虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality）又稱靈境技術(shù)，它的興起，為人機交互界面的發(fā)展開創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域；為智能工程的應(yīng)用提供了新的界面工具；為各類工程的大規(guī)模的數(shù)據(jù)可視化提供了新的描述方法。這種技術(shù)的特點在于計算機可以產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境通過計算機圖形構(gòu)成的三維空間，或把其他現(xiàn)實環(huán)境編制到計算機中去產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，從而使得用戶在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。

從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實就是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶提供諸如視、聽、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段、最大限度地方便用戶的操作，從而減輕用戶的負擔、提高整個系統(tǒng)的工作效率。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要技術(shù)特征

虛擬現(xiàn)實的定義可以歸納如下：虛擬現(xiàn)實是利用計算機生成一種模擬環(huán)境（如飛機駕駛艙、操作現(xiàn)場等），通過多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)因此具有以下4個方面重要特征：

1、多感知性：所謂多感知性就是說除了一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知、甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實就是應(yīng)該具有人所具有的感知功能。

2、存在感，又稱臨場感，它是指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程序。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達到使用戶難以分辨真假的程序。

3、交互性。交互性是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程序（包括實時性）。例如，用戶可以用手去直接抓取環(huán)境中的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視場中的物體也隨著手的移動而移動。

4、自主性。是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程序。例如，當受到力的推動時，物體會向力的方向移動、翻倒、或從桌面落到地面等。

二、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)可以包括以下幾個方面；

1、動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心內(nèi)容。動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù)（有規(guī)則的環(huán)境），而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術(shù)，兩者的有機結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。

2、實時三維圖形生成技術(shù)。三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其關(guān)鍵是如何實現(xiàn)“實時”生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15幀/秒，最好是高于30幀/秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術(shù)的研究內(nèi)容。

3、立體顯示和傳感器技術(shù)。虛擬現(xiàn)實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實遠遠不能滿足系統(tǒng)的需要，例如，數(shù)據(jù)手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點；虛擬現(xiàn)實設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍有待于提高，因此有必要開發(fā)新的三維顯示技術(shù)。

4、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具。虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當?shù)膽?yīng)用對象可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動強度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。為了達到這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具。例如，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)平臺、分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)等。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展趨勢

虛擬現(xiàn)實技術(shù)日趨完善和提高，預期該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢為：

1、硬件技術(shù)的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實所要求的超級計算、圖形圖像處理、圖像投影及交互等虛擬環(huán)境構(gòu)建硬件技術(shù)將得到持續(xù)的發(fā)展，成本大幅度下降，從而促進虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用和普及。

2、開發(fā)平臺虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展。利用Intel微機硬件平臺+Linux自由軟件平臺+中低檔圖形、數(shù)字投影設(shè)備構(gòu)建經(jīng)濟型中低檔VR系統(tǒng)，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個重要發(fā)展方向和現(xiàn)實途徑。

3、協(xié)同分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)已經(jīng)由單機系統(tǒng)發(fā)展到分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，現(xiàn)在人們正在向支持協(xié)同工作的分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)即協(xié)同虛擬現(xiàn)實（CVR）系統(tǒng)發(fā)展。

4、可視化區(qū)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。可視化區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（VAN）的目標是實現(xiàn)全球化用戶用各種設(shè)備對可視化系統(tǒng)系統(tǒng)的交互訪問，以及可視化協(xié)同工作。VAN由高性能的可視化服務(wù)端（負責數(shù)據(jù)的存儲管理、可視化計算等任務(wù)）、寬帶網(wǎng)絡(luò)和客戶端組成。

5、多感知能力的發(fā)展。未來理想的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)將提供人類所具有的一切感知能力，包括視覺、聽覺、觸覺、甚至味覺和嗅覺。