科学技术的飞速发展大大提高了人与信息之间接口的能力及人对信息处理的理解能力，人们不仅要求以打印输出、屏幕显示这样常用的方式观察信息处理的结果，而且希望将人的视觉、听觉、触觉，以及形体、手势或口令等方式参与到信息处理的环境中去，获得身临其境的体验。这种信息处理方法不再是建立在一个单维的数字化的信息空间上，而是建立在一个多维化的信息空间中，一个定性与定量相结合、感性认识与理性认识相结合的综合集成环境中。虚拟现实技术将是支撑这个多维信息空间的关键技术。
本章主要介绍虚拟现实技术的基本概念、发展、基本特征以及虚拟现实系统的构成、分类和特点，最后对虚拟现实技术的应用领域进行了展望。
10.1虚拟现实技术概述
10.1.1虚拟现实技术基本概念
虚拟现实（VirtualReality，VR）技术是集计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术等为一体的综合集成技术。理想中的虚拟现实是利用这些方面的技术，创建一个虚拟场景，使用户在这个虚拟场景中有像在现实中一样的感觉，在视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等方面均和现实中的感觉一样，也就是人们所能从现实生活中感受到的一切均能在虚拟现实中感受到，且这两者毫无差别。
虚拟现实的概念包括以下方面。
①虚拟环境：是由计算机生成的环境，它具有双视点的实时动态三维立体的逼真模型，并可通过听觉、触觉、嗅觉参与其中；模拟的环境可以是某一特定现实世界的虚拟实现，也可以是自由想象的虚拟世界。
②感知：虚拟现实技术应具有人所具有的一切感知。
③自然技能：包括人头部、眼睛、手势或其他的人体行为动作。计算机处理与用户动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时反应，反馈到用户的五官。
④传感器：也就是三维交互设备。常用的有立体头盔、数据手套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置，以及许多置于环境中的装置。
10.1.2虚拟现实技术的发展
20世纪80年代初，美国的DWA开始为坦克的编队作战训练开发一个实用的虚拟战场。DARP计划进一步扩大，逐步把不同国家的兵力“汇集到SIMNET而成为一个虚拟战场”，其目的是将分布于不同地点的地面车辆模拟器用计算机网络连接起来，进行攻防对抗演习。SIMNET计划最初是针对地面车辆等低速运动对象的，后来在美国国防部的推动下，将飞机、水面舰艇和潜艇等作战对象也引进来，从而构成了陆、海、空三军立体作战逼真环境下的大规模实战演习。该计划的实施最终导致了系统仿真的前沿技术--分布式交互仿真（DIS）技术的产生。美国海军的反潜艇战系统中，使用了头盔显示器和三维立体声装置，操作员可以通过手势和声音控制这个仿真器。美国的NASA和ESA（欧洲空间局）都在积极地将虚拟现实技术应用在航天运载器外的空间活动的研究、空间站自由操纵研究和对哈勃空间维修的研究项目。
欧洲在虚拟现实技术方面也做了相当多的工作。到1991年底，英国已有从事虚拟现实的六个主要中心，另外西班牙、荷兰、德国和瑞典等国家也都积极开展虚拟现实的研究，它们提出了许多三维图形标准和程序设计语言等，并且出现了数据手套、三维显示头盔、立体手控器、光学跟踪器、模拟人的感觉（视、听、触）的模拟器等许多支持虚拟现实的设备。同时将虚拟现实技术应用于更多领域内。
我国的仿真演示技术正处于起步和发展时期，取得了一些理论和软件成果。国防科技大学和航天工业等部门相继开展了有关的研究项目。国防科技大学研制的多媒体仿真环境SimStudio1.0采用SGIIndy工作站，它采用MSP/AutoStudio建模仿真方法和对象Euler网建模方法，以图形化的建模工具支持用户建立多媒体仿真对象模型，并且支持将多媒体仿真表现脚本嵌入对象模型中，可以进行连续离散事件混合系统的多媒体仿真。
10.1.3虚拟现实技术的基本特征
美国科学家GrigoreBurdea和PhilippeCoiffet曾在1993年世界电子年会上发表的“VirtualRealitySystemsandApplications”一文中，提出一个“虚拟现实技术的三角形”，它简明地表示了虚拟现实技术具有的3个最突出的特征：交互性（Interaction）、沉浸感（Immersion）和构想性（Imagination），也就是人们熟知的3个“I”特性，如图101所示。
图101虚拟现实技术的基本特征
1．交互性（Interaction）
交互性是指操作者与虚拟环境中所遇到的各种对象的相互作用的能力，它是人机和谐的关键性因素。交互性包括对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度、虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度（包括实时性）。这种交互的产生，主要借助于各种专用的三维交互设备（如头盔显示器、数据手套等），它们使人类能够利用自然技能，如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的对象发生交互关系。例如，在原杭州大学开发的虚拟故宫游玩系统中，用户可以体验到虚拟现实系统的交互性带来的全新感受：参观者佩戴着头盔显示器，由图像发生器把立体图像送到用户的视场中，并随着用户头部的运动，不断将更新后的新视点场景实时地显示给参观者。
2．沉浸感（Immersion）
沉浸感指计算机操作人员融入地作为人机环境的主导者存在于虚拟环境中。多媒体技术虽然为人们提供了丰富多彩的信息表示形式，人与计算机可以交往，但是在交往过程中，人们只能从计算机外部观察这些表现形式，参与者十分清晰地感觉到，自己独立处于界面之外；对于虚拟现实，通过多维方式与计算机所创造的虚拟环境进行交互，能使参与者全身心地沉浸在计算机所生成的三维虚拟环境中，产生身临其境的感觉，将人与环境融为一体，使操作人员相信在虚拟境界中人也是确实存在的，而且在操作过程中他可以自始至终地发挥作用，就像在真正的客观现实世界中一样。
3．构想性（Imagination）
构想性是通过虚拟现实，与定性和定量的综合集成环境结合，引导人们去深化概念和萌发新意，抒发人们的创造力。所以虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。这种构思结果输入到系统中，系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。这是一个学习-创造-再学习-再创造的过程。因而可以说，虚拟现实是启发人的创造性思维的活动。
10.2虚拟现实系统
10.2.1虚拟现实系统的构成
通常人机交互操作可分为基于自然方式的人机交互操作和基于常规交互设备的人机交互操作，所以，沉浸式虚拟现实系统采用自然方式的人机交互操作，而非沉浸式虚拟现实系统通常允许采用常规人机交互设备进行人机交互操作。概括地说，虚拟现实系统由以下4大部分组成：虚拟世界生成设备、感知设备（生成多通道刺激信号的设备）、跟踪设备（检测人在虚拟世界中的位置和朝向）和基于自然方式的交互设备。这里所指的设备包含相应的硬件和软件。图102所示为虚拟现实系统的典型构成。
1．虚拟世界生成设备
虚拟世界生成设备可以是一台或多台高性能计算机。通常可以分为基于高性能PC机、基于高性能图形工作站和基于分布式异构计算机的虚拟现实系统三大类。后两类用于沉浸式虚拟现实系统，而基于PC机的虚拟现实系统通常为非沉浸式系统。虚拟现实所用的计算机是带有图形加速器和多条图形输出流水线的所谓高性能图形计算机，这是因为三维高真实感场景的生成与显示在虚拟现实系统中具有头等重要的地位。
2．感知设备
感知设备是指将虚拟世界各类感知模型转变为人能接受的多通道刺激信号的设备。感知包括视、听、触（力）、嗅、味觉等多种通道。然而，成熟和相对成熟的感知信息产生和检测的技术，仅有视觉、听觉和触觉（力觉）三种通道。
①视觉感知设备--立体宽视场图形显示器。立体宽视场图形显示器可分为沉浸式和非沉浸式两大类。
②听觉感知设备--三维真实感声音的播放设备。常用的有耳机式、双扬声器组和多扬声器组三种。通常由专用声卡将单通道声源信号处理成具有双耳效应的真实感声音。
③触觉（力觉）感知设备--触觉（力觉）反馈装置。触觉和力觉实际是两种不同的感知。触觉包含的感知内容更丰富一些，例如应包含一般的接触感（类似于“摸到了一个面”的感觉），进一步应包含感知材料的质感（布料、海绵、橡胶、木材、金属、石料等），纹理感（平滑、粗糙程度等）以及温度感等。
3．跟踪设备
跟踪设备是指跟踪并检测位置和方位的装置，用于虚拟现实系统中基于自然方式的人机交互操作，例如基于手势、体势、眼视线方向的变化。目前，先进的跟踪定位系统可用于动态记录人体运动，如舞蹈、体育竞技运动的动作等，在计算机动画、计算机游戏设计和运动员动作分析等方面有着广泛的应用。最常用的跟踪设备有基于机械臂原理、磁传感器原理、超声传感器原理和光传感器原理四种。除机械臂式定位跟踪器以外，其他三种跟踪器都由一个（或多个）信号发射器以及数个接收器组成，发射器安装在虚拟现实系统中某个固定位置，接收器安装在被跟踪的部位。如安装在头部，通常用来跟踪视线方向；如安装在手部，通常用来跟踪交互设备数据手套的位置及其朝向。如果将多个接收器安装在贴身衣服的各个关节部位上，则实时记录人体各个活动关节的位置，经过软件处理可实时跟踪显示人的动作。
4．人机交互设备
是指应用手势、体势、眼神以及自然语言的人机交互设备，常见的有数据手套、数据衣服（带传感器的衣服）、眼球跟踪器以及语音综合和识别装置。
10.2.2虚拟现实系统的硬件和软件
一个虚拟现实系统由硬件和软件两部分组成。
1．虚拟现实系统的硬件
虚拟现实系统的硬件包括虚拟现实发生器以及输入输出设备。
1）虚拟现实发生器
虚拟现实发生器用来产生和处理虚拟境界，是任何虚拟系统的核心。它一般由计算机加图形生成器或加速卡组成。计算机可以是个人计算机、工作站或者小型计算机。虚拟现实系统中的计算机主要完成三项任务：数据处理、数据输出、虚拟境界的管理和生成。系统中的计算机必须具有足够高的处理能力，以确保参与者与虚拟境界之间的交互能够实时进行。
2）虚拟现实输入设备
虚拟现实系统的输入设备可以帮助参与者在虚拟现实仿真中改变自己的位置、观察点和视野，并对虚拟境界中的问题具有一定的操作性作用。因为参与者与虚拟境界交互的关键之一是跟踪真实物体的位置，实现位置跟踪和控制的理想技术应该提供三个位置量（X，Y，Z）和三个方向参量（倾斜角、俯仰角、方位角）。常用的虚拟现实系统的输入设备分为位置跟踪器和操作控制设备两类，前者如超声波传感器、磁性跟踪器、光学位置器等；后者一般要求为六自由度输入设备，六自由度性能指标是指输入设备控制一个虚拟物体的位置和方向的能力，位置是沿着X、Y、Z轴运动的程度。常用的有3D鼠标、跟踪球、游戏杆、数据手套等。
3）虚拟现实输出设备
虚拟现实系统的输出设备用于将电子信号转变成各种人体感官可以感觉到的刺激。常用的虚拟现实系统输出设备有头戴式显示器和声音发生器。
2．虚拟现实系统的软件
虚拟现实系统的软件用来进行境界构造，包括建模和绘制对象，给这些对象指定行为，提供交互性和编程。虚拟现实软件可分为工具包和创作工具。
1）工具包
工具包即程序库，一般用C或C＋＋等编制，利用它所提供的函数集合，熟练的程序员可以生成具体的虚拟现实系统应用，VRML就是这样一个程序库。
2）创作工具
是指带有图形用户界面的完整软件，通过创作工具只需简单编程就可生成虚拟境界。程序库一般比创作工具更灵活，绘制速度更快，但需要丰富的编程经验。
10.2.3虚拟现实系统的分类
虚拟现实系统按照不同的标准有多种分类方法。按浸入程度来分，可分为非浸入式、部分浸入式和完全浸入式虚拟现实系统；按用户浸入方式分可分为视觉浸入、触觉浸入、听觉浸入和体感浸入等；按用户参与的规模可分为单用户式、集中多用户式和大规模分布式系统等。
目前常用的分类方法是按浸入程度和用户规模进行的分类，分为桌面式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、叠加式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。
1．桌面式虚拟现实系统
桌面式虚拟现实（DesktopVR）系统仅使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互场景。它把计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的一个窗口，参与者需要用手拿输入设备或位置跟踪器来驾驭虚拟环境和操纵虚拟场景中的各种物体。
在桌面式虚拟现实系统中，参与者虽然坐在监视器前面，但可以通过计算机屏幕观察360°范围内的虚拟环境；可以通过交互操作，使虚拟环境的物体平移和旋转，以便从各个方向观看物体，也可以利用“throughwalk”进入功能在虚拟环境中浏览。但参与者并没有完全沉浸，他仍然会受到周围现实环境的干扰。
桌面式虚拟现实系统虽然缺乏完全的沉浸感，但它仍然比较普及，这主要是因为其成本相对较低。在桌面式虚拟现实系统中，用户借助三维眼镜或安装在计算机屏幕上方的立体观察器、液晶显示光学眼镜等一些廉价的设备，就可以产生一种三维空间的幻觉来增加沉浸的感觉；而它采用的标准CRT显示器和立体图像显示技术，又使得系统分辨率较高，价格也比较便宜；另外，声卡和内部信号处理电路也可以通过廉价的硬件产生真实性很强的声音效果。桌面式虚拟现实系统通常用于工程CAD、建筑设计、培训、教育及某些医疗应用。
2．沉浸式虚拟现实系统