關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR），是一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說，就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生“沉浸”于等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。VR帶來了人機(jī)交互的新概念、新內(nèi)容、新方式和新方法，使得人機(jī)交互的內(nèi)容更加豐富、形象，方式更加自然、和諧。
虛擬現(xiàn)實(shí)是高度發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)在各種領(lǐng)域的應(yīng)用過程中的結(jié)晶和反映，它具有以下主要特征：
（1）依托學(xué)科的高度綜合化；
（2）人的臨場(chǎng)化；
（3）系統(tǒng)或環(huán)境的大規(guī)模集成化；
（4）數(shù)據(jù)表示的多樣化和標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的大容量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚倩c數(shù)據(jù)處理的分布式和并行化。
實(shí)物虛化、虛物實(shí)化和高性能的計(jì)算處理技術(shù)是VR技術(shù)的三個(gè)主要方面。實(shí)物虛化是將現(xiàn)實(shí)世界的多維信息映射到計(jì)算機(jī)的數(shù)字空間生成相應(yīng)的虛擬世界，為高性能的計(jì)算處理提供必要的信息數(shù)據(jù)。虛物實(shí)化通過各種計(jì)算和仿真技術(shù)使計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界中的事物所產(chǎn)生的各種刺激以盡可能自然的方式反饋給用戶。
1.實(shí)物虛化
實(shí)物虛化主要包括基本模型構(gòu)建、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤和視點(diǎn)感應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)使得真實(shí)感虛擬世界的生成、虛擬環(huán)境對(duì)用戶操作的檢測(cè)和操作數(shù)據(jù)的獲取成為可能。
2.虛物實(shí)化
確保用戶在虛擬環(huán)境中獲取視覺、聽覺、力覺和觸覺等感官認(rèn)知的關(guān)鍵技術(shù)，是虛物實(shí)化的主要研究?jī)?nèi)容。
3.高性能計(jì)算處理技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高新科技，高性能的計(jì)算處理技術(shù)是直接影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。
4. 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)
分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的研究目標(biāo)是建立一個(gè)可供多用戶同時(shí)異地參與的分布式虛擬環(huán)境，處于不同地理位置的用戶如同進(jìn)入到一個(gè)真實(shí)世界，不受物理時(shí)空的限制，通過姿勢(shì)、聲音或文字等“在一起”進(jìn)行交流、學(xué)習(xí)、研討、訓(xùn)練、娛樂，甚至協(xié)同完成同一件比較復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)或進(jìn)行同一艱難任務(wù)的演練。
分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的研究有兩大陣營(yíng)。一個(gè)是國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)，如基于VRML標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程虛擬購(gòu)物。另一個(gè)是在由軍方投資的高速專用網(wǎng)，如采用ATM技術(shù)的美國(guó)軍方國(guó)防仿真互聯(lián)網(wǎng)DSI。
VR技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，為解決和處理要巨額資金和巨大人力投入，或者不得不承擔(dān)人員傷亡危險(xiǎn)的各種問題提供了新方法，目前VR技術(shù)的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：
1.產(chǎn)品設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)
波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)是虛擬原型機(jī)的應(yīng)用典型實(shí)例，它由300萬個(gè)零件組成，所有的設(shè)計(jì)在一個(gè)由數(shù)百臺(tái)工作站組成的虛擬環(huán)境中進(jìn)行。
1996年，加州伯克利分校在SGI工作站上實(shí)現(xiàn)了本校新樓Soda Hall的實(shí)時(shí)漫游。我國(guó)北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化新技術(shù)研究室，也完成了恒昌花園及其房?jī)?nèi)裝修、虛擬北航等漫游系統(tǒng)的開發(fā)，目前正在為國(guó)家科技館建造一個(gè)珠穆朗瑪峰及其周邊環(huán)境的漫游系統(tǒng)。
2.教育與娛樂
將VR技術(shù)應(yīng)用于教育可以使學(xué)生能夠游覽海底、遨游太空、觀摩歷史城堡，甚至深入原子內(nèi)部觀察電子的運(yùn)動(dòng)軌跡。分布式虛擬圖書館突破了物理時(shí)空的限制并有效地利用了共享資源，基于國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的分布式虛擬圖書館具有巨大的前景。
VR技術(shù)在娛樂業(yè)有著極其廣泛的應(yīng)用。第一個(gè)大規(guī)模的VR娛樂系統(tǒng)“BattleTech”，將每個(gè)“座艙”仿真器聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行組之間的對(duì)抗，三維逼真視景、游戲桿、油門、剎車和受到打擊時(shí)的晃動(dòng)給用戶很強(qiáng)的感官刺激。
3.高難度和危險(xiǎn)環(huán)境下的訓(xùn)練
服務(wù)于醫(yī)療手術(shù)訓(xùn)練的VR系統(tǒng)，用CT或MRI數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中重構(gòu)人體或某一器官的幾何模型，并賦予一定的物理特征（例如密度、韌度、組織比例等），并通過機(jī)械手或數(shù)據(jù)手套等高精度的交互工具在計(jì)算機(jī)中模擬手術(shù)過程，以達(dá)到訓(xùn)練、研究的目的。
美國(guó)的NASA和ESA(歐洲空間局)曾成功地將VR技術(shù)應(yīng)用于航天運(yùn)載器的空間活動(dòng)、空間站的自由操作和對(duì)哈勃空間的維修。
4.分布式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境
軍事領(lǐng)域是VR技術(shù)最早研究和應(yīng)用的領(lǐng)域。最早的分布式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境應(yīng)該是1983年DARPA和美國(guó)陸軍共同制定的SIMNET研究計(jì)劃。從1994年開始，美國(guó)DARPA與USACOM聯(lián)合開展了戰(zhàn)爭(zhēng)綜合演練場(chǎng)STOW的研究,形成了一個(gè)包括海陸空多兵種、3700個(gè)仿真實(shí)體參與、地域范圍覆蓋500×750km2的軍事演練環(huán)境。
我國(guó)從1996年起，國(guó)家863計(jì)劃支持下的DVENET，是由北京航空航天大學(xué)聯(lián)合浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院、解放軍測(cè)繪學(xué)院和中科院軟件所等單位開發(fā)的一個(gè)分布式虛擬環(huán)境基礎(chǔ)信息平臺(tái)。基于DVENET的分布式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，將分布在不同地域的若干真實(shí)仿真器和虛擬仿真器聯(lián)合在一起，進(jìn)行異地協(xié)同與對(duì)抗戰(zhàn)術(shù)仿真演練。
虛擬現(xiàn)實(shí)是高度發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)在各種領(lǐng)域的應(yīng)用過程中的結(jié)晶和反映，它具有以下主要特征：
（1）依托學(xué)科的高度綜合化；
（2）人的臨場(chǎng)化；
（3）系統(tǒng)或環(huán)境的大規(guī)模集成化；
（4）數(shù)據(jù)表示的多樣化和標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的大容量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚倩c數(shù)據(jù)處理的分布式和并行化。
實(shí)物虛化、虛物實(shí)化和高性能的計(jì)算處理技術(shù)是VR技術(shù)的三個(gè)主要方面。實(shí)物虛化是將現(xiàn)實(shí)世界的多維信息映射到計(jì)算機(jī)的數(shù)字空間生成相應(yīng)的虛擬世界，為高性能的計(jì)算處理提供必要的信息數(shù)據(jù)。虛物實(shí)化通過各種計(jì)算和仿真技術(shù)使計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界中的事物所產(chǎn)生的各種刺激以盡可能自然的方式反饋給用戶。
1.實(shí)物虛化
實(shí)物虛化主要包括基本模型構(gòu)建、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤和視點(diǎn)感應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)使得真實(shí)感虛擬世界的生成、虛擬環(huán)境對(duì)用戶操作的檢測(cè)和操作數(shù)據(jù)的獲取成為可能。
2.虛物實(shí)化
確保用戶在虛擬環(huán)境中獲取視覺、聽覺、力覺和觸覺等感官認(rèn)知的關(guān)鍵技術(shù)，是虛物實(shí)化的主要研究?jī)?nèi)容。
3.高性能計(jì)算處理技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高新科技，高性能的計(jì)算處理技術(shù)是直接影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。
4. 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)
分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的研究目標(biāo)是建立一個(gè)可供多用戶同時(shí)異地參與的分布式虛擬環(huán)境，處于不同地理位置的用戶如同進(jìn)入到一個(gè)真實(shí)世界，不受物理時(shí)空的限制，通過姿勢(shì)、聲音或文字等“在一起”進(jìn)行交流、學(xué)習(xí)、研討、訓(xùn)練、娛樂，甚至協(xié)同完成同一件比較復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)或進(jìn)行同一艱難任務(wù)的演練。
分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的研究有兩大陣營(yíng)。一個(gè)是國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)，如基于VRML標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程虛擬購(gòu)物。另一個(gè)是在由軍方投資的高速專用網(wǎng)，如采用ATM技術(shù)的美國(guó)軍方國(guó)防仿真互聯(lián)網(wǎng)DSI。
VR技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，為解決和處理要巨額資金和巨大人力投入，或者不得不承擔(dān)人員傷亡危險(xiǎn)的各種問題提供了新方法，目前VR技術(shù)的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：
1.產(chǎn)品設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)
波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)是虛擬原型機(jī)的應(yīng)用典型實(shí)例，它由300萬個(gè)零件組成，所有的設(shè)計(jì)在一個(gè)由數(shù)百臺(tái)工作站組成的虛擬環(huán)境中進(jìn)行。
1996年，加州伯克利分校在SGI工作站上實(shí)現(xiàn)了本校新樓Soda Hall的實(shí)時(shí)漫游。我國(guó)北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化新技術(shù)研究室，也完成了恒昌花園及其房?jī)?nèi)裝修、虛擬北航等漫游系統(tǒng)的開發(fā)，目前正在為國(guó)家科技館建造一個(gè)珠穆朗瑪峰及其周邊環(huán)境的漫游系統(tǒng)。
2.教育與娛樂
將VR技術(shù)應(yīng)用于教育可以使學(xué)生能夠游覽海底、遨游太空、觀摩歷史城堡，甚至深入原子內(nèi)部觀察電子的運(yùn)動(dòng)軌跡。分布式虛擬圖書館突破了物理時(shí)空的限制并有效地利用了共享資源，基于國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的分布式虛擬圖書館具有巨大的前景。
VR技術(shù)在娛樂業(yè)有著極其廣泛的應(yīng)用。第一個(gè)大規(guī)模的VR娛樂系統(tǒng)“BattleTech”，將每個(gè)“座艙”仿真器聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行組之間的對(duì)抗，三維逼真視景、游戲桿、油門、剎車和受到打擊時(shí)的晃動(dòng)給用戶很強(qiáng)的感官刺激。
3.高難度和危險(xiǎn)環(huán)境下的訓(xùn)練
服務(wù)于醫(yī)療手術(shù)訓(xùn)練的VR系統(tǒng)，用CT或MRI數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中重構(gòu)人體或某一器官的幾何模型，并賦予一定的物理特征（例如密度、韌度、組織比例等），并通過機(jī)械手或數(shù)據(jù)手套等高精度的交互工具在計(jì)算機(jī)中模擬手術(shù)過程，以達(dá)到訓(xùn)練、研究的目的。
美國(guó)的NASA和ESA(歐洲空間局)曾成功地將VR技術(shù)應(yīng)用于航天運(yùn)載器的空間活動(dòng)、空間站的自由操作和對(duì)哈勃空間的維修。
4.分布式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境
軍事領(lǐng)域是VR技術(shù)最早研究和應(yīng)用的領(lǐng)域。最早的分布式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境應(yīng)該是1983年DARPA和美國(guó)陸軍共同制定的SIMNET研究計(jì)劃。從1994年開始，美國(guó)DARPA與USACOM聯(lián)合開展了戰(zhàn)爭(zhēng)綜合演練場(chǎng)STOW的研究,形成了一個(gè)包括海陸空多兵種、3700個(gè)仿真實(shí)體參與、地域范圍覆蓋500×750km2的軍事演練環(huán)境。
我國(guó)從1996年起，國(guó)家863計(jì)劃支持下的DVENET，是由北京航空航天大學(xué)聯(lián)合浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院、解放軍測(cè)繪學(xué)院和中科院軟件所等單位開發(fā)的一個(gè)分布式虛擬環(huán)境基礎(chǔ)信息平臺(tái)。基于DVENET的分布式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，將分布在不同地域的若干真實(shí)仿真器和虛擬仿真器聯(lián)合在一起，進(jìn)行異地協(xié)同與對(duì)抗戰(zhàn)術(shù)仿真演練。
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