虚拟现实技术与计算机技术应用的共同

摘 要：虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术,它利用计算机生成一种模拟环境,是一种多源信息融合交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真,可借助传感头盔、数据手套等专业设备,让用户进入虚拟空间,实时感知和操作虚拟世界中的各种对象,从而通过视觉、触觉和听觉等获得身临其境的真实感受.虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向,是一门富有挑战性的交叉技术.

关 键 词：虚拟现实技术虚拟环境计算机发展新型计算机

计算机技术的不断发展与应用方面的不断提高使得虚拟现实技术也相应同步地快速发展.尤其是计算机的发展将趋向超高速、超小型、平行处理和智能化,量子、光子、分子和纳米计算机将具有感知、思考、判断、学习及一定的自然语言能力,使计算机进入人工智能时代.这种新型计算机将推动新一轮计算技术革命,更加带动虚拟现实技术的快速发展,对人类社会的发展产生深远的影响.

1虚拟现实技术概述

虚拟现实（VirtualReality,简称VR）是近年来出现的高新技术,也称灵境技术或人工环境.该技术集成了计算机图形（CG）技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果,是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统.

虚拟现实技术的发展与应用离不开计算机技术的发展,两者是相辅相成的关系,如果要正确认识和剖析并把握虚拟现实技术的应用与发展,就必须深入研究计算机技术的变化与发展趋势,这样才能有利于我们未来更好的掌握与应用虚拟现实技术.

2计算机技术在虚拟现实技术的应用

自从1944年世界上第一台电子计算机诞生以来,计算机技术迅猛发展,传统计算机的性能受到挑战,开始从基本原理上寻找计算机发展的突破口,新型计算机的研发应运而生,计算机技术的发展将趋向超高速、超小型、并行处理和智能化.专家预计虚拟现实技术也会因此得到迅速发展.尤其是三维计算机图形学技术、采用多种功能传感器的交互式接口技术和高清晰度显示技术在虚拟现实的应用中起着重要作用.此外,智能化的超级计算机和新型高性能计算机不断发展.这会更有利于虚拟现实技术方面的快速发展.虚拟现实技术通过计算机对复杂数据进行可视化操作以及实时交互的环境.与传统的计算机人-机界面（如键盘、鼠标器、图形用户界面以及流行的Windows等）相比,虚拟现实无论在技术上还是思想上都有质的飞跃.

3虚拟现实系统的技术特点

3.1虚拟现实有效地建立虚拟环境主要集中在两个方面,一是虚拟环境能够精确表示物体的状态模型,二是环境的可视化及渲染.

3.2虚拟现实仅是计算机系统设置的一个近似客观存在的环境,它是硬件、软件和设备的有机组合.

3.3用户可通过自身的技能以6个自由度在这个仿真环境里进行交互操作.

3.4虚拟现实的关键是传感技术.

3.5虚拟现实离不开视觉和听觉的新型可感知动态数据库技术,并需结合高速的动态数据库检索技术.

3.6虚拟现实不仅是计算机图形学或计算机成像生成的一幅画面,更重要的是人们可以通过计算机和各种人机界面与机交互,并在精神感觉上进入环境.它需要结合人工智能,模糊逻辑和神经元技术.

4虚拟现实硬件设备与软件技术和计算机技术的融合

在虚拟现实系统中,硬件设备主要由3个部分组成：输入设备、输出设备、虚拟世界生成设备.此外系统还需要虚拟现实的相关技术.

4.1虚拟现实的输入设备.有关虚拟现实系统的输入设备主要分为两大类：一类是基于自然的交互设备,用于对虚拟世界信息的输入；另一类是三维定位跟踪设备,主要用于对输入设备在三维空间中的位置进行判定,并送入虚拟现实系统中.虚拟世界与人进行自然交互的实现形式很多,有基于语音的、基于手的等多种形式,如数据手套、数据衣、三维控制器、三维扫描仪等.手是我们与外界进行物理接触及意识表达的最主要媒介,在人机交互设备中也是如此.基于手的自然交互形式最为常见,相应的数字化设备很多,在这类产品中最为常用的就是数据手套.

4.2虚拟现实的输出设备.人置身于虚拟世界中,要体会到沉浸的感觉,必须让虚拟世界能模拟人在现实世界中的多种感受,如视觉、听觉、触觉、力觉、痛感、味觉、嗅觉等.基于目前的技术水平,成熟和相对成熟的感知信息的产生和检测技术仅有视觉、听觉和触觉（力觉）3种.感知设备的作用是将虚拟世界中各种感知信号转变为人所能接受的多通道刺激信号,现在主要应用的有基于视觉、听觉和力觉感知的设备,基于味觉、嗅觉等的设备有待开发研究.

4.3虚拟现实的生成设备.在虚拟现实系统中,计算机是虚拟世界的主要生成设备,所以有人称之为“虚拟现实引擎”,它首先创建出虚拟世界的场景,同时还必须实时响应用户各种方式的输入.

通常虚拟世界生成设备主要分为基于高性能个人计算机、基于高性能图形工作站、高度并行的计算机系统和基于分布式计算机的虚拟现实系统四大类.

4.4虚拟现实的相关技术.虚拟现实系统的目标是由计算机生成虚拟世界,用户可以与之进行视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等全方位的交互,并且虚拟现实系统能进行实时响应.要实现这种目标,除了需要有一些专业的硬件设备外,还必须有较多的相关技术及软件加以保证,特别是在现阶段计算机的运行速度还达不到虚拟现实系统所需要求的情况下,相关技术就显得更加重要.虚拟现实的相关技术主要有立体视觉显示技术、环境建模技术、真实感实时绘制技术、三维虚拟声音的实现技术、自然交互与传感技术等等.

4.4.1立体视觉显示技术.人类从客观世界获得的信息的80%以上来自视觉,视觉信息的获取是人类感知外部世界、获取信息的最主要的传感通道,视觉通道成为多感知的虚拟现实系统中最重要的环节.在视觉显示技术中,实现立体显示技术是较为复杂与关键的,立体视觉显示技术是虚拟现实的重要支撑技术.

4.4.2环境建模技术.在虚拟现实系统中,营造的虚拟环境是它的核心内容,要建立虚拟环境,首先要建模,然后在其基础上再进行实时绘制、立体显示,形成一个虚拟的世界.虚拟环境建模的目的在于获取实际三维环境的三维数据,并根据其应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型.只有设计出反映研究对象的真实有效的模型,虚拟现实系统才有可信度.在虚拟现实系统中,环境建模应该包括有基于视觉、听觉、触觉、力觉、味觉等多种感觉通道的建模.但基于目前的技术水平,常见的是三维视觉建模和三维听觉建模.而在当前应用中,环境建模一般主要是三维视觉建模,这方面的理论也较为成熟.

4.4.3真实感实时绘制技术.要实现虚拟现实系统中的虚拟世界,仅有立体显示技术是远远不够的,虚拟现实中还有真实感与实时性的要求,也就是说虚拟世界的产生不仅需要真实的立体感,而且虚拟世界还必须实时生成,这就必须要采用真实感实时绘制技术.所谓真实感绘制是指在计算机中重现真实世界场景的过程.真实感绘制的主要任务是要模拟真实物体的物理属性,即物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度,以及物体间的相对位置、遮挡关系等等.

4.4.4三维虚拟声音的实现技术.在虚拟现实系统中加入与视觉并行的三维虚拟声音,一方面可以在很大程度上增强用户在虚拟世界中的沉浸感和交互性,另一方面也可以减弱大脑对于视觉的依赖性,降低沉浸感对视觉信息的要求,使用户能从既有视觉感受又有听觉感受的环境中获得更多的信息.

5总结

能看到虚拟现实技术对计算机技术的联系性非常紧密,并且虚拟现实技术对计算机设备的应用分类也越来越具体,越来越广泛.相应的计算机设备也应用到虚拟现实技术的对应环节上.虚拟现实技术是一个极具潜力的前沿研究方向,是面向21世纪的重要技术之一.它在理论,软硬件环境的研究方面依赖于多种技术的综合,其中有很多技术有待完善.可以预见,随着技术的发展,虚拟现实技术及其应用会越来越广泛.