一、概述
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱靈境技術(shù)，它是二十世紀(jì)末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，它融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支，從而大大推進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)就是要利用各種先進(jìn)的硬件技術(shù)及軟件工具，設(shè)計(jì)出合理的硬件、軟件及交互手段，使參與者能交互式地觀察和操縱系統(tǒng)生成的虛擬世界。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是目前計(jì)算機(jī)界比較熱門的一項(xiàng)技術(shù)。它是用計(jì)算機(jī)模擬的三維環(huán)境對(duì)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境進(jìn)行仿真，用戶可以走進(jìn)這個(gè)環(huán)境，可以控制瀏覽方向，并操縱場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行人機(jī)交互。
從概念上講，任何一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都可以用三個(gè)I來(lái)描述其特性，這就是沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和想象(Imagination)。這三個(gè)I反映了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，就是系統(tǒng)與人的充分交互，它強(qiáng)調(diào)人在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的主導(dǎo)作用。
有關(guān)專家預(yù)言，21世紀(jì)初，人類將迅速進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)的嶄新技術(shù)時(shí)代。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)20多年的研究探索，于20世紀(jì)80年代末走出實(shí)驗(yàn)室，開始進(jìn)入實(shí)用化階段。目前，世界上少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家在經(jīng)濟(jì)、藝術(shù)乃至軍事等領(lǐng)域，已開始廣泛應(yīng)用這種高新技術(shù)，并取得了顯著的綜合效益。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分虛擬實(shí)景(境)技術(shù)(如虛擬游覽故宮博物館)與虛擬虛景(境)技術(shù)(如虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境生成、虛擬設(shè)計(jì)的波音 777飛機(jī)等)兩大類。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和交叉領(lǐng)域非常廣泛，幾乎到了無(wú)所不包、無(wú)孔不入的地步，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，虛擬現(xiàn)實(shí)作戰(zhàn)指揮模擬，飛機(jī)、船舶、車輛虛擬現(xiàn)實(shí)駕駛訓(xùn)練，飛機(jī)、導(dǎo)彈、輪船與轎車的虛擬制造(含系統(tǒng)的虛擬設(shè)計(jì))，虛擬現(xiàn)實(shí)建筑物的展示與參觀，虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)培訓(xùn)，虛擬現(xiàn)實(shí)游戲，虛擬現(xiàn)實(shí)影視藝術(shù)等等方面的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)的形成都有強(qiáng)烈的市場(chǎng)需求和技術(shù)驅(qū)動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，不僅從根本上改變?nèi)藗兊墓ぷ鞣绞胶蜕罘绞?，勞和逸將真正結(jié)合起來(lái)，人們?cè)谙硎墉h(huán)境中工作，在工作過(guò)程中得到享受；而且虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與美術(shù)、音樂(lè)等文化藝術(shù)的結(jié)合，將誕生人類的第九藝術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為可能。
二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)
虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要達(dá)到以下目標(biāo)：
第一、要使參與者有真實(shí)的體驗(yàn)。這種體驗(yàn)就是沉浸或投入，即全心地進(jìn)入，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是產(chǎn)生在虛擬世界中的幻覺。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)達(dá)到用戶難以分辯真假的程度，甚至比真的還真。這種沉浸感的意義在于可以使用戶集中注意力。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，就必須具有多感知的能力，理想的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)具備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。
第二、系統(tǒng)要能提供方便的、豐富的、主要是基于自然技能的人機(jī)交互手段。這些手段使得參與者能夠?qū)μ摂M環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的操縱，能從虛擬環(huán)境中得到反饋信息，也能便系統(tǒng)了解參與者的關(guān)鍵部位的位置、狀態(tài)、變形等各種系統(tǒng)需要知道的數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)性是非常重要的，如果在交互時(shí)存在較大的延遲，與人的心理經(jīng)驗(yàn)不一致，就談不上以自然技能的交互，也很難獲得沉浸感。為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，高速計(jì)算和處理就必不可少。參與者在虛擬環(huán)境中的活動(dòng)或者經(jīng)歷有兩種形式，一種是主觀參與(First-person activities)，另一種是客觀參與(Second-personactivities)。主觀參與時(shí)，參與者是整個(gè)經(jīng)歷的中心，一切圍繞參與者進(jìn)行；客觀參與時(shí)參與者則可以在虛擬環(huán)境中看到他自己與其它物體的交互。
交互和沉浸是任何虛擬現(xiàn)實(shí)經(jīng)歷的兩個(gè)實(shí)質(zhì)性的特征，因此，根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的不同，即沉浸的程度，它可以分成不同的類別。早期的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可能只有部分虛擬現(xiàn)實(shí)的特性，例如環(huán)幕電影或立體電影。有的應(yīng)用也不需要完全的沉浸和投入，例如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，不同虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)和所受約束各不相同。例如，受資金限制裝備不上最先進(jìn)的硬件設(shè)備，或是硬件本身性能達(dá)不到要求，這樣系統(tǒng)的計(jì)算速度、交互手段可能要受到影響，此時(shí)只能從軟件上著手彌補(bǔ)缺陷，產(chǎn)生了許多基于軟件的技術(shù)，例如基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、虛擬仿真等。由于虛擬現(xiàn)實(shí)本身并不限制使用的技術(shù)范圍，只要能達(dá)到目標(biāo)，可以把各種技術(shù)有效地集成起來(lái)設(shè)計(jì)出一個(gè)成功的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。三、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)分為分布式虛擬現(xiàn)實(shí)和非分布式虛擬現(xiàn)實(shí)兩種體系結(jié)構(gòu)。
非分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)--真實(shí)用戶環(huán)境VUE(Veridical UserEnvironment),它是一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)、按照一組規(guī)則來(lái)處理并發(fā)事件的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它將單個(gè)的虛擬世界分解成多個(gè)Client/Server 進(jìn)程，這些進(jìn)程可以在不同的處理器上執(zhí)行，并通過(guò)消息傳遞相互通信。系統(tǒng)包含3個(gè)VR部件：設(shè)備服務(wù)器(device servers)、應(yīng)用進(jìn)程(application processes--也作為一種服務(wù)器進(jìn)程來(lái)管理)和會(huì)話管理DM(Dialogue Manager)。設(shè)備管理器管理輸入輸出設(shè)備；會(huì)話管理是設(shè)備服務(wù)器的客戶程序，同時(shí)又是應(yīng)用進(jìn)程的服務(wù)器，它定義了虛擬世界的交互規(guī)則，并協(xié)調(diào)和傳遞輸入設(shè)備服務(wù)器產(chǎn)生的事件到應(yīng)用進(jìn)程，然后將響應(yīng)事件傳遞到輸出設(shè)備服務(wù)器，會(huì)話管理通過(guò)異步消息傳遞來(lái)與其他服務(wù)器通信，并按照規(guī)則傳遞事件。
分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一個(gè)支持多人實(shí)時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，每個(gè)用戶在一個(gè)VR環(huán)境(真實(shí)感3D立體圖形，立體聲)中通過(guò)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)與其他用戶進(jìn)行交互。DVR的研究開發(fā)工作早在20世紀(jì)80年代處就開始了，近年來(lái)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展更進(jìn)一步推進(jìn)了DVR的研究和開發(fā)。
1)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征
DVR系統(tǒng)應(yīng)該具有以下個(gè)方面的特征：
　?、俟蚕淼奶摂M工作空間；
　?、趥螌?shí)體的行為真實(shí)感；
　?、壑С謱?shí)時(shí)交互，共享時(shí)鐘；
　?、芏鄠€(gè)用戶以多種方式相互通信；
　　⑤資源信息共享以及允許用戶自然操作環(huán)境中對(duì)象。
　　2)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的需求
DVR系統(tǒng)有4個(gè)基本組成部件：圖形顯示器、通信和控制設(shè)備、處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。DVR系統(tǒng)是分布式系統(tǒng)和VR系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，其需求可從以下兩個(gè)方法來(lái)闡述：VR本身需求和分布式系統(tǒng)的需求。
VR 需求分布式系統(tǒng)需求：
多種形式的繪制（圖形、聲音和文字等）命令服務(wù)
低延遲，高更新速率需求——服務(wù)配置
處理多種輸入設(shè)備的能力資源查找及定位
碰撞檢測(cè)數(shù)據(jù)的分布存貯
導(dǎo)航和視點(diǎn)控制動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡
虛擬世界構(gòu)造設(shè)施安全性管理
場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)管理多播通信
復(fù)雜行為建模連續(xù)媒體支持 VR最本質(zhì)的特征用戶對(duì)虛擬場(chǎng)景的沉浸，根據(jù)用戶參與VR的不同形式以及沉浸的程度不同，我們可以把各種類型的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)劃分四類：
1) 桌面級(jí)的虛擬現(xiàn)實(shí)
桌面虛擬現(xiàn)實(shí)利用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站進(jìn)行仿真，計(jì)算機(jī)的屏幕用來(lái)作為用戶觀察虛擬境界的一個(gè)窗口，各種外部設(shè)備一般用來(lái)駕馭虛擬境界，并且有助于操縱在虛擬情景中的各種物體。這些外部設(shè)備包括鼠標(biāo)，追蹤球，力矩球等。它要求參與者使用位置跟蹤器和另一個(gè)手控輸入設(shè)備，如鼠標(biāo)，追蹤球等，坐在監(jiān)視器前，通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕觀察360度范圍內(nèi)的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時(shí)參與者并沒(méi)有完全投入，因?yàn)樗匀粫?huì)受到周圍現(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾。桌面級(jí)的虛擬現(xiàn)實(shí)最大特點(diǎn)是缺乏完全投入的功能，但是成本也相對(duì)低一些，因而，應(yīng)用面比較廣。常見桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有：
基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：這種技術(shù)不采用傳統(tǒng)的利用計(jì)算機(jī)生成圖像的方式，而采用連續(xù)拍攝的的圖像和視頻，在計(jì)算機(jī)中拼接以建立的實(shí)景化虛擬空間，這使得高度復(fù)雜和高度逼真的虛擬場(chǎng)景能夠以很小的計(jì)算代價(jià)得到，從而使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可能在PC平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。
VRML(虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言)：它是一種在Internet網(wǎng)上應(yīng)用極具前景的技術(shù)，它采用描述性的文本語(yǔ)言描述基本的三維物體的造型，通過(guò)一定的控制，將這些基本的三維造型組合成虛擬場(chǎng)景，當(dāng)瀏覽器瀏覽這些文本描述信息時(shí)，在本地進(jìn)行解釋執(zhí)行，生成虛擬的三維場(chǎng)景。VRML的最大特點(diǎn)在于利用文本描述三維空間，大大減少了在Internet網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而使得需要大量數(shù)據(jù)的虛擬現(xiàn)實(shí)得以在Internet網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)。
桌面CAD系統(tǒng)：利用Open GL、DirectDraw等桌面三維圖形繪制技術(shù)對(duì)虛擬世界進(jìn)行建模，通過(guò)計(jì)算機(jī)的顯示器進(jìn)行觀察，并有能自由地控制的視點(diǎn)和視角。這種技術(shù)在某種意義上來(lái)說(shuō)也是一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算來(lái)生成三維模型，模型的復(fù)雜度和真實(shí)感受桌面計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制。
2) 投入的虛擬現(xiàn)實(shí)
高級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供完全投入的功能，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來(lái)，并提供一個(gè)新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中、并能全心投入和沉浸其中的感覺。常見的沉浸式系統(tǒng)有：
基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)：在這種系統(tǒng)中，參與虛擬體驗(yàn)者要戴上一個(gè)頭盔式顯示器，視聽覺與外界隔絕，根據(jù)應(yīng)用的不同，系統(tǒng)將提供能隨頭部轉(zhuǎn)動(dòng)而隨之產(chǎn)生的立體視覺、三維空間。通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)服裝等先進(jìn)的接口設(shè)備，從而使參與者以自然的方式與虛擬世界進(jìn)行交互，如同現(xiàn)實(shí)世界一樣。這是目前沉浸度最高的一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。
投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：它可以讓參與者從一個(gè)屏幕上看到他本身在虛擬境界中的形象，為此，使用中電視技術(shù)中的鍵控的技術(shù)，參與者站在某一純色(通常為蘭色)背景下，架在參與者前面的攝像機(jī)捕捉參與者的形象，并通過(guò)連接電纜，將圖像數(shù)據(jù)傳送給后臺(tái)處理的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將參與者的形象與純色背景分開，換成一個(gè)虛擬空間，與計(jì)算機(jī)相連的視頻投影儀將參與者的形象和虛擬境界本身一起投射到參與者觀看的屏幕上，這樣，參與者就可以看到他自己在虛擬空間中的活動(dòng)情況。參與者還可以與虛擬空間進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互，計(jì)算機(jī)可識(shí)別參與者的動(dòng)作，并根據(jù)用戶的動(dòng)作改變虛擬空間，比如來(lái)回拍一個(gè)虛擬的球或走動(dòng)等，這可使得參與者感覺就象是在真實(shí)空間中一樣。
遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)：遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)是一種虛擬現(xiàn)實(shí)與機(jī)器人控制技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)，當(dāng)某處的參與者操縱一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)時(shí)，其結(jié)果卻在另一個(gè)地方發(fā)生，參與者通過(guò)立體顯示器獲得深度感，顯示器與遠(yuǎn)地的攝像機(jī)相連；通過(guò)運(yùn)動(dòng)跟蹤與反饋裝置跟蹤操作員的運(yùn)動(dòng)，反饋遠(yuǎn)地的運(yùn)動(dòng)過(guò)程(如阻尼、碰撞等)，并把動(dòng)作傳送到遠(yuǎn)地完成。
3) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界、仿真現(xiàn)實(shí)世界，而且要利用它來(lái)增強(qiáng)參與者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，也就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中無(wú)法感知或不方便感知感受。這種類型虛擬現(xiàn)實(shí)典型的實(shí)例是戰(zhàn)機(jī)飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數(shù)和武器瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而可集中精力盯著敵人的飛機(jī)和導(dǎo)航偏差。
4)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)
如果多個(gè)用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時(shí)參加一個(gè)虛擬空間，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷，那虛擬現(xiàn)實(shí)則提升到了一個(gè)更高的境界，這就是分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。目前最典型的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是作戰(zhàn)仿真互聯(lián)網(wǎng)和SIMNET，作戰(zhàn)仿真互聯(lián)網(wǎng)(Defense Simulation Internet， DSI)是目前最大的VR項(xiàng)目之一。該項(xiàng)目是由美國(guó)國(guó)防部推動(dòng)的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，目的是使各種不同的仿真器可以在巨型網(wǎng)絡(luò)上互聯(lián)，它是美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局1980年提出的SIMNET計(jì)劃的產(chǎn)物。SIMNET由坦克仿真器(Cab類型的)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接而成，用于部隊(duì)的聯(lián)合訓(xùn)練。通過(guò)SIMNET，位于德國(guó)的仿真器可以和位于美國(guó)的仿真器一樣運(yùn)行在同一個(gè)虛擬世界，參與同一場(chǎng)作戰(zhàn)演習(xí)。