“数字时代”下的虚拟现实技术

周俊祥

（商丘师范学院，河南 商丘 476000）

“数字时代”下的虚拟现实技术

周俊祥

（商丘师范学院，河南 商丘 476000）

随着社会信息化程度的不断加深，一维和二维的信息处理技术已经无法满足人们的信息交流需求。在“读图时代”和“数字时代”，立体的、直观的、形象的信息才是人们的首选。虚拟现实技术作为一种高新的、有待完善的信息技术手段，已经在很多领域展现了其不可阻挡的魅力。

虚拟现实技术；虚拟空间；虚拟作战平台

2010年1月4日，《阿凡达》在中国首映，其精心制作的虚拟现实场景画面（60%的画面都是由虚拟现实相关技术制作），给予了观众前所未有的视觉和心灵冲击。这部由卡梅隆导演的大作在中国市场获得了巨大的商业成功，也让人们把目光重新聚焦于数字影院和虚拟现实技术。

一、虚拟现实技术的本质

1.VR技术的概念

虚拟现实技术（Virtual Reality Technology，简称为VR技术），是一种可以构建类似自然世界的虚拟世界并能与之交互的一项高新的综合模拟系统技术和数字化人机接口技术。该技术利用3D数字化系统、多传感交互技术以及高分辨显示技术的科学可视化技术，生成三维的、逼真的、多种感知的虚拟环境，用户可以通过适当设备进入这个虚拟空间，并与空间中的其他事物进行实时感知、交互和操作。

VR技术本质上是一种先进的、综合性的计算机用户接口技术，它集成了计算机仿真技术、图形图像实时生成技术、网络并行处理技术、传感技术、显示技术、人工智能等技术，诸多技术手段的集成和渗透使VR技术能够给用户以逼真的环境体验。该技术的一个近乎神话的作用是，它能让用户进入到几乎所有的宏观世界和微观世界，并能毫发无损地出来。因此，该技术被称作“21世纪最具应用前景的三大技术”之一（另外两项是网络技术和多媒体技术）。

2.VR技术的特征

借助VR技术，用户可以进入一个虚拟的立体场景，通过交互作用和自身感知多角度地获得所在场景中的各种信息。

具体来说，VR技术有三个突出特征：

（1）多感知性,即用户能在虚拟环境中获得触觉、听觉、视觉等感官体验。

（2）实时交互性，即用户可以通过数据设备与环境和环境中模拟的实体自然地、实时地交流互动。

（3）沉浸感，即用户感觉自己所在的逼真虚拟环境是真实的，有临场感。

沉浸感主要依赖于使用者与合成图像的集成。头盔显示器是沉浸式系统的关键设备，它是一种将使用者与真实环境隔离的先进显示装置，可为左、右眼提供两个包含平行视差的独立图像，在正确条件下，可产生真实感极强的立体感视景。

（4）自主性，即虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。

其中，沉浸感和实时交互性是虚拟现实的实质，通过在环境中的体验来获得各种空间信息和逻辑信息才是虚拟现实的最终目的。

二、虚拟现实的几个应用领域

虚拟现实的实现依赖于虚拟现实系统，整个系统模型的构建需要三个步骤模型的创建;模型的导入;模型的控制。虚拟现实系统从面向用户的角度上看，主要由以下三部分组成：虚拟场景、虚拟化身、人机交互接口网络。

VR的实时三维空间表现能力、自然的人机交互式操作环境以及给人带来的身临其境感受，从根本上改变了人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状。鉴于此，VR技术得到了人们的日益重视。据统计，该技术已经运用到了三千多个领域。现仅就其在教育、军事和科研开发三个领域的应用加以探讨，以期抛砖引玉。

1.VR技术在教育上的应用

多年来,希望突破人——机之间信息交流这种呆板的数字化方式,想象着能在一种图文并茂、绘声绘色、如临其境、栩栩如生的人——机和谐的信息环境下工作、学习与创造,用自己的感觉感官接受和处理各种信息,并加工成为人们对客观事物的认识。这种以求知为目的的想法已经成为了现实，这就是VR技术在教学上的应用。VR技术在教学上比较成熟的常见应用技术包括：

（1）虚拟训练基地，学生的动手能力一直是应试教育的一个短板。现在，我们可以运用VR技术建立起虚拟实验室、虚拟演练场来训练提高学生的实验操作能力、当众演讲能力等各种素质。这样，愿意做实验的学生就能不受物质条件和时空的限制安全地去做试验，内向的同学就能面对一大帮的虚拟人高声演讲……虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够全身心地进入角色。在培训学生职业技能时，利用VR技术构建的平台是卓有成效的。因为在虚拟训练系统中，学员能够安全地、没有顾虑地、全身心地、不厌其烦地演练，直至最终熟练地掌握。

（2）虚拟课堂，能使学生与协同环境交互，更利于获取环境中蕴含的信息

VR技术可以模拟出想象得到的几乎所有宏观和微观世界，并能真实逼真地再现现实世界场景，这种虚拟环境使得学生能亲身体会并自然交互，其效果要比空洞抽象的说教和平面媒体要好很多。运用这个虚拟世界，学生可以翱翔浩瀚的太空去学习星座星系，可以畅游神秘的海底世界去认识水生动植物和水文知识，可以足不出户就远赴南极接受爱护环境的教育，还可以回到古代去学习历史。

（3）虚拟图书馆，当虚拟图书馆内的书籍被翻阅时，书中所描述的场景会呈现在读者面前。

（4）虚拟校园，访问者通过网络就能进入可视化的三维校园,浏览其优质的教学资源。

实现虚拟场景，需要构建三维虚拟仿真平台。平台可以模拟真实场景，使受教育者在自然状态下不知不觉地掌握知识与技能。

2.VR技术在军事上的应用

在军事上，最值得一提的是虚拟作战平台。构建虚拟作战平台是为了给用户创造一个极具真实感的作战环境，让用户沉浸其中，以达到训练思维和启迪战法的目的。为此，平台上需要事先存储大量的图形图像。鉴于这类系统具有良好的可控性、安全性、无破坏性、费用低、不受气候影响、不受空间和场地限制等特点，已经被世界各军事大国高度重视。各大军事强国现已开发出上万种虚拟作战平台,可以模拟各种作战对象和作战规模，从单兵训练到集团军的决战。

美国发动伊拉克战争之前，已经利用虚拟作战平台把各种可能的突发状况都模拟了一遍，最终敲定了一套“斩首行动”，行动结果证明该方案是可行的。事实上，美国和西欧与北欧国家近年来一直都在致力于虚拟作战系统的研制与使用，以实现战场模拟、指挥官培训、战事推演和战术革新。

3.VR技术在科研开发管理上的应用

由于VR技术搭建的平台可以使用专用的头盔与手套自然地、实时地传递环境信号，并能把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来，使得用户产生了一种身临其境的错觉。所以，科研人员在运用VR技术设计产品的过程中可以发现原本不易察觉的问题，并能通过修改参数达到完善的目的。

VR技术可以帮助企业有效地节省成本，降低真实实验的次数和投入，减少产品的设计时间与设计周期。事实上，由于运用该技术设计与建造产品上是如此出色，以至于目前诺思罗普·格鲁曼公司正在为美军设计的下一代航母——“吉拉德·R·福特”级核动力航空母舰使用了强大的虚拟现实软件，这将是第一种全程使用计算机软件而非图纸进行设计的航空母舰。无独有偶，连音公司的波音777运输机的设计过程也全程采用了VR技术。一个虚拟现实技术被广泛应用于设计的时代已经来临。

文中介绍了虚拟现实的本质，并从教育、军事、科研三个侧面论证了VR技术不可小觑的作用。数字时代下，社会的各个层面都在进行着变革，以VR技术为代表的高新信息技术在这场变革中将起到决定性的作用。VR技术涉及到数学、力学、计算机图形学等诸多学科，跨学科多、集成度高，已经成为各国信息技术水平的分界线之一。与发达国家相比，我国的VR技术起步晚而起点高，虚拟现实和增强现实同步前进。相信在国家的重视和科研人员的努力下，我国的VR技术将成为促进经济发展、社会进步和人民生活水平提高的新动力和打造信息化社会的引擎之一。

［1］赵维,谢晓方.沉浸式虚拟现实系统舒适性研究［J］.计算机工程与设计，2009,(18):4251-4252.

［2］张雪鹏,陈国华等.基于3D的虚拟运动仿真平台设计及 Virtools功能实现［J］.北京化工大学学报，2009，（4）:93-94.

TP

A

1673-0046（2010）6-0176-02