虚拟现实技术的主要研究对象、现状与未来趋势

    虚拟现实技术的主要研究对象

    （1）虚拟环境表示的准确性。为使虚拟环境与客观世界相一致，需要对其中种类繁多、构形复杂的信息做出准确、完备的描述。同时，需要研究高效的建模方法，重建其演化规律以及虚拟对象之间的各种相互关系与相互作用。

    （2）虚拟环境感知信息合成的真实性。抽象的信息模型并不能直接为人类所直接感知，这就需要研究虚拟环境的视觉、听觉、力觉和触觉等感知信息的合成方法，重点解决合成信息的高保真性和实时性问题，以提高沉浸感。

    （3）人与虚拟环境交互的自然性。合成的感知信息实时地通过界面传递给用户，用户根据感知到的信息对虚拟环境中事件和态势做出分析和判断，并以自然方式实现与虚拟环境的交互。这就需要研究基于非精确信息的多通道人机交互模式和个性化的自然交互技术等，以提高人机交互效率。

    （4）实时显示问题。尽管理论上讲能够建立起高度逼真的，实时漫游的VR，但至少现在来讲还达不到这样的水平。这种技术需要强有力的硬件条件的支撑，例如速度极快的图形工作站和三维图形加速卡，但目前即使是比较快的图形工作站也不能产生十分逼真，同时又是实时交互的VR。其根本原因是因为引入了用户交互，需要动态生成新的图形时，就不能达到实时要求，从而不得不降低图形的逼真度以减少处理时间，这就是所谓的景物复杂度问题。

    （5）图形生成。图形生成是虚拟现实的重要瓶颈，虚拟现实比较重要的特性是人可以在随意变化的交互控制下感受到场景的动态特性，换句话说，虚拟现实系统要求随着人的活动（位置、方向的变化）即时生成相应的图形画面。

    （6）人工智能技术（Artificial Intelligence，简称AI）。在VR中，计算机是从人的各种动作，语言等变化中获得信息，要正确理解这些信息，需要借助于AI技术来解决，如语音识别、图像识别、自然语言理解等，这些智能接口领域的研究课题是VR技术的基础，同时也是VR 技术的难点。

    本质上，上述6个问题的解决使得用户能够身临其境地感知虚拟环境，从而达到探索、认识客观事物的目的。概括地说，围绕着虚拟现实展开的研究都是围绕着这6个基本问题的。

    虚拟现实系统的研究现状与未来趋势

    虚拟现实技术已经发展很多年，其应用领域也越来越广泛，起初是用于军事仿真，近年来在城市规划、室内设计、文物保护、交通模拟、虚拟现实游戏、工业设计和远程教育等方面都取得了巨大的发展，有理由相信，这是不可逆转的趋势，并且会运用得更加广泛。因为虚拟现实技术的特点，它可以渗透到人们工作和生活的每个角落，所以虚拟现实技术对人类社会的意义是非常大的。正因为如此，它和其他很多信息技术一样，当信息技术领域的专家还未把它的理论和技术探讨得非常清楚时，它已经渗透到科学、技术、工程、医学、文化和娱乐的各个领域中了，受到各个领域人们的极大关注。

    VR应用极为广泛，Helsel与Doherty早在1993年对世界范围内进行的805项VR研究做了统计，结果表明：目前VR在娱乐、教育及艺术方面的应用占主流，达21.4％，其次是军事与航空达12.7％，医学方面达6.13％，机器人方面占6.21％，商业方面占4.96％。另外，在可视化计算、制造业等方面也有相当的比重。下面简要介绍部分应用。

    1．医学

    VR 在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，学生可以很容易了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。

    Pieper 及 Satara等研究者在20世纪90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。借助于HMD及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指导下工作等。

    另外，在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生活状况，乃至新型药物的研制等方面，VR技术都有十分重要的意义。

    2．娱乐、艺术与教育

    丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对VR 的真实感要求不是太高，故近些年来VR在该方面发展非常迅猛。如美国芝加哥开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的VR游戏系统，配有HMD，大大增强了真实感；1992年的一台称为“Legeal Qust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度VR产品奖。另外在家庭娱乐方面VR也显示出了很好的前景。

    作为传输显示信息的媒体，VR在未来艺术领域方面所具有的潜在应用能力也不可低估。VR所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的，可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。另外，VR提高了艺术表现能力，如一个虚拟的音乐家可以演奏各种各样的乐器，手足不便的人或远在外地的人可以在他生活的居室中去虚拟的音乐厅欣赏音乐会等等。

    对艺术的潜在应用价值同样适用于教育，如在解释一些复杂的系统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年建立了一个“虚拟的物理实验室”，用于解释某些物理概念，如位置与速度，力量与位移等。全息投影技术是真正呈现3D的影像，可以从360°的任何角度观看影像的不同侧面，在娱乐、艺术及教育方面具有较高的应用价值。

    3．军事与航天工业

    模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为VR提供了广阔的应用前景。美国国防部高级研究计划局DARPA自20世纪80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统，以提供坦克协同训练，该系统可联结200多台模拟器。另外利用VR技术，可模拟零重力环境，以代替现在非标准的水下训练宇航员的方法。

    4．管理工程

    VR在管理工程方面也显示出了非常强的优越性。如设计一新型建筑物时，可以在建筑物动工之前用VR技术显示一下；当财政发生危机时，可以帮助分析大量的股票、债券等方面的数据以寻找对策等。

    以上仅列出了虚拟现实的部分应用前景，可以预见，在不久的将来，虚拟现实技术将会影响甚至改变我们的观念与习惯，并将深入到人们的日常工作与生活。

    VR 技术领域几乎是所有发达国家都在大力研究的前沿领域，它的发展速度非常迅速。基于VR技术的研究主要有VR技术与VR应用两大类。在国外VR技术研究方面研究得较好成果的有美国、德国、英国、日本、韩国等国家。在国内，浙江大学、北京航空航天大学等单位在VR方面的研究工作开展得比较早，成果也较多。

    美国VR技术的研究水平基本上代表了国际VR技术发展的水平，它是全球研究比较早，研究范围比较广的国家，其研究内容几乎涉及从新概念发展（如VR的概念模型）、单项关键技术（如触觉反馈）到VR系统的实现及应用等有关VR技术的各个方面。

    欧洲的VR技术研究主要由欧共体的计划支持，在英国、德国、瑞典、荷兰、西班牙等国家都积极进行了VR技术的开发与应用。

    英国在VR技术的研究与开发的某些方面，如分布式并行处理、辅助设备（触觉反馈设备等）设计、应用研究等方面，在欧洲是排名靠前的。

    在德国，以德国FhG-IGD图形研究所和德国计算机技术中心（GMD）为代表。它主要从事虚拟世界的感知、虚拟环境的控制和显示、机器人远程控制、VR在空间领域的应用、宇航员的训练、分子结构的模拟研究等。德国的计算机图形研究所（IGD）测试平台，主要用于评估VR技术对未来系统和界面的影响，向用户和生产者提供通向先进的可视化、模拟技术和VR 技术的途径。

    在亚洲，日本的VR技术研究发展十分迅速，同时在韩国、新加坡等国家也积极开展了VR技术方面的研究工作。在当前实用VR技术的研究与开发中，日本主要致力于建立大规模VR知识库的研究，另外在VR游戏方面的研究也做了很多工作，但日本大部分VR硬件是从美国进口的。

    总之VR技术是一项投资大、具有高难度的科技领域，和一些发达国家相比，我国VR技术研究始于20世纪90年代初，相对其他国家来说起步较晚，技术上有一定的差距，但这已引起我国政府有关部门和科学家们的高度重视，并及时根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。例如，“九五”和“十五”规划、国家863计划、国家自然科学基金会、国防科工委等都把VR列入了重点资助范围。在国家“973项目”中VR技术的发展应用已列为重中之重，而且支持研究开发的力度也越来越大。与此同时，国内一些重点高等院校，已积极投入到这一领域的研究工作中，并先后建立起省级和更高级虚拟仿真实验教学中心。在此就不一一列举了。纵观VR的发展历程，未来VR技术的研究仍将延续“低成本、高性能”原则，从软件、硬件两方面展开，发展方向主要归纳如下。

    （1）动态环境建模技术。虚拟环境的建立是VR技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。

    （2）实时三维图形生成和显示技术。三维图形的生成技术已比较成熟，而关键是怎样“实时生成”，在不降低图形的质量和复杂程度的基础上，如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外，VR还依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术。

    （3）新型交互设备的研制。虚拟现实技术实现人能够自由与虚拟世界对象进行交互，犹如身临其境，借助的输入输出设备主要有头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此，新型、便宜、健壮性优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。

    （4）智能化语音虚拟现实建模。虚拟现实建模是一个比较繁复的过程，需要大量的时间和精力。如果将VR技术与智能技术、语音识别技术结合起来，可以很好地解决这个问题。我们对模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据，然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、导航以及评价，将模型用对象表示出来，并且将各种基本模型静态或动态地连接起来，然后形成系统模型。人工智能一直是业界的难题，人工智能在各个领域十分有用，在虚拟世界也大有用武之地，良好的人工智能系统对减少乏味的人工劳动具有非常积极的作用。

    （5）分布式虚拟现实技术的展望。分布式虚拟现实是今后虚拟现实技术发展的重要方向。随着众多DVE开发工具及其系统的出现，DVE本身的应用也渗透到各行各业，包括医疗、工程、训练与教学以及协同设计。仿真训练和教学训练是DVE的又一个重要的应用领域，包括虚拟战场、辅助教学等。另外，研究人员还用DVE系统来支持协同设计工作。近年来，随着Internet应用的普及，一些面向Internet的DVE应用使得位于世界各地多个用户可以进行协同工作。将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络联结起来，采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟合成环境，参与者可自由地进行交互作用。特别是在航空航天中应用价值极为明显，因为国际空间站的参与国分布在世界不同区域，分布式VR训练环境不需要在各国重建仿真系统，这样不仅减少了研制费和设备费用，也减少了人员出差的费用以及异地生活的不适。