虚拟现实技术的基本概念

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR） 是指计算机中构造出一个形象逼真的模型， 人与该模型可以进行交互操作，并产生与现实世界中相同的反馈信息， 使人们得到与现实世界中同样的感受。当人们需要构造当前不存在的环境、 人类不可能到达或为省时省力而不去到达的环境或构造 虚拟现实以代替耗资巨大的身临实际环境时， 虚拟现实技术是必不可少的。

VR思想的起源可追溯到1965年Ivan Sutherland在IFIP会议上的 《终极的显示》报告，而Virtual Reality一词是美国VRL公司的 创建人之一Jaron Lanier提出的。20世纪80年代， 美国国家航空航天局（NASA）及美国国防部组织了一系列 有关虚拟现实的研究，并取得了令人瞩目的研究成果， 从而引起了人们对VR技术的广泛关注。1984年， NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室开发了用于火星 探测的虚拟环境视觉显示器，将火星发回的数据输入计算机， 构造了火星表面的三维虚拟环境。

自20世纪9c年代以来，国际上VR技术的研究得到了很大的发展， 主要表现在：

（1）使用基于图像的绘制技术（或与图形绘制技术相结合）， 以提高图形的生成速度。典型的有美国三菱电信技术中心 在1998年上半年推出的具有实时体绘制功能的微机及工作站系统等。

(2)各种新的交互设备，譬如双手输入技术、三维力反馈设备。 如美国麻萨诸塞州Sens Able Technologies公司研制开发的 具有力反馈的三维交互设备PHAN-TOM及其配套的软件开发工具GHOST， 其性能良好，获得了用户好评。GHOST是一个面向对象的由C++编写的 软件开发工具包，用户使用它将力反馈交互设备集成 到三维图形应用软件中，它还提供了与Windows NT和SGIIRIX的接口； PHANTOM系统是一个类似于小型机械手的装置， 对于三维虚拟模型或数据具有定位功能， 就如同二维鼠标对二维图像具有指示和定位功能一样。 目前，该系统的用户有美国的通用电器、迪斯尼、 日本的丰田等公司以及美国、欧洲、亚洲的大学和研究所等，

(3)增强现实(AugmentedReality),也称混合现实。 它是通过计算机图形、图像处理技术实现实景 (现实环境或用户影像)与虚景(计算机生成的虚拟环境 或虚拟物体)的合成，并使生成的虚拟环境与实际环境融为一体， 以构造具有真实感和沉浸感的虚拟环境。 如美国哥伦比亚大学研制的增强现实系统——移动式旅游计算机， 当旅游者背着这种小型计算机在校园内漫游时， 走到一个地方，面向某一方向的一个不知名的大楼时， 计算机就可以在头盔的显示镜上显示出楼名。此外， 还有中国国防科技大学开发的虚拟空间会议原型系统VST1 (1999)、以色列ORAD公司研制的可以把相隔数公里的 主持人合成在同一个虚拟环境的虚拟演播室系统等。

(4)大范围(分布式)虚拟现实环境。在因特网或专用网环境下， 充分利用各地资源的优势，协同开发虚拟现实的应用， 支持具有重大空间范围、更多用户和虚拟对象的协作环境。 如美国军方为了降低训练坦克部队费用而建立的SIMNET, 它是第一个大规模网络VR的实例，可以调整近1000个 全动态图像的模型器；还有MIT电子研究实验室(MERL) 研究的支持协作虚拟环境的Spline系统、 瑞典计算机科学研究院的DIVE(1993)、 新加坡国立大学的Bricknet（1994）， 英国Nottingham大学的AVIARY(1994)、 中国北京航空航天大学集成的分布式虚拟环境DVENET等。

(5)自然式(多通道)人机交互式技术。通过计算机视觉技术、 图像处理技术以及计算机图形技术，研究实现智能化的人机交互环境， 使用户能够不借助传感器等外设与虚拟环境以及其中的 虚拟对象进行交互。自然方式的人机交互技术是构造 和谐的多维虚拟信息空间的基础。典型的系统有麻省理工学院 媒体实验室(MIT MediaLab)开发的人体运动跟踪系统Pfinder、 日本AIRMIC实验室研究的视频对象运动跟踪系统 Virtual KA¬BUKI Syetem,微软研究院开发的、 具有行为识别功能的原型系统Stare Master等。

(6)美国App加公司的Quick Time VR(QTVR)是一种基于静态图像的、 在微机平台上能够实现的初级虚拟现实技术。 它的基本特点是能够实现对一个物体或空间进行360°全景观察， 比如利用它来创建虚拟场景，我们可以在一个大厅里环绕四周， 以任意一个角度观察这个空间，也可以围绕某一个物体， 在360°的范围观察它；还有如IBM公司Panoram IX， Infinite Pictures公司的Smooth Move、 Real Space公司的Real VR™等， 这些产品都是采用图像镶嵌技术实现的网络虚拟现实系统。

(7)英国航空公司正在利用VR技术设计高级战斗机座舱， 他们开发的大项目VECTA(Virtual Environment Configurable Training Aid) 是一个高级测试平台，用于研究VR技术以及考察用 VR替代传统模拟器方法的潜力。VECTA的子项目RAVE (Realand Virtual Environment)就是专门为在座舱内训练 飞行员而研制的，已在1992年的Farnborough航空展示 会上进行了首次演示。美国国家航空航天局(NASA)建立了航空、 卫星维护VR训练系统、空间站VR训练系统，旨在对工作人员进行培训。 NASA还对仿真技术进行了研究，包括空间站操纵的仿真， 以及哈勃太空望远镜的仿真。另外，NASA的“虚拟行星探索” 试验能使“虚拟探索者”利用虚拟环境来考察遥远的行星， 第一个目标将是火星。图1是NASA的虚拟飞机发射场。 美国奋进号航天飞机将对地球表面进行一次三维测绘， 任务是建立地球表面的三维空间模型， 其测绘面积覆盖包括地球表面大约70%以上区域， 这是构建全球宏观虚拟现实的一项大规模行动。

图1虚拟航天飞机发射场

(8)虚拟现实与医疗技术的结合产生了许多引人注目的成果。 虚拟手术是最典型的例子，医生在远程通过虚拟现实技术观察病人的身体， 医生进行手术的动作通过通信技术传输到病人的位置， 由一个机械手真正实施手术。Loma Linda大学医学中心 是一所经常从事高难度或有争议课题的医学研究单位。 David Warner博士和他的研究小组成功地将计算机图形 及VR设备用于探讨与神经疾病相关的课题。 他们以数据手套为工具，将手的运动实时地在计算机 上用图形表示出来；他们还成功地将VR技术应用于受虐待儿童 的心理康复，并首创了VR儿科治疗法。 图2是利用虚拟现实技术进行远程手术。

图2虚拟手术

VR技术是一项投资大、难度高的科技领域，和一些发达国家相比 ，我国还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。 根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划， 例如国家自然科学基金会、 863国家高技术研究发展计划等都把虚拟现实技术列入了研究项目。 在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校已经积极 投入到了这一领域的研究工作中。

(1)北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、 最有权威的单位之一，它们首先进行了一些基础知识方面的研究， 并着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理； 在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件， 并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计， 建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库， 提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统， 提供开发虚拟现实应用系统的开发平台， 并实现与有关单位的远程连接。

(2)浙江大学CAD&.CG国家重点实验室开发出了一套桌面 虚拟建筑环境实时漫游系统，该系统采用了层面叠加的 绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉， 同时还提供了方便的交互工具， 使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高水平。 另外还研制了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。

(3)哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人的 高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成、唇动的合成， 人说话时的头势和手势动作以及语音和语调的同步等技术问题。

(4)清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的 方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、 克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。 他们还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出借助图像变换， 使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性， 以利于实现特征匹配，并获取物体三维结构的新颖算法。

(5)西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术 ——立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特征的 基础上提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案， 并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度。

(6)中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术， 完成了虚拟现实中的体视图像算法及软件接口。 在硬件开发上已经完成了LCD红外立体眼镜，并实现了商品化。

(7)北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一， 中国第一部完全由动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心。 关于虚拟现实的研究已经完成了几个863项目， 完成了体视动画的自动生成算法与合成软件处理， 完成了VR图形处理与演示系统的多媒体平台及相关的音频资料库， 制作了一些相关的体视动画光盘。

(8)2001年11月110~13日，由中国计算机学会、 虚拟现实与可视化技术专业委员会主办， 装甲兵工程学院和北京航空航天大学承办的 第一届全国虚拟现实与可视化技术学术会议在北京举行， 来自全国各地的200多名代表参加了本次会议。 浙江大学校长潘云鹤院士向来宾演示了敦煌石窟虚拟漫游、 西湖风景虚拟漫游、书法推理创作等实例； 微软亚洲研究院院长张亚勤博士介绍了微软 中国研究院过去两年来所做的研究， 并做了语音合成童话配音、无线网络传输高质量音频、 同心拼图兵马俑虚拟漫游、基于Web的XBOX等精彩演示。 教育部副部长、北京航空航天大学赵沁平教授以“我们应该怎么做”为题， 就虚拟现实构造、建模、聚合类实体、多通道感知信息的接合、 虚拟现实与真实景物的融合、分布式虚拟现实、 人机交互、虚拟现实系统性能和应用结果的评价等 8个方面所需要进行的研究做了精辟阐述。 国防科技大学李思昆教授介绍了国家863项目 “分布式虚拟海战环境”的情况。 第一届全国虚拟现实与可视化技术学术会议的召开， 预示着我国虚拟现实技术研究已经进入稳步发展的阶段， 具有里程碑意义。

当前的虚拟现实系统，基本都是计算机领域专家早期提出的 虚拟现实基本思想的具体实现，如具有交互图形显示、 力反馈设备以及声音提示等，这些研究成果已经在游戏机、 影视创作和电话教学等领域获得大量应用。然而， 向着广阔的工程应用领域的航向，则坚冰尚未突破， 因此，尚不能在国民经济和国防安全中发挥重要作用。 具体表现在：

(1)没有立体视觉。目前在游戏机和影视中大量使用的所谓三维显示， 从理论上讲它是三维景物经透视投影变换的二维图形， 并非是人类需要双眼才能看清的立体视觉。 以二维替代三维，在许多情况可获得简化而实用的效果。 但它所存在的不确定性，有如“怪坡”的假象， 在工程实用中有时是不可容忍的。

(2)没有时空精度保障。目前为止的虚拟现实理论描述 中还缺少精确时空的内容，即缺少时空精度和景观不确定度的理论。 由此指导的实践应用也都在无时空精度要求的领域。 如果按现有的技术，在虚拟环境中设计一项工程， 放样到实地（或策划一次军事行动到实地执行）， 将会有很大的误差，甚至失误。因此现有虚拟现实理论必须进行完善， 以求达到能支持工程技术的科学水平。