虛擬現實技術的主要研究對象

    （1）虛擬環境表示的準確性。為使虛擬環境與客觀世界相一致，需要對其中種類繁多、構形復雜的信息做出準確、完備的描述。同時，需要研究高效的建模方法，重建其演化規律以及虛擬對象之間的各種相互關系與相互作用。

    （2）虛擬環境感知信息合成的真實性。抽象的信息模型并不能直接為人類所直接感知，這就需要研究虛擬環境的視覺、聽覺、力覺和觸覺等感知信息的合成方法，重點解決合成信息的高保真性和實時性問題，以提高沉浸感。

    （3）人與虛擬環境交互的自然性。合成的感知信息實時地通過界面傳遞給用戶，用戶根據感知到的信息對虛擬環境中事件和態勢做出分析和判斷，并以自然方式實現與虛擬環境的交互。這就需要研究基于非精確信息的多通道人機交互模式和個性化的自然交互技術等，以提高人機交互效率。

    （4）實時顯示問題。盡管理論上講能夠建立起高度逼真的，實時漫游的VR，但至少現在來講還達不到這樣的水平。這種技術需要強有力的硬件條件的支撐，例如速度極快的圖形工作站和三維圖形加速卡，但目前即使是比較快的圖形工作站也不能產生十分逼真，同時又是實時交互的VR。其根本原因是因為引入了用戶交互，需要動態生成新的圖形時，就不能達到實時要求，從而不得不降低圖形的逼真度以減少處理時間，這就是所謂的景物復雜度問題。

    （5）圖形生成。圖形生成是虛擬現實的重要瓶頸，虛擬現實比較重要的特性是人可以在隨意變化的交互控制下感受到場景的動態特性，換句話說，虛擬現實系統要求隨著人的活動（位置、方向的變化）即時生成相應的圖形畫面。

    （6）人工智能技術（Artificial Intelligence，簡稱AI）。在VR中，計算機是從人的各種動作，語言等變化中獲得信息，要正確理解這些信息，需要借助于AI技術來解決，如語音識別、圖像識別、自然語言理解等，這些智能接口領域的研究課題是VR技術的基礎，同時也是VR 技術的難點。

    本質上，上述6個問題的解決使得用戶能夠身臨其境地感知虛擬環境，從而達到探索、認識客觀事物的目的。概括地說，圍繞著虛擬現實展開的研究都是圍繞著這6個基本問題的。

    虛擬現實系統的研究現狀與未來趨勢

    虛擬現實技術已經發展很多年，其應用領域也越來越廣泛，起初是用于軍事仿真，近年來在城市規劃、室內設計、文物保護、交通模擬、虛擬現實游戲、工業設計和遠程教育等方面都取得了巨大的發展，有理由相信，這是不可逆轉的趨勢，并且會運用得更加廣泛。因為虛擬現實技術的特點，它可以滲透到人們工作和生活的每個角落，所以虛擬現實技術對人類社會的意義是非常大的。正因為如此，它和其他很多信息技術一樣，當信息技術領域的專家還未把它的理論和技術探討得非常清楚時，它已經滲透到科學、技術、工程、醫學、文化和娛樂的各個領域中了，受到各個領域人們的極大關注。

    VR應用極為廣泛，Helsel與Doherty早在1993年對世界范圍內進行的805項VR研究做了統計，結果表明：目前VR在娛樂、教育及藝術方面的應用占主流，達21.4％，其次是軍事與航空達12.7％，醫學方面達6.13％，機器人方面占6.21％，商業方面占4.96％。另外，在可視化計算、制造業等方面也有相當的比重。下面簡要介紹部分應用。

    1．醫學

    VR 在醫學方面的應用具有十分重要的現實意義。在虛擬環境中，可以建立虛擬的人體模型，借助于跟蹤球、HMD、感覺手套，學生可以很容易了解人體內部各器官結構，這比現有的采用教科書的方式要有效得多。

    Pieper 及 Satara等研究者在20世紀90年代初基于兩個SGI工作站建立了一個虛擬外科手術訓練器，用于腿部及腹部外科手術模擬。這個虛擬的環境包括虛擬的手術臺與手術燈，虛擬的外科工具（如手術刀、注射器、手術鉗等），虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺手套，使用者可以對虛擬的人體模型進行手術。但該系統有待進一步改進，如需提高環境的真實感，增加網絡功能，使其能同時培訓多個使用者，或可在外地專家的指導下工作等。

    另外，在遠距離遙控外科手術，復雜手術的計劃安排，手術過程的信息指導，手術后果預測及改善殘疾人生活狀況，乃至新型藥物的研制等方面，VR技術都有十分重要的意義。

    2．娛樂、藝術與教育

    豐富的感覺能力與3D顯示環境使得VR成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂方面對VR 的真實感要求不是太高，故近些年來VR在該方面發展非常迅猛。如美國芝加哥開放了世界上第一臺大型可供多人使用的VR娛樂系統，其主題是關于3025年的一場未來戰爭；英國開發的稱為“Virtuality”的VR游戲系統，配有HMD，大大增強了真實感；1992年的一臺稱為“Legeal Qust”的系統由于增加了人工智能功能，使計算機具備了自學習功能，大大增強了趣味性及難度，使該系統獲該年度VR產品獎。另外在家庭娛樂方面VR也顯示出了很好的前景。

    作為傳輸顯示信息的媒體，VR在未來藝術領域方面所具有的潛在應用能力也不可低估。VR所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態的藝術（如油畫、雕刻等）轉化為動態的，可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術。另外，VR提高了藝術表現能力，如一個虛擬的音樂家可以演奏各種各樣的樂器，手足不便的人或遠在外地的人可以在他生活的居室中去虛擬的音樂廳欣賞音樂會等等。

    對藝術的潛在應用價值同樣適用于教育，如在解釋一些復雜的系統抽象的概念如量子物理等方面，VR是非常有力的工具，Lofin等人在1993年建立了一個“虛擬的物理實驗室”，用于解釋某些物理概念，如位置與速度，力量與位移等。全息投影技術是真正呈現3D的影像，可以從360°的任何角度觀看影像的不同側面，在娛樂、藝術及教育方面具有較高的應用價值。

    3．軍事與航天工業

    模擬訓練一直是軍事與航天工業中的一個重要課題，這為VR提供了廣闊的應用前景。美國國防部高級研究計劃局DARPA自20世紀80年代起一直致力于研究稱為SIMNET的虛擬戰場系統，以提供坦克協同訓練，該系統可聯結200多臺模擬器。另外利用VR技術，可模擬零重力環境，以代替現在非標準的水下訓練宇航員的方法。

    4．管理工程

    VR在管理工程方面也顯示出了非常強的優越性。如設計一新型建筑物時，可以在建筑物動工之前用VR技術顯示一下；當財政發生危機時，可以幫助分析大量的股票、債券等方面的數據以尋找對策等。

    以上僅列出了虛擬現實的部分應用前景，可以預見，在不久的將來，虛擬現實技術將會影響甚至改變我們的觀念與習慣，并將深入到人們的日常工作與生活。

    VR 技術領域幾乎是所有發達國家都在大力研究的前沿領域，它的發展速度非常迅速。基于VR技術的研究主要有VR技術與VR應用兩大類。在國外VR技術研究方面研究得較好成果的有美國、德國、英國、日本、韓國等國家。在國內，浙江大學、北京航空航天大學等單位在VR方面的研究工作開展得比較早，成果也較多。

    美國VR技術的研究水平基本上代表了國際VR技術發展的水平，它是全球研究比較早，研究范圍比較廣的國家，其研究內容幾乎涉及從新概念發展（如VR的概念模型）、單項關鍵技術（如觸覺反饋）到VR系統的實現及應用等有關VR技術的各個方面。

    歐洲的VR技術研究主要由歐共體的計劃支持，在英國、德國、瑞典、荷蘭、西班牙等國家都積極進行了VR技術的開發與應用。

    英國在VR技術的研究與開發的某些方面，如分布式并行處理、輔助設備（觸覺反饋設備等）設計、應用研究等方面，在歐洲是排名靠前的。

    在德國，以德國FhG-IGD圖形研究所和德國計算機技術中心（GMD）為代表。它主要從事虛擬世界的感知、虛擬環境的控制和顯示、機器人遠程控制、VR在空間領域的應用、宇航員的訓練、分子結構的模擬研究等。德國的計算機圖形研究所（IGD）測試平臺，主要用于評估VR技術對未來系統和界面的影響，向用戶和生產者提供通向先進的可視化、模擬技術和VR 技術的途徑。

    在亞洲，日本的VR技術研究發展十分迅速，同時在韓國、新加坡等國家也積極開展了VR技術方面的研究工作。在當前實用VR技術的研究與開發中，日本主要致力于建立大規模VR知識庫的研究，另外在VR游戲方面的研究也做了很多工作，但日本大部分VR硬件是從美國進口的。

    總之VR技術是一項投資大、具有高難度的科技領域，和一些發達國家相比，我國VR技術研究始于20世紀90年代初，相對其他國家來說起步較晚，技術上有一定的差距，但這已引起我國政府有關部門和科學家們的高度重視，并及時根據我國的國情，制定了開展VR技術的研究計劃。例如，“九五”和“十五”規劃、國家863計劃、國家自然科學基金會、國防科工委等都把VR列入了重點資助范圍。在國家“973項目”中VR技術的發展應用已列為重中之重，而且支持研究開發的力度也越來越大。與此同時，國內一些重點高等院校，已積極投入到這一領域的研究工作中，并先后建立起省級和更高級虛擬仿真實驗教學中心。在此就不一一列舉了。縱觀VR的發展歷程，未來VR技術的研究仍將延續“低成本、高性能”原則，從軟件、硬件兩方面展開，發展方向主要歸納如下。

    （1）動態環境建模技術。虛擬環境的建立是VR技術的核心內容，動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，并根據需要建立相應的虛擬環境模型。

    （2）實時三維圖形生成和顯示技術。三維圖形的生成技術已比較成熟，而關鍵是怎樣“實時生成”，在不降低圖形的質量和復雜程度的基礎上，如何提高刷新頻率將是今后重要的研究內容。此外，VR還依賴于立體顯示和傳感器技術的發展，現有的虛擬設備還不能滿足系統的需要，有必要開發新的三維圖形生成和顯示技術。

    （3）新型交互設備的研制。虛擬現實技術實現人能夠自由與虛擬世界對象進行交互，猶如身臨其境，借助的輸入輸出設備主要有頭盔顯示器、數據手套、數據衣服、三維位置傳感器和三維聲音產生器等。因此，新型、便宜、健壯性優良的數據手套和數據服將成為未來研究的重要方向。

    （4）智能化語音虛擬現實建模。虛擬現實建模是一個比較繁復的過程，需要大量的時間和精力。如果將VR技術與智能技術、語音識別技術結合起來，可以很好地解決這個問題。我們對模型的屬性、方法和一般特點的描述通過語音識別技術轉化成建模所需的數據，然后利用計算機的圖形處理技術和人工智能技術進行設計、導航以及評價，將模型用對象表示出來，并且將各種基本模型靜態或動態地連接起來，然后形成系統模型。人工智能一直是業界的難題，人工智能在各個領域十分有用，在虛擬世界也大有用武之地，良好的人工智能系統對減少乏味的人工勞動具有非常積極的作用。

    （5）分布式虛擬現實技術的展望。分布式虛擬現實是今后虛擬現實技術發展的重要方向。隨著眾多DVE開發工具及其系統的出現，DVE本身的應用也滲透到各行各業，包括醫療、工程、訓練與教學以及協同設計。仿真訓練和教學訓練是DVE的又一個重要的應用領域，包括虛擬戰場、輔助教學等。另外，研究人員還用DVE系統來支持協同設計工作。近年來，隨著Internet應用的普及，一些面向Internet的DVE應用使得位于世界各地多個用戶可以進行協同工作。將分散的虛擬現實系統或仿真器通過網絡聯結起來，采用協調一致的結構、標準、協議和數據庫，形成一個在時間和空間上互相耦合的虛擬合成環境，參與者可自由地進行交互作用。特別是在航空航天中應用價值極為明顯，因為國際空間站的參與國分布在世界不同區域，分布式VR訓練環境不需要在各國重建仿真系統，這樣不僅減少了研制費和設備費用，也減少了人員出差的費用以及異地生活的不適。