導(dǎo)語：虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用研究論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)是二十世紀(jì)末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，在最近幾年發(fā)展迅速，其應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計到教育、軍事、娛樂和醫(yī)學(xué)等許多行業(yè)。本文概述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念、基本特征和技術(shù)分類，提出了虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，闡述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用和優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；沉浸；交互；想象；

VirtualReality；Immersion；Interaction；Imagination

1、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualRealityTechnology）是一項綜合集成技術(shù)，它的出現(xiàn)是計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機接口技術(shù)以及人工智能技術(shù)等交叉與綜合的結(jié)果。它利用計算機生成逼真的三維視覺、聽覺、嗅覺等各種感覺，使用戶通過適當(dāng)裝置，自然地對虛擬現(xiàn)實世界進行體驗和交互作用。簡單地說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是用計算機創(chuàng)造現(xiàn)實世界。

2、虛擬現(xiàn)實技術(shù)特征

1993年BurdeaG在Electro93國際會議上發(fā)表的“VirtualRealitySystemandApplication”一文中，提出了虛擬現(xiàn)實技術(shù)三個特征，即：沉浸感、交互性、想象性。

沉浸感是指用戶可以沉浸于計算機生成的虛擬環(huán)境中和使用戶投入到計算機生成的虛擬場景中的能力，用戶在虛擬場景中有“身歷其境”之感。它所看到的、聽到的、嗅到的、觸摸到的，完全與真實環(huán)境中感受的一樣。它是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心。

交互性是指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力。它是人機和諧的關(guān)鍵性因素。用戶進入虛擬環(huán)境后，通過多種傳感器與多維化信息的環(huán)境發(fā)生交互作用，用戶可以進行必要的操作，虛擬環(huán)境中做出的相應(yīng)響應(yīng)，亦與真實的一樣，如拿起虛擬環(huán)境中的一個籃球，你可以感受到球的重量，扔在地上還可以彈跳。交互性包含對象的可操作程度及用戶從環(huán)境中得到反饋的自然程度、虛擬場景中對象依據(jù)物理學(xué)定律運動的程度等，例如，當(dāng)物體受到力的作用時，物體會沿著力的方向移動、翻到或者從桌面落到地面等。

想象性是指通過用戶沉浸在“真實的”虛擬環(huán)境中，與虛擬環(huán)境進行了各種交互作用，從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識，從而可以深化概念，萌發(fā)新意，產(chǎn)生認(rèn)識上的飛躍。因此，虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個用戶與終端的接口，而且可以使用戶沉浸于此環(huán)境中獲取新的知識，提高感性和理性認(rèn)識，從而產(chǎn)生新的構(gòu)思。這種構(gòu)思結(jié)果輸入到系統(tǒng)中去，系統(tǒng)會將處理后的狀態(tài)實時顯示或由傳感裝置反饋給用戶。如此反復(fù)，這是一個學(xué)習(xí)——創(chuàng)造——再學(xué)習(xí)——再創(chuàng)造的過程，因而可以說，虛擬現(xiàn)實是啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維的活動。

3、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的分類

虛擬現(xiàn)實是從英文VirtualReality一詞翻譯過來的，Virtual就是虛假的意思，Reality就是真實的意思，合并起來就是虛擬現(xiàn)實，也就是說本來沒有的事物和環(huán)境，通過各種技術(shù)虛擬出來，讓你感覺到就如真實的一樣。

實際應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可分為四類：

一、桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，也稱窗口中的虛擬現(xiàn)實。它可以通過桌上型機實現(xiàn)，所以成本較低，功能也最簡單，主要用于CAD（計算機輔助設(shè)計）、CAM（計算機輔助制造）、建筑設(shè)計、桌面游戲等領(lǐng)域。

二、沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，如各種用途的體驗器，使人有身臨其境的感覺，各種培訓(xùn)、演示以及高級游戲等用途均可用這種系統(tǒng)。

三、分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它在因特網(wǎng)環(huán)境下，充分利用分布于各地的資源，協(xié)同開發(fā)各種虛擬現(xiàn)實的利用。它通常是浸沉虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展，也就是把分布于不同地方的沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，通過因特網(wǎng)連接起來，共同實現(xiàn)某種用途。美國大型軍用交互仿真系統(tǒng)NPSNet以及因特網(wǎng)上多人游戲MUD便是這類系統(tǒng)。

四、增強現(xiàn)實又稱混合現(xiàn)實系統(tǒng)。它是把真實環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來的一種系統(tǒng)，既可減少構(gòu)成復(fù)雜真實環(huán)境的開銷（因為部分真實環(huán)境由虛擬環(huán)境取代），又可對實際物體進行操作（因為部分系統(tǒng)即系真實環(huán)境），真正達(dá)到了亦真亦幻的境界，是今后發(fā)展的方向。

4、虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的瓶頸

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展過程中遇到的問題很多，可以歸結(jié)為3大難題：

4．1虛擬現(xiàn)實設(shè)備的“貴族化”。要構(gòu)建一個高質(zhì)量的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，首先需要昂貴的外部設(shè)備，無論是高分辯率的頭盔顯示器HMD，還是立體投影顯示器，無論是空間定位器，還是高精度的數(shù)據(jù)手套，都是價格不菲。其次，為完成復(fù)雜場景的實時渲染，還需要高性能的圖形工作站以及相應(yīng)的軟件。在一些專用領(lǐng)域，但普通的信息系統(tǒng)用戶可能會望而卻步。

4．2繁瑣的三維建模。基于圖形的虛擬環(huán)境首先要解決的問題便是三維造型。當(dāng)圖形渲染技術(shù)在向?qū)崿F(xiàn)真實感大踏步前進的時候，生成精確三維模型的過程還像二十幾年前一樣困難。在三維激光掃描技術(shù)上的進步提供了簡化模型構(gòu)造過程的一些承諾。然而，這些自動化模型獲取方法也驗證了真實世界的幾何是極端復(fù)雜的。大部分的模型仍需要人工繪制，而且需要聘請高水平的專業(yè)人士，所以其費用是相當(dāng)驚人的。比如在電影《坦克尼克號》中，為實現(xiàn)場景三維建模及各種特技處理所花的人工費用高達(dá)2500萬美元，這筆錢足以制造一艘同樣規(guī)模的真船。繁瑣的三維建模也是制約虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的嚴(yán)重障礙。

4．3數(shù)據(jù)量大。虛擬現(xiàn)實技術(shù)要想得到很大的發(fā)展，需要與Internet結(jié)合，這恐怕已是不爭的事實。目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量仍然很大，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)整體速度較慢的情況下，Internet用戶必須等待較長時間，這往往令人難以忍受。我們應(yīng)該在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中考慮數(shù)據(jù)壓縮問題，這個問題可能現(xiàn)在還未引起人們的重視，但是隨著應(yīng)用的深入，這是一個不可回避的問題。

5、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景和優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛，Helsel與Doherty在1993年對全世界范圍內(nèi)已經(jīng)進行的805項虛擬現(xiàn)實研究項目作了統(tǒng)計，結(jié)果表明：目前在娛樂、教育及藝術(shù)方面的應(yīng)用占據(jù)主流，其次是軍事與航空，醫(yī)學(xué)，商業(yè)，另外在可視化計算、制造業(yè)等方面也有相當(dāng)?shù)谋戎亍Ｏ旅婧喴榻B其部分應(yīng)用。

（1）醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用大致上有兩類。一是虛擬人體，也就是數(shù)字化人體，這樣的人體模型醫(yī)生更容易了解人體的構(gòu)造和功能。另一是虛擬手術(shù)系統(tǒng)，可用于指導(dǎo)手術(shù)的進行。

Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個SGI工作站建立了一個虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器，用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺與手術(shù)燈，虛擬的外科工具（如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等），虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺手套，使用者可以對虛擬的人體模型進行手術(shù)。但該系統(tǒng)有待進一步改進，如需提高環(huán)境的真實感，增加網(wǎng)絡(luò)功能，使其能同時培訓(xùn)多個使用者，或可在外地專家的指導(dǎo)下工作等。

（2）娛樂、藝術(shù)與教育豐富的感覺能力與3D顯示環(huán)境使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂方面對虛擬現(xiàn)實的真實感要求不是太高，故近些年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)在該方面發(fā)展最為迅猛。如Chicago（芝加哥）開放了世界上第一臺大型可供多人使用的虛擬現(xiàn)實娛樂系統(tǒng)，其主題是關(guān)于3025年的一場未來戰(zhàn)爭；英國開發(fā)的稱為“Virtuality”的虛擬現(xiàn)實游戲系統(tǒng)，配有HMD，大大增強了真實感；1992年的一臺稱為“LegealQust”的系統(tǒng)由于增加了人工智能功能，使計算機具備了自學(xué)習(xí)功能，大大增強了趣味性及難度，使該系統(tǒng)獲該年度虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品獎；

（3）軍事與航天工業(yè)模擬與練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個重要課題，這為虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用前景。美國國防部高級研究計劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱為SIMNET的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)，以提供坦克協(xié)同訓(xùn)1練，該系統(tǒng)可聯(lián)結(jié)200多臺模擬器。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬戰(zhàn)爭過程已成為最先進的多快好省的研究戰(zhàn)爭、培訓(xùn)指揮員的方法。戰(zhàn)爭實驗室在檢驗預(yù)定方案用于實戰(zhàn)方面也能起巨大作用。1991年海灣戰(zhàn)爭開始前，美軍便把海灣地區(qū)各種自然環(huán)境和伊拉克軍隊的各種數(shù)據(jù)輸入計算機內(nèi)，進行各種作戰(zhàn)方案模擬后才定下初步作戰(zhàn)方案。后來實際作戰(zhàn)的發(fā)展和模擬實驗結(jié)果相當(dāng)一致。

（5）商業(yè)虛擬現(xiàn)實技術(shù)常被用于推銷。例如建筑工程投標(biāo)時，把設(shè)計的方案用虛擬現(xiàn)實技術(shù)表現(xiàn)出來，便可把業(yè)主帶入未來的建筑物里參觀，如門的高度、窗戶朝向、采光多少、屋內(nèi)裝飾等，都可以感同身受。它同樣可用于旅游景點以及功能眾多、用途多樣的商品推銷。因為用虛擬現(xiàn)實技術(shù)展現(xiàn)這類商品的魅力，比單用文字或圖片宣傳更加有吸引力。

（6）科技開發(fā)虛擬現(xiàn)實技術(shù)可縮短開發(fā)周期，減少費用。例如克萊斯勒公司1998年初便利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在設(shè)計某兩種新型車上取得突破，首次使設(shè)計的新車直接從計算機屏幕投入生產(chǎn)線，也就是說完全省略了中間的試生產(chǎn)。由于利用了卓越的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使克萊斯勒避免了1500項設(shè)計差錯，節(jié)約了8個月的開發(fā)時間和8000萬美元費用。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以進行汽車沖撞試驗，不必使用真的汽車便可顯示出不同條件下的沖撞后果。

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)和理論分析、科學(xué)實驗一起，成為人類探索客觀世界規(guī)律的三大手段。用它來設(shè)計新材料，可以預(yù)先了解改變成分對材料性能的影響。在材料還沒有制造出來之前便知道用這種材料制造出來的零件在不同受力情況下是如何損壞的。

以上僅列出虛擬現(xiàn)實技術(shù)的部分應(yīng)用前景，可以預(yù)見，在不久的將來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會影響甚至改變我們的觀念與習(xí)慣，并將深入到人們的日常工作與生活。

6、總結(jié)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是本世紀(jì)發(fā)展的重要技術(shù)之一，作為一門科學(xué)和藝術(shù)將會不斷走向成熟，在各行各業(yè)中將得到廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮神奇的作用，二十一世紀(jì)將是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的時代。

當(dāng)然，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還是一門年輕的科學(xué)技術(shù)，尚存在不少有待解決的問題。例如，在計算機生成的虛擬環(huán)境中，操作者每次轉(zhuǎn)動頭部，計算機必須更新三維圖像，由于更新的數(shù)據(jù)太大，以致計算機還無法完成實時運算。這就造成了系統(tǒng)滯后。再如，美空軍的虛擬現(xiàn)實模擬器產(chǎn)生的視覺運動信號與人的感覺之間也存在差異，容易引起頭痛、眩暈等。

但不管怎樣，虛擬現(xiàn)實技術(shù)畢竟開辟了富有發(fā)展?jié)摿Φ男骂I(lǐng)域，它會隨著時間的推移日臻完善，發(fā)揮的作用也將會越來越大。

7、參考文獻

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