虛擬現(xiàn)實技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的共同發(fā)展
摘要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)技術(shù)，它利用計算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，可借助傳感頭盔、數(shù)據(jù)手套等專業(yè)設(shè)備，讓用戶進(jìn)入虛擬空間，實時感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而通過視覺、觸覺和聽覺等獲得身臨其境的真實感受。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是仿真技術(shù)的一個重要方向，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)。
關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù) 虛擬環(huán)境 計算機(jī)發(fā)展 新型計算機(jī)
計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用方面的不斷提高使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)也相應(yīng)同步地快速發(fā)展。尤其是計算機(jī)的發(fā)展將趨向超高速、超小型、平行處理和智能化，量子、光子、分子和納米計算機(jī)將具有感知、思考、判斷、學(xué)習(xí)及一定的自然語言能力，使計算機(jī)進(jìn)入人工智能時代。這種新型計算機(jī)將推動新一輪計算技術(shù)革命，更加帶動虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，對人類社會的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
1、虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述
虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。該技術(shù)集成了計算機(jī)圖形(CG)技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用離不開計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，兩者是相輔相成的關(guān)系，如果要正確認(rèn)識和剖析并把握虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，就必須深入研究計算機(jī)技術(shù)的變化與發(fā)展趨勢，這樣才能有利于我們未來更好的掌握與應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)。
2、計算機(jī)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用
自從1944年世界上第一臺電子計算機(jī)誕生以來，計算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)計算機(jī)的性能受到挑戰(zhàn)，開始從基本原理上尋找計算機(jī)發(fā)展的突破口，新型計算機(jī)的研發(fā)應(yīng)運(yùn)而生，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展將趨向超高速、超小型、并行處理和智能化。專家預(yù)計虛擬現(xiàn)實技術(shù)也會因此得到迅速發(fā)展。尤其是三維計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、采用多種功能傳感器的交互式接口技術(shù)和高清晰度顯示技術(shù)在虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用中起著重要作用。此外，智能化的超級計算機(jī)和新型高性能計算機(jī)不斷發(fā)展。這會更有利于虛擬現(xiàn)實技術(shù)方面的快速發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過計算機(jī)對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作以及實時交互的`環(huán)境。與傳統(tǒng)的計算機(jī)人-機(jī)界面(如鍵盤、鼠標(biāo)器、圖形用戶界面以及流行的Windows等)相比，虛擬現(xiàn)實無論在技術(shù)上還是思想上都有質(zhì)的飛躍。
3、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的技術(shù)特點
3.1 虛擬現(xiàn)實有效地建立虛擬環(huán)境主要集中在兩個方面，一是虛擬環(huán)境能夠精確表示物體的狀態(tài)模型，二是環(huán)境的可視化及渲染。
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3.2 虛擬現(xiàn)實僅是計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)置的一個近似客觀存在的環(huán)境，它是硬件、軟件和外圍設(shè)備的有機(jī)組合。
3.3 用戶可通過自身的技能以6個自由度在這個仿真環(huán)境里進(jìn)行交互操作。
3.4 虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵是傳感技術(shù)。
3.5 虛擬現(xiàn)實離不開視覺和聽覺的新型可感知動態(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，并需結(jié)合高速的動態(tài)數(shù)據(jù)庫檢索技術(shù)。
3.6 虛擬現(xiàn)實不僅是計算機(jī)圖形學(xué)或計算機(jī)成像生成的一幅畫面，更重要的是人們可以通過計算機(jī)和各種人機(jī)界面與機(jī)交互，并在精神感覺上進(jìn)入環(huán)境。它需要結(jié)合人工智能，模糊邏輯和神經(jīng)元技術(shù)。
4、虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備與軟件技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的融合
在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，硬件設(shè)備主要由3個部分組成：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、虛擬世界生成設(shè)備。此外系統(tǒng)還需要虛擬現(xiàn)實的相關(guān)技術(shù)。
4.1 虛擬現(xiàn)實的輸入設(shè)備。有關(guān)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸入設(shè)備主要分為兩大類：一類是基于自然的交互設(shè)備，用于對虛擬世界信息的輸入;另一類是三維定位跟蹤設(shè)備，主要用于對輸入設(shè)備在三維空間中的位置進(jìn)行判定，并送入虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中。虛擬世界與人進(jìn)行自然交互的實現(xiàn)形式很多，有基于語音的、基于手的等多種形式，如數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、三維控制器、三維掃描儀等。手是我們與外界進(jìn)行物理接觸及意識表達(dá)的最主要媒介，在人機(jī)交互設(shè)備中也是如此。基于手的自然交互形式最為常見，相應(yīng)的數(shù)字化設(shè)備很多，在這類產(chǎn)品中最為常用的就是數(shù)據(jù)手套。
4.2 虛擬現(xiàn)實的輸出設(shè)備。人置身于虛擬世界中，要體會到沉浸的感覺，必須讓虛擬世界能模擬人在現(xiàn)實世界中的多種感受，如視覺、聽覺、觸覺、力覺、痛感、味覺、嗅覺等。基于目前的技術(shù)水平，成熟和相對成熟的感知信息的產(chǎn)生和檢測技術(shù)僅有視覺、聽覺和觸覺(力覺)3種。感知設(shè)備的作用是將虛擬世界中各種感知信號轉(zhuǎn)變?yōu)槿怂芙邮艿亩嗤ǖ来碳ば盘枺F(xiàn)在主要應(yīng)用的有基于視覺、聽覺和力覺感知的設(shè)備，基于味覺、嗅覺等的設(shè)備有待開發(fā)研究。
4.3 虛擬現(xiàn)實的生成設(shè)備。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，計算機(jī)是虛擬世界的主要生成設(shè)備，所以有人稱之為“虛擬現(xiàn)實引擎”，它首先創(chuàng)建出虛擬世界的場景，同時還必須實時響應(yīng)用戶各種方式的輸入。
通常虛擬世界生成設(shè)備主要分為基于高性能個人計算機(jī)、基于高性能圖形工作站、高度并行的計算機(jī)系統(tǒng)和基于分布式計算機(jī)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)四大類。
4.4 虛擬現(xiàn)實的相關(guān)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的目標(biāo)是由計算機(jī)生成虛擬世界，用戶可以與之進(jìn)行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等全方位的交互，并且虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能進(jìn)行實時響應(yīng)。
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要實現(xiàn)這種目標(biāo)，除了需要有一些專業(yè)的硬件設(shè)備外，還必須有較多的相關(guān)技術(shù)及軟件加以保證，特別是在現(xiàn)階段計算機(jī)的運(yùn)行速度還達(dá)不到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所需要求的情況下，相關(guān)技術(shù)就顯得更加重要。虛擬現(xiàn)實的相關(guān)技術(shù)主要有立體視覺顯示技術(shù)、環(huán)境建模技術(shù)、真實感實時繪制技術(shù)、三維虛擬聲音的實現(xiàn)技術(shù)、自然交互與傳感技術(shù)等等。
4.4.1 立體視覺顯示技術(shù)。人類從客觀世界獲得的信息的80%以上來自視覺，視覺信息的獲取是人類感知外部世界、獲取信息的最主要的傳感通道，視覺通道成為多感知的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。
在視覺顯示技術(shù)中，實現(xiàn)立體顯示技術(shù)是較為復(fù)雜與關(guān)鍵的，立體視覺顯示技術(shù)是虛擬現(xiàn)實的重要支撐技術(shù)。
4.4.2 環(huán)境建模技術(shù)。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，營造的虛擬環(huán)境是它的核心內(nèi)容，要建立虛擬環(huán)境，首先要建模，然后在其基礎(chǔ)上再進(jìn)行實時繪制、立體顯示，形成一個虛擬的世界。虛擬環(huán)境建模的目的在于獲取實際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)其應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。只有設(shè)計出反映研究對象的真實有效的模型，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)才有可信度。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，環(huán)境建模應(yīng)該包括有基于視覺、聽覺、觸覺、力覺、味覺等多種感覺通道的建模。但基于目前的技術(shù)水平，常見的是三維視覺建模和三維聽覺建模。而在當(dāng)前應(yīng)用中，環(huán)境建模一般主要是三維視覺建模，這方面的理論也較為成熟。
4.4.3 真實感實時繪制技術(shù)。要實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的虛擬世界，僅有立體顯示技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，虛擬現(xiàn)實中還有真實感與實時性的要求，也就是說虛擬世界的產(chǎn)生不僅需要真實的立體感，而且虛擬世界還必須實時生成，這就必須要采用真實感實時繪制技術(shù)。所謂真實感繪制是指在計算機(jī)中重現(xiàn)真實世界場景的過程。真實感繪制的主要任務(wù)是要模擬真實物體的物理屬性，即物體的形狀、光學(xué)性質(zhì)、表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置、遮擋關(guān)系等等。
4.4.4 三維虛擬聲音的實現(xiàn)技術(shù)。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中加入與視覺并行的三維虛擬聲音，一方面可以在很大程度上增強(qiáng)用戶在虛擬世界中的沉浸感和交互性，另一方面也可以減弱大腦對于視覺的依賴性，降低沉浸感對視覺信息的要求，使用戶能從既有視覺感受又有聽覺感受的環(huán)境中獲得更多的信息。
5、總結(jié)
能看到虛擬現(xiàn)實技術(shù)對計算機(jī)技術(shù)的聯(lián)系性非常緊密，并且虛擬現(xiàn)實技術(shù)對計算機(jī)設(shè)備的應(yīng)用分類也越來越具體，越來越廣泛。相應(yīng)的計算機(jī)設(shè)備也應(yīng)用到虛擬現(xiàn)實技術(shù)的對應(yīng)環(huán)節(jié)上。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一個極具潛力的前沿研究方向，是面向21世紀(jì)的重要技術(shù)之一。它在理論，軟硬件環(huán)境的研究方面依賴于多種技術(shù)的綜合，其中有很多技術(shù)有待完善。可以預(yù)見，隨著技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用會越來越廣泛。
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