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张有杰youj.zhang@gmail.com虚拟，非真实，是由于客观上不存在；现实是指客观上存在的事物。虚拟现实。大家是否记得《盗梦空间》里最后的陀螺，它到底有没有停下来，主人公最后所处的是真实还是梦境？它如果没有停下来，那我们在梦境中欣赏了两个小时，那这，是不是虚拟现实呢？虚拟现实简介虚拟现实发展历程虚拟现实定义虚拟现实与一些名词区别虚拟现实特征虚拟现实分类虚拟现实存在的问题虚拟现实主要研究方向1961年，MortonHeilig的设想----体验剧场（Sensorama），以布鲁克林街道为背景，模拟漫步的感受----先驱者1965年，计算图形学之父IvanSutherlang发表论文“终极的显示”，提出“应将计算的显示屏进化为观看虚拟世界的窗口”次年，他开始研制第一个头盔显示器，1970年，在犹他大学成功演示了它的功能。其他成就：用计算机生成的图形代替了摄制图像，并开始设计场景生成器----图形加速卡70-80年代，美国军方投巨资研究“飞行头盔”和其他军用仿真器，成为虚拟现实技术发展的主要推动力。1981年，美国国家航空和宇宙航行局（NASA）制作了当时最先进的液晶显示器头盔。80年代中期，J.Zimmermn和Jaron.Lanier发明了数据手套。1989年组建VPLResearch公司同年JaronLanier在文章中正式使用虚拟现实这一术语。CyberGrasp特点CyberGlove基础上的改造带手腕三维跟踪器灵活的手势、运动空间激励器通过机械放大装置传送到手指，力是单向的FCU（力控制单元）：位置信息、手势信息、力、以太网通信较大的力反馈：16N价格：39000美元虚拟现实的概念(1)虚拟现实的定义虚拟现实技术发展到今天，也只能说处于初级阶段。目前的系统受软、硬件条件的限制，只是在一定程度上给予用户“真实感”的体验，许多技术问题尚有待解决。现在还没有明确的定义。此处给出几个基于虚拟现实系统特征的定义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沉浸式虚拟交互环境，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“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。虚拟现实技术三角形（3I）:BurdeaG.在1993年召开的Electro93国际会议上所发表的“VirtualRealitySystemandApplication”一文中，提出了虚拟现实技术三角形，简捷地概括了虚拟现实技术在人机关系上的基本特征。此即三个I的定义：◦沉浸感(Immersion)◦交互性(Interaction)◦想象力(Imagination)在SteuerJ.发表的报告DefiningVirtualReality：DimensionDeterminingTelepresence中，对虚拟现实的定义如下：◦虚拟现实是沉浸式的(Immersive)，用户进入虚拟现实后，会暂时与真实世界隔绝，置身于另一个世界当中;◦这个世界是由人类将数据输入计算机处理而产生的;◦虚拟现实提供给用户各种感觉，包括视觉、听觉、触觉、味觉与嗅觉；◦虚拟现实是由用户主动浏览的(Active)，一般多媒体、如电影和电视，用户只能接受事先安排的内容，而虚拟现实提供用户在虚拟的空间中自由游走的权力；◦虚拟现实是交互式的(Interactive)，用户可以使用某些方式影响虚拟现实中的对象与环境，例如改变对象属性或创造新的对象。◦虚拟现实中的空间会根据某些给定的规则，对用户的行为做出反应。虚拟现实与其他相关名词的区别◦虚拟与“虚幻”◦虚拟现实和多媒体的区别◦虚拟现实技术与现有仿真技术的区别◦虚拟现实与动画技术的区别◦虚拟现实与可视化的区别虚拟与“虚幻”：两者虽只一字之差，内涵却大相径庭。◦虚幻仅仅是个人头脑中的幻想而已，没有可感知、可触摸的性质，是纯意识的产物，无法在其中从事实践活动。虚幻好比是“海市蜃楼”，可望而不可及。◦而虚拟则不然，在虚拟的世界里，事物不仅可看、可听，还具有一定的可操作的性质。虚拟现实和多媒体的区别：◦多媒体是在屏幕上顺序地展现一系列二维图象，而虚拟现实是从各个方位来显示实体的三维图象。◦两者另一个重要区别就是硬件设备，普通的计算机交互设备包括键盘，鼠标等，再由显示器和音箱构成多媒体系统；而VR系统的跟踪器有机械的，超声的，磁感应的，光学的和无源的几种，其灵巧程度远比一般交互设备优越得多。◦虚拟现实强调的是身临其境的感觉，多媒体技术是利用计算机综合组织、处理和操作多种媒体信息的技术，它虽然具有多种媒体，但是在感知范围上没有VR广泛，例如多媒体不包括触觉、力觉等感知。◦另外多媒体处理的对象主要是二维的，因此在存在感和交互性方面与VR有着本质的区别。虚拟现实技术与现有仿真技术的区别：被试者不再是坐在现实世界中通过人机界面去观察分析所研究对象的参数，而是沉浸到由计算机创造的一种虚拟世界之中，如同在真实世界中一样与周围的虚拟环境事物进行交互作用。虚拟现实与动画技术的区别：◦三维动画沿着某一条路径浏览动画，而且可以反复播放这个动画，但这条路径是固定的。◦虚拟现实中用户可以沿任意路径走进这个环境并操纵场景中的对象，他的图形渲染是实时的，这是它与动画的最大区别。虚拟现实与可视化的区别：◦可视化是虚拟现实的基础;◦可视化重点在于表现事物的本质，而不追求逼真的模拟；◦虚拟现实则重点在于逼真描绘环境的实际情况，而对本质的要求是次要的;◦在技术上，虚拟现实比可视化复杂庞大的多。虚拟现实技术的最基本特征◦Immersion（沉浸）◦Interaction（交互）◦Imagination（构想）◦指用户身心置于模拟环境中的体验，理想的模拟环境应该达到用户难以分辨真假的程度;◦其意义在于可以使用户集中注意力，可以将抽象的数据变换成熟悉的体验，且从中获取知识。◦理想的VR系统应具有一切人所具有的感知功能，如视觉感知、听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、味觉感知、嗅觉感知等。◦由于相关技术的限制，特别是传感器技术的限制，VR技术无论是从感知范围还是从感知精度都无法于人相比拟。◦指用户对模拟环境内的物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度。例如，用户用脚去踢模拟环境中的足球，随着足球飞起、落地等，用户脚上有踢球刹那间的反弹感觉，且可听到“嘭”的一声，一切如同真实的一样；又如，用户去抓虚拟物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的硬度和重量，被抓的物体随着手的移动而移动。◦目前输入和输出设备主要实现视觉和听觉效果，而其它感知效果如力觉、触觉等正在开发与研究，味觉、嗅觉则有待于研究。◦虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中并获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。◦这种构思结果输入到系统中去，系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。如此反复，这是一个学习－创造－再学习－再创造的过程。◦因而可以说，VR是启发人的创造性思维的活动。3I的基本特征，强调了人在虚拟现实技术中的主导作用。◦从过去人只能从计算机系统的外部去观测计算机的处理结果，到人能够沉浸到计算机系统所制造的环境之中；◦从过去人只能通过键盘、鼠标与计算环境中的单维数字化信息发生交互作用，到人能用多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用；◦从过去的人只能从以定量计算为主的结果中得到启发从而加深对事物的认识，到人有可能从定性和定量综合集体的环境中得到感性和理性的认识从而深化对概念的认识和萌发新意。◦一个虚拟现实技术系统，正是通过3I才能真正实现虚拟世界对真实世界的替代，从而对人达到一种境界虚拟，但感觉却是真实的效果。I3Imagination构想Interaction交互Immersion沉浸图3虚拟现实三角形虚拟现实的分类(1)按表现形式◦参数化虚拟现实：◦增强现实：(2)按虚拟夸张程度◦合理的虚拟现实◦夸张的虚拟现实◦虚构的虚拟现实：(3)按支持的用户数量◦单机型：◦网络型：◦参数化虚拟现实：就是一般所说的完全的虚拟环境。◦增强现实：是把预先获取的或预先计算好的数据和视频影像重叠在真实成像环境上。◦增强现实技术允许用户看见现实环境中的物体，同时又把虚拟环境的图形叠加在真实的物体上。穿透型头戴式显示器可将计算机产生的图形和用户实际的即时环境重叠在一起。例如一个维修工程师戴上一个穿透型头戴式显示器后，通过观察与一台激光打印机重叠的图形去维修该打印机。这些图形可能提供各种图形化箭头、插图和说明，甚至可以指导他的维修。增强现实性系统依赖于虚拟现实位置跟踪技术，以达到精确的重叠，但目前的技术还不能完全做到这一点。◦合理的虚拟现实：就是根据真实的物理法则由计算机模拟真实世界。在这种虚拟世界中人所体验到的一切都是符合客观规律的。在真实世界中只要条件具备，就可出现虚拟现实中的情况，因而从中所获得的知识都是有用的。例如英国出售的“模拟滑雪器”，“滑雪者”只要穿上滑雪服，蹬上滑雪板，拄上滑雪棍，带上头盔式显示器，就可以看到真正滑雪场中白雪皑皑的高山深谷，并根据自己的状况做出相应的各种滑雪动作，学习、体验滑雪。◦夸张的虚拟现实：也是根据真实的物理法则由计算机进行虚拟的，但它模拟的对象不是人们的五官所能感受到的现实世界，而是人们无法接触到的世界，如浩瀚的宇宙世界、微小的原子世界等。◦虚构的虚拟现实：这是无视物理法则的对幻想的模拟。它运用计算机的图像、声音功能把完全凭空想象出来的东西变成可以看到、听到的世界，如“海底龙宫”。虚构的虚拟现实主要用于娱乐。◦单机型：一般只在本机建立场景供本机使用。常应用于电子商务、网站建设、驾驶训练、科学可视化、商业数据可视化、工程设计等领域。◦网络型：在服务器建立场景，供其它计算机用特定客户软件通过网络来访问。多应用于娱乐、聊天室、虚拟社区、远程教育、会议、手术和军事模拟等领域。◦沉浸型虚拟现实系统：是一套比较复杂、功能强大的VR系统。用户必须戴头盔显示器、数据手套等传感跟踪装置，或穿上特制的外套，置身于安装在运动平台上的封闭空间内以产生更为真实的环境效果，才能与虚拟世界进行交互。这些设备使得用户完全投入一个虚拟境界而看不到现实世界，将用户的视觉、听觉与外界隔离，以排除外界干扰，全身心地投入到虚拟现实中去。这种系统的优点是用户可以完全沉浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备昂贵，难以普及推广。沉浸式VR系统又可分为：头盔型(HMD)、洞空型(CAVE)、遥现型(telepresence)VR系统。◦桌面简易型虚拟现实系统：是指将一个或多个计算机屏幕作为参与者观察虚拟环境的一个窗口，以通常的键盘、鼠标、数据手套、眼镜为交互工具，用简便的光闸立体眼镜创造立体视觉效果、增加沉浸程度。例如苹果公司推出的快速虚拟系统(QuickTimeVR)，是采用360度全景拍摄来生成逼真的虚拟情景，用户在普通的电脑上，利用鼠标和键盘，就能真实地感受到所虚拟的情景。这种系统的缺点是在投入性方面较差，沉浸感不强，因为参与者坐在监视器前观察虚拟境界时会受到周围现实环境的干扰，优点是结构简单、价格低廉，易于普及推广，是一套经济实用的系统。在演示、教学等较多人观看的场合，常用投影式VR系统，即在桌面VR系统的基础上，增加了一种大屏幕投影机或数字显示墙以显示VR三维环境。◦分布式虚拟现实系统概述当前虚拟现实系统研究中一个最热门的主题就是分布式虚拟现实(DistributedVirtualReality,DVR)，有的研究者称之为网络化的VR(NetworkedVirtualReality)。DVR是指基于网络的虚拟环境。在这个环境中，常使用单个或多个计算机作为主机，主机维持虚拟环境的状态，它与多个图形计算机通过高速网进行通信，每个图形计算机负责