虚拟现实技术与应用

虚拟现实技术与应用

自从计算机诞生以来，传统的信息处理环境一直是以计算机为中心，是“人适应

计算机”。要实现以人为本，让“计算机适应人”，必须解决一系列技术问题，

形成和谐的人机环境。虚拟现实技术就是解决这一类问题的方法之一。本文着重

从实物虚化、虚物实化、高性能计算处理技术等四个方面阐述虚拟现实技术的发

展及其应用领域现状。

概念与特征

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），是一种基于可计算信息的沉浸式

交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚

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。VR带来了人机交互的新概念、新内容、新方式和新方法，使得人

机交互的内容更加丰富、形象，方式更加自然、和谐。

虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，

它具有以下主要特征：

（1）依托学科的高度综合化；

（2）人的临场化；

（3）系统或环境的大规模集成化；

（4）数据表示的多样化和标准化，数据存储的大容量、数据传输的高速化

与数据处理的分布式和并行化。

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关键技术

实物虚化、虚物实化和高性能的计算处理技术是VR技术的三个主要方面。

实物虚化是将现实世界的多维信息映射到计算机的数字空间生成相应的虚拟世

界，为高性能的计算处理提供必要的信息数据。虚物实化通过各种计算和仿真技

术使计算机生成的虚拟世界中的事物所产生的各种刺激以尽可能自然的方式反

馈给用户。

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。

模型构建首先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。

例如，通过CAD/CAM或二维图纸构建产品或建筑的三维几何模型；通过GIS

数据和卫星、遥感或航拍照片构造大型虚拟战场。

为了增强虚拟环境的真实感，物理特性和行为规则建模要表现出对象物体的

质量、动量、材料等物理特性，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。例如，可以对气象

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数据进行建模生成虚拟环境的气象情况（阴天、晴天、雨、雾）。

（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。目前的跟踪系统有电磁、

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

境的声音跟踪是实物虚化的重要组成部分。声波飞行时间测量法和相位相干测量

法是两种可以实现声音位置跟踪的基本算法。在小的操作范围内，声波飞行时间

法能表现出较好的精确度和相应性。随操作范围的扩大，声波飞行时间法的数据

传输率降低，易受伪声音的脉冲干扰。相位相干法本质上不易受到噪声干扰，并

允许过滤冗余数据存在且不会引起滞留。但相位相干法不能直接测量距离而只能

测量位置的变化，易受累计误差的干扰。

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。

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（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。

视点感应必须与显示技术相结合，采用多种定位方法（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

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