学习虚拟现实技术后的感想

目前，虚拟现实技术的发展呈多样化趋势，虚拟现实技术不再局限于采用高档可视化工作站、高档头盔式显示器等一系列昂贵设备的技术，还涵盖一切与之相关的具有自然交互、逼真检验的技术和方法。虚拟现实技术的目的在于达到真实的体验和自然的交互，而一般单位和个人不可能承担过于昂贵的硬件设备和相应软件的价格，因此，只要是达成上述部分目的的系统，就可以成为虚拟现实系统。

在实际应用中，根据虚拟现实技术对沉浸程度的高低和交互程度的不同，可将虚拟现实系统划分为四种类型：沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统、增强式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统。其中，桌面式虚拟现实系统因其技术简单，投入成本较低，在实际应用中较为广泛。

1.沉浸式虚拟现实系统

沉浸式虚拟现实系统是最为典型、高级和理想的投入式虚拟现实系统，正如它的名字一样，沉浸式虚拟现实系统可以为用户提供完全沉浸其中的体验。沉浸式虚拟现实系统通过头盔式显示器、洞穴式立体显示等设备将用户的视觉、听觉和其他感觉封闭在虚拟世界中，与此同时，用户通过数据手套等设备感知和影响周围的虚拟世界，产生一种完全置身其中的感觉。

沉浸式虚拟现实系统可为用户提供高度逼真的三维虚拟世界，不仅如此，沉浸式虚拟现实系统的高度临场感和高度可参与性，可以为用户提供最真实的实验条件，因此非常适合用于军事训练、建筑设计与城市规划、虚拟生物医学工程、教学演示、工程数据可视化等领域。

沉浸式虚拟现实系统具有如下特点：

①高度的沉浸感：沉浸式虚拟现实系统采用多种输入与输出设备来营造一个虚拟的世界，并使用户沉浸其中，同时，还可以使用户与真实世界完全隔离，不受外界环境的影响。

②高度的实时性：在虚拟世界中要使用户产生与真实世界相同的感受。例如，当人推动箱子时，箱子会随之移动一定的距离。这个过程需要虚拟现实系统中的传感器及时定位人的空间位置，以及人的运动方向和用力情况，计算机接收到相应数据后进行快速计算，输出相应的场景变化。整个过程应该快速而准确。

常见的沉浸式虚拟现实系统有基于头盔式显示器的虚拟现实系统、投影式虚拟现实系统、遥在系统。

（1）基于头盔式显示器的虚拟现实系统

如图8-4所示，该类系统采用头盔式显示器来营造单用户的立体影像和声音虚拟环境，通过封闭用户的视觉和听觉，使用户完全投入到虚拟环境中。该类系统的主要代表有Oculus Rift、索尼Project Morpheus以及Virglass等。

（2）投影式虚拟现实系统

如图8-5所示，投影式虚拟现实系统主要通过具有沉浸感的大屏幕立体投影系统来实现对用户的影响。其中，大屏幕三维立体投影显示系统最为典型，根据沉浸程度的不同，它又可分为单通道立体投影、多通道柱面立体投影、CAVE投影系统、球面投影系统等。这种系统的代表有Vis Cube TMC4-WQ等3D多屏幕显示器组成的洞穴状沉浸式虚拟现实系统。

图8-4 沉浸式虚拟现实头盔

图8-5 投影式虚拟现实系统

（3）遥在系统

如前所述，虚拟现实技术还可用于辅助实现用户在极端恶劣或特殊环境下的操作，这一用途主要体现在遥在系统中。遥在系统通常由人、人机接口和遥控操作的机器人组成，因此也可称作远程操纵系统。与前两者不同，遥在系统感知环境的主体变成了身处远离用户的深海环境、核环境等真实环境中的机器人，而发出运动命令的主体还是用户，用户通过机器人感知远方的真实环境，然后发出指令，进而控制机器人在远端完成各种动作。如图8-6所示，可通过遥在系统，远程控制机器人完成外星表面探测。

图8-6 遥在系统

2.桌面式虚拟现实系统

桌面式虚拟现实系统又称为窗口虚拟现实系统，如图8-7所示。该虚拟现实系统利用个人计算机或低级图形工作站进行仿真，生成三维立体空间的交互场景，用户利用计算机屏幕作为观察虚拟世界的窗口，通过立体眼镜、6自由度三维空间鼠标、摄像头、数据手套等各种输入设备实现与桌面360°虚拟现实世界的交互。与沉浸式虚拟现实系统相比，桌面式的设计存在一定局限性，用户不能完全投入其中，仍会受到屏幕以外的周边现实环境的干扰。为了增强沉浸感，用户可以通过佩戴立体眼镜来提升画面的立体效果，在部分桌面式虚拟现实系统中还加入了专业的投影设备，以增大屏幕观看范围。

图8-7 桌面式虚拟现实系统

桌面式虚拟现实系统虽然受设备所限，无法为用户提供完全沉浸的感受，但由于成本相对较低，因此是目前最为普及的虚拟现实系统，在工程、建筑、设计和游戏业等领域都有广泛的市场前景。

3.增强现实式虚拟现实系统

在实际生活中我们发现，在真实环境中叠加一个小型虚拟系统以追踪或增强部分真实信息将获得独特的效果，于是谷歌眼镜等增强现实技术应运而生。增强现实（Augmented Reality， AR）系统也叫叠加式虚拟现实系统，是在虚拟现实系统的基础上发展起来的新型技术。该技术与沉浸式虚拟现实技术不同，它的目标不在于封闭用户的感知能力，而在于增强用户对真实世界中感兴趣信息的感知能力。例如，通过谷歌眼镜在真实的建筑楼群上叠加各种地标或介绍，通过叠加CT切片图等信息辅助医生完成手术等。该技术由于同时兼容现实和虚拟环境中的各种信息，因此广泛用于医学可视化、军用飞机导航、娱乐、设备维护等领域。

增强现实系统通常由计算机、信息辅助显示系统、传感器等组成。以图8-8所示的谷歌眼镜为例，首先，为了实现声音控制拍照、视频通话、指引方向、上网冲浪等功能，该系统包括多种传感器，如眼镜前方的悬置摄像头，可拍摄用户能看到的各种目标图像；鼻梁上方的横置鼻垫传感器，可传回用户的脸型等信息；内置麦克风，可用于接受用户的语音命令。其次，位于镜框上的电脑处理器装置，可用于处理视觉传感器、听觉传感器、压力传感器、GPS定位传感器等传回的图像、声音、触觉和位姿信息，并对这些信息进行处理。最后，通过用户右眼上方的小屏幕（头戴式微型显示屏）显示各种用户感兴趣、但又不存在于真实环境中的可视化信息。

图8-8 谷歌眼镜

4.分布式虚拟现实系统

分布式虚拟现实系统是虚拟现实技术和网络技术发展与结合的产物，是在网络虚拟世界中，通过网络连接位于不同物理位置的多个用户、虚拟世界，从而实现信息共享的系统（图8-9）。位于该系统内的每个用户同时加入同一个虚拟空间里，通过联网计算机与其他用户进行交互，共同体验虚拟经历，以达到协同工作的目的，从而使一个人体验的虚拟环境变成许多人彼此联系、共同体验的虚拟社会。

图8-9 分布式虚拟现实系统

出现分布式虚拟现实系统有两方面的原因：一方面是为了充分利用分布式计算机系统提供的强大计算能力；另一方面是用户本身的需求，如多人联网游戏和虚拟战争模拟等，该应用以人和人之间的交流作为第一要务。

分布式虚拟现实系统广泛应用于远程教育、虚拟战场排演、虚拟演播室、跨医院联合手术、实境式电子商务等，其中，典型代表有美国的作战实验室和“路易斯安娜94”演习。分布式虚拟现实系统通过营造场景复杂多变、参战军事单位众多的“虚拟战场”，使参战双方不受地域限制，在虚拟环境中实施“真实的”对抗演习。