虚拟现实技术专业「虚拟现实技术举例」

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VR是Virtual Reality的缩写，中文的意思就是虚拟现实（真实幻觉、灵境、幻真），也称灵境技术或人工环境。概念是在20世纪80年代初提出来的，其具体是指借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段。虚拟现实是利用电脑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，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

  1992年美国国家科学基金资助的交互式系统项目工作组的报告中对VR提出了较系统的论述，并确定和建议了未来虚拟现实环境领域的研究方向。可以认为，虚拟现实技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，它在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，能使用户具有身临其境的沉浸感，具有与环境完善的交互作用能力，并有助于启发构思。所以说，沉浸、交互、构想是VR环境系统的三个基本特性。虚拟技术的核心是建模与仿真。

2、起源

  早在20世纪40年代，美国就已开始了飞行模拟器的设计。随着计算机技术尤其是计算机图形技术的发展，这种模拟器又发展为大屏幕显示器和全景式情景产生器。1965年，Ivan Sutherland（被称为计算机图形学之父）发表论文《TheUltimate Display(终极的显示)》，描述了一种把计算机屏幕作为观察虚拟世界窗口的设想，这被看作是虚拟现实技术研究的开端。1968年，Ivan Sutherland又提出了头盔式三维显示装置的设计思想，并给出一种设计模型，这奠定了三维立体显示技术的基础。之后此领域一直没有突破性的发展，直到20世纪80年代初，才由Jaron Lanier正式提出“Virtual Reality”这一名词，同时一系列的更完善的仿真传感设备（如头盔式j维显示器、数据手套、数据衣、立体声耳机等）以及相应的计算机软硬件系统也被研制出来了。到了90年代，对VR技术的研究更加普遍，发展也更为迅速。

3、特点

  虚拟现实被认为是多媒体最高级别的应用。它是计算机技术、计算机图形、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、立体显示技术、传感与测量技术、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人T智能技术等多种高新技术集成之结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。虚拟现实技术有以下几个特点。

沉浸性(immersion)

  又称临场感，指用户对虚拟世界中的真实感。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( interaction)

  指用户对虚拟世界中的物体的可操作性。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)

  又称自主性，指用户在虚拟世界的多维信息空间中，依靠自身的感知和认知能力可全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求对问题的完美解决。

由于沉浸性、交互性和构想性三个特性的英文单词的第一个字母均为I，这三个特性又通常被统称为3I特性。

4、关键技术

1.应用系统开发工具

  虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。开发工具大致分为两个部分，一个是场景模型部分，一个是程序部分。程序部分的开发引擎有UNITY引擎，虚幻引擎(UNREAL)等。建模引擎有3DMAX，MAYA等。目前我们程序使用的开发引擎是UNITY引擎。模型使用的3DMAX和MAYA。

2.VR头盔的分类

  目前VR头盔主要分为两大类。一类是以电脑主机为基础的PC端设备，一类是以手机系统为基础的移动端设备。

  PC端的设备因为是以电脑主机为依托，所以硬件性能更强，表现出来的画面感更强，效果更绚丽，传感设备延迟性也更低。但是因为体型较大，重量较重，所以机动性很差，不方便携带。所以常被用于一些大型场景的演示。比如车间培训系统等。

  移动端的设备因为不需要庞大的主机，所以便于携带，但是因为现在的电子芯片技术水平的限制，导致体积小的设备注定比不过体积较大的设备的性能，所以移动端在性能上近期是注定比PC的性能要差上一些。所以移动端主要用于一些全景漫游等一些观赏性的项目。

  虽然是一个很有前瞻性的技术概念，但是因为硬件技术的限制，目前他们仍然存在一些致命的缺点，比如头盔的重量较重，分辨率较低，延迟性高等问题，让人带上去很不舒服。

5、应用领域以及案例

  虚拟现实技术的使用有着非常重要的现实意义，而且现已用在诸多领域：

娱乐领域

  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。

  现在比较出名的就是Steam平台上的各种游戏，现在许多VR设备厂商也都已经与Steam平台进行的对接。

军事航天领域

  军事领域的研究一直是推动虚拟现实技术发展的原动力，目前依然是主要的应用领域。如模拟训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，以提供坦克协同训练，该系统可联结200多台模拟器；美国空军技术研究所( Air Force Institute of Technology)也在利用VR开发培养实际空军操作人员的环境；美国宇航局( NASA)目前已建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并建立了能够供全国使用的VR教育系统，用以模拟实际环境培养训练宇航员。

医学领域

  虚拟现实技术可以弥补传统医学的不足，主要应用在解剖学、病理学教学、外科手术训练等方面。在教学中，虚拟环境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各器官结构，这比现有的采用教科书的方式更加有效。在医学院校，学生可在虚拟实验室中，进行“尸体”解剖和各种手术练习。同样，外科医生在真正动手术之前，可以通过虚拟现实技术的帮助，在显示器上重复地模拟手术，完成对复杂外科手术的设计，寻找最佳手术方案，这样的练习和预演，能够将手术对病人造成的损伤降至最低。

艺术领域

  虚拟现实技术作为传输显示信息的媒体，在艺术领域有着巨大的潜力应用。例如，VR技术能够将静态的艺术（如绘画、雕塑等）转化为动态的，可以提高用户与艺术的交互，并提供全新的体验和学习方式。

教育领域

  针对教育，虚拟现实技术应用是教育技术发展的一个飞跃。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。亲身去经历的“自主学习”环境比传统的说教学习方式更具说服力。虚拟实验利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，如物理、化学、生物实验室等等，利用VR能够极有效地降低实验室成本投入，并让学生获得与真实实验一样的体会，得到同样的教学效果。

文物古迹

  利用虚拟现实技术，可以对文物古迹的展示和保护带来更大的发展。将文物古迹通过影像建模，更加全面、生动地展示文物，提供给用户更直观的浏览体验，使文物实时实现资源共享，而不需要受地域所限制，并能有效保护文物古迹不被过度游客的游览所影响。同时使用三维模型能提高文物修复的精度、缩短修复工期。

生产领域

  利用虚拟现实技术建成的汽车虚拟开发工程，可以在汽车开发的整个过程中，全面采用计算机辅助技术来缩短设计周期。例如，福特官方公布过一项汽车研发技术——3D CAVE虚拟技术。设计师戴上3D眼镜坐在“车里”，就能模拟“操控汽车”的状态，并在模拟的车流、行人、街道中感受操控行为，从而在车辆未被生产出来之前，及时、高效地分析车型设计，了解实际情况中的驾驶员视野、中控台设计、按键位置、后视镜调节等等，并进行改进，这套系统能够有效控制成本地进行汽车开发。