虚拟现实和视景仿真技术

虚拟现实简称，是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。

1、VR思想的起源

可追溯到1965年会议上的《终极的显示》报告，一词是80年代初美国公司的创建人之一T Jaron Lanier提出来的。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。它具体基于以下几种技术：

基本模型构建技术。它是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，它将真实世界的对象物体在相应的虚拟世界中重构，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）等等。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虚拟环境中的位置和方向。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。视觉跟踪与视点感应技术。使用从视频摄像机到平面阵列、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。

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。

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；包括命令识别、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；分布式与并行计算，以及高速、大规模的远程网络技术。

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、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亲临等同真实环境的感受和体验。

2、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，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3700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。

3、我国的虚拟现实现况

VR技术是一项投资大、具有高难度的科技领域，和一些发达国家相比，我国还有一定的差距，但已引起我国政府有关部门和科学家们的高度重视。“九五”攻关计划、国家863计划、国家自然科学基金会等都把VR技术的研究列入了资助范围。我国军方对VR技术的发展关注较早，而且支持研究开发的力度也越来越大。

我们国内的一些院校和科研单位，陆续开展了UR技术的研究，而且可喜的是，已经实现或正在研制的虚拟现实系统也有不少。像北京航空航天大学计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟环境；浙江大学心理学国家重点实验室开发的虚拟故宫、CAD&CG国家重点实验室开发出桌面虚拟建筑环境实时漫游系统；清华大学计算机系对虚拟现实和临场感方面进行了研究，例如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试验等方面都具有不少独特的方法；另外，西安交通大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、装甲兵工程学院、中科院软件所、上海交通大学等单位也进行了不同领域、不同方面的UR技术研究工作，并取得了一批研究成果。

下面是北京航空航天大学虚拟现实与可视化技术研究室的专家对他们的VR研究成果所做的介绍。

北航计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室在国家863计划支持下，作为集成单位，与国防科技大学、浙江大学、装甲兵工程学院、中科院软件所和解放军测绘学院等单位一起建立了一个用于虚拟现实技术研究和应用的分布式虚拟环境基础信息平台，英文缩写为DVENET。DVENET由一个专用计算机网络以及支持分布式虚拟环境研究与应用的各种标准、开发工具和基础信息数据（如三维逼真地形）组成。基于 DVENET，一个分布式虚拟战场环境被成功开发出来。目前，应用DVENET，可以实现包含远程的数十个武器虚拟平台在同一块逼真地形下进行协同作业或对抗演练。参演人员（即用户）可以通过不同的交互方式控制真实的或虚拟的武器仿真平台在虚拟战场环境中进行异地协同与对抗战术演练。总体上说，DVENET的技术水平已接近美国的STOW。

除了DVENET以外，VR技术还向民用领域推广。“虚拟珠峰飞行漫游系统”就是给中国科学技术馆研制的，用户可以驾驶虚拟直升机飞越虚拟珠穆朗玛峰，以体验VR的魅力；我们还给房地产公司开发了室内外漫游系统，用户可以在虚拟房屋中漫游审视，以决定是否订购这种拟建房产。

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，但仍存在许多有待解决与突破的问题。为了提高VR系统的交互性、逼真性和沉浸感，在新型传感和感知机理、几何与物理建模新方法、高性能计算，特别是高速图形图像处理，以及人工智能、心理学、社会学等方面都有许多具有挑战性的问题有待解决。但是我们坚信在这一高新技术领域我国肯定会有所作为的。