面對當(dāng)前知識經(jīng)濟(jì)、信息產(chǎn)業(yè)和國防現(xiàn)代化迅速發(fā)展的形勢，我國政府、軍隊和企業(yè)十分重視信息技術(shù)的創(chuàng)新研究和長遠(yuǎn)發(fā)展，正制定和實(shí)施包括基礎(chǔ)研究、高技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)攻關(guān)在內(nèi)的各類國家規(guī)劃，并已經(jīng)或準(zhǔn)備給予大量投入。作為技術(shù)發(fā)展重要驅(qū)動力的“虛擬現(xiàn)實(shí)”，又一次成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。


　　概念與回顧


　　什么是虛擬現(xiàn)實(shí)？“虛擬現(xiàn)實(shí)”（virtual reality，簡稱vr）是1989年美國的j．lanier（后來曾是專做vr產(chǎn)品的vpl公司董事長）提出的，國內(nèi)也有人譯為“靈境”、“幻真”等，國外與虛擬現(xiàn)實(shí)同類的術(shù)語，還有虛擬環(huán)境、人工現(xiàn)實(shí)及電腦空間等。所謂“虛擬現(xiàn)實(shí)”，是用計算機(jī)技術(shù)來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。這一定義強(qiáng)調(diào)的是：逼真的感覺、自然的交互、個人的視點(diǎn)及迅速的響應(yīng)。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)是一項綜合的技術(shù)，涉及計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感技術(shù)及人工智能技術(shù)等，需要計算機(jī)、心理學(xué)、人類工程學(xué)（ergonomics）等專家共同開發(fā)研究。

　　90年代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展很快，各種開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備或系統(tǒng)的公司成立，但虛擬現(xiàn)實(shí)離實(shí)際應(yīng)用仍很遠(yuǎn)，已有的成果大多只能稱為“演示”或“玩具”。


　　最具吸引力的領(lǐng)域


　　虛擬現(xiàn)實(shí)是一項難度很大的綜合技術(shù)，要達(dá)到逼真的多種感覺和實(shí)時的自然交互是非常不容易的。例如：逼真的立體視感（沉浸感）需要寬視野和高分辨率的顯示設(shè)備，而現(xiàn)有的頭盔顯示器不僅分辨率低、價格貴，而且?guī)г陬^上更是不方便；又如，要對大型地理數(shù)據(jù)（如地形圖）進(jìn)行三維瀏覽和交互處理，往往響應(yīng)時間很慢；至于觸覺反饋或嗅覺設(shè)備離實(shí)用更有很大距離，等等。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有：大規(guī)模數(shù)據(jù)的場景建模技術(shù)；動態(tài)實(shí)時的立體視覺、聽覺等生成技術(shù)；三維定位、方向跟蹤、觸覺反饋等傳感技術(shù)和設(shè)備；符合人類認(rèn)知心理的三維自然交互技術(shù)；三維交互軟件及系統(tǒng)集成技術(shù)等。

　　由于虛擬現(xiàn)實(shí)具有極其重要的應(yīng)用前景，因而促使人們不斷去創(chuàng)新、克服困難！哪些方面是最有吸引力的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域呢？

　　軍事。美國國防部和軍方認(rèn)為：虛擬現(xiàn)實(shí)將在武器系統(tǒng)性能評價、武器操縱訓(xùn)練及指揮大規(guī)模軍事演習(xí)三方面發(fā)揮重大作用。他們制定了戰(zhàn)爭綜合演示廳計劃、防務(wù)仿真交互網(wǎng)絡(luò)計劃、綜合戰(zhàn)役橋計劃及虛擬座艙等應(yīng)用環(huán)境，并在核武器試驗及許多局部戰(zhàn)爭中進(jìn)行了應(yīng)用。

　　航天航空。美國宇航局是虛擬現(xiàn)實(shí)最早的研究單位和應(yīng)用者。宇宙飛船及各類航空器是需耗費(fèi)巨資的現(xiàn)代化工具，而進(jìn)入宇宙有大量未知、危險的因素，因而模擬各種航空器可能遇到的環(huán)境，不僅可節(jié)省大量費(fèi)用，而且是十分必要的。虛擬風(fēng)洞就是一例。

　　計算機(jī)輔助設(shè)計。各種工業(yè)產(chǎn)品、建筑物均需反復(fù)構(gòu)思和設(shè)計，但往往用戶仍不滿意。美國波音公司butler設(shè)計了一架稱為vs－x的虛擬飛機(jī)，它可使設(shè)計人員有身臨其境觀察飛機(jī)外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及布局的效果。建筑設(shè)計師可在蓋樓前通過虛擬建筑物，讓用戶自己來觀察外形和內(nèi)部房間部位，也便于設(shè)計師修改設(shè)計。

　　外科手術(shù)和人體器官的模擬。外科醫(yī)生的培訓(xùn)是一項投資大、時間長的工作，這是因為不能隨便讓實(shí)習(xí)醫(yī)生在病人身上動手術(shù)，可是不親自動手，又如何學(xué)會手術(shù)呢？虛擬手術(shù)臺已能部分模仿外科手術(shù)的現(xiàn)場。同樣，提供模擬的人體器官，可讓學(xué)生逼真地觀察器官內(nèi)部的構(gòu)造和病灶，具有極高的實(shí)驗價值。

　　科學(xué)研究和計算的可視化。各種分子結(jié)構(gòu)模型、大壩應(yīng)力計算的結(jié)果、地震石油勘探數(shù)據(jù)處理等，均十分需要三維（甚至多維）圖形可視化的顯示和交互瀏覽，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為科學(xué)研究、探索微觀形態(tài)等提供了形象直觀的工具。

　　遠(yuǎn)程控制。虛擬現(xiàn)實(shí)可采用遙控手段，通過機(jī)械手、機(jī)器人對危險或有毒環(huán)境進(jìn)行操作。

　　教育、游戲與其他。這是向人們，尤其是青少年提供生動的課堂和娛樂手段的好機(jī)遇，它具有三維聲像效果，能進(jìn)行交互操作的功能，因而已被商家們看好，競相開發(fā)低檔虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品。

　　圖1給出了一個簡單的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，包括：主計算機(jī)，用來生成各種虛擬現(xiàn)實(shí)的場景，進(jìn)行各種實(shí)時計算和處理；一個雙筒全方位監(jiān)視器（boom），作為視覺設(shè)備，供人們觀察用；另外，有一個數(shù)據(jù)手套作為三維自然交互的輸入設(shè)備，供人們操作。這個系統(tǒng)里并沒有立體聽覺系統(tǒng)及分布環(huán)境。

　　近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又有了很大的發(fā)展，主要是：1）使用基于圖像的繪制技術(shù)（或與圖形繪制相結(jié)合），以提高圖形生成的速度；2）各種新的交互設(shè)備，譬如雙手輸入技術(shù)，三維力反饋設(shè)備，美國sensable tech．公司的phantom系統(tǒng)等；3）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality），也稱混合現(xiàn)實(shí)，它是將真實(shí)環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)的景象結(jié)合起來的一種技術(shù)，既可減少生成復(fù)雜環(huán)境的開銷，又便于對實(shí)際物體的操作；4）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，在因特網(wǎng)（包括高速internet）環(huán)境下，充分利用各地資源的優(yōu)勢，協(xié)同開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用，如美國大型軍用交互仿真系統(tǒng)npsnet及因特網(wǎng)上多人游戲mud等；5）多通道人機(jī)交互技術(shù)，即采用人體多種自然交互手段向系統(tǒng)輸入，如手勢、語音、頭部或身體動作等。

　　實(shí)際應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大體可分為四類：1）桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，也稱窗口中的vr，它成本低，主要用于cad／cam、建筑設(shè)計等領(lǐng)域；2）沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，使用頭盔顯示器把用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來，產(chǎn)生一種身臨其境的錯覺；3）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它建立在沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和分布式交互仿真（distributed interaction simulation）的基礎(chǔ)上；4）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

                                                                                                                                                   圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)框圖


　　關(guān)于未來的思考


　　虛擬現(xiàn)實(shí)是技術(shù)，還是媒體的欺騙？虛擬現(xiàn)實(shí)為何可能？這是一個古老的哲學(xué)問題。我們是處在現(xiàn)實(shí)中，還是在我們自己的感覺世界中？對于個人來說，更直接的是感覺世界。以視覺為例，我們看到的一切，不過是視網(wǎng)膜上的影像。從這一角度出發(fā)，我們應(yīng)和心理學(xué)家、生理學(xué)家一起，認(rèn)真研究人類的感知問題。虛擬現(xiàn)實(shí)有其二重性：對于人的感官來說，它是真實(shí)存在的；對于所構(gòu)造的物體來說，它又是不存在的。因此，能利用這一技術(shù)模仿許多高成本的、對人有危險的、或目前尚未出現(xiàn)的真實(shí)環(huán)境，人們可對它進(jìn)行分析研究、仿真操作及改進(jìn)設(shè)計等。

　　技術(shù)現(xiàn)狀。虛擬現(xiàn)實(shí)目前在技術(shù)上仍處于探索中，90年代初有了較大的發(fā)展，如cave及分布式vr，但后來有一段時間發(fā)展相當(dāng)緩慢，由于響應(yīng)慢、真實(shí)感差，人們只是把它當(dāng)作“玩具”或“演示”而已。近來，隨著因特網(wǎng)技術(shù)、基于圖像繪制技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等的進(jìn)展，虛擬現(xiàn)實(shí)又有不少新的成果。

　　重視人機(jī)交互的研究。說到底，虛擬現(xiàn)實(shí)是一種新的人機(jī)交互范式。與以前任何人機(jī)交互形式相比，它有希望徹底實(shí)現(xiàn)“和諧的、擬人化的”人機(jī)界面。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有三個重要特點(diǎn)：沉浸感（immersion）、交互性（interaction）和構(gòu)想性（imagination），這決定了它與以往人機(jī)交互技術(shù)的不同，反映了人機(jī)關(guān)系的演化過程。在復(fù)雜系統(tǒng)中，可能有許多參與者共同在網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境中協(xié)同工作，各領(lǐng)域?qū)＜倚杪?lián)合起來開展研究，協(xié)同攻關(guān)。

　　關(guān)于信息可視化。信息可視化是科學(xué)計算可視化的擴(kuò)展，通常是指不包括科學(xué)計算可視化的其他領(lǐng)域可視化技術(shù)，如商業(yè)、金融可視化、軟件可視化等。多數(shù)情況下，信息可視化及科學(xué)計算可視化并不需要采用昂貴的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，而用普通二維、三維圖形技術(shù)即可達(dá)到要求，這樣更便于推廣和普及。

　　關(guān)于投入?，F(xiàn)在各個部門均逐漸重視虛擬現(xiàn)實(shí)的研究與開發(fā)，并在規(guī)劃中給予了較大的投入，這是十分必要的。但我們國家財力有限，應(yīng)集中各個渠道的經(jīng)費(fèi)，開發(fā)一些重點(diǎn)應(yīng)用，投入使用，以產(chǎn)生效益，而不應(yīng)該分散財力，只做幾個“原型”。國家在安排主要財力開發(fā)大型“沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)”的同時，應(yīng)給予一定的投入，支持各種小型桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究開發(fā)。目前，因特網(wǎng)的應(yīng)用是一個大好機(jī)遇，國外游戲及教育類的系統(tǒng)已占據(jù)了大塊市場，我們應(yīng)以應(yīng)用為目標(biāo)，大力開發(fā)各類桌面虛擬現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)。

　　作為長遠(yuǎn)研究目標(biāo)，作為技術(shù)驅(qū)動力，作為新的人機(jī)交互范式，作為國家的一些關(guān)鍵應(yīng)用目標(biāo)，虛擬現(xiàn)實(shí)都是值得高度重視的。與此同時，必須十分重視虛擬現(xiàn)實(shí)的廣泛應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)還有很長的路要走，機(jī)會和挑戰(zhàn)并存，而且虛擬現(xiàn)實(shí)和人機(jī)交互關(guān)系密切，必須重視人機(jī)交互的研究。