虛擬現實及其應用虛擬環境研究系統工程研究所張建民1VE(VirtualEnvironment)技術簡介科學技術的發展使得人們對信息的需求越來越多，人門對信息的接受和理解變得也愈重要，人門不再滿足通過數字、圖像的方式觀察信息的處理結果，而迫切需要通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、以及形體、手勢或口令，并直接參與到信息的處理環境中，獲得身臨其境的感覺。1VE(VirtualEnvironment)技術簡介虛擬環境是相對于實環境的，并有人的操作和參與而形成的一種虛構的、視覺上的、聽覺上的、感覺上的存在，是一種物理意義上的人機交互和抽象組合，而這種存在是由計算機系統產生的。在實環境中，人們可以直接的感受到實際的物體和存在，并與其進行交互和遠程操作。而虛擬環境是一種利用顯示技術虛構的環境，只是在感覺上能夠體驗到的一種境界。1.1虛擬環境1.1虛擬環境虛擬環境實質上不在是建立在一維的數字化信息空間，而是建立在一個多維信息空間的集成化環境，而虛擬現實(VirtualRealityVR)技術是支撐這種集成環境的關鍵技術，是一種新的人—機界面形式，它為用戶（參與者）提供了一種臨境(immersive)和多感覺通道（multi-sensory）的體驗，試圖尋求一種最佳的人-機通訊方式。虛擬現實也被稱為人工環境(artificalenvironments)、電腦空間(cyberspace)、人工合成環境(syntheticenvironments)、虛擬環境(VirtualEnvironment)。1.1虛擬環境虛擬現實技術近年來在技術研究領域十分活躍，它包容了計算機圖形學、多媒體技術、人工智能技術、人機接口技術、傳感器技術、并行實時計算技術和人的行為學等關鍵技術，是多媒體技術的一種發展境界。與傳統計算機相比，VR系統有著三個重要的特點：臨境(immersion)；交互性(interactivity)；想象(imagination)。這三者都與人密切相關。我們可以簡單地說，VR是計算機圖形學和人-機交互技術的發展產物。但從更廣泛的意義上講，VR是人與技術系統完美的結合，人在整個系統占有重要的地位。1.2虛擬現實技術的概念虛擬現實的景物可以是真實物體的模型，如還沒有施工的房屋、正在設計中的工廠或產品的工程模型；可以是現實中看不到的抽象模型，如化學分子結構、飛機機翼的超音速氣流模型；甚至可以是利率、股票等金融信息的三維模型表示。無論怎樣，它們都利用了現實世界中存在的數據，將計算機產生的電子信號，通過多種輸出設備轉換成能夠被人類感覺器官所感知的各種物理現象，如光波、聲波、力等，使人感受到虛擬境界的存在。這種現實是計算機生成的，又是現實世界的反映，是真實現實的一種表現形式，因此，稱之為虛擬現實。3D物體表示1.2虛擬現實技術的概念由于虛擬現實技術在不同領域應用時所要實現的功能各不相同，所以很難給出嚴格的定義，但是，任何VR系統都具有以下幾個特點。1、參與者可“沉浸”在虛擬環境中VR的“沉浸”（immersion）特性是指暫時把參與者與現實環境相隔離，使其全身心置于計算機所創建的三維虛擬環境之中，感到虛擬環境的存在，這樣，可以使參與者更自然、更直接地與虛擬環境中的各種對象進行交互。1.2虛擬現實技技術的概念念2、參與者者在虛擬環環境中具有有主動性參與者在虛虛擬環境中中不是被動動地依據固固定的程式式去觀看虛虛擬環境里里的各種物物體，而是是可以根據據自己的意意愿主動地地去觀察、、改變或影影響場景中中的對象。。例如，當當參與者在在一個VR系統中隨隨意轉動頭頭部或移動動其中的物物體時，他他所看到的的景物應該該隨之逼真真地變化，，還應該具具有聲音和和觸覺等形形式的反饋饋。1.2虛擬現實技技術的概念念3、具有方方便自然的的交互手段段交互性（interaction）是是對VR系系統最基本本的要求之之一。它是是指參與者者虛擬環境境中所遇到到的各種對對象的相互互作用能力力。人可以以抓取、釋釋放或搬移移虛擬世界界中的物體體，甚至與與某些擬人人化物體交交談。4、、系系統統要要具具有有實實是是性性系統統要要實實時時地地跟跟蹤蹤參參與與者者的的觀觀察察方方、、手手部部和和身身體體的的運運動動情情況況，，實實時時產產生生相相應應的的畫畫面面、、聲聲音音等等反反饋饋，，從從而而達達到到身身臨臨其其境境的的切切身身感感受受。。1.3虛擬擬系系統統組組成成虛擬擬現現實實系系統統可可分分為為三三大大類類：：桌面面虛虛擬擬現現實實系系統統（（DesktopVR））、、臨臨境境虛虛擬擬現現實實系系統統(ImmersiveVR)和和分分布布式式虛虛擬擬現現實實系系統統(DistributedVR)。。1)桌桌面面VR也也稱稱為為窗窗口口中中的的VR。。這這類類系系統統由由于于采采用用標標準準的的CRT顯顯示示器器和和立立體體(Stereoscopic)顯顯示示技技術術，，其其分分辨辨率率較較高高，，價價格格較較便便宜宜。。在在使使用用時時，，桌桌面面VR系系統統設設定定一一個個虛虛擬擬觀觀察察者者的的位位置置。。桌桌面面VR系系統統通通常常用用于于工工程程CAD、、建建筑筑設設計計以以及及某某些些醫醫療療應應用用。1.3虛擬擬系系統統組組成成2））臨臨境境VR系系統統利利用用頭頭盔盔顯顯示示器器把把用用戶戶的的視視覺覺、、聽聽覺覺和和其其他他感感覺覺封封閉閉起起來來，，產產生生一一種種身身在在虛虛擬擬環環境境中中的的錯錯覺覺。。3））分分布布式式VR則則是是在在臨臨境境VR系系統統的的基基礎礎上上將將不不同同的的用用戶戶（（參參與與者者））聯聯結結在在一一起起，，共共享享同同一一個個虛虛擬擬空空間間，，使使用用戶戶達達到到一一個個更更高高的的境境界界。。分分布布式式VR的的基基礎礎是是分分布布交交互互模模擬擬(DistributedInteractionSimulation)。。1.4虛虛擬擬現現實實的的關關鍵鍵技技術術虛擬擬現現實實技技術術是是一一項項綜綜合合技技術術，，它它以以計計算算機機技技術術為為核核心心，，以以顯顯示示技技術術為為基基礎礎，，把把計計算算機機圖圖形形圖圖象象處處理理、、人人機機接接口口、、顯顯示示技技術術、、傳傳感感技技術術、、控控制制技技術術、、通通信信技技術術等等一一系系列列高高科科技技領領域域的的最最新新成成果果匯匯集集于于虛虛擬擬現現實實的的實實踐踐中中，，成成為為一一門門很很有有前前途途的的應應用用科科學學。。在VR系系統統中中起起到到關關鍵鍵性性作作用用的的技技術術主主要要有：：1.4虛虛擬擬現現實實的的關關鍵鍵技技術術1、、三三維維真真實實感感圖圖象象的的實實時時生生成成對于于三三維維真真實實感感造造型型，，大大家家一一定定不不會會陌陌生生。。只只要要有有足足夠夠的的時時間間，，計計算算機機圖圖形形學學方方法法就就可可以以產產生生具具有有高高度度真真實實感感的的物物體體圖圖象象。。但但是是，，VR的的實實是是特特性性所所限限定定的的正正是是時時間間。。VR系系統統要要對對參參與與者者的的行行為為反反應應靈靈敏敏，，并并保保持持內內部部的的一一致致性性和和連連貫貫性性，，因因此此，，計計算算機機系系統統必必須須具具備備強強大大的的運運算算功功能能，，才才能能在在進進行行三三維維圖圖形形消消隱隱、、濃濃淡淡、、陰陰影影、、纊纊理理處處理理的的同同時時，，保保證證顯顯示示圖圖象象的的““更更新新率率””能能滿滿足足目目標標的的要要求求，，否否則則就就會會出出現現嚴嚴重重的的““滯滯后后””（（latency））問問題題。。所所謂謂““滯滯后后””即即動動作作開開始始與與反反映映這這一一動動作作的的畫畫面面在在顯顯示示器器上上出出現現之之間間的的時時間間間間隔隔。。1.4虛虛擬擬現現實實的的關關鍵鍵技技術術2、、大大視視野野立立體體顯顯示示技技術術僅僅僅有有一一系系列列三三維維畫畫面面是是不不夠夠的的。。VR試試圖圖給給人人身身臨臨其其境境的的感感覺覺，，要要求求這這些些畫畫面面圍圍繞繞著著參參與與者者，，這這樣樣的的效效果果是是通通過過配配戴戴頭頭盔盔實實現現的的。。通通常常桌桌面面顯顯示示器器給給人人的的畫畫面面視視角角僅僅為為30度度，，而而一一個個好好的的VR系系統統的的畫畫面面將將包包容容參參與與者者的的整整個個視視野野，，這這可可能能需需要要水水平平線線40度度角角，，垂垂直直120度度角角。。當當前前大大多多數數頭頭盔盔顯顯示示器器的的圖圖象象顯顯示示裝裝置置使使用用的的液液晶晶顯顯示示器器（（LCD）），，這這種種顯顯示示器器的的有有效效分分辯辯率率一一般般僅僅為為140線線。。要要將將如如此此低低分分辯辯率率的的顯顯示示屏屏通通過過光光學學透透鏡鏡子子裝裝置置橫橫向向擴擴展展到到一一個個較較大大的的視視野野內內，，其其顯顯示示效效果果是是可可想想而而知知的的。。1.4虛虛擬擬現現實實的的關關鍵鍵技技術術3、、位位置置跟跟蹤蹤器器位置置跟跟蹤蹤器器可可以以檢檢測測到到參參與與者者的的物物理理位位置置和和取取向向，，以以便便輸輸入入到到計計算算機機中中去去產產生生虛虛擬擬境境界界中中相相應應的的圖圖象象和和聲聲音音。。這一一般般是是使使用用簡簡單單的的電電磁磁裝裝置置來來實實現現的的。。幾幾個個很很小小的的發發射射器器固固定定在在用用戶戶的的身身上上，，例例如如，，頭頭盔盔中中放放一一個個，，每每只只手手上上放放一一個個，，通通過過固固定定在在VR系系統統上上的的接接收收裝裝置置，，可可以以跟跟蹤蹤參參與與者者的的位位置置和和方方向向。。還還可可以以使使用用若若干干臺臺數數字字化化攝攝像像機機，，通通過過圖圖象象處處理理的的方方法法專專門門用用來來監監測測參參與與者者頭頭部部、、手手部部的的位位置置和和方方向向。。1.4虛虛擬擬現現實實的的關關鍵鍵技技術術4、、立立體體聲聲的的產產生生聲音音效效果果是是一一個個富富有有感感染染力力的的現現場場感感因因素素。。在在虛虛擬擬環環境境中中草草藥藥對對象象上上附附加加由由人人或或計計算算機機生生成成的的音音響響，，至至少少可可用用于于給給VR的的參參與與者者提提供供一一些些起起輔輔助助作作用用的的反反饋饋信信息息。。與與圖圖象象信信息息一一樣樣，，聲聲音音也也必必須須是是真真實實而而且且準準確確的的。。這這要要考考慮慮聲聲音音的的立立體體化化、、雜雜音音、、回回音音及及由由于于聲聲源源運運動動或或參參與與者者運運動動所所產產生生的的““多多普普勒勒””效效應應等等，，特特別別要要注注意意的的是是聲聲音音方方向向感感。。聲聲源源的的位位置置是是不不隨隨參參與與者者頭頭部部的的運運動動而而變變化化的的。。1.4虛虛擬擬現現實實的的關關鍵鍵技技術術5、、虛虛擬擬世世界界建建模模這部部分分的的主主要要任任務務是是設設計計出出參參與與者者在在一一種種虛虛擬擬境境界界中中會會遇遇到到的的景景物物。。計計算算機機輔輔助助設設計計（（CAD））程程序序包包可可用用來來對對