浅谈虚拟现实技术

浅谈虚拟现实技术

袁野帅明方高子昂刘晓宇指导老师

袁野帅明方高子昂刘晓宇指导老师

沈阳城市学院大学生创新创业训练项目辽宁沈阳110000

摘要：作为尖端科技，虚拟现实集成计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机生成的高技术模拟系统。因为虚拟现实技术的特点，它可以渗透到我们工作和生活的每个角落，所以虚拟现实技术对人类社会意义是非常大的。正因如此，它和其它很多信息技术一样，当专家还未把它的理论和技术探讨得十分清楚时，它已渗透到科学、技术、工程、医学、文化、娱乐的各个领域，并受到极大的关注。鉴于此，本文就虚拟现实技术展开探讨，以期为相关工作起到参考作用。

关键词：虚拟现实技术；特征；类型

1、虚拟现实的基本特征及类型

1.1、基本特征

虚拟现实的模拟具有“交互”和“沉浸”两种基本特征，它把视觉、听觉、动作等多维信息技术进行合成，是一种可以创建和体验虚拟环境的计算机系统技术.具体来说，虚拟现实有四种基本特征：

（1）多感知性

多感知性是指虚拟现实系统应该具有人所具有的多种感知功能，如视觉、听觉、力觉、触觉、味觉、运动感知等。

（2）临境或沉浸感.

临境是一种用户存在于虚拟环境中的临场感，是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度.理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。

（3）自主性

自主性是指虚拟环境中某些对象依据物理定律运动的程度.例如当物体受到外力的作用时，物体的运动状态会发生改变等。

（4）实时交互性

实时交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度及实时性。

2、虚拟现实系统的基本类型

按照所使用的软硬件设备，可以把虚拟现实的应用系统分为以下几类。

（1）最简单的是把个人计算机上的屏幕作为视窗的虚拟现实世界系统，这些系统都是用个人计算机的终端显示器来显示虚拟世界的，所以有时也称为桌上虚拟现实系统。用户可佩戴立体眼镜观看立体图像，也可不佩戴立体眼镜而直接观看全景图像，或者是观看一种虽然不是标准的三维图像，但也有一定的层次效果的“准三维”的图像。

（2）具有沉浸感的沉浸系统。在这些系统中，除了计算机外，还为用户配备了头盔显示器，或做成一个各个方向都安装有显示屏幕的虚拟空间显示器，当用户站在中间时就感受到置身以一个虚拟的空间了。

（3）遥视系统。遥视系统也是一种由计算机生成的可视化世界，但这个可视化世界的图像是根据许多远程传感器所采集到的信息而形成的。例如消防遥视系统就是利用安装在防火区内的各类传感器所采集和传送回来的信息，生成火区的图像和情景。外科医生则是根据安装在探测器上的窥视镜所采集的信息进行手术。

3、虚拟现实技术的应用

3.1、跟踪头部运动的虚拟现实头套

在传统的计算机图形技术中，视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的，用户的视觉系统和运动感知系统是分离的，而利用头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来，感觉更逼真。另一个优点是，用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动去观察环境。

在用户与计算机的交互中，键盘和鼠标是目前最常用的工具，但对于三维空间来说，它们都不太适合。在三维空间中因为有六个自由度，我们很难找出比较直观的办法把鼠标的平面运动映射成三维空间的任意运动。现在，已经有一些设备可以提供六个自由度，如3Space数字化仪和SpaceBall空间球等。另外一些性能比较优异的设备是数据手套和数据衣。

3.2、艺术教育中的应用

作为显示传输信息的媒体，虚拟现实在未来艺术领域所具有的潜在应用能力也是不可低估的。VR所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的，可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。另外，VR提高了艺术表现能力，通过动作捕捉系统采集演员的舞蹈动作和表情，在电脑辅助编排下可以预演演出效果，提高编排效率。

对艺术的潜在应用价值同样适用于教育行业，如在解释一些复杂的系统抽象的概念如量子物理等方面，VR是非常有力的工具，如“虚拟的物理实验室”，用于解释某些物理概念，如位置与速度，力量与位移等。

3.3、生物力学方面的应用

生物力学仿真就是应用力学原理和方法并结合虚拟现实技术，实现对生物体中的力学原理进行虚拟分析与仿真研究。利用虚拟仿真技术研究和表现生物力学，不但可以提高运动物体的真实感，满足运动生物力学专家的计算要求，还可以大大节约研发成本，降低数据分析难度，提高研发效率。这一技术现已广泛应用于外科医学、运动医学、康复医学、人体工学、创伤与防护学等领域。

3.4、工业仿真中的应用

当今世界工业的发展非常迅速，已经发生了翻天覆地的变化，现阶段的工业发展不再是大规模的人海战术，需要的是先进的科学技术，特别是虚拟现实技术的应用正对工业发展进行着一场前所未有的革命。虚拟现实技术目前已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对提高企业开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低风险起到了重要的作用。

4、虚拟现实技术的发展趋势

基于以上介绍，虚拟现实在很多领域和应用方向上解决了不少实际问题，取得了较好的应用效果。但是随着应用的不断深入，在建模与绘制方法、交互方式和系统构建方法等方面，对虚拟现实技术都提出了更高的需求。为了满足这些新需求，近年来，虚拟现实相关技术研究也取得了快速发展，表现出一些新的特点和发展趋势。主要表现在以下方面：

4.1、计算平台的普适化

随着计算机制造技术的发展，计算平台已经发展为多种类型。虚拟现实的研究工作主要集中在标准与产品、绘制体系结构和适合移动设备的模型表示和绘制方面；

4.2、虚实场景的融合化

在很多应用中，基于真实环境的模拟与训练仍然是不可缺少的手段。将虚拟环境与真实环境有效地结合，使用人员就可以从视觉和触觉等多方位感受混合后的环境，更好地获得体验效果。因此，构建一种虚实融合的混合环境是应用中的一个重要需求；

4.3、场景数据的规模化

在大型应用中，各种几何模型的数据量往往非常庞大。针对包含这种大数据量三维模型复杂场景的实时与逼真表现，是目前研究绘制方法的一个热点；

4.4、环境信息的综合化

对于自然环境的建模，传统的虚拟现实系统往往仅考虑地形的几何数据，对大气和电磁等环境信息采，用简化方式处理，如纹理等表现方法。为了更真实地表现环境效果，还需要考虑不同类型的数据，如地理、大气、海洋、空间电磁和生化等，并使用不同的方式进行表现。

结束语

虽然虚拟现实技术在应用中取得了一定的效果，在关键技术方面也取得了较大的进展，并且不断解决应用中新出现的实际问题，但是从国内外虚拟现实的研究现状和趋势上分析，该领域仍然存在一些亟待解决的研究问题，其中包括虚拟环境及对象建模、绘制方法、人机交互方式、虚拟现实应用系统构建方法等诸多方面。

参考文献：

[1]邰宇.虚拟现实技术交互设计方式的研究[J].中国高新区，2018（10）：21.

[2]商云涛，郭慧，李晓蕾.基于虚拟现实技术的地质科普实现与应用[J].中国矿业，2018，27（04）：67-70.