平凡往事一
感恩戴德
理解虛擬現實技術
虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術產生於20世紀60年代，VR一詞創始於20世紀80年代，該技術涉及計算機圖形學、傳感器技術、動力學、光學、人工智能及社會心理學等研究領域，是多媒體和三維技術發展的更高境界。虛擬現實技術是一種基於可計算信息的沉浸式交互環境，是一種新的人機交互接口。具體地說，就是采用以計算機技術為核心的現代高科技,生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定範圍的虛擬環境（Virtual Environment，簡稱VE），用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產生親臨等同真實環境的感受和體驗。
虛擬現實技術一經問世，人們就對它產生了濃厚的興趣。虛擬現實技術不但已開始在醫學、軍事、房地產、設計、考古、藝術、娛樂等諸多領域得到了越來越廣泛的應用，而且還給社會帶來了巨大的經濟效益。因此業內人士認為：20世紀80年代是個人計算機的時代，90年代是網絡、多媒體的時代，而21世紀則將是虛擬現實技術的時代。
1.1 虛擬現實技術的基本概念
首先我們提出為什麽要研究虛擬仿真的問題，因為這個問題不搞清，我們就很難有意願深入地學習這門新興的科學。
對於傳統人機交互方式，即人與計算機之間的交互是通過鍵盤、鼠標、顯示屏等工具實現。而虛擬現實是將計算科學處理對象統一看作一個計算機生成的空間（虛擬空間或虛擬環境），並將操作它的人看作是這個空間的一個組成部分(man-in-the-loop)。
人與計算機空間的對象之間的交互是通過各種先進的感知技術與顯示技術（即虛擬現實技術）完成的。人可以感受到虛擬環境中的對象，虛擬環境也可以感受到人對它的各種操作（類似於人與真實世界的交互方式）。
虛擬現實的概念最早是由美國人Jaron Lanier提出來的。虛擬（Virtual）說明這個世界和環境是虛擬的，是人工製造出來的，是存在於計算機內部的。用戶可以“進入”這個虛擬環境中，可以以自然的方式和這個環境之間進行交互。所謂交互是指在感知環境和幹預環境中，可讓用戶產生置身於相應的真實環境中的虛幻感、沉浸感，即身臨其境的感覺。而虛擬環境係統則包括操作者、人機接口和計算機。
（1）人機接口的內容：計算機提供“環境”，不是數據和信息。這改變了人機接口的內容。
（2）人機接口的形式：操作者由視覺，力覺感知環境，由自然的動作操作環境，而不是由屏幕、鍵盤、鼠標和計算機交互，這改變了人機接口的形式。
（3）效果：逼真的感知和自然力的動作，使人產生身臨其境的感覺，這改變了人機接口的效果。虛擬現實的主要目的是實現自然人機交互，即實現一種逼真的視、聽、觸覺一體化的計算機生成環境，這改變了人機接口的效果。
虛擬現實的主要實現方法是借助必要的裝備，實現人與虛擬環境之間的信息轉換，最終實現人與環境之間的自然交互與作用。在闡述了什麽是虛擬現實技術的基礎上，我們將進一步給出它的定義。通常虛擬現實的定義分為狹義和廣義兩種。
1.1.1 狹義的定義
把虛擬現實看成一種具有人機交互特征的人機界麵(人機交互方式)，亦可以稱之為“自然人機界麵”。在此環境中，用戶看到的是全彩色主體景象，聽到的是虛擬環境中的音響，手（或）腳可以感受到虛擬環境反饋給他的作用力，由此使用戶產生一種身臨其境的感覺。亦即人是以與感受真實世界一樣的（自然的）方式來感受計算機生成的虛擬世界，具有和相應真實世界裏一樣的感覺。這裏，計算機世界既可以是超越我們所處時空之外的虛構環境，也可以是一種對現實世界的仿真(強調是由計算機生成的，能讓人有身臨其境感覺的虛擬圖形界麵)。
1.1.2 廣義的定義
把虛擬現實看成對虛擬想象（三維可視化的）或真實三維世界的模擬（Simulation)。對某個特定環境真實再現後，用戶通過接受和響應模擬環境的各種感官刺激，與其中虛擬的人及事物進行交互，使用戶有身臨其境的感覺。
如果不限定真實三維世界(視覺、聽覺等等都是三維的)，那些沒有三維圖形的世界，但模擬了真實世界的某些特征的，如網絡上的聊天室，MUD (網絡角色)扮演遊戲等等，也可稱作虛擬世界，虛擬現實。
1.1.3 虛擬現實技術的特性
虛擬現實是計算機與用戶之間的一種更為理想化的人-機界麵形式。 與傳統計算機接口相比，虛擬現實係統具有三個重要特征：沉浸感（Immersion），交互性（Interactivity），想象力（Imagination），任何虛擬現實係統都可以用三個“I”來描述其特征。其中沉浸感與交互性是決定一個係統是否屬於虛擬現實係統的關鍵特征。VR技術的三角形如圖1.1所示。
交互性（Interactivity）
I3
沉浸感 (Immersion) 想象力(Imagination)
圖1.1 VR技術的三角形
1）．沉浸感(Immersion)
沉浸感又稱臨聲感。虛擬現實技術是根據人類的視覺、聽覺的生理心理特點，由計算機產生逼真的三維立體圖像，使用者通過頭盔顯示器、數據手套或數據衣等交互設備，便可將自己置身於虛擬環境中，成為虛擬環境中的一員。使用者與虛擬環境中的各種對象的相互作用，就如同在現實世界中的一樣。當使用者移動頭部時，虛擬環境中的圖像也實時地跟隨變化，物體可以隨著手勢移動而運動，還可聽到三維仿真聲音。使用者在虛擬環境中，一切感覺都非常逼真，有種身臨其境的感覺。
2）．交互性(Interaction)
虛擬現實係統中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標進行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數據手套等傳感設備進行交互。計算機能根據使用者的頭、手、眼、語言及身體的運動，來調整係統呈現的圖像及聲音。使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能，對虛擬環境中的任何對象進行觀察或操作。
3）. 想象性(Imagination)
由於虛擬現實係統中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應裝置，因此，使用者在虛擬環境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而達到身臨其境的感受。
1.1.4 虛擬現實係統組成
具有三“I”特性的虛擬現實係統，其係統基本組成主要包括觀察者、傳感器、效果產生器及實景仿真器組成。虛擬現實係統的基本組成如圖1.2所示。
圖1.2 虛擬現實係統的基本組成
1).效果產生器：是完成人與虛擬境界硬件交互的接口裝置，包括能產生沉浸感受的各類輸出裝置，以及能測定視線方向和手指動作的輸入裝置。
2).實景仿真器：是虛擬現實係統的核心部分，由計算機軟件、硬件係統、軟件配套硬件（如圖形加速卡和聲卡等）組成，接收（發出）效果產生器所產生（接受）的信號。
3).應用係統：是麵向具體問題的軟件部分，用以描述仿真的具體內容，包括仿真的動態邏輯、結構及仿真對象之間和仿真對象與用戶之間的交互關係。應用係統的內容直接取決於虛擬現實係統的應用目的。
4).幾何構造係統：提供了描述仿真對象的物理特性（外形、顏色、位置）的信息，然後，虛擬現實係統中的應用係統在生成虛擬境界時，要使用和處理這些信息。
但有一點值得我們注意，既不同類型的虛擬現實係統采用的設備是不一樣的，如沉浸式係統，其主要設備包括了PC、頭盔顯示器(HMD)、數據手套和頭部跟蹤器、屏幕、三維立體聲音設備。實景仿真器是是虛擬現實係統的核心部件，用於完成虛擬世界的產生和處理功能。輸入設備將用戶輸入的信息傳遞給虛擬現實係統，並允許用戶在虛擬環境中改變自己的位置、視線方向和視野，也允許改變虛擬環境中虛擬物體的位置和方向，而輸出設備是由虛擬係統把虛擬環境綜合產生的各種感官信息輸出給用戶，使用戶產生一種身臨其境的逼真感。
1.1.4 虛擬現實的關鍵技術
從本質上說，虛擬現實就是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供諸如視、聽、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段、最大限度地方便用戶的操作，從而減輕用戶的負擔、提高整個係統的工作效率。而實物虛化、虛物實化和高性能計算處理技術是VR技術的3個主要方麵：
1．實物虛化
如何將真實世界中的物（特別是人）與事件（特別是人的動作）傳入虛擬環境中，是一個感知的問題。網絡技術是如何讓多個用戶（特別是不在同一地理位置的多個用戶）參與到同一個虛擬環境中。這就要求是個分布式結構。
實物虛化是現實世界空間向多維信息化空間的一種映射,主要包括基本模型構建、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤和視點感應等關鍵技術，這些技術使得真實感虛擬世界的生成、虛擬環境對用戶操作的檢測和操作數據的獲取成為可能。
2．虛物實化
虛物實化是如何根據虛擬環境生成人可直接感受到的真實信號（聲、光、電）。是一個顯示（輸出）問題，也是確保用戶從虛擬環境中獲取同真實環境中一樣或相似的視覺、聽覺、力覺和觸覺等感官認知的關鍵技術。能否讓參與者產生沉浸感的關鍵因素除了視覺和聽覺感知外，還有用戶能否在操縱虛擬物體的同時，感受到虛擬物體的反作用力，從而產生觸覺和力覺感知。力覺感知主要由計算機通過力反饋手套、力反饋操縱杆對手指產生運動阻尼從而使用戶感受到作用力的方向和大小。觸覺反饋主要是基於視覺、氣壓感、振動觸感、電子觸感和神經、肌肉模擬等方法來實現的,如圖1.3所示。
圖1.3 實物虛化與虛物實化
3．高性能計算處理技術（虛擬現實主要基於以下幾種技術實現）
（1）基本模型構建技術：它是應用計算機技術生成虛擬世界的基礎，它將真實世界的對象物體在相應的3D虛擬世界中重構，並根據係統需求保存部分物理屬性。例如車輛在柏油地、草地、沙地和泥地上行駛時情況會有所不同，或對氣象數據進行建模生成虛擬環境的氣象情況（陰天、晴天、雨、霧）等等。
（2） 空間跟蹤技術：主要是通過頭盔顯示器（Head Mounted Display）、數據手套（Data Glove）、數據衣（Data Suit）等常用的交互設備上的空間傳感器，確定用戶的頭、手、軀體或其他操作物在3D虛擬環境中的位置和方向。
（3）聲音跟蹤技術：利用不同聲源的聲音到達某一特定地點的時間差、相位差、聲壓差等進行虛擬環境的聲音跟蹤。
（4）視覺跟蹤與視點感應技術：使用從視頻攝像機到X-Y平麵陣列、周圍光或者跟蹤光在圖像投影平麵不同時刻和不同位置上的投影，計算被跟蹤對象的位置和方向。
（5）高性能計算處理技術：主要包括數據轉換和數據預處理技術；實時、逼真圖形圖像生成與顯示技術；多種聲音的合成與聲音空間化技術；多維信息數據的融合、數據壓縮以及數據庫的生成；包括命令識別、語音識別，以及手勢和人的麵部表情信息的檢測等在內的模式識別；分布式與並行計算，以及高速、大規模的遠程網絡技術。
1.2虛擬現實係統的分類
虛擬現實係統按其功能不同，可分成沉浸型虛擬現實係統、增強現實性的虛擬現實係統、桌麵型虛擬現實係統和分布式虛擬現實係統等四種類型。
1．沉浸型虛擬現實係統(Immersive VR)
沉浸型虛擬係統是一套比較複雜的係統。使用者必須頭戴頭盔（HMD）、手帶數據手套等傳感跟蹤裝置，才能與虛擬世界進行交互。 由於這種係統可以將使用者的視覺、聽覺與外界隔離，從而排除外界幹擾，全身心地投入到虛擬現實中去。
這種係統的優點是用戶可完全沉浸到虛擬世界中去，缺點是係統設備價格昂貴，難以普及推廣。常見的沉浸型係統有：基於頭盔式顯示器的係統、投影式虛擬現實係統。
2．增強現實性的虛擬現實係統
不僅是利用虛擬現實技術來模擬現實世界、仿真現實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環境的感受，也就是現實中無法感知或不方便的感受。典型實例是戰鬥機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數和武器瞄準數據投身到安裝在飛行員麵前的穿透式屏幕上，使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數據，從而可集中精力盯著敵人的飛機。
3．桌麵型虛擬現實係統（Desktop VR）
是利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的窗口。使用者通過各種輸入設備便可與虛擬環境進行交互，這些外部設備包括鼠標、追蹤球、力矩球等。這種係統的特點是結構簡單、價格低廉，易於普及推廣，缺點是缺乏真實的現實體驗。常見桌麵虛擬現實技術有：基於靜態圖像的虛擬現實Quick Time VR（由蘋果公司推出的快速虛擬係統，是采用360度全景拍攝來生成逼真的虛擬情景，用戶在普通的電腦上，利用鼠標和鍵盤，就能真實地感受到所虛擬的情景)、虛擬現實造型語言（VRML，Virtual Reality Modeling Language）等，表1-1列出了桌麵虛擬現實技術示例。
表1-1 桌麵虛擬現實技術示例
Cult3D
C60分子模型 DNA（脫氧核糖核酸） 三維虛擬地球運動 三維虛擬轎車
VRML
CH4分子模型 pheophytin分子 公園三維虛擬模型 辦公室虛擬模型
4．分布式虛擬現實係統(Distributed VR)
是將異地的不同用戶聯結起來，共享一個虛擬空間，多個用戶通過網絡對同一虛擬世界進行觀察和操作，達到協同工作的目的。例如，異地的醫科學生，可以通過網絡，對虛擬手術室中的病人進行外科手術。
1.3 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、構形複雜的信息做出準確、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係與相互作用。
2．虛擬環境感知信息合成的真實性。
抽象的信息模型並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麵傳遞給用戶，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，並以自然方式實現與虛擬環境的交互。這就需要研究基於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，實時漫遊的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，但目前即使是最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，這就是所謂的景物複雜度問題。
5．圖形生成。
圖形生成是虛擬現實的重要瓶頸，虛擬現實最重要的特性是人可以在隨意變化的交互控製下感受到場景的動態特性，換句話說，虛擬現實係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麵。
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，需要借助於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。
1.4虛擬現實技術的主要應用領域
VR技術的應用範圍很廣，諸如國防、建築設計、工業設計、培訓、醫學領域。例如,建築設計師可以運用虛擬現實技術向客戶提供三維虛擬模型，而外科醫生還可以在三維虛擬的病人身上或遠程真人實施外科手術。 Helsel與Doherty早在1993年就對全世界範圍內已經進行的805項VR研究項目作了統計，結果表明：目前在娛樂、教育及藝術方麵的應用占據主流，達21.4％，其次是軍事與航空達12.7％，醫學方麵達6.13％，機器人方麵占6.21％，商業方麵占4.96％，另外在可視化計算、製造業等方麵也有相當的比重。下麵簡要介紹其部分應用。這種格局至今未變，隻是其在醫學領域略有提升。
1.4.1 醫學
VR在醫學方麵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，借助於跟蹤球、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90年代初基於兩個SGI工作站建立了一個虛擬外科手術訓練器，用於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台與手術燈，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。借助於HMD及感覺手套，使用者可以對虛擬的人體模型進行手術。但該係統有待進一步改進，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。
在醫學院校，學生可在虛擬實驗室中，進行“屍體”解剖和各種手術練習。用這項技術，由於不受標本、場地等的限製，所以培訓費用大大降低。一些用於醫學培訓、實習和研究的虛擬現實係統，仿真程度非常高，其優越性和效果是不可估量和不可比擬的。例如，導管插入動脈的模擬器，可以使學生反複實踐導管插入動脈時的操作；眼睛手術模擬器， 根據人眼的前眼結構創造出三維立體圖像， 並帶有實時的觸覺反饋，學生利用它可以觀察模擬移去晶狀體的全過程，並觀察到眼睛前部結構的血管、虹膜和鞏膜組織及角膜的透明度等。還有麻醉虛擬現實係統、口腔手術模擬器等。外科醫生在真正動手術之前， 通過虛擬現實技術的幫助， 能在顯示器上重複地模擬手術，移動人體內的器官，尋找最佳手術方案並提高熟練度。在遠距離遙控外科手術，複雜手術的計劃安排，手術過程的信息指導，手術後果預測及改善殘疾人生活狀況，乃至新藥研製等方麵，虛擬現實技術都能發揮十分重要的作用。
另外，在遠距離遙控外科手術，複雜手術的計劃安排，手術過程的信息指導，手術後果預測及改善殘疾人生活狀況，乃至新型藥物的研製等方麵，VR技術都有十分重要的意義。
1.4.2 娛樂、藝術與教育
豐富的感覺能力與3D顯示環境使得VR成為理想的視頻遊戲工具。由於在娛樂方麵對VR的真實感要求不是太高，故近些年來VR在該方麵發展最為迅猛。 如美國Chicago開放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娛樂係統，其主題是關於3025年的一場未來戰爭；英國開發的稱為“Virtuality”的VR遊戲係統，配有HMD，大大增強了真實感；1992年的一台稱為“Legeal Qust”的係統由於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，使該係統獲該年度VR產品獎。 另外在家庭娛樂方麵VR也顯示出了很好的前景。
作為傳輸顯示信息的媒體，VR在未來藝術領域方麵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。
VR的潛在應用價值同樣適用於教育，如在解釋一些複雜的係統抽象的概念如量子物理等方麵，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”，用於解釋某些物理概念，如位置與速度，力量與位移等。
1.4.3 軍事與航天工業
模擬演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，如圖1.4所示。美國國防部高級研究計劃局DARPA自80年代起一直致力於研究稱為SIMNET的虛擬戰場係統，以提供坦克協同訓練，該係統可聯結200多台模擬器。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。
圖1.4 軍事與航天
1.4.4 管理工程
VR在管理工程方麵也顯示出了無與倫比的優越性。如設計一座新型建築物時，可以在建築物動工之前用VR技術模擬顯示；在有當財政發生危機時，可以幫助分析大量的股票、債券等方麵的數據以尋找對策等等。
總的來說，虛擬現實是一個充滿活力、具有巨大應用前景的高新技術領域，但仍存在許多有待解決與突破的問題。為了提高VR係統的交互性、逼真性和沉浸感，在新型傳感和感知機理、幾何與物理建模新方法、高性能計算，特別是高速圖形圖像處理，以及人工智能、心理學、社會學等方麵都有許多挑戰性的問題有待解決。但是我們堅信在這一高新技術領域我國一定會有所作為的。
1.4.5 室內設計
虛擬現實不僅僅是一個演示媒體，而且還是一個設計工具。它以視覺形式反映了設計者的思想，比如裝修房屋之前，你首先要做的事是對房屋的結構、外形做細致的構思，為了使之定量化，你還需設計許多圖紙，當然這些圖紙隻能內行人讀懂，虛擬現實可以把這種構思變成看得見的虛擬物體和環境，如圖1.5所示，使以往隻能借助傳統的設計模式提升到數字化的即看即所得的完美境界，大大提高了設計和規劃的質量與效率。運用虛擬現實技術，設計者可以完全按照自己的構思去構建裝飾“虛擬”的房間，並可以任意變換自己在房間中的位置，去觀察設計的效果，直到滿意為止。既節約了時間，又節省了做模型的費用。
圖1.5室內表現效果
1.4.6 房產開發
隨著房地產業競爭的加劇，傳統的展示手段如平麵圖、表現圖、沙盤、樣板房等已經遠遠無法滿足消費者的需要。因此敏銳把握市場動向，果斷啟用最新的技術並迅速轉化為生產力，方可以領先一步，擊潰競爭對手。
虛擬現實技術是集影視廣告、動畫、多媒體、網絡科技於一身的最新型的房地產營銷方式，在國內的廣州、上海、北京等大城市，國外的加拿大、美國等經濟和科技發達的國家都非常熱門，是當今房地產行業一個綜合實力的象征和標誌，其最主要的核心是房地產銷售，同時在房地產開發中的其他重要環節包括申報、審批、設計、宣傳等方麵都有著非常迫切的需求。
房地產項目的表現形式可大致分為：實景模式、水晶沙盤兩種；其中可對項目周邊配套、紅線以內建築和總平、內部業態分布等進行詳細剖析展示，由外而內表現項目的整體風格，並可通過鳥瞰、內部漫遊、自動動畫播放等形式對項目逐一表現，增強了講解過程的完整性和趣味性，如圖1.6所示是地產建築虛擬表現。
圖1.6 地產建築表現
1.4.7 工業仿真
當今世界工業已經發生了巨大的變化，大規模人海戰術早已不再適應工業的發展，先進科學技術的應用顯現出巨大的威力，特別是虛擬現實技術的應用正對工業進行著一場前所未有的革命。虛擬現實已經被世界上一些大型企業廣泛地應用到工業的各個環節，對企業提高開發效率，加強數據采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低企業風險起到了重要的作用。虛擬現實技術的引入,將使工業設計的手段和思想發生質的飛躍,更加符合社會發展的需要,可以說在工業設計中應用虛擬現實技術是可行且必要的。
工業仿真係統不是簡單的場景漫遊，是真正意義上用於指導生產的仿真係統，它結合用戶業務層功能和數據庫數據組建一套完全的仿真係統，可組建B/S、C/S兩種架構的應用，可與企業ERP、MIS係統無縫對接，支持SqlServer、Oracle、MySql等主流數據庫。
工業仿真所涵蓋的範圍很廣，從簡單的單台工作站上的機械裝配到多人在線協同演練係統。
防患於未然，是各行各業尤其是具有一定危險性行業（消防、電力、石油、礦產等）的關注重點，如何確保在事故來臨之時做到最小的損失，定期的執行應急推演是傳統並有效地一種防患方式，但其弊端也相當明顯，投入成本高，每一次推演都要投入大量的人力、物力，大量的投入使得其不可能進行頻繁性的執行，虛擬現實的產生為應急演練提供了一種全新的開展模式，將事故現場模擬到虛擬場景中去，在這裏人為的製造各種事故情況，組織參演人員做出正確響應。這樣的推演大大降低了投入成本，提高了推演實訓時間，從而保證了人們麵對事故災難時的應對技能，並且可以打破空間的限製方便的組織各地人員進行推演，這樣的案例已有應用，必將是今後應急推演的一個趨勢。虛擬油氣管道顯示見圖1.7所示。
虛擬演練有著如下優勢：
1）.仿真性：虛擬演練環境是以現實培演練環境為基礎進行搭建的，操作規則同樣立足於現實中實際的操作規範，理想的虛擬環境甚至可以達到使受訓者難辨真假的程度。
2）.開放性：虛擬演練打破了演練空間上的限製，受訓者可以在任意的地理環境中進行集中演練，身處何地的人員，隻要通過相關網絡通信設備即可進入相同的虛擬演練場所進行實時的集中化演練。
3）.針對性：與現實中的真實演練相比，虛擬演練的一大優勢就是可以方便的模擬任何培訓科目，借助虛擬現實技術，受訓者可以將自身置於各種複雜、突發環境中去，從而進行針對性訓練，提高自身的應變能力與相關處理技能。
4）.自主性：借助自身的虛擬演練係統，各單位可以根據自身實際需求在任何時間、任何地點組織相關培訓指導，受訓者等相關人員進行演練，並快速取得演練結果，進行演練評估和改進。受訓人員亦可以自發的進行多次重複演練，使受訓人員始終處於培訓的主導地位，掌握受訓主動權，大大增加演練時間和演練效果。
5）.安全性：作為電力培訓中重中之重的安全性，虛擬的演練環境遠比現實中安全，培訓與受訓人員可以大膽的在虛擬環境中嚐試各種演練方案，即使創下“大禍”，也不會造成“惡果”，而是將這一切放入演練評定中去，作為最後演練考核的參考。這樣，在確保受訓人員人身安全萬無一失的情況下，受訓人員可以卸去事故隱患的包袱，盡可能極端的進行演練，從而大幅的提高自身的技能水平，確保在今後實際操作中的人身與事故安全。
為企業構建一套全數字開放式數字資源庫，通過在數字虛擬空間內實時錄製、構建一套應急演練庫，並可在虛擬數字環境中再現相應應急演練流程，在虛擬的環境中提高員工的業務水平。
圖1.7 管線介紹
1.4.8 文物古跡
利用虛擬現實技術，結合網絡技術，可以將文物的展示、保護提高到一個嶄新的階段。 首先表現在將文物實體通過影像數據采集手段，建立起實物三維或模型數據庫，保存文物原有的各項型式數據和空間關係等重要資源，實現瀕危文物資源的科學、高精度和永久的保存。虛擬文物在現如圖1.8所示。
圖1.8 文物展示
其次利用這些技術來提高文物修複的精度和預先判斷、選取將要采用的保護手段，同時可以縮短修複工期。通過計算機網絡來整合統一大範圍內的文物資源，並且通過網絡在大範圍內來利用虛擬技術更加全麵、生動、逼真地展示文物，從而使文物脫離地域限製，實現資源共享，真正成為全人類可以“擁有”的文化遺產。使用虛擬現實技術可以推動文博行業更快地進入信息時代，實現文物展示和保護的現代化。
1.4.9 遊戲
三維遊戲既是虛擬現實技術的重要應用方向之一，也為虛擬現實技術的快速發展起了巨大的需求牽引作用。盡管存在眾多的技術難題，虛擬現實技術在競爭激烈的遊戲市場中還是得到了越來越多的重視和應用。可以說，電腦遊戲自產生以來，一直都在朝著虛擬現實的方向發展，虛擬現實技術發展的最終目標已經成為三維遊戲工作者的崇高追求。從最初的文字MUD遊戲，到二維遊戲、三維遊戲，再到網絡三維遊戲，遊戲在保持其實時性和交互性的同時，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加強。我們相信，隨著三維技術的快速發展和軟硬件技術的不斷進步，在不遠的將來，真正意義上的虛擬現實遊戲必將為人類娛樂、教育和經濟發展做出新的更大的貢獻。下麵圖1.9與圖1.10是虛擬現實新硬件設備的使用。
1.5虛擬現實的發展和應用簡史
1.5.1 虛擬現實技術發展曆程
虛擬現實技術的發展和應用基本上可以分為三個階段；
第一階段是20世紀50年代到70 年代,是屬於準備階段；
第二階段是 80 年代初到 80 末,是虛擬現實技術走出實驗室,進入實際應用階段；
第三階段是從90年代初至今, 是虛擬現實技術全麵發展時期。
1．虛擬現實技術的探索階段, 形成了虛擬現實技術的基本思想。
美國是虛擬現實技術研究和應用的發源地，早在 1956 年 Morton Heileg就開發出了一個叫做 Sensorama 的摩托車仿真器,Sensorama具有三維顯示及立體聲效果,能產生振動和風吹的感覺。1965年，Sutherland在“終極的顯示”的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現實係統的基本思想，從此，人們正式開始了對虛擬現實係統的研究探索曆程。
在虛擬現實技術發展史上一個重要的裏程碑是在 1968 年美國計算機圖形學之父 Ivan Sutherlan 在哈佛大學組織開發了第一個計算機圖形驅動的頭盔顯示器(Helmet Mounted Display即HMD) 及頭部位置跟蹤係統。在一個完整的頭盔顯示係統中,用戶不僅可以看到三維物體的線框圖,還可以確定三維物體在空間的位置。 並通過頭部運動從不同視角觀察三維場景的線框圖。在當時的計算機圖形技術水平下,Ivan Sutherlan取得的成就是非凡的。 目前,在大多數虛擬現實係統中都能看到HMD的影子,因而,許多人認為 Ivan Sutherlan 不僅是 “圖形學之父”,而且還是“虛擬現實技術之父” 。
2．虛擬現實技術基本概念的逐步形成
基於從60年代以來所取得的一係列成就，美國的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一詞。80年代，美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一係列有關虛擬現實技術的研究，並取得了令人矚目的研究成果，從而引起了人們對虛擬現實技術的廣泛關注。這一時期出現了兩個比較典型的虛擬現實係統, 即 VIDEOPLACE 與VIEW係統。 VIDEOPLACE 是由 M.W.Krueger 來設計的,它是一個計算機生成的圖形環境,在該環境中參與者看到他本人的圖像投影在一個屏幕上,通過協調計算機生成的靜物屬性及動體行為,可使它們實時地響應參與者的活動。 VIEW 係統是NASA Ames實驗中心研製的第一個進入實際應用的虛擬現實係統,當1985年 VIEW係統雛形在美國NASA Ames實驗中心完成時, 該係統以低廉的價格,讓參與者有 “真實體驗” 的效果引起有關專家的注意。
隨後,VIRW係統又裝備了數據手套、頭部跟蹤器等硬件設備,還提供了語音、 手勢等交互手段, 使之成為一個名副其實的虛擬現實係統。目前,大多數虛擬現實係統的硬件體係結構大都由VIEW發展而來,由此可見VIEW在虛擬現實技術發展過程中的重要作用。VIEW的成功對虛擬現實技術的研製者是一個很大的鼓舞,並引起了世人的極大關注。
3．虛擬現實技術全麵發展時期
在這一階段可以說是虛擬現實技術從研究轉向應用階段。進入90年代，迅速發展的計算機硬件技術與不斷改進的計算機軟件係統相匹配，使得基於大型數據集合的聲音和圖象的實時動畫製作成為可能；人機交互係統的設計不斷創新，新穎、實用的輸入輸出設備不斷地進入市場。而這些都為虛擬現實係統的發展打下了良好的基礎。可以看出，正是因為虛擬現實係統極其廣泛的應用領域，如娛樂、軍事、航天、設計、生產製造、信息管理、商貿、建築、醫療保險、危險及惡劣環境下的遙操作、教育與培訓、信息可視化以及遠程通訊等，人們對迅速發展中的虛擬現實係統的廣闊應用前景充滿了憧憬與興趣。
1.5.2 虛擬現實係統研究現狀和發展趨勢
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。基於VR技術的研究主要有VR技術與VR應用兩大類。在國外VR技術研究方麵研究得較好的有美國、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方麵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，它是全球研究最早，研究範圍最廣的國家，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係統的實現及應用等有關VR技術的各個方麵。
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麵，如分布式並行處理、輔助設備（觸覺反饋設備等）設計、應用研究等方麵，在歐洲是領先的。
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、虛擬環境的控製和顯示、機器人遠程控製、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）測試平台，主要用於評估VR技術對未來係統和界麵的影響，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技術方麵的研究工作。在當前實用VR技術的研究與開發中，日本是居於領先位置的國家之一。它主要致力於建立大規模VR知識庫的研究，另外在VR遊戲方麵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技術研究始於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，並及時根據我國的國情，製定了開展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列入了重點資助範圍。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，並先後建立起省級和國家級虛擬仿真實驗教學中心。在此就不一一列舉了。
縱觀VR的發展曆程，未來VR技術的研究仍將延續“低成本、高性能”原則，從軟件、硬件兩方麵展開，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，並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複雜程度的基礎上，如何提高刷新頻率將是今後重要的研究內容。此外，VR還依賴於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係統的需要，有必要開發新的三維圖形生成和顯示技術。
3．新型交互設備的研製。
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、魯棒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複的過程，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，然後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，並且將各種基本模型靜態或動態地連接起來，最終形成係統模型。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，良好的人工智能係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後虛擬現實技術發展的重要方向。隨著眾多DVE開發工具及其係統的出現，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係統來支持協同設計工作。
近年來，隨著Internet應用的普及，一些麵向Internet的DVE應用使得位於世界各地多個用戶可以進行協同工作。將分散的虛擬現實係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係統，這樣不僅減少了研製費和設備費用，減少了人員出差的費用以及異地生活的不適。
