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1、虚拟现实技术与日常生活虚拟现实技术与日常生活2011-05-24 09：22-搜维尔整理1、什么是虚拟现实技术概括地说.虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式.与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比.虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实中的现实是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境.它可以是实际上能实现的.也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的虚拟是用计算机生成的意思，虚拟现实就是用计算机生成的一种特殊环境。人们可以采用各种特殊装置将自己投射到这个环境中.并通过操作、控制环境.实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。从本质上来说.虚拟现实
2、是一种先进的计算机用户接口，通过为用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段.最大限度地方便用户的操作。根据虚拟现实技术所应用的对象不同.其作用可表现为不同的形式.例如将某种概念设计或构思成可视化和可操作化.实现逼真的遥控现场效果.达到在任意复杂环境下的廉价模拟训练目的。该技术的主要特征有以下几方面：多感知性(Multi-SeI1sory)_一所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外.还有昕觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知.甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能，由于相关技术。特别是传感技术的限制.目前虚拟现实技
3、术所具有的感知功能仅限于视觉、昕觉、力觉、触觉、运动等几种。浸没感(1mmersion)一又称临场感.指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假.使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的.动起来是真的.甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的.如同在现实世界中的感觉一样.典型的系统为虚拟现实大屏幕立体投影系统。交互性(Interactivity)一是用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体.这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的
4、重量.视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。构想性(Imagination)强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围.不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。2、虚拟现实技术的发展现状1965年.Sutherland在篇名为终极的显示的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想.从此.人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。随后的1966年.美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。197
5、0年.出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以来所取得的一系列成就.美国的Jar0n Lanier在8O年代初正式提出了Virtual Reality一词8O年代.美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究。并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年。NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy和J，Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器.将火星探测器发回的数据输入计算机.为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境.在随后的虚拟交互环境工作站(VIEW)项目中.他们又开发了
6、通用多传感个人仿真器和遥现设备。进人9O年代.迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配.使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能。人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。例如1993年的l 1月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作.而用虚拟现实技术设计波音777获得成功.是近年来引起科技界瞩目的又一件工作。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，如娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的遥操作、
7、教育与培训、信息可视化以及远程通讯等，人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满了僮憬与兴趣。3、虚拟现实技术对日常生活的影响3.1娱乐虚拟现实最早主要是用于电视游戏等娱乐中.目前在游戏中的应用仍是最有意思的一个方面在美国芝加哥虚拟娱乐世界，人们排长队购买门票。参加虚拟现实的战斗游戏.游戏人坐在驾驶舱里.舱内有控制器立体屏幕。游玩的人可以乘飞艇探测遥远的星球，飞行中要保护自己。防止巨型坦克的袭击，并用激光枪展开射击竞赛；也可以低头弯腰、扭身拐行.躲开史前翼身恐龙的冲击。杭州大学开发的虚拟故宫游戏系统.只要戴上特制的头盔.骑上不动的自行车，就可以看见形象逼真的天安门城楼。踩踏自行车时，就会
8、感觉来到了午门前的大道上，飞快地穿过午门，跨过金水桥，越过太和门，来到太和殿广场。你的车子太快.一下子破墙而人到了太和殿.金銮殿内盘龙的柱子.庄严的殿堂和你过去看到的真实景象完全一样.骑车来到御花园，绿树、红亭、碧池会使你陶醉，好像身临其境。只要摘下头盔，就会回到现实中你仍在游戏室内.骑在不动的自行车上呢。3.2远程教育和培训虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境.使其成为虚拟环境的一名参与者.在虚拟环境中扮演一个角色。从调动学习积极性、培养操作技能、突破教学难点与重点的角度来看.都会起到积极的作用。虚拟现实技术在远程教学中应用的较为广泛.我们可以从下述四个方面进行了解：3.2.1.知
9、识学习：知识学习是指在远程教学中使学生利用虚拟现实系统学习各种知识它的应用有两个方面：一是再现实际生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程.为学生提供生动、逼真的感性学习材料。帮助学生解决学习中的知识难点例如在学习地理知识时.通过虚拟现实系统.将学生带到北极去领略那里的自然风；。在学习物理知识时，利用虚拟现实技术，展示如原子核裂变、半导体导电机理等复杂的物理现象.供学生观察学习。虚拟现实在知识学习中的另一个应用是.使抽象的概念理论直观化、形象化，方便学生对抽象概念的理解。例如学习加速度概念时。通过虚拟演示，可以观察到在改变物体重力大小及方向时，加速度的变化情况，从而加深对加速度的理解。3.2
10、.2.探索学习：虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟.通过虚拟系统可直观地观察到假设所产生的结果或效果。例如，在虚拟的化学系统中.学生可以按照自己的假设.将不同的分子组合在一起.电脑便虚拟出组合的物质来.通过这种探索式的学习方式.学生很有可能研究出新的物质。利用虚拟技术，学生还可以进行温室效应、电路设计、建筑设计等方面的探索学习.从而研究出二氧化碳对全球气候的影响规律，或设计出新的电路、新的建筑物。利用虚拟现实技术进行探索学习，有利于激发学生的创造性思维.培养学生的创新能力。3.2.3.虚拟实验：利用虚拟现实技术.还可以建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室
11、，在实验室里.学生可以自由地做各种实验。在虚拟物理实验室里.学生可以做重力、惯性等实验；在虚拟的地理实验室里，可以做地震波传播、火山喷发等实验；在虚拟的生物实验里，可以做各种解剖实验；在虚拟的化学实验室里，可以利用各种化学药品和天平、砝码、温度计等工具，做各种不同的化学反应，观察燃烧、爆炸等反应现象。3.2.4.技能训练：虚拟现实的沉浸性和交互性.使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色.全身心地投入到环境中去.这对学生的技能训练非常有利。利用虚拟现实技术.可以做各种各样的技能训练。例如军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技能、电器维修技能等各种职业技能的训练
12、。由于这些虚拟的训练系统无任何危险.学生可以不厌其烦地反复练习.直至掌握操作技能为止。例如：在虚拟的飞机驾驶训练系统中.学员可以反复操作控制设备.学习在各种天气情况下驾驶飞机起飞、降落，通过反复训练，达到熟练掌握驾驶技术的目的。3.3医学当前信息领域最尖端的虚拟现实技术在医学界同样也备受瞩目.它利用特定的交互工具f输入设备。如感传手套和视频目镜1模拟真实操作中的软硬件环境.用户在操作过程中有身临其境的感觉.可以广泛的应用于手术培训、手术预演、临床诊断、远程干预、医学教学等各个环节，给医院带来实实在在的丰厚回报。3-3.1.手术培训：手术医生在真正走向手术台以前，必须进行大量精细的训练.而虚拟现
13、实系统可提供理想的培训平台。受训医生观察高分辨率三维人体图像。并通过触觉工作台摸拟触觉.让受训者在切割组织时感受到器械的压力.就象在真实人体上做手术一样，既不会对病人造成生命危险，又可以重现高风险、低概率的手术病例.可供培训对象反复。在虚拟手术完成后.系统还可以通过对手术切口的压力与角度、组织的损害及其他指标进行准确测定，监测受训者在手术操作技术方面的进步3.3.2手术预演：虚拟现实技术可使用病人的实际数据产生虚拟图像，在计算机中建立一个模拟环境.医生借助虚拟环境中的信息进行手术预演，可以合理、定量的制定手术方案.对于选择最佳手术路径、减小手术损伤、减少对临近组织损害、提高肿瘤定位精度、执行复
14、杂外科手术和提高手术成功率等具有十分重要的意义。3-3-3临床诊断：利用三维重构技术开发的纯软件医学虚拟现实已经开发出许多虚拟内窥镜的软件.可以使医生的视线在病人体内甚至毛细血管中自由航行。这种动态的现实显示对临床诊断具有无比珍贵的价值。3.3.4远程干预：虚拟手术与远程干预能够使手术室中的外科医生实时地获得远程专家的交互式会诊交互工具可以使顾问医生把靶点投影于患者身上来帮助指导主刀外科医生的操作.或者通过遥控帮助操纵仪器.使专家的技能发挥不受空间距离的限制。世界上首例实验性远程手术已经在1999年成功地进行。3.4房屋销售在商品房交易中.消费者除了关注商品房的价格、位置之外。越来越关注房屋的
15、环境、结构、设计、装潢。用户在查询某商品房时.可以定位指定观察室内户型以及小区环境.可以亲身体验小区建成后的三维虚拟环境，了解室内空问、周边环境、固定设施的配套情况，仿佛身临其境。虚拟现实可以辅助户型室内装修设计及建材选择，场景中每个物体，可进行独立的移动、隐藏等编辑操作。动感十足的虚拟现实可刺激用户的购买欲.有助于销售.缩短售房周期。3.5旅游利用虚拟现实技术.结合网络技术.可以将景点的游览、保护提高到一个崭新的阶段虚拟现实在景点保护中分为实境与虚境.前者如虚拟游览现实存在的景点.例如故宫博物馆利用国外的资金与技术.建立起了我国第一座数字博物馆一虚拟故宫.如复原阿房官、圆明园等已经湮灭了的建
16、筑.尚未发掘的秦始皇陵等。首先表现在将景点实景通过影像数据采集手段.建立起实物三维或摸型数据库.保存景点原有的各项型式数据和空间关系等重要资源.实现旅游资源的科学化、高精度和永久性的保存；通过计算机网络来整合统一大范围内的旅游资源，并且通过网络在大范围内来利用虚拟技术更加全面、生动、逼真地展示，使旅游资源脱离地域限制，实现资源共享。使用虚拟现实技术可以推动旅游行业更快地进入信息时代.实现景点的游览和保护的现代化。总结以上所述只是VR在日常生活应用中的几个方面.由此可以看到.VR有着广泛的应用潜力。VR技术的发展将是不可限量的，能够制约它的也许只会是我们的想象力，对我们今后的生活会产生重要的影响。在VR的研究与应用中.我们发现它的一个重要方面经常被人忽视.那就是要制造虚拟世界，就必须加深理解我们的现实世界，也许VR的最大贡献就是帮助我们更好地理解现实世界。参考文献：1.汪成为，高文，王行仁.灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用清华大学出版社1996.2.曾建超。俞志和.虚拟现实的技术及其应用清华大学出版
