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5、虚拟现实的应用6

5.1军事6

5.2文化教育6

5.3计算机6

5.4医学7

6、未来发展展望7

7、结束语9

参考文献：

9

虚拟现实技术的应用

摘要：

虚拟现实技术是多功能的交互技术,该文介绍了虚拟现实技术及其发展过程、概念特征、研究内容以及应用的主要领域,并且结合虚拟现实技术的应用展望了虚拟现实技术的发展前景。

虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的融合，是一门富有挑战幽交叉技术【1】。

关键词：

虚拟现实技术;

分布式虚拟环境;

交互技术;

心理学

1、虚拟现实系统

虚拟现实技术（VirtualReality简称VR）是20世纪末才兴起的一门崭新的综合信息技术，实时的三维空间表现能力、自然的人机交互式操作环境以及给人带来的身临其境的感受，将从根本上改变人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，为人机交互技术开创新的研究领域。

虚拟现实技术是一门实用性技术，是个在当今国际上备受关注的新型课题。

目前，它在航空航天、科学、军事、机械工程、设计规划、教育培训等诸多方面起着越来越重要的其他技术无法替代的作用，而未来它的潜在价值也必将对整个人类生活与发展带来十分广泛的冲击和变革【2】。

l994年Burdea和Coifet描述了VirtualReality的3个基本特征，即想象、交互和沉浸，（3I，ImaginationInteractionImmersion）。

因VR技术的硬件、软件和领域不周，3I的偏重也各有不同。

想象是指虚拟现实技术具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，可再现真实环境，也可以随意构想客观不存在的环境；

沉浸即临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度，虚拟现实能提供给用户一个真实的虚拟环境，用户在其生理和心理的角度上，对虚拟环境难以分辨真假，如同在现实世界中的感觉；

交互是指用户实时地对虚拟空间的对象进行操作和反馈【3】。

多感知交互是虚拟现实的灵魂。

为了更真实地表现虚拟现实中人的心理和生理的感觉，日本于2004年开发出一种嗅觉模拟器【4】，2009年3月英国的工程和物理科学研究会上展示了能提供味觉、嗅觉和皮肤温度感受的原型虚拟茧【5】。

虚拟现实技术的原理如图l【6】所示，人在物理交互空间通过传感器集成等设备与由计算机硬和VR引擎产生的虚拟环境交互。

立体显示原来如图2【2】，多感知交互模型

如图3【6】所示：

图1虚拟现实技术原理

图2立体显示原理

图3多感知交互模型

2、虚拟现实系统的划分

虚拟现实系统根据用户参与形式的不同一般分为4种模式：

桌面式、沉浸式、增强式和分布式。

桌面式使用普通显示器或立体显示器作为用户观察虚拟境界的一个窗口；

沉浸式可以利用头盔式显示器、位置跟踪器、数据手套和其他设备，使得参与者获得置身真实情景的感觉；

增强式是把真实环境和虚拟环境组合在一起，使用户既可以看到真实世界，又可以看到叠加在真实世界的虚拟对象；

分布式是将异地不同用户联结起来，对同一虚拟世界进行观察和操作，共同体验虚拟经历，如用于部队联合训练的作战仿真互联网【7】。

3、虚拟现实硬件

硬件产品在虚拟现实系统的发展中具有非常重要的作用，以至于人们将虚拟现实描述为“头盔式显示器、数据手套”，而忽略了其最本质的定义，即“真实感体验”【8】。

虚拟现实技术硬件的关键是计算机技术的发展。

高速计算和传输才能实时产生更逼真的体验，避免发生计算和传输滞后带来心理疾病。

支持虚拟现实的计算机一般是图形工作站。

微机系统的发展，性价比高，虚拟现实技术得以从实验室和专用机构发展到社会的各个领域。

沉浸感离不开头盔显示器（Helmet-MountedDisplays），第1个头盔显示器于1966年由MIT林肯实验室研制成功。

立体眼镜用于3D模拟场景的观察，它利用液晶光阀高速切换左右眼图像原理，是经济实用的VR观察设备。

1985年产生了第1个数据手套，集成了传感器技术和光纤技术等，能感知手指关节的弯曲状态，精确定位，产生力反馈，能进行抓取、移动和旋等动作。

1987年发明了多方位体验真实感体验的传感数据服。

三维空间跟踪定位器是VR系统中用于空间跟踪定位的装置，有6个自由度和3个自由度之分。

3D立体显示器可以实现三维模型的立体显示，观察者无须戴立体眼镜。

立体投影系统是指采用多台投影机组合而成的多通道大屏幕展示系统，更具冲击力和沉浸感效果【18】。

4、虚拟现实软件

VR技术的发展是与VR软件相辅相成的。

OpenGL是通用共享的开放式三维图形标准；

WorldToolKit（WTK）是提供完整的三维虚拟环境开发平台；

Vega主要应用于实时视觉模拟；

OpenInventor是面向对象和交互式的专业3D图形开发工具包；

OpenGVS用于场景图形的实时开发；

EON是实时视觉效果与物理机制以及真实的人体动作有机结合体；

VRML和X3D常用于基于Intemet的网络虚拟现实；

AVS/Express涉及工程分析、航空航天、遥感和国防等领域；

STK用于航天和卫星的虚拟仿真；

STAGEScenario是作战指挥等高度灵活开放的开发平台；

CG2VTree是基于便携平台的图象开发包；

VRAX和NavMode的沉浸感做得比较好【9】；

VirSSPA通常用于虚拟医学手术流程【10】；

VEStudio主要应用在三维地理信息、展示和古迹复原等。

国内虚拟现实软件包的研发相对美欧国家较晚，主要有WEBMAX、VRP、“通用分布式虚拟现实软件开发平台”fl0J、北京航空航天大学的分布交互仿真开发与运行平台BHHLA/RTIl【11】、华南农业大学的“视景仿真系统”【12】等。

5、虚拟现实的应用

虚拟现实技术正在广泛地应用于军事、建筑、工业仿真、考古、医学、文化教育、农业和计算机技术等方面，改变了传统的人机交换模式。

5.1军事

在军事领域，虚拟现实在提高军队训练质量、节省训练经费，缩短武器装备的研制周期，提高指挥决策水平等方面都发挥着极其重要的作用。

如海湾战争的美国士兵对周边的环境不觉得陌生，是由于虚拟现实曾把他们带入那漫无边际的风尘黄沙，让他们“身临其境”感受到大漠的荒凉。

虚拟军事训练有3种训练模式：

单兵模拟训练、近战战术训练和联合指挥训练。

单兵模拟训练包含战斗机虚拟训练模拟器；

近战战术训练供作战人员在人工合成环境中完成作战训练任务；

联合指挥训练是在网络技术的支持下，在VR环境下进行对抗作战演习和训练，如同在真实的战场上。

此外，虚拟制造技术也广泛应用于武器的研制上【18】。

5.2文化教育

VR技术已改变了传统教育模式，由督促教学的被动学习模式转变为学习者通过自身与信息环境的相互作用获取知识、技能的主动学习模式。

虚拟实验室可以让学生亲身经历如太空旅行、化合物分子结构显示等比传统教学更加具有t湖艮力的校园学习。

虚拟实训基地可用于驾驶等传统职业技能训练技术和虚拟消防训练【13】，国外的虚拟消防训练已经深入儿童群体【14】。

5.3计算机

丰富的感觉能力和三维显示使得VR技术成为理想的视频游戏工具。

3D游戏一般基于情节驱动【15】，而国内学者已研发出利用机械信息和生物芯片获取人体信息驱动游戏角色的健身器械【16】。

VR技术是基于计算机技术发展起来的，同时又给了计算机技术新的灵感，虚拟机和虚拟化的概念是值得关注的战略技术和趋势。

物理机领域拥有的特性已经快速向虚拟化领域迁移，如基于虚拟环境的虚拟交换机、虚拟网络加速设备和基于虚拟机的容错能力等【17】。

5.4医学

VR技术可用于手术过程的规划，进行人体解剖仿真，外科手术仿真等。

利用虚拟的医疗手术治疗系统，对患者进行远程救治。

l994年英国曼斯特皇家医院成立了欧洲第一个虚拟现实开发中心，用于最小刺入疗法。

2003年初，我国第一军医大学宣布完成了国内首例女虚拟人的数据采集。

首都医科大学对虚拟中国女性数据集的高分辨率可视化和上海交通大学对虚拟人体运动建模的研究各有特色【1】。

6、未来发展展望

VR技术在军事上对未来研究与应用体现在下述几个方面：

控制无人作战武器（如：

飞机、坦克等），利用战场发回各种信息（实景图像、数据等）生成虚拟战场，通过人机协调共同分析和进行战事指挥；

培训官兵，提高他们的作战、指挥、适应和生存能力；

虚拟军事地图和已发生的战争再现。

在各种领域的设计上，虚拟环境下产品的研究与开发，以提高企业的创新能力，提高设计制造速度、减少开发人员、开发用的一切硬件资源，使企业降低成本。

虚拟环境下的产品研究与开发，未来要解决的关键问题是开发过程中的知识熔合（KnowledgeFusion），将不同领域的知识嵌入产品开发过程中、考虑产品初建模和建模过程中零部件的各种公差与误差以及公差评判，从根本上解决虚拟产品模型的精确性、可靠性、实用性、标准性和创新性，并且适应不同层次、类型的企业，使之能获最大利益。

在医学上，完成医学虚拟系统是2l世纪的一项具有意义的挑战，其中的不同类型的虚拟人体是人类科学工作者一项复杂而艰巨的任务。

基于VR的远程医疗、心理学方面的研究与应用是一项很有潜力的应用领域。

VR技术在城市规划、设计、建设、决策等方面有着极大的发展前景，将成为研究的热点。

在文化教育上可解决硬件资源的不足，VR在科学可视化的应用，可在网上进行虚拟实验、虚拟训练，使学习者可以获取、掌握各种科学知识和技能。

VR在网上快速运行是目前要研究和解决的问题，JaronLanier正在研发一种与平台无关的软件使VR技术在网上快速运行实现。

随着网络技术的硬件和VR软件的发展，在网上实现VR将进一步完善，分布式VR技术是一个重要方向。

基于虚拟现实技术的各类标准的制订是一个涉及面广的多学科艰巨的任务，是我国军事、工程技术、文化教育等领域健康、规范和快速发展的有效措施。

基于VR的多通道的交互技术，满足不同用户的需求是VR的发展向之一。

简单、方便、智能、高精度、实用和经济的VR硬件设备，建模与人机交互是该技术应用和研究的热点。

基于VR的硬件设备的创新与开发大有潜力，知识产权保护和人材培养是VR技术在我国发展的要点。

VR源于现实又超出现实，将对科学、工程、文化教育和认知等各领域及人类生活产生深刻的影响，VR将无处不在。

VR技术是发展的，其特性、概念、硬件设备也是发展的。

它正朝着满足人类的不同需要的方向发展，造福于人类【1】。

娱乐和艺术应用。

加拿大Albert大学为艺术家研制了署期虚拟环境工作站,在工业界赞助下,艺术家有机会溶于科学家中,并学会如何使用虚拟设备和虚拟环境工具,创造出可表达他们思想的虚拟世界。

教育与培训的应用。

美国佛罗里达中央大学已开发出用于公众教育的,低成本的网络虚拟环境Explornet,学生们可以在其上玩游戏,还可以在提问下解决各种教学问题。

每个参加者在屏幕上有一个模拟象,并放在共享世界中,网上所有的ＰＣ（在任何地方:

学校或各个城市）都可显示在这个世界,当一个学生移动他的模拟象或执行动作时,所有参与者都能看到结果。

7、结束语

虚拟现实技术是本世纪发展的重要技术之一，未来虚拟现实技术将会是一门走向成熟的科学和艺术,是一种全新的信息处理方式。

它将会在各行各业中得到应用，

并且发挥神奇的作用。

二十一世纪将是虚拟现实技术的时代。

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