shù)。利用它它，我們可以以建立真正的的遠(yuǎn)程教室，，在這間教室室中我們可以以和來自五湖湖四海的朋友友們一同學(xué)習(xí)習(xí)、討論、游游戲，就像在在現(xiàn)實(shí)生活中中一樣。使用用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)機(jī)及其相關(guān)的的三維設(shè)備，，我們的工作作、生活、娛娛樂將更加有有情趣。虛擬現(xiàn)實(shí)向人人們描繪了未未來的生活片片段，很美妙妙。由此用戶戶也可以發(fā)揮揮自己豐富的的想象力，在在我們的電腦腦前就可以實(shí)實(shí)現(xiàn)與大西洋洋底的鯊魚嬉嬉戲；參觀非非洲大陸的天天然動物園；；感受古戰(zhàn)場場的硝煙與刀刀光劍影；發(fā)發(fā)幽古思今之之情；還可以以體驗(yàn)開國大大典的莊嚴(yán)和和東方巨人站站立起來的壯壯志豪情………1.在科技開開發(fā)上虛擬現(xiàn)實(shí)可縮縮短開發(fā)周期期，減少費(fèi)用用。例如克萊萊斯勒公司1998年初初便利用虛擬擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，，在設(shè)計(jì)某兩兩種新型車上上取得突破，，首次使設(shè)計(jì)計(jì)的新車直接接從計(jì)算機(jī)屏屏幕投入生產(chǎn)產(chǎn)線，也就是是說完全省略略了中間的試試生產(chǎn)。由由于利用了卓卓越的虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使使克萊斯勒避避免了1500項(xiàng)設(shè)計(jì)差差錯(cuò)，節(jié)約了了8個(gè)月的開開發(fā)時(shí)間和8000萬美美元費(fèi)用。利利用虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)還可以以進(jìn)行汽車沖沖撞試驗(yàn)，不不必使用真的的汽車便可顯顯示出不同條條件下的沖撞撞后果。在虛擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)已經(jīng)和理理論分析、科學(xué)實(shí)驗(yàn)一起，成為人人類探索客觀觀世界規(guī)律的的三大手段。。用它來設(shè)計(jì)計(jì)新材料，可可以預(yù)先了解解改變成分對對材料性能的的影響。在材材料還沒有制制造出來之前前便知道用這這種材料制造造出來的零件件在不同受力力情況下是如如何損壞的。。2.商業(yè)上虛擬現(xiàn)實(shí)常被被用于推銷。。例如建筑工工程投標(biāo)時(shí)，，把設(shè)計(jì)的方方案用虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)現(xiàn)出來，便可可把業(yè)主帶入入未來的建筑筑物里參觀，，如門的高度度、窗戶朝向向、采光多少少、屋內(nèi)裝飾飾等，都可以以感同身受。。它同樣可用用于旅游景點(diǎn)點(diǎn)以及功能眾眾多、用途多多樣的商品推推銷。因?yàn)橛糜锰摂M現(xiàn)實(shí)技技術(shù)展現(xiàn)這類類商品的魅力力，比單用文文字或圖片宣宣傳更加有吸吸引力。（虛擬房產(chǎn)））3.醫(yī)療上虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)應(yīng)應(yīng)用用大大致致上上有有兩兩類類。。一一是是虛虛擬擬人人體體，，也也就就是是數(shù)數(shù)字字化化人人體體，，這這樣樣的的人體體模模型型醫(yī)生生更更容容易易了了解解人人體體的的構(gòu)構(gòu)造造和和功功能能。。另另一一是是虛虛擬擬手手術(shù)術(shù)系系統(tǒng)統(tǒng)，，可可用用于于指指導(dǎo)導(dǎo)手手術(shù)術(shù)的的進(jìn)進(jìn)行行。。CathSim血血管管內(nèi)內(nèi)導(dǎo)導(dǎo)管管插插入入技技術(shù)術(shù)仿仿真真器器。。用用以以提提高高護(hù)護(hù)士士的的靜靜脈脈注注射射水水平平。。4.娛娛樂樂上上應(yīng)用用是是虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)最最廣廣闊闊的的用用途途。。英國國出售售的的一一種種滑滑雪雪模模擬擬器器。。使使用用者者身身穿穿滑雪雪服服、腳腳踩踩滑滑雪雪板板、、手手拄拄滑滑雪雪棍棍、、頭頭上上載載著著頭頭盔盔顯顯示示器器，，手手腳腳上上都都裝裝著著傳傳感感器器。。雖雖然然在在斗斗室室里里，，只只要要做做著著各各種種各各樣樣的的滑滑雪雪動動作作，，便便可可通通過過頭頭盔盔式式顯顯示示器器，，看看到到堆堆滿滿皚皚皚皚白白雪雪的的高高山山、、峽峽谷谷、、懸懸崖崖陡陡壁壁，，一一一一從從身身邊邊掠掠過過，，其其情情景景就就和和在在滑滑雪雪場場里里進(jìn)進(jìn)行行真真的的滑滑雪雪所所感感覺覺的的一一樣樣。。如今今，，VR娛娛樂樂應(yīng)應(yīng)用用已已經(jīng)經(jīng)覆覆蓋蓋了了從從PC游游戲戲到到多多人人網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)游游戲戲，，再再到到基基于于場場所所的的VR體體驗(yàn)驗(yàn)等等多多個(gè)個(gè)領(lǐng)領(lǐng)域域。。5.教教育育上上（1））虛虛擬擬校校園園虛擬擬校校園園是是虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)技技術(shù)術(shù)在在教教育育領(lǐng)領(lǐng)域域最最早早的的具具體體應(yīng)應(yīng)用用，，雖雖然然大大多多數(shù)數(shù)虛虛擬擬校校園園僅僅僅僅實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)校校園園場場景景的的瀏瀏覽覽功功能能，，但但虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)技技術(shù)術(shù)提提供供的的活活的的瀏瀏覽覽方方式式，，全全新新的的媒媒體體表表現(xiàn)現(xiàn)形形式式都都具具有有非非常常鮮鮮明明的的特特點(diǎn)點(diǎn)。。（2））虛虛擬擬教教學(xué)學(xué)在虛虛擬擬教教學(xué)學(xué)方方面面，，可可以以應(yīng)應(yīng)用用教教學(xué)學(xué)模模擬擬進(jìn)進(jìn)行行演演示示、、探探索索、、游游戲戲教教學(xué)學(xué)。。利利用用簡簡易易型型虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)技技術(shù)術(shù)表表現(xiàn)現(xiàn)某某些些系系統(tǒng)統(tǒng)（（自自然然的的、、物物理理的的、、社社會會的的））的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)和和動動態(tài)態(tài)，，為為學(xué)學(xué)生生提提供供一一種種可可供供他他們們體體驗(yàn)驗(yàn)和和觀觀測測的的環(huán)環(huán)境境。。（（3））虛虛擬擬培培訓(xùn)訓(xùn)虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)技技術(shù)術(shù)的的特特點(diǎn)點(diǎn)在在虛虛擬擬培培訓(xùn)訓(xùn)方方面面表表現(xiàn)現(xiàn)得得比比較較突突出出。。虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)技技術(shù)術(shù)的的沉沉浸浸性性和和交交互互性性，，使使學(xué)學(xué)生生能能夠夠在在虛虛擬擬學(xué)學(xué)習(xí)習(xí)環(huán)環(huán)境境中中扮扮演演一一個(gè)個(gè)角角色色，，全全身身心心地地投投入入學(xué)學(xué)習(xí)習(xí)，，這這非非常常有有利利于于學(xué)學(xué)生生的的技技能能訓(xùn)訓(xùn)練練。。利利用用沉沉浸浸型型虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)系系統(tǒng)統(tǒng)，，可可以以做做各各種種各各樣樣的的技技能能訓(xùn)訓(xùn)練練，，對對高高職職技技能能性性教教學(xué)學(xué)有有著著無無比比強(qiáng)強(qiáng)大大的的推推動動作作用用。。西西南南交交通通大大學(xué)學(xué)開開發(fā)發(fā)的的TDS-JD機(jī)機(jī)車車駕駕駛駛模模擬擬裝裝置置可可摸摸擬擬列列車車起起動動、、運(yùn)運(yùn)行行、、調(diào)調(diào)速速及及停停車車全全過過程程，，可可向向司司機(jī)機(jī)反反饋饋列列車車運(yùn)運(yùn)行行過過程程中中的的重重要要信信息息6.工業(yè)業(yè)上工業(yè)仿真真、安全全生產(chǎn)應(yīng)應(yīng)急演練練、三維維工廠設(shè)設(shè)備管理理、虛擬擬培訓(xùn)等等都是虛虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)技術(shù)在在工業(yè)方方面的應(yīng)應(yīng)用。下下面針針對幾個(gè)個(gè)比較典典型的實(shí)實(shí)例來表表述虛擬擬現(xiàn)實(shí)技技術(shù)的工工業(yè)方面面的應(yīng)用用情況。。（1）石石油行業(yè)業(yè)石油行業(yè)業(yè)三維數(shù)數(shù)字化系系統(tǒng)是近近幾年來來隨著信信息技術(shù)術(shù)的飛速速發(fā)展,石油需需求的急急劇增加加和經(jīng)濟(jì)濟(jì)信息全全球化的的逐步加加深而出出現(xiàn)的一一項(xiàng)新技技術(shù)。它它在能源源行業(yè)的的信息交交流和管管理決策策中發(fā)揮揮著越來來越重要要的作用用。（2）航航天行業(yè)業(yè)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)機(jī)場環(huán)環(huán)境模擬擬、機(jī)場場運(yùn)維以以及卸油油站、油油庫、航航加站一一體化信信息管理理及安全全應(yīng)急演演練。。（3））電力力行業(yè)業(yè)三維電電力輸輸電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)信信息系系統(tǒng)采采用3DGIS融合合VR的思思路，，利用用數(shù)字字地形形模型型、高高分辨辨率遙遙感影影像構(gòu)構(gòu)建基基礎(chǔ)三三維場場景能能夠真真實(shí)再再現(xiàn)地地形、、地貌貌，采采用創(chuàng)創(chuàng)建三三維模模型再再現(xiàn)輸輸電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、、變電電站、、輸電電線路路周邊邊環(huán)境境、地地物的的空間間模型型。電電力設(shè)設(shè)備可可通過過傳感感器將將現(xiàn)場場狀態(tài)態(tài)進(jìn)行行虛擬擬現(xiàn)實(shí)實(shí)再現(xiàn)現(xiàn)，同同時(shí)實(shí)實(shí)現(xiàn)三三維查查詢功功能，，二維維網(wǎng)頁頁和三三維場場景進(jìn)進(jìn)行無無縫連連接，，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)二、、三維維一體體化管管理，，為領(lǐng)領(lǐng)導(dǎo)及及工作作人員員提供供全方方位、、多維維、立立體化化的輔輔助決決策支支持，，從而而減少少處理理事故故所需需時(shí)間間，減減少經(jīng)經(jīng)濟(jì)損損失。。7.軍軍事事上上在軍事事上上，，利利用用虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)技技術(shù)術(shù)模模擬擬戰(zhàn)戰(zhàn)爭爭過過程程已已成成為為最最先先進(jìn)進(jìn)的的多多快快好好省省的的研研究究戰(zhàn)戰(zhàn)爭爭、、培培訓(xùn)訓(xùn)指指揮揮員員的的方方法法。。也也是是由由于于虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)技技術(shù)術(shù)達(dá)達(dá)到到很很高高水水平平，，所所以