【摘 要】虚拟现实是一项综合性计算机图形交互技术，在最近几年发展迅速，其应用领域涉及计算机图形学等许多方面。计算机图形学是该项技术的理论和技术基础。计算机图形学的发展带动了虚拟现实技术的进步，同时虚拟现实技术在各领域中的广泛应用也使图形学的各个研究方向得到充分发展。
【关键词】虚拟现实;计算机;仿真;应用
0.引言
科学技术日新月异的发展,给当今世界的制造技术带来了一场空前的技术革命,虚拟现实技术就这样应运而生了。 相信“虚拟现实”对许多人来说都不陌生。 虽然它出现在各种媒体上的时间不长,但它给人们展现的是一门神奇的技术,能把人类带入各种梦幻般的境界,因而引起人们的广泛关注。 其实,虚拟现实是一种技术,是能应用到许多领域的一个十分严肃的研究课题,正在飞速发展,但虚拟现实系统中还有大量的问题没有解决,还是一个很有吸引力的研究领域。 本文将就虚拟现实技术的基本概念、应用、发展进行一系列的探讨。
1.虚拟现实的概念
虚拟现实 (Virtual Reality， 简称 VR; 又译作灵境) 是由美国VPLResearch 公 司 的 奠 基 人 JaronLaNIe 于 1989 年 提 出 了VirtualReality 一词，用以统一表述当前纷纷涌现的各种借助计算机技术及最新研制的传感装置所创建的一种崭新的模拟环境。它是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、人工智能等领域。 它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互，最终使得参与者产生身临其境感觉。
2.虚拟现实的特征
虚拟现实系统就是要利用各种先进的硬件技术和软件工具,设计出合理的硬件、软件及交互手段,是参与者能交互地观察和操纵系统生成的虚拟世界。 从概念上讲,任何一个虚拟现实系统都要产生“多感知 (multi-sensory)”、“沉浸 (Immersion)”、“交互 (Interaction)”、“构想(Imagination)”的特征,交互性和沉浸性是任何虚拟现实经历的两个实质性的特性:
多感知性是指除了计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、力觉感知、运动感知、味觉感知和嗅觉感知等。沉浸性是使参与者有“真实”的体验,就是产生在虚拟世界中的幻觉,完全沉浸于计算机生成的虚拟环境中,有身临其境的感觉而不是旁观者。
交互性是指系统要提供方便的、丰富的、主要是基于自然技能的人机交互手段。 用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力,在虚拟现实所创设的虚拟环境中用户可以通过多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用,进行必要的操作。
3.虚拟现实技术的发展现状
美国是虚拟现实技术研究的发源地, 第一个虚拟设备是在 1962年由 Morton Heiling 设计的“全传感仿真器”,该仿真器仿真骑车穿越纽约市的过程,“骑车人”能感受到风,感受到路面的颠簸,当经过饭店时,“骑车人”甚至能闻到食品的香味。 在航空航天领域，虚拟现实仿真技术发挥了极大的作用，并取得了骄人的成就。以波音 777 客机为例，波音公司在设计该型号飞机时， 采用了当时最为先进的虚拟现实技术，整个飞机的设计完全是在虚拟环境中完成的，实际的运行中证明了真实情况与虚拟环境中的情况完全一致， 大大缩短了产品上市时间，从而节约了大量不可预见的成本，提高产品的竞争力。在我国虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比还有很大的一段距离,但是近十年来虚拟现实技术已经得到了相当的重视。 国家科委国防科工委都已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目,国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用并取得了一些不错的研究成果,北京航空航天大学计算机系是国内最早进行虚拟现实技术研究的单位之一。 在虚拟环境中物体物理特性的表示、分布式虚拟环境网络设计、实时三维动态数据库开发等方面都取得了很多有意义的成果。 此外,他们还成功研制了虚拟现实演示环境、虚拟现实应用系统开发平台等实用系统。清华大学计算机科学和技术系主要对虚拟现实的沉浸感进行了研究,例如对球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都提出了不少独特的方法。
4.虚拟现实可视化的实现
在综合分析国内外三维虚拟化数字城市建设相关技术的基础上，并结合现有城市的实际情况，在建设过程中大胆使用新技术、新方法，在综合分析现有三维虚拟景观建设相关技术的基础上，制定了以下总体技术框架。
我们在虚拟化三维建模中使用的是模型帖纹理的方法，用这种方法的好处是可以节约数据量， 同时也增强模型的逼真度和可观赏性，所以纹理也是 3D 模型栩栩如生的关键。结合遥感影像、现有二维空间信息，我们已经得到建筑物的精细三维信息。 进一步利用这些信息和三维模型库中模型和纹理信息实现建筑物的三维建模，其建模流程如下图所示。
最后将模型，道路及附属模型导入场景中组合在一起，并对场景中的灯光、日照进行调节，使之形成城市三维可视化场景。
5.虚拟现实多媒体实验室的建立
在虚拟现实技术发展日新月异的今天, 传统的基于单台 PC 或图形机的虚拟现实平台随着场景复杂度的提高及场景细节丰富程度的增加,其单屏显示方式已无法满足用户对沉浸感及大视野的需求。为了获得更大的显示尺寸、更宽的视野、更高的显示分辨率,更具冲击力和沉浸感的视觉效果,多通道视景仿真系统应运而生。
多通道环幕(立体)投影系统是指采用多台投影机组合而成的多通道大屏幕展示系统， 它比普通的标准投影系统具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率，以及更具冲击力和沉浸感的视觉效果， 将一个视场角视景分成彼此连续的多个部分,每个部分分别进行渲染,然后重新组成一幅流畅、完整的画面。
多通道多媒体实验室根据投影技术的展现手法上可分为以下几类：
1)多通道平面投影系统的屏幕采用平面的正投或背投幕 ，采用 2、3、或 4 通道，经过特殊的配置可以实现立体显示方式。
2)多通道环幕投影系统式分为柱状幕和环幕两种 ，分别采用 120度三通道、180 度四通道和 360 度九通道系统，完全包围人的视野。
3) 球幕投影系统通常采用半球形， 由多个投影系统拼接组合而成。 一般应用于天文馆、主题公园、仿真模拟器等领域。
4)CAVE 投影系统式由 4 面 、5 面 、6 面背投影墙组成的高度沉浸的虚拟演示环境，配合三维跟踪器，用户可以再背投影墙包围的系统近距离接触虚拟三维物体。
6.虚拟现实的应用领域
6.1 设计应用， 虚拟现实系统的应用将使工程人员能通过全球网或局域网按协作方式进行三维模型的设计、交流和发布，从而进一步提高生产效率并削减成本。 当前的工程设计程度上要依赖于图形工具，以便直观地显示各种产品。
6.2 教育应用， 把虚拟现实系统用于建造人体模型、 电脑太空旅游、化合物分子结构显示等领域，由于数据更加逼真，大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习兴趣，学习效果十分显著。
6.3 虚拟现实在建筑设计中的应用，在建筑设计领域,设计师可以不受条件的制约,在虚拟的世界里任意去创作、观察和修改自己设计的每一个建筑,也可以设计成各种建筑形式并比较其优劣,而不再像以前那样只在头脑中想象。大大增加了建筑设计师们的工作效率和建筑表现的直观性。
除此之外虚拟现实在城市规划、城市应急、智能交通、矿山的开发、古迹的复原等诸多方面，虚拟现实技术应用于各个领域为人类的生产生活带来了全新的面貌。
7.结束语
总的来说，虚拟现实是一个充满活力、具有巨大应用前景的高新技术领域。虚拟现实技术的发展与普及改变了过去人与计算机之间的枯燥、生硬、被动的交流方式，使人机之间的交互变得更人性化。
【参考文献】
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