探究虚拟现实的基本内容

虚拟现实的三大特征是：沉浸、交互、创意。以虚拟现实创建的虚拟环境，强调人参与其中的身临其境的沉浸感，同时人与虚拟环境之间可以进行多维信息的交互作用，参与者从定性和定量综合集成的虚拟环境中可以获得对客观世界中客观事物的感知和理性的认识，从而深化概念和创建新的构想和创意。

虚拟现实是客观事物在计算机上的本质实现。客观事物包括：人、物、环境以及他们之间的关系。例如，人的决策行动和响应特性，物体的几何形状与物理特性（动力学、反射特性、声学特性、光照模型、物理约束）以及地形地貌、气象条件、背景干扰等环境。

虚拟现实和模拟仿真容易在概念上引起混淆，两者是有一定区别的。概括地说，虚拟现实是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技术拓展。我们可以举一个烟尘干扰下能见度计算的例子来说明这个问题：在构建分布式虚拟环境基础信息平台应用过程中，经常会有由燃烧源产生的连续变化的烟尘干扰环境能见度的计算，从而影响环境的视觉效果、仿真实体的运行和决策。某些仿真平台和图形图像生成系统也研究烟尘干扰下的能见度计算，仿真平台强调烟尘的准确物理模型、干扰后的能见度精确计算以及对仿真实体的影响程度；图形图像生成系统着重于建立细致的几何模型，估算光线穿过烟尘后的衰减。而虚拟环境中烟尘干扰下的能见度计算，不但要考虑烟尘的物理特性，遵循烟尘运动的客观规律，计算影响仿真结果的相关数据，而且要生成用户能通过视觉感知的逼真图形效果，使用户在实时运行的虚拟现实系统中产生真实环境的感受和体验。可以说，虚拟现实是传统系统仿真技术的发展和延伸，又称为现代仿真技术。

VR技术的三个主要方面是实物虚化、虚物实化和高性能的计算处理技术。

1.实物虚化

实物虚化是指现实世界空间向多维信息化空间的一种映射，主要包括：基本模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉跟踪和视点感应等关键技术，这些技术使得真实感虚拟世界的生成、虚拟环境对用户操作的检测和操作数据的获取成为可能。它具体基于以下几种技术：

（1）漫游技术 它是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，将真实世界的对象物体在相应的3D虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性。例如，车辆在柏油地、草地、沙地和泥地上行驶时情况会有所不同，或对气象数据进行建模生成虚拟环境的气象情况（阴天、晴天、雨、雾）等。通过VR技术制作的虚拟焊接间场景如图1-2所示。

图1-2 虚拟焊接间场景

（2）空间跟踪技术 空间跟踪技术主要是通过头盔显示器、数据手套、数据衣等常用的交互设备上的空间传感器，确定用户的头、手、躯体或其他操作物在3D虚拟环境中的位置和方向。(www.xing528.com)

（3）声音跟踪技术 利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差等进行虚拟环境的声音跟踪。

（4）视觉跟踪与视点感应技术 使用从视频摄像机到X-Y平面阵列、周围光或者跟踪光在图像投影平面不同时刻和不同位置上的投影，计算被跟踪对象的位置和方向。

2.虚物实化

虚物实化是指确保用户从虚拟环境中获取同真实环境中一样或相似的视觉、听觉、力觉和触觉等感官认知的关键技术。能否让参与者产生沉浸感的关键因素除了视觉和听觉感知外，还有用户能否在操纵虚拟物体的同时，感受到虚拟物体的反作用力，从而产生触觉和力觉感知。力觉感知主要由计算机通过力反馈手套、力反馈操纵杆对手指产生运动阻尼从而使用户感受到作用力的方向和大小。触觉反馈主要是基于视觉、气压感、振动触感、电子触感和神经、肌肉模拟等方法来实现的。虚拟现实头盔和数据手套如图1-3所示。

图1-3 虚拟现实头盔和数据手套

3.高性能计算处理技术

高性能计算处理技术主要包括数据转换和数据预处理技术，实时、逼真图形图像生成与显示技术，多种声音的合成与声音空间化技术，多维信息数据的融合、数据压缩以及数据库的生成技术，命令识别、语音识别以及手势和人的面部表情信息的检测等在内的模式识别技术，分布式与并行计算以及高速、大规模的远程网络技术。