VR系统

　　计算机理论

　　VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学,人机交互技术,传感技术,人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

　　概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。

　　虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。

　　基本特征

　　多感知性

　　（Multi-Sensory）——所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、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，特别是传感技术的限制，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。

　　浸没感

　　（Immersion）——又称临场感，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使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。

　　交互性

　　（Interactivity）——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（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

　　构想性

　　（Imagination）——强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

　　组成

　　一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。

　　应用

　　城市规划

　　城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一，虚拟现实技术可以广泛的应用在城市规划的各个方面，并带来切实且可观的利益： 展现规划方案虚拟现实系统的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理，有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审。 规避设计风险 虚拟现实所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的“再现”。用户在三维场景中任意漫游，人机交互，这样很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。 加快设计速度运用虚拟现实系统，我们可以很轻松随意的进行修改，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，只要修改系统中的参数即可。从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率，也节省了大量的资金，提供合作平台 。

　　虚拟现实技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图。有效的合作是保证城市规划最终成功的前提，虚拟现实技术为这种合作提供了理想的桥梁，这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。 加强宣传效果对于公众关心的大型规划项目，在项目方案设计过程中，虚拟现实系统可以将现有的方案导出为视频文件用来制作多媒体资料予以一定程度的公示，让公众真正的参与到项目中来。当项目方案最终确定后，也可以通过视频输出制作多媒体宣传片，进一步提高项目的宣传展示效果。

　　医学

　　VR在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，学生可以很容易了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。借助于HMD及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指导下工作等。另外，在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生恬状况，乃至新型药物的研制等方面，VR技术都有十分重要的意义。

　　艺术教育

　　丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对VR的真实感要求不是太高，故近些年来VR在该方面发展最为迅猛。如Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的VR游戏系统，配有HMD，大大增强了真实感；1992年的一台称为“Legeal Qust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度VR产品奖。另外在家庭娱乐方面VR也显示出了很好的前景。

　　作为传输显示信息的媒体，VR在未来艺术领域方面所具有的潜在应用能力也不可低估。VR所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的，可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。另外，VR提高了艺术表现能力，如一个虚拟的音乐家可以演奏各种各样的乐器，手足不便的人或远在外地的人可以在他生活的居室中去虚拟的音乐厅欣赏音乐会等等。

　　对艺术的潜在应用价值同样适用于教育，如在解释一些复杂的系统抽象的概念如量子物理等方面，VR是非常有力的工具，Lofin等人在1993年建立了一个“虚拟的物理实验室”，用于解释某些物理概念，如位置与速度，力量与位移等。

　　军工

　　模拟与练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为VR提供了广阔的应用前景。美国国防部高级研究计划局DARPA自80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统，以提供坦克协同训1练，该系统可联结200多台模拟器。另外利用VR技术，可模拟零重力环境，可以代替非标准的水下训练宇航员的方法。

　　室内设计

　　虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具。它以视觉形式反映了设计者的思想，比如装修房屋之前，你首先要做的事是对房屋的结构、外形做细致的构思，为了使之定量化，你还需设计许多图纸，当然这些图纸只能内行人读懂，虚拟现实可以把这种构思变成看得见的虚拟物体和环境，使以往只能借助传统的设计模式提升到数字化的即看即所得的完美境界，大大提高了设计和规划的质量与效率。运用虚拟现实技术，设计者可以完全按照自己的构思去构建装饰“虚拟”的房间，并可以任意变换自己在房间中的位置，去观察设计的效果，直到满意为止。既节约了时间，又节省了做模型的费用。

　　房产开发

　　随着房地产业竞争的加剧，传统的展示手段如平面图、表现图、沙盘、样板房等已经远远无法满足消费者的需要。因此敏锐把握市场动向，果断启用最新的技术并迅速转化 为生产力，方可以领先一步，击溃竞争对手。虚拟现实技术是集影视广告、动画、多媒体、网络科技于一身的最新型的房地产营销方式，在国内的广州、上海、北京等大城市，国外的加拿大、美国等经济和科技发达的国家都非常热门，是当今房地产行业一个综合实力的象征和标志，其最主要的核心是房地产销售！同时在房地产开发中的其他重要环节包括申报、审批、设计、宣传等方面都有着非常迫切的需求。

　　工业仿真

　　当今世界工业已经发生了巨大的变化，大规模人海战术早已不再适应工业的发展，先进科学技术的应用显现出巨大的威力，特别是虚拟现实技术的应用正对工业进行着一场前所未有的革命。虚拟现实已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用。虚拟现实技术的引入,将使工业设计的手段和思想发生质的飞跃,更加符合社会发展的需要,可以说在工业设计中应用虚拟现实技术是可行且必要的。

　　军事模拟

　　虚拟战场环境 采用虚拟现实技术使受训者在视觉和听觉上真实体验战场环境、熟悉将作战区域的环境特征。用户通过必要的设备可与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。虚拟战场环境的实现方法可通过相应的三维战场环境图形图像库，包括作战背景、战地场景、各种武器装备和作战人员等。通过背景生成与图像合成创造一种险象环生、几近真实的立体战场环境。使演练者“真正”进入形象逼真的战场。从而可以增强受训者的临场感觉，大大提高训练质量。

　　单兵模拟训练与评判在该应用系统中导调人员可设置不同的战场背景，给出不同的情况，而受训者则通过立体头盔、数据服、和数据手套或三维鼠标操作传感装置可做出或选择相应的战术动作，输入不同的处置方案，体验不同的作战效果，进而像参加实战一样，锻炼和提高技战术水平、快速反应能力和心理承受力。与常规的训练方式相比较，虚拟现实训练具有环境逼真，“身临其境”感强、场景多变，训练针对性强和安全经济，可控制性强等特点。如美空军用虚拟现实技术研制的飞行训练模拟器，能产生视觉控制，能处理三维实时交互图形，且有图形以外的声音和触感，不但能以正常方式操纵和控制飞行器，还能处理虚拟现实中飞机以外的各种情况，如气球的威胁、导弹的发射轨迹等。

　　诸军种联合虚拟演习建立一个“虚拟战场”，使参战双方同处其中，根据虚拟环境中的各种情况及其变化，实施“真实的”对抗演习。在这样的虚拟作战环境中，可以使众多军事单位参与到作战模拟来中，而不受地域的限制，可大大提高了战役训练的效益；还可以评估武器系统的总体性能，启发新的作战思想。

　　虚拟军事演习系统可以任意增加联合演习的次数。这样便于作战方案与理论的研究。传统的实兵演习周期长、耗费大，如果借助虚拟军事演习系统进行训练，就可以较小的代价、较短的时间实施大规模战区、战略级演习，并可通过多次演习或一次演习多种方案，发现、解决实战中可能出现的问题。 进行指挥员训练利用虚拟现实技术，根据侦察情况资料合成出战场全景图，让受训指挥员通过传感装置观察双方兵力部署和战场情况，以便判断敌情，定下正确决心。例如美国海军开发的“虚拟舰艇作战指挥中心”就能逼真地模拟与真的舰艇作战指挥中心几乎完全相似的环境，生动的视觉、听觉和触觉效果，使受训军官沉浸于“真实的”战场之中。虚拟现实技术可以使相距几千公里的士兵与作战指挥人员在网络上进行对抗作战演习和训练，效果如同在真实的战场上一样。

　　文物古迹

　　利用虚拟现实技术，结合网络技术，可以将文物的展示、保护提高到一个崭新的阶段。首先表现在将文物实体通过影像数据采集手段，建立起实物三维或模型数据库，保存文物原有的各项型式数据和空间关系等重要资源，实现濒危文物资源的科学、高精度和永久的保存。 其次利用这些技术来提高文物修复的精度和预先判断、选取将要采用的保护手段，同时可以缩短修复工期。 通过计算机网络来整合统一大范围内的文物资源，并且通过网络在大范围内来利用虚拟技术更加全面、生动、逼真地展示文物，从而使文物脱离地域限制，实现资源共享，真正成为全人类可以“拥有”的文化遗产。使用虚拟现实技术可以推动文博行业更快地进入信息时代，实现文物展示和保护的现代化。

　　游戏中

　　三维游戏既是虚拟现实技术重要的应用方向之一，也为虚拟现实技术的快速发展起了巨大的需求牵引作用。 尽管存在众多的技术难题，虚拟现实技术在竞争激烈的游戏市场中还是得到了越来越多的重视和应用。可以说，电脑游戏自产生以来，一直都在朝着虚拟现实的方向发展，虚拟现实技术发展的最终目标已经成为三维游戏工作者的崇高追求。从最初的文字MUD游戏，到二维游戏、三维游戏，再到网络三维游戏，游戏在保持其实时性和交互性的同时，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加强。我们相信，随着三维技术的快速发展和软硬件技术的不断进步，在不远的将来，真正意义上的虚拟现实游戏必将为人类娱乐、教育和经济发展做出新的更大的贡献。

　　WEB3D

　　WEB3D主要有四类运用方向：商业、教育、娱乐、和虚拟社区。对企业和电子商务 三维的表现形式，能够全方位的展现一个物体，具有二维平面图象不可比拟的优势。企业将他们的产品发布成网上三维的形式，能够展现出产品外形的方方面面，加上互动操作，演示产品的功能和使用操作，充分利用互联网高速迅捷的传播优势来推广公司的产品。对于网上电子商务，将销售产品展示做成在线三维的形式，顾客通过对之进行观察和操作能够对产品有更加全面的认识了解，决定购买的几率必将大幅增加，为销售者带来更多的利润。现在国内最流行的WEB3D平台是VR-Platform Internet Explorer，又称VRPIE或者VRPIE3D互联网平台。[1]

　　对教育业现今的教学方式，不再是单纯的依靠书本、教师授课的形式。计算机辅助教学(CAI)的引入，弥补了传统教学所不能达到的许多方面。在表现一些空间立体化的知识，如原子、分子的结构、分子的结合过程、机械的运动时，三维的展现形式必然使学习过程形象话，学生更容易接受和掌握。许多实际经验告诉我们，做比听和说更能接受更多的信息。使用具有交互功能的3D课件，学生可以在实际的动手操作中得到更深的体会。

　　对计算机远程教育系统而言，引入Web3D内容必将达到很好的在线教育效果。 对娱乐游戏业娱乐游戏业永远是一个不衰的市场。现今，互连网上已不是单一静止的世界，动态HTML、flash动画、流式音视频，使整个互连网呈现生机黯然。动感的页面较之静态页面更能吸引更多的浏览者。三维的引入，必将造成新一轮的视觉冲击，使网页的访问量提升。娱乐站点可以在页面上建立三维虚拟主持这样的角色来吸引浏览者。游戏公司除了在光盘上发布3D游戏外，可以在网络环境中运行在线三维游戏。利用互连网络的优势，受众和覆盖面得到迅速扩张。

　　对虚拟现实展示与虚拟社区使用Web3D实现网络上的VR展示，只须构建一个三维场景，人以第一视角在其中穿行。场景和控制者之间能产生交互，加之高质量的生成画面使人产生身临其境的感觉。对于象虚拟展厅、建筑房地产虚拟漫游展示，提供了解决方案。如果是建立一个多用户而且可以互相传递信息的环境，也就形成了所谓的虚拟社区。

　　道路桥梁

　　虚拟现实技术在道路桥梁应用现状在高速公路与桥梁建设中虚拟现实技术也得到了应用。由于道路桥梁需要同时处理大量的三维模型与纹理数据，导致这种形势需要很高的计算机性能作为后台支持，但随着近些年来计算机软硬件技术的提高，一些原有的技术瓶颈得到了解决，使虚拟现实的应用达到了前所未有的发展 。

　　在我国，许多学院和机构也一直在从事这方面的研究与应用。三维虚拟现实平台软件，可广泛的应用于桥梁道路设计等行业。该软件适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、所见即所得，他的出现将给正在发展的VR产业提示入新的活力。 虚拟现实技术在道路桥梁方面的应用虚拟现实技术在高速公路和桥梁建设方面有着非常广阔的应用前景，可由后台置入稳定的数据库信息，便于受众对各项技术指标进行实时的查询，周边再辅以多种媒体信息，如工程背景介绍,标段概况,技术数据,截面等,电子地图,声音、图像、动画，并与核心的虚拟技术产生交互，从而实现演示场景中的导航、定位与背景信息介绍等诸多实用、便捷的功能。

　　地理

　　应用虚拟现实技术，将三维地面模型、正射影像和城市街道、建筑物及市政设施的三维立体模型融合在一起，再现城市建筑及街区景观，用户在显示屏上可以很直观地看到生动逼真的城市街道景观，可以进行诸如查询、量测、漫游、飞行浏览等一系列操作，满足数字城市技术由二维GIS向三维虚拟现实的可视化发展需要，为城建规划、社区服务、物业管理、消防安全、旅游交通等提供可视化空间地理信息服务。

　　电子地图技术是集地理信息系统技术、数字制图技术、多媒体技术和虚拟现实技术等多项现代技术为一体的综合技术。电子地图是一种以可视化的数字地图为背景，用文本、照片、图表、声音、动画、视频等多媒体为表现手段展示城市、企业、旅游景点等区域综合面貌的现代信息产品，它可以存贮于计算机外存，以只读光盘、网络等形式传播，以桌面计算机或触摸屏计算机等形式提供大众使用。由于电子地图产品结合了数字制图技术的可视化功能、数据查询与分析功能以及多媒体技术和虚拟现实技术的信息表现手段，加上现代电子传播技术的作用，它一出现就赢得了社会的广泛兴趣!

　　教育

　　虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。

　　它主要具体应用在以下几个方面

　　1科技研究

　　当前许多高校都在积极研究虚拟现实技术及其应用，并相继建起了虚拟现实与系统仿真的研究室，将科研成果迅速转化实用技术，如北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用；浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用；哈尔滨工业大学在人机交互方面的应用；清华大学对临场感的研究等都颇具特色。有的研究室甚至已经具备独立承接大型虚拟现实项目的实力。 虚拟学习环境虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，如建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示等，在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动的灌输，有本质的差别。 虚拟实验利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室等等，拥有传统实验室难以比拟的优势：

　　1、节省成本通常我们由于设备、场地、经费等硬件的限制。许多实验都无法进行。而利用虚拟现实系统，学生足不出户便可以做各种实验，获得与真实实验一样的体会。在保证教学效果的前提下，极大的节省了成本。

　　2、规避风险真实实验或操作往往会带来各种危险，利用虚拟现实技术进行虚拟实验，学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的实验。例如：虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。

　　3、打破空间、时间的限制利用虚拟现实技术，可以彻底打破时间与空间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。例如，生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟技术在一堂课内就可以实现。

　　2虚拟实训基地：

　　利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实训基地，其“设备”与“部件”多是虚拟的，可以根据随时生成新的设备。教学内容可以不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展。同时，虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。包括军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技、电器维修技能等各种职业技能的训练，由于虚拟的训练系统无任何危险，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。例如：在虚拟的飞机驾驶训练系统中，学员可以反复操作控制设备，学习在各种天气情况下驾驶飞机起飞、降落，通过反复训练，达到熟练掌握驾驶技术的目的。又如在虚拟旅游的教学过程当中用学生利用VRP-TRAVEL虚拟旅游平台，可以让师生足不出户，就能在三维立体的虚拟环境中遍览遥在万里之外的风光美景，形象逼真，细致生动。通过情景化的学习界面、人机交互式的模拟旅游体验，改善教学环境、优化教学过程、增强教学效果。

　　3虚拟仿真校园：

　　教育部在一系列相关的文件中，多次涉及到了虚拟校园，阐明了虚拟校园的地位和作用。虚拟校园也是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用，它由浅至深有三个应用层面，分别适应学校不同程度的需求：简单的虚拟我们的校园环境供游客浏览 基于教学、教务、校园生活，功能相对完整的三维可视化虚拟校园 以学员为中心，加入一系列人性化的功能，以虚拟现实技术作为远程教育基础平台 虚拟远程教育虚拟现实可为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所，通过交互式远程教学的课程目录和网站，由局域网工具作校园网站的链接，可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育，还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会，创造更大的经济效益与社会效益。随着虚拟现实技术的不断发展和完善，以及硬件设备价格的不断降低，我们相信，虚拟现实技术以其自身强大的教学优势和潜力，将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐，最终在教育培训领域广泛应用并发挥其重要作用。

　　虚拟演播

　　随着计算机网络和三维图形软件等先进信息技术的发展，电视节目制作方式发生了很大的变化。视觉和听觉效果以及人类的思维都可以靠虚拟现实技术来实现。它升华了人类的逻辑思维。虚拟演播室则是虚拟现实技术与人类思维相结合在电视节目制作中的具体体现。虚拟演播系统的主要优点是它能够更有效地表达新闻信息，增强信息的感染力和交互性。传统的演播室对节目制作的限制较多。虚拟演播系统制作的布景是合乎比例的立体设计，当摄像机移动时，虚拟的布景与前景画面都会出现相应的变化，从而增加了节目的真实感。用虚拟场景在很多方面成本效益显著。如它具有及时更换场景的能力，在演播室布景制作中节约经费。不必移动和保留景物，因此可减轻对雇员的需求压力。对于单集片，虚拟制作不会显出很大的经济效益，但在使用背景和摄像机位置不变的系列节目中它可以节约大量的资金。另外，虚拟演播室具有制作优势。当考虑节目格局时，制作人员的选择余地大，他们不必过于受场景限制。对于同一节目可以不用同一演播室，因为背景可以存入磁盘。它可以充分发挥创作人员的艺术创造力与想象力，利用现有的多种三维动画软件，创作出高质量的背景。

　　水文地质

　　虚拟现实技术是利用计算机生成的虚拟环境逼真地模拟人在自然环境中的视觉、听觉、运动等行为的人机界面的新技术。利用虚拟现实技术沉浸感、与计算机的交互功能和实时表现功能，建立相关的地质、水文地质模型和专业模型，进而实现对含水层结构、地下水流、地下水质和环境地质问题（例如地面沉降、海水入侵、土壤沙漠化、盐渍化、沼泽化及区域降落漏斗扩展趋势）的虚拟表达。具体实现步骤包括建立虚拟现实数据库、三维地质模型、地下水水流模型、专业模型和实时预测模型。

　　目的

　　这些使操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流 。通过参与者与仿真环境的相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，以全方位的获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。身临其境的沉浸感和人机互动的趣味性是虚拟现实的实质特征，对时空环境的现实构想（即启发思维，获取信息的过程 ）是虚拟现实的最终目的。

　　其他

　　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。

　　一，实时三维计算机图形技术

　　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。

　　二，广角（宽视野）的立体显示

　　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。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。

　　三，立体声

　　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。在VR系统中，声音的方向与用户头部的运动无关。

　　四，触觉与力觉反馈

　　在一个VR系统中，用户可以看到一个虚拟的杯子。你可以设法去抓住它，但是你的手没有真正接触杯子的感觉，并有可能穿过虚拟杯子的“表面”，而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。

　　五，语音输入输出

　　在VR系统中，语音的输入输出也很重要。这就要求虚拟环境能听懂人的语言，并能与人实时交互。而让计算机识别人的语音是相当困难的，因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。例如，连续语音中词与词之间没有明显的停顿，同一词、同一字的发音受前后词、字的影响，不仅不同人说同一词会有所不同，就是同一人发音也会受到心理、生理和环境的影响而有所不同。

　　使用人的自然语言作为计算机输入目前有两个问题，首先是效率问题，为便于计算机理解，输入的语音可能会相当啰嗦。其次是正确性问题，计算机理解语音的方法是对比匹配，而没有人的智能。

　　虚拟现实技术特征及其系统的关键技术

　　从本质上说,虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口,它通过给用户同时提供诸如视、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。因此虚拟现实技术具有以下四个重要特征。

　　（一）多感知性

　　所谓多感知性就是指导包括视觉感知外, 还包括听觉、力觉、触觉和运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。

　　（二）存在感

　　又称临场感,它是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以分辨真假的程度。

　　（三）交互性

　　它是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(包括实时性)。我们借助与我们8的感觉器官,在虚拟的环境中体验真实的环境。

　　（四）自主性

　　是指虚拟环境中物体依据物理定律进行动作的程度。虚拟现实系统的关键技术主要由动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具和系统集成技术等五个方面组成。其中动态环境建模技术的目的是根据应用的需要获取实际环境的三维数据, 并利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。而三维图形的生成技术关键是如何实现“实时”生成。立体显示和传感器技术是虚拟现实中实施交互能力的关键。

　　虚拟现实技术的应用

　　虚拟现实技术的应用极为广泛，Helsel与Doherty在1993年对全世界范围内已经进行的805项虚拟现实研究项目作了统计，结果表明：在娱乐、教育及艺术方面的应用占据主流，其次是军事与航空，医学，商业，另外在可视化计算、制造业等方面也有相当的比重。下面简要介绍其部分应用。

　　（1）医学 虚拟现实技术应用大致上有两类。一是虚拟人体，也就是数字化人体，这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能。另一是虚拟手术系统，可用于指导手术的进行。

　　（2）娱乐、艺术与教育 丰富的感觉能力与3D显示环境使得虚拟现实技术成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对虚拟现实的真实感要求不是太高，故近些年来虚拟现实技术在该方面发展最为迅猛。如Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的虚拟现实娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的虚拟现实游戏系统，使该系统获该年度虚拟现实产品奖；

　　（3）军事与航天工业 模拟与练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为虚拟现实技术提供了广阔的应用前景。利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的多快好省的研究战争、培训指挥员的方法。战争实验室在检验预定方案用于实战方面也能起巨大作用。1991年海湾战争开始前，美军便把海湾地区各种自然环境和伊拉克军队的各种数据输入计算机内，进行各种作战方案模拟后才定下初步作战方案。后来实际作战的发展和模拟实验结果相当一致。

　　（4）商业 虚拟现实技术常被用于推销。例如建筑工程投标时，把设计的方案用虚拟现实技术表现出来，便可把业主带入未来的建筑物里参观，如门的高度、窗户朝向、采光多少、屋内装饰等，都可以感同身受。它同样可用于旅游景点以及功能众多、用途多样的商品推销。因为用虚拟现实技术展现这类商品的魅力，比单用文字或图片宣传更加有吸引力。

　　（5）科技开发 虚拟现实技术可缩短开发周期，减少费用。例如克莱斯勒公司1998年初便利用虚拟现实技术，在设计某两种新型车上取得突破，首次使设计的新车直接从计算机屏幕投入生产线，也就是说完全省略了中间的试生产。 由于利用了卓越的虚拟现实技术，使克莱斯勒避免了1500项设计差错，节约了8个月的开发时间和8000万美元费用。利用虚拟现实技术还可以进行汽车冲撞试验，不必使用真的汽车便可显示出不同条件下的冲撞后果。

　　在虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起，成为人类探索客观世界规律的三大手段。用它来设计新材料，可以预先了解改变成分对材料性能的影响。在材料还没有制造出来之前便知道用这种材料制造出来的零件在不同受力情况下是如何损坏的。

　　以上仅列出虚拟现实技术的部分应用前景，可以预见，在不久的将来，虚拟现实技术将会影响甚至改变我们的观念与习惯，并将深入到人们的日常工作与生活。

　　虚拟现实技术的进一步展望

　　虚拟现实从其萌芽到今天的日渐成熟已经走过了相当长的一段风雨历程。它的研究内容涉及到多项学科领域。我们同时也认识到,这个领域的技术具有巨大的潜力和广阔的应用前景。

　　客观而论,虚拟现实技术研究的内容还仅仅限于扩展了计算机的接口能力和刚刚涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题,还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时,人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。我们期待这有朝一日,虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统,成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。

　　我们相信随着计算机技术和网络技术的飞速发展,计算机3D运算能力和网络带宽大大提高,虚拟现实在生产生活中的应用将日益广泛。

　　虚拟现实仿真

　　1.实物虚化

　　实物虚化主要包括基本模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉跟踪和视点感应等关键技术，这些技术使得真实感虚拟世界的生成、虚拟环境对用户操作的检测和操作数据的获取成为可能。

　　（1） 基本模型构建技术

　　基本模型的构建是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，它将真实世界的对象物体在相应的三维虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性。深度创艺的模型构建首先是要建立对象物体的几何模型，确定其空间位置和几何元素的属性并通过GIS数据或者遥感来增强虚拟环境的真实感，并在虚拟环境中遵循一定的运动和动力学规律。当几何模型和物理模型很难准确地刻画出真实世界中存在的某些特别对象或现象时，可根据具体的需要采用一些特别的模型构建方法。

　　（2）空间跟踪技术

　　虚拟环境的空间跟踪主要是通过头盔显示器、数据手套(DATAGLOVE)，立体眼镜，数据衣等交互设备上的空间传感器，确定用户的头、手、躯体或其他操作物在三维虚拟环境中的位置和方向。跟踪系统一般由发射器、接收器和电子部件组成。深度创艺的跟踪系统有电磁、机械、光学、超声等几类。数据手套是VR系统常用的人机交互设备，它可测量出手的位置和形状从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。Cyber Glove通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向。

　　(3）声音跟踪技术

　　利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差等进行虚拟环境的声音跟踪是深度创艺为客户打造实物虚化的重要组成部分。声音跟踪一般包括若干个发射器、接受器和控制单元。它可以与头盔显示器相连，也可以与数据衣、数据手套等其他设备相连。

　　（4）视觉跟踪与视点感应技术

　　实物虚化的视觉跟踪技术使用从视频摄像机到X-Y平面阵列，周围光或者跟踪光在图像投影平面不同时刻和不同位置上的投影，计算被跟踪对象的位置和方向。视觉跟踪的实现必须考虑精度和操作范围间的折衷选择，采用多发射器和多传感器的设计能增强视觉跟踪的准确性，但使系统变得复杂并且昂贵。深度创艺的视点感应是必须与显示技术相结合的，采用了多种定位方法（眼罩定位、头盔显示、遥视技术和基于眼肌的感应技术），可确定用户在某一时刻的视线。例如将视点检测和感应技术集成到头盔显示系统中，飞行员仅靠“注视”就可在某些非常时期操纵虚拟开关或进行飞行控制。

　　2.虚物实化

　　确保用户在虚拟环境中获取视觉、听觉、力觉和触觉等感官认知的关键技术，是虚物实化的主要研究内容。

　　（1）视觉感知

　　虚拟环境中大部分具有一定形状的物体或现象，可以通过多种途径使用户产生真实感很强的视觉感知。CRT显示器、大屏幕投影、多方位电子墙、立体眼镜、头盔显示器（HMD）等是VR系统中常见的显示设备。不同的头盔显示器具有不同的显示技术，根据光学图像被提供的方式，头盔显示设备可分为投影式和直视式。能增强虚拟环境真实感的立体显示技术，可以使用户的左、右眼看到有视差的两幅平面图像，并在大脑中将它们合成并产生立体视觉感知。头盔显示器、立体眼镜是两种常见的立体显示设备。深度创艺基于激光全息计算的立体显示技术、用激光束直接在视网膜上成像的显示技术正在研究之中。

　　（2）听觉感知

　　听觉是仅次于视觉的感知途径，虚拟环境的声音效果，可以弥补视觉效果的不足，增强环境逼真度。

　　（3）力觉和触觉感知

　　能否让参与者产生“沉浸”感的关键因素之一是用户能否在操纵虚拟物体的同时，感受到虚拟物体的反作用力，从而产生触觉和力觉感知。由于人的力觉感知非常敏感，一般精度的装置根本无法满足要求，而研制高精度力反馈装置又相当困难和昂贵，这是人们面临的难题之一。如果没有触觉反馈，当用户接触到虚拟世界的某一物体时容易使手穿过物体。深度创艺解决这种问题的有效方法是在用户的交互设备中增加触觉反馈。触觉反馈主要是基于视觉、气压感、振动触感、电子触感和神经肌肉模拟等方法来实现的。

　　3.高性能计算处理技术

　　虚拟现实是以计算机技术为核心的现代高新科技，高性能的计算处理技术是直接影响系统性能的关键所在。具有高计算速度，强处理能力，大存储容量和强联网特性等特征的高性能计算处理技术是深度创艺研究的主要内容。

　　4. 分布式虚拟现实

　　分布式虚拟现实的研究目标是建立一个可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境，处于不同地理位置的用户如同进入到一个真实世界，不受物理时空的限制，通过姿势、声音或文字等“在一起”进行交流、学习、研讨、训练、娱乐，甚至协同完成同一件比较复杂的产品设计或进行同一艰难任务的演练。深度创艺分布式虚拟现实的研究有两大阵营。一个是国际互联网上的分布式虚拟现实，如基于VRML标准的远程虚拟购物。另一个是在由军方投资的高速专用网，如采用ATM技术的美国军方国防仿真互联网DSI。

　　目前我国三维虚拟现实技术的实现手段多是采用同期国外现成的三维图形引擎进行二次开发。比较流行，相对效率较高的三维图形引擎主要有Vega、Vegaprim、Vtree、Virtools、Quest3D等。Vega系列的引擎的设计层次太多，直接导致了顶层系统难以直接有效的发挥硬件图形设备的特性，而使其运行随着数据量的增加变得异常缓慢。

　　仿真技术的应用在军事与航天工业、城市规划与经营、建筑设计、房地产开发、科技馆、博物馆、专业展示馆、产品的设计与展示、古文化遗产还原以及保护、模拟训练设备、游戏、娱乐等众多领域中。

　　除此之外，虚拟现实技术在航天、通信、交通、医疗、教育、艺术、体育、分子化学、科学计算可视化等多个领域都有广泛的应用。我们甚至可以大胆的预测，在不久的将来虚拟现实技术将渗透到所有与信息系统相关的学科和领域。

　　虚拟现实技术及其发展前景

　　虚拟现实（Virtual Reality，VR）是计算机网络世界的热点之一，在社会生活的许多方面有着非常美好的发展前景，更是数字地球概念提出的依据和基础技术。

　　虚拟现实是计算机模拟的三维环境，是一种可以创建和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。虚拟环境是由计算机生成的，它通过人的视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉的视景仿真。它是一门涉及计算机、图像处理与模式识别、语音和音响处理、人工智能技术、传感与测量、仿真、微电子等技术的综合集成技术。用户可以通过计算机进入这个环境并能操纵系统中的对象并与之交互。三维环境下的实时性和可交互性是其主要特征。

　　虚拟现实不是真的，也不是现实，它只是一个在桌面上可实时地做交互式三维图形用户界面的工具。就像窗口系统及鼠标驱动用户界面一样，虚拟现实可使得运用计算机更加有效、透明。根据设计者的构想，用户可以沉浸到数据空间中，将用户在一定时间内与现实环境相隔离，然后投入到可实时交互的虚拟环境中，并且驾驭其中的数据，使人有一种身临其境的感觉。

　　虚拟现实界面的数据交互工具是一项正在发展中的技术，它的目的是使信息系统尽可能地满足人的需要，人机的交互更加人性化，用户可以更直接地与数据交互。除了传统的显示器、键盘、鼠标、游戏杆外，

　　仪器手套（Instrumented glove）、数据手套（Data Glove）、立体偏振眼镜，就是这类产品。立体视觉的产品还有头盔式显示器（HMD）、液晶快门眼镜（Liquid Crystal shutter glasses）。据报道，处于实验室研究阶段的VR设备有沉浸式VR系统，加入了如HMD、多个大型投影式显示器，甚至增加触觉、力感和接触反馈等交互式设备，更有人大胆预言会向全身数据服装的方向发展。

　　虚拟现实的应用领域十分广泛，主要在工程设计、计算机辅助设计（CAD）、数据可视化、飞行模拟、多媒体远程教育、远程医疗、艺术创作、游戏、娱乐等方面。

　　Web的出现更使虚拟现实技术引起人们普遍的关注。人们对它寄予厚望，希望利用这个技术使世界各地的人，可以在三维环境下交流。多个用户可以进行基于文本的或是声音技术的闲谈，在网上建立一个真正的三维社区已不再只是梦想中的事。

　　VRML是面向对象的一种语言，它类似Web超级链接所使用的HTML语言，也是一种基于文本的语言，并可以运行在多种平台之上，只不过能够更多地为虚拟现实环境服务。它提供对三维世界及其内部基本对象的描述，如球体、平面、圆锥、圆柱、立方体等，并把他们同二维的页面链接起来，是一种非常简洁的高级语言。最新的VRML2.0版除了提供VRML 1.0版的基本功能外，最主要的特点是加入了行为功能和多用户环境，使Web网上的三维世界动起来了。另外，它将支持动画、交互性、与JAVAScript和JAVA的集成及声音。VRML的出现，是由于当代网络技术与虚拟现实技术的迅猛发展的需要，它使得Web的页面不再局限于二维空间。VRML增加动作、动画模拟、传感器和声音后，网络站点创作人员可以制作规模大、交互性强的三维应用程序。

　　虚拟现实发展前景十分诱人，而与网络通信特性的结合，更是人们所梦寐以求的。在某种意义上说它将改变人们的思维方式，甚至会改变人们对世界、自己、空间和时间的看法。它是一项发展中的、具有深远的潜在应用方向的新技术。利用它，我们可以建立真正的远程教室，在这间教室中我们可以和来自五湖四海的朋友们一同学习、讨论、游戏，就像在现实生活中一样。使用网络计算机及其相关的三维设备，我们的工作、生活、娱乐将更加有情趣。因为数字地球带给我们的是一个绚丽多彩的三维的世界!

　　憧憬未来总是令人兴奋，它会引发人们的美梦般的遐想。数字地球如梦想插上科学的翅膀，使我们感到并不是遥不可及，甚至其中的一部分雏形已经应用到我们的现实生活中。