虚拟现实技术原理解析

“现实”是泛指在物理意义上和功能意义上并在世界上存在的任何事物或环境，它既可以是可实现的，也可以是难以实现的或者根本无法实现的。“虚拟”的意思是不“真实”的，一般是用电子计算机生成的。因此，虚拟现实指的是电子计算机构造出的一种特殊环境，人们可以通过应用各种特殊装置将自己植入到这个环境中，并且可以操作、控制这个特殊环境，人可以在这个环境中作各种操作，人主宰着这个环境。

虚拟现实技术起源于美国，开始于20世纪50～60年代，是一种模拟人类视觉、听觉、触觉等感知行为的高度逼真的人机交互技术，是在数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、人机接口技术、仿真技术及传感技术等很多信息技术基础上发展起来的一门多学科的交叉技术。从本质上来说，虚拟现实也就是基于电子计算机的一种先进的用户接口，它提供给用户视觉，听觉等直观的交互手段，方便用户的操作。虚拟现实技术生成的虚拟世界和三维动画技术形成的虚拟世界有根本性的区别，VR技术构造的虚拟世界是依据真实数据建立的模型，属于科学仿真系统，操纵者可以身临其境的体验三维空间，实时感受到运动带来的场景变化，具有双向互动的功能。

一个典型的虚拟现实系统主要由计算机系统、输入模块、输出模块、虚拟环境数据库及虚拟现实软件五部分组成，如图5-1所示。其中，输入模块用来接收来自操作者的信息，包括数据手套、三维球、自由度鼠标、生物传感器、头部跟踪器及语音输入设备等部件；输出模块负责接收人对VR系统虚拟环境下得到的身临其境的感觉，包括三维图像的生成与显示、三维声音处理和触觉等；虚拟环境数据库存储全部虚拟环境中所需物体的所有信息，比如物体的物理性质、行为、几何和材质等；VR软件的功能是设计并处理操作者在该虚拟环境当中遇到的场景和实体。

图5-1 典型的虚拟现实系统

VR系统的工作过程是：操作者通过输入设备如数据手套、话筒等将视、听、感等输入信号传递给计算机，VR软件接收这些信号并对其进行分析处理，紧接着虚拟环境数据库作出适当调整来适应操作者所在的新环境，同时把新的场景如视物的改变信息传递给输出设备，操作者便能及时体验到新的效果。(www.xing528.com)

虚拟现实技术在不同领域中具有不同的用处，它的表现形式也是不固定的。在实际应用中，根据操作者参与VR的形式不同（即沉浸程度的高低和交互程度的不同），将虚拟现实系统划分为以下四种类型^［1］：

1）桌面虚拟现实系统（Desktop VR）。桌面虚拟现实系统是基于普通个人计算机平台或初级图形工作站的小型虚拟现实系统，亦称窗口虚拟现实系统。它利用中低端图形工作站及立体显示器，采用立体图形、自然交互等技术，建立交互虚拟场景，参与者使用位置跟踪器、数据手套、力反馈器、三维鼠标或其他手控输入设备操控虚拟世界，实现与虚拟世界的交互。

2）沉浸式虚拟现实系统（Immersive VR）。沉浸式虚拟现实系统是利用头盔显示器把用户的视觉、听觉和其他感觉器官封闭起来，提供一个新的虚拟的空间，使人产生一种沉浸在虚拟环境中的错觉，给用户一种置身于真实世界的体验，具有高度的沉溺感。

3）分布式虚拟现实系统（Distributed VR）。分布式虚拟现实系统是一个基于网络的可供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境。在这个环境中，位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接，或者多个用户同时参加一个虚拟现实环境，通过计算机与其他用户进行交互，并共享信息。

4）增强式虚拟现实系统（Augmented Reality）。增强式虚拟现实系统也被称之为混合现实，它是通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，两种信息相互补充、叠加，并同时存在于同一个画面或者空间中，真实世界和虚拟世界融合在一起，真正达到亦真亦幻的境界。