虚拟现实概述与思考

1、虚拟现实：概述与思考董士海，北京大学计算机系教授，博士生导师，图形研究室主任，兼任中国计算机学会cad及图形学专业委员会委员，中国图像图形学会理事，先后参加了我国第一台百万次计算机（150机）、计算机汉字激光照排系统（748工程）等研制及多个国家重点项目研究。面对当前知识经济、信息产业和国防现代化迅速发展的形势，我国政府、军队和企业十分重视信息技术的创新研究和长远发展，正制定和实施包括基础研究、高技术开发和产业攻关在内的各类国家规划，并已经或准备给予大量投入。作为技术发展重要驱动力的“虚拟现实”，又一次成为人们关注的热点之一。概念与回顾什么是虚拟现实？“虚拟现实”（virtual realit

2、y，简称vr）是1989年美国的jlanier（后来曾是专做vr产品的vpl公司董事长）提出的，国内也有人译为“灵境”、“幻真”等，国外与虚拟现实同类的术语，还有虚拟环境、人工现实及电脑空间等。所谓“虚拟现实”，是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。这一定义强调的是：逼真的感觉、自然的交互、个人的视点及迅速的响应。虚拟现实是一项综合的技术，涉及计算机图形学、人机接口技术、传感技术及人工智能技术等，需要计算机、心理学、人类工程学（ergonomics）等专家共同开发研究。

3、90年代，虚拟现实技术发展很快，各种开发虚拟现实设备或系统的公司成立，但虚拟现实离实际应用仍很远，已有的成果大多只能称为“演示”或“玩具”。最具吸引力的领域虚拟现实是一项难度很大的综合技术，要达到逼真的多种感觉和实时的自然交互是非常不容易的。例如：逼真的立体视感（沉浸感）需要宽视野和高分辨率的显示设备，而现有的头盔显示器不仅分辨率低、价格贵，而且带在头上更是不方便；又如，要对大型地理数据（如地形图）进行三维浏览和交互处理，往往响应时间很慢；至于触觉反馈或嗅觉设备离实用更有很大距离，等等。虚拟现实涉及的关键技术主要有：大规模数据的场景建模技术；动态实时的立体视觉、听觉等生成技术；三维定位、方向跟

4、踪、触觉反馈等传感技术和设备；符合人类认知心理的三维自然交互技术；三维交互软件及系统集成技术等。由于虚拟现实具有极其重要的应用前景，因而促使人们不断去创新、克服困难！哪些方面是最有吸引力的虚拟现实应用领域呢？军事。美国国防部和军方认为：虚拟现实将在武器系统性能评价、武器操纵训练及指挥大规模军事演习三方面发挥重大作用。他们制定了战争综合演示厅计划、防务仿真交互网络计划、综合战役桥计划及虚拟座舱等应用环境，并在核武器试验及许多局部战争中进行了应用。航天航空。美国宇航局是虚拟现实最早的研究单位和应用者。宇宙飞船及各类航空器是需耗费巨资的现代化工具，而进入宇宙有大量未知、危险的因素，因而模拟各种航空器

5、可能遇到的环境，不仅可节省大量费用，而且是十分必要的。虚拟风洞就是一例。计算机辅助设计。各种工业产品、建筑物均需反复构思和设计，但往往用户仍不满意。美国波音公司butler设计了一架称为vsx的虚拟飞机，它可使设计人员有身临其境观察飞机外形、内部结构及布局的效果。建筑设计师可在盖楼前通过虚拟建筑物，让用户自己来观察外形和内部房间部位，也便于设计师修改设计。外科手术和人体器官的模拟。外科医生的培训是一项投资大、时间长的工作，这是因为不能随便让实习医生在病人身上动手术，可是不亲自动手，又如何学会手术呢？虚拟手术台已能部分模仿外科手术的现场。同样，提供模拟的人体器官，可让学生逼真地观察器官内部的构造

6、和病灶，具有极高的实验价值。科学研究和计算的可视化。各种分子结构模型、大坝应力计算的结果、地震石油勘探数据处理等，均十分需要三维（甚至多维）图形可视化的显示和交互浏览，虚拟现实技术为科学研究、探索微观形态等提供了形象直观的工具。远程控制。虚拟现实可采用遥控手段，通过机械手、机器人对危险或有毒环境进行操作。教育、游戏与其他。这是向人们，尤其是青少年提供生动的课堂和娱乐手段的好机遇，它具有三维声像效果，能进行交互操作的功能，因而已被商家们看好，竞相开发低档虚拟现实产品。图1给出了一个简单的虚拟现实系统，包括：主计算机，用来生成各种虚拟现实的场景，进行各种实时计算和处理；一个双筒全方位监视器（boo

7、m），作为视觉设备，供人们观察用；另外，有一个数据手套作为三维自然交互的输入设备，供人们操作。这个系统里并没有立体听觉系统及分布环境。近年来，虚拟现实技术又有了很大的发展，主要是：1）使用基于图像的绘制技术（或与图形绘制相结合），以提高图形生成的速度；2）各种新的交互设备，譬如双手输入技术，三维力反馈设备，美国sensable tech公司的phantom系统等；3）增强现实（augmented reality），也称混合现实，它是将真实环境和虚拟现实的景象结合起来的一种技术，既可减少生成复杂环境的开销，又便于对实际物体的操作；4）分布式虚拟现实环境，在因特网（包括高速internet）环境下

8、，充分利用各地资源的优势，协同开发虚拟现实的应用，如美国大型军用交互仿真系统npsnet及因特网上多人游戏mud等；5）多通道人机交互技术，即采用人体多种自然交互手段向系统输入，如手势、语音、头部或身体动作等。实际应用的虚拟现实系统大体可分为四类：1）桌面虚拟现实系统，也称窗口中的vr，它成本低，主要用于cadcam、建筑设计等领域；2）沉浸虚拟现实系统，使用头盔显示器把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来，产生一种身临其境的错觉；3）分布式虚拟现实系统，它建立在沉浸虚拟现实系统和分布式交互仿真（distributed interaction simulation）的基础上；4）增强现实。图1

9、虚拟现实系统框图关于未来的思考虚拟现实是技术，还是媒体的欺骗？虚拟现实为何可能？这是一个古老的哲学问题。我们是处在现实中，还是在我们自己的感觉世界中？对于个人来说，更直接的是感觉世界。以视觉为例，我们看到的一切，不过是视网膜上的影像。从这一角度出发，我们应和心理学家、生理学家一起，认真研究人类的感知问题。虚拟现实有其二重性：对于人的感官来说，它是真实存在的；对于所构造的物体来说，它又是不存在的。因此，能利用这一技术模仿许多高成本的、对人有危险的、或目前尚未出现的真实环境，人们可对它进行分析研究、仿真操作及改进设计等。技术现状。虚拟现实目前在技术上仍处于探索中，90年代初有了较大的发展，如cav

10、e及分布式vr，但后来有一段时间发展相当缓慢，由于响应慢、真实感差，人们只是把它当作“玩具”或“演示”而已。近来，随着因特网技术、基于图像绘制技术、增强现实等的进展，虚拟现实又有不少新的成果。重视人机交互的研究。说到底，虚拟现实是一种新的人机交互范式。与以前任何人机交互形式相比，它有希望彻底实现“和谐的、拟人化的”人机界面。虚拟现实系统有三个重要特点：沉浸感（immersion）、交互性（interaction）和构想性（imagination），这决定了它与以往人机交互技术的不同，反映了人机关系的演化过程。在复杂系统中，可能有许多参与者共同在网络虚拟环境中协同工作，各领域专家需联合起来开展研

11、究，协同攻关。关于信息可视化。信息可视化是科学计算可视化的扩展，通常是指不包括科学计算可视化的其他领域可视化技术，如商业、金融可视化、软件可视化等。多数情况下，信息可视化及科学计算可视化并不需要采用昂贵的虚拟现实技术，而用普通二维、三维图形技术即可达到要求，这样更便于推广和普及。关于投入。现在各个部门均逐渐重视虚拟现实的研究与开发，并在规划中给予了较大的投入，这是十分必要的。但我们国家财力有限，应集中各个渠道的经费，开发一些重点应用，投入使用，以产生效益，而不应该分散财力，只做几个“原型”。国家在安排主要财力开发大型“沉浸式虚拟现实系统”的同时，应给予一定的投入，支持各种小型桌面虚拟现实系统的研究开发。目前，因特网的应用是一个大好机