第四章第十节虚拟现实技术
概念的提出
VR是Virtual Reality的缩写，中文的意思就是虚拟现实，这一概念是在20世纪80年代初提
出来的，其具体是指借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段。1992年
美国国家科学基金资助的交互式系统项目工作组的报告中对VR提出了较系统的论述，并确定
和建议了未来虚拟现实环境领域的研究方向。
可以认为，虚拟现实技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术
等多种科学技术，它在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，能使用户具有身临其境的沉
浸感，具有与环境完善的交互作用能力，并有助于启发构思。所以说，沉浸—交互—构想是
VR环境系统的三个基本特性。
虚拟技术的核心是建模与仿真。当前，VR已不在局限于计算机图像领域，它已涉及更广的领
域，如电视会议、网络技术和分布计算技术，并向分布式虚拟现实发展。虚拟现实技术已成
为新产品设计开发的重要手段。
深入浅出说VR
VR思想的起源可追溯到1965年Ivan Sutherland在IFIP会议上的《终极的显示》报告，而Vir
tual Reality一词是80年代初美国VPL公司的创建人之一Jaron Lanier提出来的。VR系统在
若干领域的成功应用，导致了它在90年代的兴起。虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种
领域的应用过程中的结晶和反映，不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行
处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信，甚至与气象、地理、
美学、心理学和社会学等相关。
总的来说，实物虚化、虚物实化和高性能的计算处理技术是VR技术的3个主要方面。实
物虚化是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。
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
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。
然而，不能把虚拟现实和模拟仿真混淆，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
以及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等同真实环境的感受和体验。
分布式虚拟现实技术
分布式虚拟现实可以看作是基于网络的虚拟现实系统，是可供多用户同时异地参与的分
布式虚拟环境，处于不同地理位置的用户如同进入到同一个真实环境中，通过姿势、声音或
文字等“在一起”进行交流、学习、训练、娱乐，甚至协同完成同一件复杂产品的设计或进
行同一任务的演练。
目前，分布式虚拟现实的研究基于两类网络平台。一是在Internet上，可追溯到早期基
于文本的多参与者游戏MUD，还有基于VRML标准的远程虚拟购物等。虚拟现实建模语言是一
种可以发布3D网页的跨平台语言，可提供一种更自然的体验方式，包括交互性、动态效果、
延续性以及用户的参与探索。
另一类则是在高速专用网上，如采用ATM技术的美国军方的国防仿真互联网。最早的分
布式虚拟战场环境则是1983年美国陆军制定的虚拟环境研究计划，这一计划将分散在不同地
点的地面坦克、车辆仿真器通过计算机网络联合在一起，进行各种复杂任务的训练和作战演
练。从1994年开始，美国陆军与美国大西洋司令部联合开展了战争综合演练场的研究，建成
了一个包括海陆空多兵种、有3 700多个仿真实体参与的地域范围覆盖500公里×750公里的
军事演练环境。
我们的生活从此改变
目前，人类在许多领域面临着越来越多前所未有而又必须解决和突破的问题，例如，载人
航天、核试验、核反应堆维护、包括新武器系统在内的大型产品的设计研究、气象及自然灾
害预报、医疗手术的模拟与训练以及我们前面谈到的多兵种军事联合训练与演练等。如果按
传统的方法解决这些问题，必然要花费巨额资金，投入巨大的人力，消耗过长的时间，甚至
要承担人员伤亡的风险。VR技术的产生和发展，为解决和处理这些问题提供了新方法和新途
径，必将对社会、对人们的生活产生 巨大影响。目前VR技术的应用除了军事领域外
，主要集中在以下几个方面：
首先是用于产品设计与性能评价。波音777飞机的设计是虚拟原型机的应用典型实例，这是
飞机设计史上第一次在设计过程中没有采用实物模型。波音777由300万个零件组成，所有的
设计在一个由数百台计算机工作站组成的虚拟环境中进行。设计师们戴上头盔显示器后，可
以穿行于设计中的虚拟“飞机”，审视“飞机”的各项设计指标。
其次是教育与娱乐领域。将VR技术应用于教育，可以使学生能够游览海底、遨游太空、
观摩历史城堡，甚至深入原子内部观察电子的运动轨迹和体验爱因斯坦的相对论世界，从而
更形象地获取知识，激发思维。能使用户“沉浸”于和谐轻松的人机环境的VR技术在娱乐业
也有着极其广泛的应用。第一个大规模的VR娱乐系统“Battle Tech"，将每个“座舱”仿真
器联网进行组之间的对抗，3D逼真视景、游戏杆、油门、刹车和受到打击时的晃动给用户很
强的感官刺激。
VR还可以应用于高难度和危险环境下的作业训练。如医疗手术训练的VR系统，用我们已
经掌握的人体数据在计算机中重构人体或某一器官的几何模型，并赋予一定的物理特征（例
如密度、韧度、组织比例等），通过机械手或数据手套等高精度的交互工具在计算机中模拟
手术过程，以达到训练、研究的目的。美国宇航局和欧洲空间局曾成功地将VR技术应用于航
天运载器的空间活动、空间站的操作和对哈勃太空望远镜维修方面的地面训练。