虚拟现实技术概念及应用研究

在《庄子·齐物论》中记载了“庄周梦蝶”的故事：庄周梦见自己变成蝴蝶，很生动逼真的一只蝴蝶，感到多么愉快和惬意啊！不知道自己原本是庄周。突然间醒过来，惊惶不定之间方知原来是我庄周。不知是庄周梦中变成蝴蝶呢，还是蝴蝶梦见自己变成庄周呢？“庄周梦蝶”是庄子借由其故事所提出的一个哲学论点，其探讨的哲学课题是作为认识主体的人究竟能不能确切地区分真实和虚幻。随着科学技术的发展，这种“虚”与“实”的辩证关系得到了进一步的诠释。虚拟现实（Virtual Reality，VR）是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉，可以实时、没有限制地观察三维空间内的事物。

虚拟现实是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能、计算机仿真、立体显示、计算机网络、并行处理与高性能计算等技术和领域，它用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、触觉等感觉，使人作为参与者通过适当的装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传感，产生临场感。中华人民共和国国务院2006年2月9日发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中提到大力发展虚拟现实这一前沿技术，重点研究心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学和多媒体技术等多学科融合的技术，研究医学、娱乐、艺术与教育、军事及工业制造管理等多个相关领域的虚拟现实技术和系统。2009年2月，美国工程院评出21世纪14项重大科学工程技术，虚拟现实技术是其中之一。

概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实中的“现实”泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。虚拟现实不但在军事、医学、设计、考古、艺术以及娱乐等诸多领域得到越来越多的应用，而且带来巨大的经济效益。在某种意义上说，它将改变人们的思维方式，甚至会改变人们对世界、自己、空间和时间的看法。它是一项发展中的、具有深远的潜在应用方向的新技术，正成为继理论研究和实验研究之后第三种认识、改造客观世界的重要手段。通过虚拟环境所保证的真实性，用户可以根据在虚拟环境中的体验、对所关注的客观世界中发生的事件做出判断和决策。虚拟现实开辟了人类科研实践、生产实践和社会生活的崭新图式。

虚拟现实概念和研究目标的形成与相关科学技术，特别是计算机科学技术的发展密切相关。计算机的出现给人类社会的许多方面都带来极大的冲击，它的影响力远地超出了技术的范畴。计算机的出现和发展已经在几乎所有的领域都得到了广泛的应用，甚至可以说计算机已经成为现代科学技术的支柱。当我们对目前已取得的信息技术的成就进行分析时，既要充分肯定历史上的各种计算机所发挥过的重要作用，又要客观地认识到现有计算机应用的局限性和不足之处。人们目前使用冯·诺依曼结构的计算机，必须把大脑中部分属于并发的、联想的、形象的和模糊的思维强行翻译成计算机所能接受的串行的、刻板的、明确的和严格遵守形式逻辑规则的机器指令，这种翻译过程不仅十分烦琐和机械，而且技巧性很强，同时还要因不同的机器而异。机器所能接受和处理的也仅是数字化的信息，未受过专业化训练的一般用户仍很难直接使用这种计算机。因此，在真正向计算机提出需求的用户和计算机系统之间存在着一条鸿沟，被求解的问题越综合、越形象、越直觉、越模糊，用户和计算机之间的鸿沟就越宽。人们从主观愿望出发，十分迫切地想与计算机建立一个和谐的人机环境，使我们认识客观问题时的认识空间与计算机处理问题时的处理空间尽可能地一致。把计算机只善于处理数字化的单维信息改变为计算机也善于处理人能所感受到的、在思维过程中所接触到的、除了数字化信息之外的其他各种表现形式的多维信息。(www.xing528.com)

计算机科学工作者有永恒的三大追求目标：使计算机系统更快速、更聪明和更适人。硬件技术仍将得到飞速的发展，但已不是单纯地提高处理速度，而是在提高处理速度的同时，更着重于提高人与信息社会的接口能力。正如美国数学家、图灵奖得主Richard Hamming所言：计算的目的是洞察，而不是数据。人们需要以更直观的方式去观察计算结果、操纵计算结果，而不仅是通过打印输出或屏幕窗口显示计算结果的数据。另一方面，传统上人们通过键盘、鼠标、打印机等设备向计算机输入指令和从计算机获得计算结果。为了使用计算机，人们不得不首先熟悉这些交互设备，然后将自己的意图通过这些设备间接地传给计算机，最后以文字、图表、曲线等形式得到处理结果。这种以计算机为中心、让用户适应计算机的传统的鼠标、键盘、窗口等交互方式严重地阻碍了计算机的应用。随着计算机技术的发展，交互设备的不断更新，用户必须重新熟悉新的交互设备。实际上，人们更习惯于日常生活中的人与人、人与环境之间的交互方式，其特点是形象、直观、自然。通过人的多种感官接收信息，如可见、可听、可说、可摸、可拿等，这种交互方式也是人所共有的，对于时间、地点的变化是相对不变的。为了建立起方便、自然的人与计算机的交互环境，就必须适应人类的习惯，实现人们所熟悉和容易接受的形象、直观和自然的交互方式。人不仅要求能通过打印输出或显示屏幕上的窗口，从外部去观察处理的结果，而且要求能通过人的视觉、听觉、触觉、嗅觉以及形体、手势或口令，参与到信息处理的环境中去，从而获得身临其境的体验。这种信息处理系统已不再是建立在一个单维的数字化信息空间上，而是建立在一个多维化的信息空间中，建立在一个定性和定量相结合，感性认识和理性认识相结合的综合集成环境中。Myron Krueg研究“人工现实”的初衷就是“计算机应该适应人，而不是人适应计算机”，他认为人类与计算机相比，人类的进化慢得多，人机接口的改进应该基于相对不变的人类特性。

目前，CPU的处理能力已不是制约计算机应用和发展的障碍，最关键的制约因素是人机交互技术（Human-Computer Interaction，HCD）。人机交互是研究人（用户、使用者）、计算机以及它们之间相互影响的技术；人机界面（User Interface）是人机交互赖以实现的软硬件资源，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口。人机交互技术是和计算机的发展相辅相成的。一方面，计算机速度的提高使人机交互技术的实现变为可能；另一方面，人机交互对计算机的发展起着引领作用。正是人机交互技术造就了辉煌的个人计算机时代（20世纪八九十年代），鼠标、图形界面对PC的发展起到了巨大的促进作用。人机界面是计算机系统的重要组成部分，它的开发工作量占系统的40%～60%。在虚拟现实技术中，人机交互不再仅借助键盘、鼠标、菜单，还采用头盔、数据手套和数据衣等，甚至向“无障碍”的方向发展，最终的计算机应能对人体有感觉，聆听人的声音，通过人的所有感官传递反应。虚拟现实技术采用人与人之间进行交流的方式（而不是以人去适应计算机及其设备的方式）实现人与机器之间的交互，从根本上改变人与计算机系统的交互操作方式。

20世纪80年代以来，随着计算机技术、网络技术等新技术的高速发展及应用，虚拟现实技术发展迅速，并呈现多样化的发展势态，其内涵已经大大扩展。现在，虚拟现实技术不仅指那些高档工作站、头盔式显示器等一系列昂贵设备采用的技术，而且包括一切与其有关的具有自然交互、逼真体验的技术与方法。虚拟现实技术的目的在于达到真实的体验和面向自然的交互，因此只要是能达到上述部分目标的系统就可以称为虚拟现实系统。