浅析虚拟现实技术

浅析虚拟现实技术应用与未来发展

摘要虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。本文主要探讨了虚拟现实技术发展历史、当下应用及未来发展展望。

关键字虚拟现实技术历史发展未来趋势应用局限性

虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物【1】。近几年，虚拟现实技术发展迅速，在航空航天、船舶建造与设计、军事模拟、机械工程、先进制造、城市规划、地理信息系统、医学生物等领域中发挥了巨大作用，与网络、多媒体技术并称为2l世纪最具应用前景的三大技术。

一、虚拟现实技术特点简析。

虚拟现实技术涉及计算机图形学、数字图像处理技术、多媒体技术、网络技术、人工智能等等，主要是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的综合。

而虚拟现实技术的三大主要特点则分别是由上述技术组合实现的。

1、沉浸性。

沉浸性是指虚拟现实技术所创造的虚拟环境能使体验者产生“身临其境”感觉，使其相信在虚拟环境中人也是确实存在的，而且在操作过程中体验者可以自始至终的发挥作用，就像真正的客观世界一样。

根据人类视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像．使用者戴上头盔显示器和数据手套交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。

2、交互性。

交互性指在虚拟环境中体验者不是被动地感受，而是可以自行改变感受的内容。?体验者是交互的主体，虚拟对象是交互的客体，主体和客体之间的交互是全方位的。

虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，可通过键盘、鼠标、头盔、数据手套等设备进行交互。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，对虚拟环境中的对象进行触摸或操作。

3、多感知性。

多感知性是指除了一般计算机所具有的视觉感知外还有听觉感知、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。

虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得多种感知，亲身体验交互操作的反应与感受。

二、虚拟现实技术发展历史

虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段

1963年以前为有声、形、动态的模拟阶段，1963年到1972年为第二阶段——虚拟现实萌芽阶段，1973年至1989年，虚拟现实概念的产生和理论初步形成为第三阶段，1990年至今虚拟现实理论进一步的完善和应用为第四阶段虚拟现实技术可追溯到中国古代(公元前468年到前376年)的战国时期。据<<墨子.鲁问>>篇记载“公输般竹木为鹊成而飞之三日不下”，这是有关中国古代人试验飞行器模型的最早记载。风筝的拟真、拟声、互动的行为是仿真技术在人们生活中的应用。后来该技术传到西方，西方人利用筝的原理发明了飞机。

1962年美国Morton Heilig的专利“全传感仿真器”的发明，有振动、声的感觉。该专利也蕴涵了虚拟现实技术的思想。

仿真技术的发展，也是虚拟现实技术的前身，蕴涵了虚拟现实的思想。仿真和计算机的发展促使了虚拟现实技术的萌芽。【2】

60年代到70年代初是虚拟现实思想萌芽阶段。

60年代，Ivan Sutherland 教授提出了感觉真实、交互真实的人机协作新理论并于1968年开发了头盔式立体显示器。后来他开发了一个虚拟系统，该系统“可称得上是第一个虚拟现实系统它是基于传统习惯、花费又大、模型又过分简化了的一个虚拟世界。”【3】

1973年到1989年为虚拟现实技术的第三阶段。

1973年Myron Krurger提出了“Artificial Reality”这是早期出现的虚拟现实的词。从字面上来看它具有虚拟现实的含义。

1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy 和J.Humphries博士开发了虚拟环境视觉显示器用于火星探测，将探测器发回地面的数据输入计算机，构造了火星表面的三维虚拟环境。

很快由美国的Stone和 Hennequin 共同发明了数据手套。第一个数据手套被NASA用于虚拟现实，由Warren Robinett构思和实现手套与虚拟世界的交互技术。

1986年，Robinett与合作者Fisher, Scott S, James Humphries, Michael McGreevy发表了早期的虚拟现实系统方面的论文《The Virtual Environment Display System》【4】是NASA工作站的成果之一。

1987年James. D. Foley教授在具有影响力的科学的美国上发表了一篇题为先进的计算机界面《Interfaces for Advanced Computing》一文【5】。在这篇文章中虚拟现实被用“Artificial Reality”来描述的，他提出了虚拟现实有三个关键元素“Imagination”、“Interaction”、“Behavior”即2IB，从理论上阐述了想象“I”、交互“I”和行为“B”的含义。这篇文章对虚拟现实的含义、接口硬件、人机交互式界面、应用和未来前景作了全面的论述，引起了人们极大的兴趣。从此，虚拟现实的概念和理论开始初步形成。

1989年，Jaron Lanier提出用“Virtual Reality”来表示虚拟现实一词

并且把虚拟现实作为商品，推动了VR技术的发展和应用。

1990年到2004年为虚拟现实技术的第四阶段。

Burdea G 和Coiffet 在1994年出版的《虚拟现实技术》【6】一书中描述了VR的三个基本特征——Imagination、Interaction、Immersion，这是对VR 技术和理论的进一步完善。

1992年Sense8公司开发了“WTK”开发包，为VR技术提供更高层次上的应用。