虚拟现实系统的关键技术

虚拟现实技术（Virtual Reality）又称灵境技术，它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于计算机可以产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境通过计算机图形构成的三维空间，或把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。

从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。

一、虚拟现实技术的重要技术特征

虚拟现实的定义可以归纳如下：虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场等），通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实技术因此具有以下4个方面重要特征：

1、多感知性：所谓多感知性就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。

2、存在感，又称临场感，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程序。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程序。

3、交互性。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得到反馈的自然程序（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。

4、自主性。是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程序。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、翻倒、或从桌面落到地面等。

二、虚拟现实系统的关键技术

虚拟现实的关键技术可以包括以下几个方面；

1、动态环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。

2、实时三维图形生成技术。三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧/秒，最好是高于30帧/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。

3、立体显示和传感器技术。虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围有待于提高，因此有必要开发新的三维显示技术。

4、应用系统开发工具。虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。

三、虚拟现实技术的发展趋势

虚拟现实技术日趋完善和提高，预期该领域未来的发展趋势为：

1、硬件技术的发展。虚拟现实所要求的超级计算、图形图像处理、图像投影及交互等虚拟环境构建硬件技术将得到持续的发展，成本大幅度下降，从而促进虚拟现实技术的应用和普及。

2、开发平台虚拟现实技术的发展。利用Intel微机硬件平台+Linux自由软件平台+中低档图形、数字投影设备构建经济型中低档VR系统，是虚拟现实技术的一个重要发展方向和现实途径。

3、协同分布式虚拟现实技术的发展。虚拟现实系统已经由单机系统发展到分布式虚拟现实系统，现在人们正在向支持协同工作的分布式虚拟现实系统即协同虚拟现实（CVR）系统发展。

4、可视化区域网络技术的发展。可视化区域网络（VAN）的目标是实现全球化用户用各种设备对可视化系统系统的交互访问，以及可视化协同工作。VAN由高性能的可视化服务端（负责数据的存储管理、可视化计算等任务）、宽带网络和客户端组成。

5、多感知能力的发展。未来理想的虚拟现实系统将提供人类所具有的一切感知能力，包括视觉、听觉、触觉、甚至味觉和嗅觉。