面對當前知識經濟、信息產業(yè)和國防現代化迅速發(fā)展的形勢，我國政府、軍隊和企業(yè)十分重視信息技術的創(chuàng)新研究和長遠發(fā)展，正制定和實施包括基礎研究、高技術開發(fā)和產業(yè)攻關在內的各類國家規(guī)劃，并已經或準備給予大量投入。作為技術發(fā)展重要驅動力的“虛擬現實”，又一次成為人們關注的熱點之一。


　　概念與回顧


　　什么是虛擬現實？“虛擬現實”（virtual reality，簡稱vr）是1989年美國的j．lanier（后來曾是專做vr產品的vpl公司董事長）提出的，國內也有人譯為“靈境”、“幻真”等，國外與虛擬現實同類的術語，還有虛擬環(huán)境、人工現實及電腦空間等。所謂“虛擬現實”，是用計算機技術來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發(fā)，利用自然的技能和某些設備對這一生成的虛擬世界客體進行瀏覽和交互考察。這一定義強調的是：逼真的感覺、自然的交互、個人的視點及迅速的響應。

　　虛擬現實是一項綜合的技術，涉及計算機圖形學、人機接口技術、傳感技術及人工智能技術等，需要計算機、心理學、人類工程學（ergonomics）等專家共同開發(fā)研究。

　　90年代，虛擬現實技術發(fā)展很快，各種開發(fā)虛擬現實設備或系統(tǒng)的公司成立，但虛擬現實離實際應用仍很遠，已有的成果大多只能稱為“演示”或“玩具”。


　　最具吸引力的領域


　　虛擬現實是一項難度很大的綜合技術，要達到逼真的多種感覺和實時的自然交互是非常不容易的。例如：逼真的立體視感（沉浸感）需要寬視野和高分辨率的顯示設備，而現有的頭盔顯示器不僅分辨率低、價格貴，而且?guī)г陬^上更是不方便；又如，要對大型地理數據（如地形圖）進行三維瀏覽和交互處理，往往響應時間很慢；至于觸覺反饋或嗅覺設備離實用更有很大距離，等等。

　　虛擬現實涉及的關鍵技術主要有：大規(guī)模數據的場景建模技術；動態(tài)實時的立體視覺、聽覺等生成技術；三維定位、方向跟蹤、觸覺反饋等傳感技術和設備；符合人類認知心理的三維自然交互技術；三維交互軟件及系統(tǒng)集成技術等。

　　由于虛擬現實具有極其重要的應用前景，因而促使人們不斷去創(chuàng)新、克服困難！哪些方面是最有吸引力的虛擬現實應用領域呢？

　　軍事。美國國防部和軍方認為：虛擬現實將在武器系統(tǒng)性能評價、武器操縱訓練及指揮大規(guī)模軍事演習三方面發(fā)揮重大作用。他們制定了戰(zhàn)爭綜合演示廳計劃、防務仿真交互網絡計劃、綜合戰(zhàn)役橋計劃及虛擬座艙等應用環(huán)境，并在核武器試驗及許多局部戰(zhàn)爭中進行了應用。

　　航天航空。美國宇航局是虛擬現實最早的研究單位和應用者。宇宙飛船及各類航空器是需耗費巨資的現代化工具，而進入宇宙有大量未知、危險的因素，因而模擬各種航空器可能遇到的環(huán)境，不僅可節(jié)省大量費用，而且是十分必要的。虛擬風洞就是一例。

　　計算機輔助設計。各種工業(yè)產品、建筑物均需反復構思和設計，但往往用戶仍不滿意。美國波音公司butler設計了一架稱為vs－x的虛擬飛機，它可使設計人員有身臨其境觀察飛機外形、內部結構及布局的效果。建筑設計師可在蓋樓前通過虛擬建筑物，讓用戶自己來觀察外形和內部房間部位，也便于設計師修改設計。

　　外科手術和人體器官的模擬。外科醫(yī)生的培訓是一項投資大、時間長的工作，這是因為不能隨便讓實習醫(yī)生在病人身上動手術，可是不親自動手，又如何學會手術呢？虛擬手術臺已能部分模仿外科手術的現場。同樣，提供模擬的人體器官，可讓學生逼真地觀察器官內部的構造和病灶，具有極高的實驗價值。

　　科學研究和計算的可視化。各種分子結構模型、大壩應力計算的結果、地震石油勘探數據處理等，均十分需要三維（甚至多維）圖形可視化的顯示和交互瀏覽，虛擬現實技術為科學研究、探索微觀形態(tài)等提供了形象直觀的工具。

　　遠程控制。虛擬現實可采用遙控手段，通過機械手、機器人對危險或有毒環(huán)境進行操作。

　　教育、游戲與其他。這是向人們，尤其是青少年提供生動的課堂和娛樂手段的好機遇，它具有三維聲像效果，能進行交互操作的功能，因而已被商家們看好，競相開發(fā)低檔虛擬現實產品。

　　圖1給出了一個簡單的虛擬現實系統(tǒng)，包括：主計算機，用來生成各種虛擬現實的場景，進行各種實時計算和處理；一個雙筒全方位監(jiān)視器（boom），作為視覺設備，供人們觀察用；另外，有一個數據手套作為三維自然交互的輸入設備，供人們操作。這個系統(tǒng)里并沒有立體聽覺系統(tǒng)及分布環(huán)境。

　　近年來，虛擬現實技術又有了很大的發(fā)展，主要是：1）使用基于圖像的繪制技術（或與圖形繪制相結合），以提高圖形生成的速度；2）各種新的交互設備，譬如雙手輸入技術，三維力反饋設備，美國sensable tech．公司的phantom系統(tǒng)等；3）增強現實（augmented reality），也稱混合現實，它是將真實環(huán)境和虛擬現實的景象結合起來的一種技術，既可減少生成復雜環(huán)境的開銷，又便于對實際物體的操作；4）分布式虛擬現實環(huán)境，在因特網（包括高速internet）環(huán)境下，充分利用各地資源的優(yōu)勢，協(xié)同開發(fā)虛擬現實的應用，如美國大型軍用交互仿真系統(tǒng)npsnet及因特網上多人游戲mud等；5）多通道人機交互技術，即采用人體多種自然交互手段向系統(tǒng)輸入，如手勢、語音、頭部或身體動作等。

　　實際應用的虛擬現實系統(tǒng)大體可分為四類：1）桌面虛擬現實系統(tǒng)，也稱窗口中的vr，它成本低，主要用于cad／cam、建筑設計等領域；2）沉浸虛擬現實系統(tǒng)，使用頭盔顯示器把用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來，產生一種身臨其境的錯覺；3）分布式虛擬現實系統(tǒng)，它建立在沉浸虛擬現實系統(tǒng)和分布式交互仿真（distributed interaction simulation）的基礎上；4）增強現實。

                                                                                                                                                   圖1 虛擬現實系統(tǒng)框圖


　　關于未來的思考


　　虛擬現實是技術，還是媒體的欺騙？虛擬現實為何可能？這是一個古老的哲學問題。我們是處在現實中，還是在我們自己的感覺世界中？對于個人來說，更直接的是感覺世界。以視覺為例，我們看到的一切，不過是視網膜上的影像。從這一角度出發(fā)，我們應和心理學家、生理學家一起，認真研究人類的感知問題。虛擬現實有其二重性：對于人的感官來說，它是真實存在的；對于所構造的物體來說，它又是不存在的。因此，能利用這一技術模仿許多高成本的、對人有危險的、或目前尚未出現的真實環(huán)境，人們可對它進行分析研究、仿真操作及改進設計等。

　　技術現狀。虛擬現實目前在技術上仍處于探索中，90年代初有了較大的發(fā)展，如cave及分布式vr，但后來有一段時間發(fā)展相當緩慢，由于響應慢、真實感差，人們只是把它當作“玩具”或“演示”而已。近來，隨著因特網技術、基于圖像繪制技術、增強現實等的進展，虛擬現實又有不少新的成果。

　　重視人機交互的研究。說到底，虛擬現實是一種新的人機交互范式。與以前任何人機交互形式相比，它有希望徹底實現“和諧的、擬人化的”人機界面。虛擬現實系統(tǒng)有三個重要特點：沉浸感（immersion）、交互性（interaction）和構想性（imagination），這決定了它與以往人機交互技術的不同，反映了人機關系的演化過程。在復雜系統(tǒng)中，可能有許多參與者共同在網絡虛擬環(huán)境中協(xié)同工作，各領域專家需聯(lián)合起來開展研究，協(xié)同攻關。

　　關于信息可視化。信息可視化是科學計算可視化的擴展，通常是指不包括科學計算可視化的其他領域可視化技術，如商業(yè)、金融可視化、軟件可視化等。多數情況下，信息可視化及科學計算可視化并不需要采用昂貴的虛擬現實技術，而用普通二維、三維圖形技術即可達到要求，這樣更便于推廣和普及。

　　關于投入。現在各個部門均逐漸重視虛擬現實的研究與開發(fā)，并在規(guī)劃中給予了較大的投入，這是十分必要的。但我們國家財力有限，應集中各個渠道的經費，開發(fā)一些重點應用，投入使用，以產生效益，而不應該分散財力，只做幾個“原型”。國家在安排主要財力開發(fā)大型“沉浸式虛擬現實系統(tǒng)”的同時，應給予一定的投入，支持各種小型桌面虛擬現實系統(tǒng)的研究開發(fā)。目前，因特網的應用是一個大好機遇，國外游戲及教育類的系統(tǒng)已占據了大塊市場，我們應以應用為目標，大力開發(fā)各類桌面虛擬現實的系統(tǒng)。

　　作為長遠研究目標，作為技術驅動力，作為新的人機交互范式，作為國家的一些關鍵應用目標，虛擬現實都是值得高度重視的。與此同時，必須十分重視虛擬現實的廣泛應用。虛擬現實還有很長的路要走，機會和挑戰(zhàn)并存，而且虛擬現實和人機交互關系密切，必須重視人機交互的研究。