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| | 虚拟现实技术探析 |
虚拟现实（Virtual Reality），简称VR或称灵境技术，实际上是一种可创建和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界,并通过头盔显示器（HMD）、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。VR技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。它同时具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和构想性（imagination），使人们能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有交互效能多维化的信息环境。
沉浸性是指用户对虚拟世界中的真实感，此种真实感将使用户难以觉察、分辨出其自身正处于一个由计算机生成的虚拟环境中；交互性是指用户对虚拟世界中的物体的可操作性；构想性是指用户在虚拟世界的多维信息空间中，依靠自身的感知和认知能力可全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求对问题的完美解决。研究和开发VR技术的根本目的旨在扩展人类的认知与感知能力，建立和谐的人机环境。
VR技术是系统仿真中新兴技术之一，它实际上是一种采用计算机技术制作仿真的假想世界的技术，采用计算机产生一个被仿真世界的动态、三维视觉环境，使操作者产生一种身临其境的感觉。采用此项新技术，参与者使用硬件，如键盘、数据手套、三维鼠标器、跟踪球、操纵杆、空间球、眼球跟踪装置、超声波头部跟踪器、头盔显示器、摄录像设备、大屏幕彩色投影机、立体护目镜、音响、耳机、语音识别与合成装置、工作站及数据服等以获得所需的感知，来体验计算机世界境况。
一、VR系统的构成
VR环境系统包括建模、控制和媒体数据源三大部分。建模系指利用物理的或数学的方法，对需要仿真的实际系统进行描述获得近似的数学模型。这是进行数字仿真或半实物仿真必不可少的步骤。地物的几何建模技术是虚拟地景仿真中最为重要的研究领域之一。虚拟地形环境（Virtual Terrain Environment）是应用VR技术在数字地图的基础上建立起来的，逼真地描述地球表面及其现象的实时、交互的地形场景。虚拟地形环境的研究，提供了一种新的空间环境认知手段，必将促进地图学、地理学等相关信息科学理论的发展与深入；它是未来数字化战场测绘的保障方式；它的研究将会促进VR技术进一步的研究与发展，提高VR技术的应用水平，为诸如数字化城市、数字化社会及数字化地球的实用化提供有效的技术积累。
基于图像的建模（Image-Based Modeling,IBM）技术近来发展迅速，它采用一组采样图像来建立VR环境的模型，而不是使用传统基于几何建模所采用的几何图元，从而使VR技术能在个人计算机（PC）上得到应用与推广。其技术包括：场景的采样；VR环境的表示；由场景的采样转化为VR环境表示的建模技术。VR系统是一种由计算机局部或全部生成的多维虚拟感觉环境，给参与者产生各种感官信息，如视觉、听觉、手感、触感、味觉及嗅觉等，能体验、接受并认识客观世界中的客观事物。三维立体显示是其一项必不可少的关键设备，它是系统向用户输出反馈信息的主要手段。双眼视觉对产生VR系统环境至关重要。VR系统可由如下各部分构成：
①高性能计算机系统、计算机图像的特征采样与图形交互作用技术。
②虚拟环境生成器，军事训练模拟中的视景生成技术是当前研究的一个重要内容。智能虚拟环境（IVE）是VR、人工智能及人工生命技术的有机结合，目前，有关IVE的研究工作在国外亦刚刚起步，有众多关键技术仍需作进一步的研究。现从事IVE研究的人员大多来自人工智能和知识工程领域，随着对IVE技术研究的深入，该领域必将会得到重大的突破，具有高度行为真实感的、支持多个参与者的、具有生命特征的智能虚拟世界将会日趋涌现。当前VR研究中的一个热门课题是分布式虚拟环境（DVE）。
③计算机网络。
④三维视景图像生成及立体显示系统，基于图像的视景生成技术需解决的问题是显示的模型及如何在模型上产生出图像。这主要有柱面模型和球面模型两种，战场环境仿真是作战仿真的重要内容，逼真的战场环境实时仿真是作战仿真之基础，因此充分利用VR及计算机图形学最新研究成果的战场可视化系统便应运而生。
⑤立体音响生成与扬声系统，它是虚拟环境多维信息中的一个重要组成部分。听觉是仅次于视觉的感知途径，它向用户提供的辅助信息，可增强视觉的感知，弥补视觉效果之不足，增强环境的逼真性。利用不同声源到达某一特定位置的时间差、相位差及声压差等进行虚拟环境的声音跟踪是实物虚化的重要组成部分；声波传播时间测定法和相位相干测定法属于实现声音定位跟踪的两种基本方法。若给综合战场环境中加入虚拟声音，将会增强综合战场环境的逼真性与完整性，可给作战指挥员提供强烈的沉浸感和临场感，减弱大脑对视觉的依赖性，并能获得更多的信息。
⑥力反馈触觉系统，参与者在虚拟环境中产生沉浸感的重要因素之一是用户在用手或身体操纵虚拟物体时，能感受到虚拟物体与虚拟物体之间的作用力与反作用力，从而产生出触觉和力觉的感知。
⑦人体的姿势、头、眼、手位置的跟踪测量系统，运动跟踪作为人与虚拟环境之间信息交互的一个重要因素，是近年来VR技术发展的一个重要领域。人体行为交互是人际之间除语音外的一种重要交互方法，行为表现模型的建立是一个技术关键。信息社会的显著特点与基础是数字化技术，人类自身的数字化便显得颇为重要，需进行深入的研究，这便是虚拟人合成的研究目的及其意义所在，最终使得计算机与人之间可实现自然化的交互。
⑧人机接口界面及多维的通信方式，这些技术目前主要集中反映在头盔显示器和数据手套这两类交互设备中。
⑨各种数据库（地形地貌、地理信息、图像纹理、气动数据、武器性能参数、导航数据、气象数据、背景干扰及通用模型等）。
⑩软件支撑环境，需建立并开发出虚拟世界数据库；在底层支撑软件及三维造型软件的支撑下，建立起VR系统的开发工具软件；在输入输出传感器等硬件支撑下，建立起人机交互图形的界面。
二、VR的关键技术
与传统的信息系统相比，VR系统属于一种新型多维化人机和谐的信息系统。在此种VR系统内，人们感受到的最突出的特点是其沉浸性、交互性和构想性。为实现这种新型的信息处理系统，满足人们对沉浸性、交互性和构想性日趋增高的需求，在众多技术难题中至少应重点提高3项关键技术的水平。
⒈提高“身临其境”的沉浸感
VR的沉浸性是使人具有逼真感之根本。为了逼真地模拟视觉功能，在很大程度上是依赖于VR技术的图像处理和理解能力，图像处理的质量愈高，图像处理的速度愈快，图像识别的能力愈强，系统的理解能力愈完善，系统的视觉沉浸感便愈佳。视觉是提高沉浸感的重要因素，但并非是惟一的因素；听觉可能是VR技术中最先达到逼真程度的领域；触觉是一个刚起步研究与试验的领域。由微处理器和传感器构成的数据手套，与视觉、听觉相配合，大大地增强了VR系统的逼真感；而嗅觉与味觉还属于一个尚未实质性地开展研究的领域。故提高VR系统的沉浸感，尚需进行大量艰苦的工作。
⒉开发高性能的传感器
VR的交互性是达到人机和谐之关键，其性能优劣在很大程度上取决于与计算机相连的高性能传感器及其相应的软件。交互技术研究的主要任务是设计出交互技术并评估其性能，目前至关重要的两种设计方法是：依据应用程序的特殊需求，凭直觉或想象设计出交互技术；按任务的结构划分来指导进行设计。
为与虚拟环境发生交互作用，迄今已研制出多种传感设备，上述所提到的鼠标器、数据手套、跟踪球和超声波头部跟踪器等，每一种传感设备都各有千秋，选用时要注意扬长避短。目前针对VR系统的需求研制的性能更为完善的传感器，如用红外或其他光学方法跟踪眼睛的活动，当知道人的眼睛注视何处时，便可用其实现某些控制。目前这些新型的传感设备尚未成熟，人们正通过研制新材料、新结构、新工艺或新的控制机理，以提高其性能，这是当前VR技术中颇为活跃的一部分研究工作。
⒊ 研制高性能的计算机
VR的构想性是辅助人类进行创造性思维的基础。因此，高效的计算机信息处理技术是直接影响VR系统性能优劣之关键。高性能计算机是构建VR系统的“基石”，是对多维信息进行处理的“加工厂”，是实现各种软硬设备的集成及控制人机协调一致的“工作平台”。未来VR技术的发展必将会对计算机的性能提出更高的要求，主要是网络技术、信息压缩与数据融合、系统集成技术等3个方面。
（1）网络技术
进入20世纪90年代，随着网络技术尤其是异步传输模式（ATM）等高速网络技术的迅速发展，人类将进入一个全新的时代，即以网络为中心的计算时代，网络计算机是一个具有高度智能、并负责向网上用户提供诸种服务的巨型计算机。从计算机技术的角度分析未来的VR系统的特点，它将是一个交互、分布、实时和多维化信息的处理系统。故一个能简便地进行交互存取的分布式多维化信息网络便成为实现VR系统之关键技术。随着VR技术在网络上的推广与应用，数以亿万计的人们进入未来的网络，世界将变得愈来愈小，而人类的感知与认知能力将变得愈来愈强。由此可见，网络技术必将对VR系统产生更为深远的影响。
（2）信息压缩与数据融合技术
为使VR系统能实时地处理大量的多维化信息，一方面应尽量提高计算机的处理速度；另一方面亦应研究出更高效的信息压缩与数据融合的算法和技术。在VR系统中所进行观测活动状况下的图像处理，是基于交互作用的图像处理。故VR系统对图像处理便提出了更高的要求，不能将全部负担都压在计算机的硬件性能上，而应把研究新型、高效的数据压缩算法及研制专用数据压缩芯片、数据融合新技术与新算法作为关键技术予以突破。
（3）系统集成技术
在VR系统中存在由各种传感器所输出的数字和模拟信息，它们有的用声、图、文的形式表示；也有用视觉、听觉、力感、触感、味觉、嗅觉的方式表达。同时，在VR系统中还存在着虚拟和真实的环境，在该环境中有虚拟的对象和真实的人。这些信息中有实时与非实时、瞬变与缓变、可确定与不可确定、相互支持与互补或相互制约与矛盾等。如何将这些多维化信息、来自虚拟和真实对象的信息进行综合集成，使之协调一致，这是一项十分重要的关键技术，主要是靠VR系统中的核心，即虚拟环境生成器来完成。集成的目的旨在建立一个最优化结构、自适应、高性能、颇具竞争力的实时、互操作的大系统。
总之，要发展VR技术，必须做好关键工作：
①在方法上，大力开展VR建模、人机实时交互、VR生成与逼真感、虚拟现实与真实现实的一致性、多传感器数据/信息融合、系统设计分析及用户心理学等方面的研究。
②在设备上，大力增强三维传感、交互设备及立体显示设备的研制。
③在应用上，大力增强研究VR系统开发平台及分布式VR技术。
三、结束语
VR属于一种特殊设计的信息数据库，它可将数据库数据转换成可视化的三维视觉显示图像。利用这些数据描述二维或三维的图形与图像，构成三维的虚拟世界。VR并不是一幅图像、画面或一种声音，而是一种“体验”，对从未体验过的人而言，可将其解释为把人置身于一个全由计算机虚构的世界中去的一种手段。VR是信息科学领域中的新兴技术，它具有广泛深入研究的内涵和宽阔的应用前景，目前正引起多个学科领域的众多学者高度关注。
随着计算机技术，尤其是多媒体及可视化技术的迅猛发展，攻防对抗系统仿真是分布式交互仿真的重要应用领域及发展方向之一。攻防对抗虚拟现实中的人工干预技术也必须得到长足的发展。通过计算机的文字、图形、图像、声音、视频及动画等多媒体的输入输出，将使攻防对抗虚拟现实中的人工干预更为逼真、形象、自然，产生身临其境的效果。如可通过动画的方式与VR进程同步展示战场的推演态势，通过语言、文字等形式提示参与者进行人工干预；参与者可借助语言形式向计算机发布命令，亦可通过触摸屏模拟发射按钮的操作过程，对计算机进行人工干预等。由此可见，多媒体与VR的集成技术在攻防对抗中的广泛应用，亦是人工干预技术的发展方向。
随着多媒体技术的发展，多媒体技术与人-机界面相关技术的有机结合，必将日趋生动地改变着人-机界面环境和人的工作方式，它也必将对VR系统的应用及其整体效能产生深刻的影响。虚拟现实技术是人类智慧高度集中的具体体现，进入虚拟现实环境将会使人类的智慧得到更高的升华。 |
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