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| | 神奇的虚拟现实技术——随身看的一种实际应用 |
一、什么是虚拟现实技术
虚拟现实技术（国内又译做灵境技术，英文名为Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ），是一门信息领域的前沿技术。到现在为止，世界上还没有关于它的普遍适用的定义，但一般可以认为：它利用各种人机交互技术为人类在现实空间之外创造了另一个尽可能真实的互动的虚幻世界，使人类可以漫游其中，体验最真实的虚拟空间，不受任何限制地在自己的梦想里散步。虚拟现实技术已经广泛应用于航天、军事、工程等各种尖端科技领域中，并将作为一种先进的技术手段更为广泛的应用于并影响我们的日常生活。由于虚拟现实在人机交互中使用的显示器大多是头盔式增强型随身看显示系统，所以，他是随身看显示系统最有前景的应用领域之一。
虚拟现实系统一般包括用户控制系统（如人体运动监测、控制杆、键盘、鼠标等控制设备）和视觉、听觉、触觉、嗅（味）觉等人类感觉方面的仿真反馈系统，处理系统，以及人类感知的信息显示系统（包括如：显示器，音响，三维座椅等等）。其中，视觉、听觉的控制和仿真是目前虚拟现实技术较为主要的发展方向，而头盔式增强型随身看显示系统则是用户使用的主要产品形式。以下我们将着重对此进行介绍。
虚拟现实技术是依赖于大量的计算机软件技术如ＡＩ（人工智能），ＰＲ（模式识别），图形学、底层接口等技术和新型显示技术、场传感器技术、力量反馈系统、无线、有线通讯等技术综合应用的一门边缘学科。
·从本质上讲，虚拟现实技术是对现实世界的再现和梦境的实现；
·从技术角度讲，它是软件、硬件领域的前沿技术综合应用和面对对象的综合技术开发。
虚拟现实技术将可以使人们在头戴一个头盔式增强型随身看系统的情况下，身临其境的体验一把梦幻似的虚拟现实。图１—图３是美国于上世纪９０年代末研制的基于点集运算的虚拟现实场景照片。
二、虚拟现实技术简介
其实，这些虚拟现实场景，就是使用复杂的软件技术，预先在计算机中构造一个真正的三维空间，（实际是一个多维空间，例如，虚拟空间中的每一个点都具有Ｘ、Ｙ、Ｚ坐标、色彩、法线、逻辑关系等众多维度的信息），计算机再通过传感器、操纵杆、鼠标等用户输入设备确定虚拟场景中人的六个自由度（６ＤＯＦ）位置，最后通过计算机将画面再现（一般用ＲＡＹＴＲＡＣＥ方式将三维空间反算成平面图形）到用户眼前、从而创造出虚拟空间。这样的一系列工作如果能够连贯起来，并且整个系统一个周期的运算时间小于人的视觉暂留时间，用户就会在头戴式增强型随身看显示系统的大型虚象显示屏幕上拥有身临其境地在虚拟现实世界中漫游的感觉了。
虚拟现实场景的构建是进行虚拟现实制作工作的第一步。上面讲到计算机内部通过程序构造了一个三维空间，空间中每个点具有多维度信息，在实际应用中，点集（空间中点的集合）的形式处理数据是较少应用的（一般只是在场景被显示之前才会用到），在数据处理过程中一般采用矢量化模型（即空间是由有限个平面组成，每个平面由不共线三点组成，每个平面具有具有三套Ｘ、Ｙ、Ｚ坐标、色彩、法线、逻辑关系等众多维度的信息）。矢量化模型的使用极大地避免了海量数据的处理和存储。例如，在北京前一段展示的某住宅小区虚拟现实场景中，小区面积大约为２平方公里，建筑面积２０万平米，通过点集方式处理的场景数据量大约为１５Ｇ，需要一台４至强工作站支持才能勉强运行；而北京中棠大地科技有限公司开发的软件，在一台价值８０００元的普通ＰＣ上，完好地再现了场景，经过动态内存优化，场景的数据量大约为１５Ｍ，运行时内存占用不超过３０Ｍ，并且实现了实时场景调整、实时反射、镜头眩光、等众多以前只在三维动画中才看的见的特殊效果。
三、虚拟现实技术与三维动画的区别
经常有人会讲，虚拟现实技术让人看到的东西不就是三维动画么，它和三维动画有什么区别？其实，虚拟现实技术和三维动画有本质上的区别，三维动画是依靠计算机预先处理好的路线上所能看见的景物的静止照片连续播放形成，不具有任何交互性，即不是用户想看什么地方就能看到什么地方，用户只能按照设计师预先固定好的一条线路翻来覆去地去看某些场景，只能给用户提供很少的信息；而虚拟现实技术则截然不同，它是通过计算机实时计算场景使用户得到信息，它可以根据用户的需要把整个空间中所有的信息真实地提供给用户，真正做到“想得到，就看得到”。
简单地讲，虚拟现实技术源于人们对三维动画的自由交互的渴望，虽然它形式上和三维动画有些相似之处，但它最终将是三维动画的掘墓人。举个例子，大家都知道，３ＤＭＡＸ是三维动画制作的利器，软件效果好，运行效率高，用户遍及全球，在前文所说的小区场景中（２００Ｋ三角形），如果需要利用３ＤＭＡＸ渲染一张（１０２４×７６８）效果图大概需要几十秒的时间，虚拟现实软件在同样的分辨率下，每一秒中却是在渲染几十桢这样的效果图，如果每秒不能达到２０帧以上，就难以达到和人类实时交互的目的。这种效率是通过软件的优化达到的，但不是一朝一夕就可以做到。
有了三维场景和三维引擎，虚拟现实的下一步工作就集中在增强型随身看系统上了。增强型随身看系统主要由两部分构成：１李维是先生介绍的双目式随身看系统主要性能为每片显示器分辨率不低于８００×６００点，竖直刷新率不低于２５ＨＺ，全彩色２４位色以上，双目水平视野角度不低于１２０度。２场传感器系统至少３自由度（３Ｄｅｇｒｅｅｅ Ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ），包括水平航向、俯仰、横滚角度检测，采样率不低于１００Ｈｚ，以及用户的Ｘ、Ｙ、Ｚ坐标信息。
用户通过以上设备，就基本可以实现具有沉浸感的虚拟现实的漫游功能了。在我们前一段的展示过程中，用户是戴上我们提供的增强型随身看系统（即戴上装有３ＤＯＦ传感器的随身看），手持游戏手柄，漫游在虚拟现实世界之中。用户通过游戏手柄可以控制在虚拟现实场景中走动或者飞行，通过增强型随身看系统一方面确定了用户头的位置（视野方向），另外一方面，计算机实时计算的图象也是通过增强型随身看系统显示给用户。计算机将通过以下过程进行工作（以下过程时间不超过５０ｍｓ）：
计算机调入矢量化场景－－＞用户传感器传递信息进计算机－－＞计算机确定用户位置、视野方向－－＞计算机四倍分辨率计算场景透视图－－＞计算机还原点阵（一倍分辨率抗锯齿）图象－－＞图象显示到随身看系统
四、广阔的市场前景
实践证明，这样的系统拥有广阔的市场前景，它可以应用在模拟训练、战场仿真、侦察测绘等军事领域；可以应用在城市规划、建筑设计、房地产销售等建设、建筑行业；可以应用在医疗、旅游、教育、娱乐等众多的与百姓生活息息相关的领域中，它具有使用安全、方便简单、效果真实、成本低廉、不受外界环境干扰、使人印象深刻等众多特点。试想，战士们可以在室内操纵模拟仪器驾驶坦克，借助虚拟现实技术训练驾驶并进行坦克团的战术训练；建筑师可以坐在电脑前漫游在他设计的未来大厦里，市长和市民可以一起走进规划中的新的城市，一起看，一起聊，为了我们大家的家园能够更加美好；普通百姓更是可以足不出户去旅游，买房之前可以先进入未来的小区中看个明白……。
总之，虚拟现实技术有着广阔的市场前景，但是，市场是由产业支撑的，而产业是由产品组成的。中国的虚拟现实市场要靠中国人自己的虚拟现实产品去开拓。
五、虚拟现实技术在国内外开展情况
国外虚拟现实技术的集中发展经历了十几年的时间，我们不能忘记虚拟现实技术的先行者和规范的制定者们——ＳＧＩ， Ｓｏｎｙ， Ｍｉｔｒａ， Ｎｅｔｓｃａｐｅ， Ｉｎｔｅｒｖｉｓｔａ，以及ＶＰＬ ＲＥＳＡＲＣＨ（他是世界上第一家向美国宇航中心提供ＶＲ设备的公司，被普遍认为是业界的先行者）的ＧＬＯＶＥ．ＡＣＣＥ，ＩＡＯＳＴＡＴＥ（美国依阿华大学）的ＣＡＶＥ等巨人们我们正是依靠这些巨人们所做出的卓越的工作上，顺利而稳妥地继续开发虚拟现实软件平台。
自从１９９１年起，德国就开始将仿真系统应用于建筑设计中。在２０世纪的最后十年中，欧洲和北美的许多设计、房地产公司也开始广泛使用仿真系统辅助设计和房地产的销售，并逐渐取代电脑表现图和模型等传统手段，成为主要的销售和设计辅助手段之一。但是，高昂的成本和高使用费用多年来限制了仿真技术在我国的普及和应用，使其成为国际大型企业的专属和象征。近年来，由于科技的进步，仿真技术的应用成本大幅下降、图像效果极大改善、功能日益丰富，无论是价格和性能都已经可以满足国内有实力用户的应用要求，使用的简单程度也已经可以为普通百姓所接受。 |
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