虚拟现实的定义

    虚拟现实技术(简称VR),又称灵境技术,是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它通过综合利用计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术,模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能,创建了一种适人化的多维信息空间,从而使人能够真正沉浸在计算机生成的虚拟境界中,并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性,而且能够突破空间、时间以及其他的客观限制,感受到真实世界中无法亲身经历的体验。

  虚拟现实的重要特征

虚拟现实技术是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理等技术综合发展的产物. 它具有以下4个特征:

    1、多感知性(Multisensory) ,所谓多感知性就是除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、触觉感知、力觉感知、运动感知,甚至包括味觉感知、嗅觉感知等. 理想的虚拟现实环境应该包含对人自然交互方式的模拟,能提供给用户以视觉、听觉、触觉、嗅觉甚至味觉等多感通道.

    2、存在感(Presence) ,又称临场感( Immersion) ,在虚拟现实的环境中,用户能感到自己成为了一个“发现者和行动者”. 例如,视场中的景物随着人的走动或头部的转动甚至眼球的转动而变动. 理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度.

    3、交互性( Interaction) ,是指用户可以对模拟环境中的物体直接操作,并从环境得到信息或感受. 例如,用户可以用手去直接抓取模拟环境中的物体,这时手要有握着东西的感觉,并可以感觉物体的重量(其实这时手里并没有实物) ,视场中被抓的物体也立刻随着手的移动而移动.

    4、自主性(Autonomy) ,是指虚拟环境中的对象具有依据物理定律动作的能力. 例如,当受到力的推动时,物体会向力的方向移动,或反倒,或从桌面落到地面等.  

    虚拟现实技术是一种为改善人与计算机的交互方式,提高计算机可操作性的人机界面综合技术. 与其它计算机系统相比,虚拟环境可提供实时交互性操作、三维视觉空间和多通道(视觉、听觉、触觉、嗅觉) 的人机界面. 虚拟环境的三维属性和高保真性,使用户从单纯观测计算结果中解脱出来,沉浸到计算机创造的环境中,通过多种传感器和多维信息环境的交互作用,得到感性和理性的认识,从而深化概念并萌生新的创造思维. 

   虚拟现实技术的主要应用领域

1、在汽车制造业的应用。

    近年来,虚拟现实技术在汽车制造业得到了广泛的应用。例如,美国通用汽车公司利用虚拟现实系统CAVE(Computer – Assisted Virtual Environment) 来体验置于汽车之中的感受,其目标是减少或消除实体模型,缩短开发周期. CAVE 系统同样可用来进行车型设计,可以从不同的位置观看车内的景像,以确定仪器仪表的视线和外部视线的满意性和安全性。 1997 年5 月福特公司宣布,它已成为第一个着眼于“地球村”概念的采用计算机虚拟设计装配工艺的汽车厂商。使用“虚拟工厂”已经使得福特公司的产品开发节约时间、降低成本,并使设计的汽车更适合组装和维修,具有很高的质量。福特公司使用“虚拟工厂”的战略目标是减少生产中采用的90 %的实体模型,这一目标的实现将为福特公司每年节省2 亿美元. 据估计,使用“虚拟工厂”将在推出一辆新车的过程中减少20 %的因生产原因修改最初设计的事件。同时,福特公司正在尝试全新概念的发动机“虚拟样机”设计。 英国航空实验室采用一个高分辨率头盔显示器、一个数据手套、一个三维系统音响和一台工作站为用户提供了一个由计算机生成的虚拟轿车客舱,设计人员能够精确研究轿车内部的人体工程学参数,并且在需要时可以修改虚拟部件的位置,进而可以在仿真系统中重新设计整个轿车内部. 雷诺汽车公司采用了在“现实生活”的背景下加人“虚拟汽车”的方法来评估待开发的新车型.“City Fleet”就是虚拟与现实相结合的产物,它将计算机生成的虚拟汽车和实际拍摄的城市场景镜头完美地结合在一起,以得到真实车的感觉。 因此不必制造物理原型就能够检测将要推向市场的汽车,检验造型与环境的匹配及适应性,这对减少汽车新车型开发周期无疑将起积极作用。 

    2、在飞行仿真领域的应用。 

     飞行仿真系统由四部分组成,即飞行员的操纵舱系统、显示外部图像的视觉系统、产生运动感的运动系统、计算和控制飞行运动的计算机系统。  

    计算机系统是飞行仿真系统的中枢,用它来计算飞行的运动、控制仪表及指示灯、驾驶杆等信号. 视觉系统和运动系统与虚拟现实密切相关,其中,视觉系统向飞行员提供外界的视觉信息。 该系统由产生视觉图像的“图像产生部”和将产生的信号提供给飞行员的“视觉显示部”组成。在图像产生部,随着计算机图形学的发展,现在使用称为CGI(Computer Generated Imagery) 的视觉产生装置. 在CGI 中利用纹理图形驾驶可以产生云彩、海面的波浪等效果. 此外,利用图像映射驾驶可以从航空照片上将农田以及城市分离出来,并作为图像数据加以利用. 视觉显示部向飞行员提供具有真实感的图像,图像的显示有无限远显示方式、广角方式、半球方式以及立体眼镜和头盔式显示器等四种方式。

    3、在虚拟实验方面的应用 

    虚拟风洞:为了设计出阻力小的机翼,人们必须详细分析机翼的空气动力学特性. 因此,人们发明了风洞实验方法,通过使用烟雾气体使得人们可以用肉眼直接观察到气体与机翼的作用情况,因而大大提高了人们对机翼的动力学特性的了解. 虚拟风洞的目的是让工程师分析多旋涡的复杂三维性质和效果、空气循环区域、旋涡被破坏时的乱流等,而这些分析利用通常的数据仿真是很难可视化的.  

    虚拟物理实验室:虚拟物理实验室的设计,使得学生可以通过亲身实践———做、看、听成为可能. 使用该系统,学生们可以很容易的演示和控制力的大小、物体的形变与非形变碰撞、摩擦等物理现象. 为了显示物体的运动轨迹,可以对不同大小和质量的运动物体进行轨迹追踪,还可以停止时间的推移,以便仔细观察随时间变化的现象。学生可以通过使用数据手套与系统进行各种交互。 

    虚拟电力控制室:在现行的电力控制室的设计中,控制台以及显示器的设计一般是用与实物同等大小的模型. 研究人员使用虚拟现实技术研制了一个辅助设计控制室的系统。使用该系统可以自由地改变控制室内的配色、照明、报警、显示器的画面构成,以及各种仪表的配置等室内环境. 此外,用户还可以在室内移动,以便从不同方向观察室内情况。

    4、在教育培训领域的应用 

    虚拟环境在呈献知识信息方面有着独特的优势,它可以在广泛的科目领域提供无限的VR 体验,从而加速和巩固学生学习知识的过程。例如,核电站或雾中着陆等危险环境可在对受训者毫无威胁的情况下进行精确模拟. 模拟器的容错特点使受训者能亲身体验到在现实生活中体验不到的经历。飞行模拟器、驾驶模拟器是培训飞行员和汽车驾驶员的一种非常有用的工具. 因此,虚拟现实技术在教育领域有着十分广泛的应用前景.例如,在建筑工程学:交互性地参观还没有完工的办公大搂,寻觅装饰的构思;或者参观房屋模型,学习建筑原理。参观世界各地的经典建筑,寻找建筑设计的灵感.在考古学方面:参观世界上你不可能到达的博物馆,研究从未对公众开放过的私人收藏的绘画或雕塑.在生物教育方面:操纵分子模型,观察不同药物的立体结构图像;或者沿着丛林小溪来研究海狸的习性,等等。

    5、在医学领域的应用 

    2001 年9 月7 日,一名美国纽约市的法国医生通过遥控机器人为远在大西洋彼岸的一名法国妇女成功地实施了腹腔手术。 医生通过监视器,操作两只装有内窥镜、手术刀和镊子等手术器械的机械臂,成功地切除了病变的胆囊组织。   

    科学家们最近发明了一种“虚拟现实”装置,使原本微小的细胞看上去有足球场那么大.。这样,就可以更微观地对细胞进行研究.。这种“虚拟现实”装置的外形,像一个头盔,可以戴在头上,它利用一个分辨率极高的显微镜获取数据,然后再对这些数据进行加工,传送到使用者的视野里,可以十分轻松地观察到试管里的研究对象。采用这种技术,可以更加方便地进行各种实验,甚至能够“感受”到显微镜下不同物体的组织结构。  

    芝加哥的伊利诺斯大学采用虚拟现实技术分析神经系统的工作原理。项目主要包括电场可视化、大脑皮层仿真及普尔钦神经效应仿真。 该项目推动了低成本虚拟现实系统作为可视化工具的研究. G1aro Group Research、York 大学及Division 公司合作研究将虚拟现实应用于分子造型中,以弄清大分子的结构及其结构与功能间的关系。

    6、在军事上的应用     

    虚拟现实在军事上有着广泛的应用和特殊的价值,如新式武器的研制和装备、作战指挥模拟、武器的使用培训等都可以应用虚拟现实技术。 虚拟现实技术已被用于探索、评价当今的士兵将怎样在无实际环境支持下掌握新武器的使用及其战术性能等。人们希望虚拟域最终将提供与真实域相当的所有的现实性,而且没有费用、组织、天气和时间等等方面的明显缺陷. 虚拟域是可重复的、交互的、三维的、精确的、可重配置的和可连网的,它将成为军事训练的重要媒体。  

    美国陆军设在阿伯丁试验场的研究室目前正在进行虚拟现实应用于步兵训练的研究。Thomson —CSF 生产了训练坦克及装甲车人员的模拟器;尾舱导弹训练模型已由挪威的TN0 物理及电子实验室研制出来;佛罗里达州奥兰多的NAWCTSD 设计生产的协同战术作战模拟器(TTES) 引入了Jack 人体模型,该模拟器可用于训练士兵与敌人交战时的反应能力,Jack 充当敌方人员,并向士兵扔石头和开火,士兵则在大屏幕投影前面与虚拟敌人迸行交战. 为满足美国国防部(DOD) 的应用需求,位于加利福尼亚州的海军研究生院(NPS) 进行了大规模虚拟环境的开发与应用研究. 到1996 年底为止,他们完成了NPSNET – Ⅳ完全系统的开发,该系统提供的主要能力包括建筑穿行、带活动关节的人、连网能力、互操作性、地形数据库集成等。 

    近年来,虚拟现实技术的应用,使得军事演习在概念上和方法上有了一个新的飞跃,即通过建立虚拟战场来检验和评估武器系统的性能. 例如一种虚拟战场环境,它能够包括在地面行进的坦克和装甲车,在空中飞行的直升机、歼击机、导弹等多种武器平台,并分别属于红、蓝交战双方. 作战仿真系统的主要研究目的是对飞机的飞行、火控、航空电子系统进行综合研究,同时研究多机协同空战战术. 1998 年10 月,我国空军首次在由126 台计算机组成的远程分布式网络系统上,成功地进行了一场高技术条件下的空军战役对抗演习,从而实现了从“图上谈兵”到“网上演兵”。