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虚拟现实

发布日期:2013-11-02

1989年,美国VPL Research公司创始人Jaron Lanier提出了"Virtual Reality"(虚拟现实)的概念。在这里,"Reality"的含义是现实的世界,或现实的环境。所以,"Virtual Reality"(虚拟现实)的另一个名称是"Virtual Environment"(虚拟环境)。"Virtual"说明,这个世界或环境是虚拟的,不是真实的。这个世界或环境是人工构造的,是存在于计算机内部 的。用户应该能够"进入"这个虚拟的环境中。所谓"进入"这个虚拟的环境中,是指用户以自然的方式与这个环境交互(包括感知环境并干预环境),从而产生置 身于相应的真实环境中的虚幻感,身临其境的感觉。

"Virtual Reality"(虚拟现实)或"Virtual Environment"(虚拟环境)是人工构造的,存在于计算机内部的环境。用户应该能够以自然的方式与这个环境交互(包括感知环境并干预环境),从而 产生置身于相应的真实环境中的虚幻感,沉浸感,身临其境的感觉。

虚拟环境(Virtual Environment,VE)系统或虚拟现实(Virtual Reality,VR)系统包括人类操作者、人机接口和计算机。

虚 拟现实系统应用最多的专用设备是头盔式立体显示器和数据手套。于是,有人以使用这些专用设备为虚拟现实系统的标志。这种观点是不准确的。上述的虚拟现实的 概念,是在计算机应用和人机交互方面开创的全新的学科领域。这个新领域的发展,还有很多困难,有很多技术难点有待解决。当前,这一领域还只是走出了第一 步。头盔式立体显示器和数据手套等设备,只是当前已经实现的一部分虚拟显示设备。它们还很不完善。例如,头盔的视场,分辨率,造成眩晕等问题还有待解决。 听觉接口和力觉接口等设备还在研究,应用还不多。味觉,嗅觉,运动觉等技术,还缺乏研究。

虚拟现实系统中的虚拟环境,可能有下列几种情况。


第一种情况是模仿真实世界中的环境。例如,建筑物,武器系统,或战场环境。这种真实环境,可能是已经存在的,也可能是已经设计好但还没有建成的。为了逼 真地模仿真实世界中的环境,要求逼真地建立几何模型和物理模型。环境的动态应符合物理规律。这一类虚拟现实系统的功能,实际是系统仿真。

第二种情况是人类主观构造的环境。例如,用于影视制作或电子游戏的三维动画。环境是虚构的,几何模型和物理模型就可以完全虚构。这时,系统的动画技术常用插值方法。

第 三种情况是模仿真实世界中的人类不可见的环境。例如,分子的结构,空气中速度、温度、压力的分布等。这种真实环境,是客观存在的,但是人类的视觉和听觉不 能感觉到。对于分子结构这类微观环境,进行放大尺度的模仿,使人能看到。对于空气中速度这类不可见的物理量,可以用流线显示速度(流线方向表示速度方向, 流线密度表示速度大小)。这一类虚拟现实系统的功能,实际是科学可视化。
由此可见,虚拟现实技术可以用于系统仿真、科学可视化、三维动画等领域。

和虚拟现实有关的几个概念是遥操作,增强现实,以及合成现实。

这 些概念之间的区别在于与用户交互的环境不同。对于遥操作系统,与用户交互的环境实际是在远地的一个真实的环境。用户通过类似虚拟现实系统的人机接口,与远 处的真实环境交互。也就是看到真实环境的场景,听到真实环境的声音,感到与环境中物体的接触。遥操作系统实际上是高级的遥控系统,是采用了先进的虚拟现实 技术的遥控系统。

虚拟环境(Virtual Environment,VE)系统或虚拟现实(Virtual Reality,VR)系统包括人类操作者、人机接口和计算机。
遥操作 (Teleoperator) 系统包括人类操作者、人机接口和遥机器人
增强现实(Augmented Reality)系统中,则组合了虚拟环境和真实环境。
合成环境(Synthetic Environment,SE)系统,是遥操作系统,虚拟环境系统,增强现实系统等的总称。
对于虚拟现实系统,与用户交互的环境实际是人工构造的,存在于计算机内部的环境。这种虚拟的环境,可能是不同的环境。一种情况是真实环境的仿真。例如, 仿真真实建筑物的虚拟建筑物。这种真实建筑物可能是已经建成的,也可能是已经设计好但尚未建成的。一种情况是完全虚拟的人造环境。例如在虚拟风洞中,借助 可视化技术构造的虚拟风洞环境。又如在三维动画中,人工构造的虚拟环境。

 
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