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　　虛擬現實(shí)技術(shù)與計算機技術(shù)應用的共同發(fā)展

　　摘要：虛擬現實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng )建和體驗虛擬世界的計算機技術(shù)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統仿真，可借助傳感頭盔、數據手套等專(zhuān)業(yè)設備，讓用戶(hù)進(jìn)入虛擬空間，實(shí)時(shí)感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而通過(guò)視覺(jué)、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等獲得身臨其境的真實(shí)感受。虛擬現實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是一門(mén)富有挑戰性的交叉技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：虛擬現實(shí)技術(shù) 虛擬環(huán)境 計算機發(fā)展 新型計算機

　　計算機技術(shù)的不斷發(fā)展與應用方面的不斷提高使得虛擬現實(shí)技術(shù)也相應同步地快速發(fā)展。尤其是計算機的發(fā)展將趨向超高速、超小型、平行處理和智能化，量子、光子、分子和納米計算機將具有感知、思考、判斷、學(xué)習及一定的自然語(yǔ)言能力，使計算機進(jìn)入人工智能時(shí)代。這種新型計算機將推動(dòng)新一輪計算技術(shù)革命，更加帶動(dòng)虛擬現實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，對人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。

　　1、虛擬現實(shí)技術(shù)概述

　　虛擬現實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)是近年來(lái)出現的高新技術(shù)，也稱(chēng)靈境技術(shù)或人工環(huán)境。該技術(shù)集成了計算機圖形(CG)技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計算機技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統。 虛擬現實(shí)技術(shù)的發(fā)展與應用離不開(kāi)計算機技術(shù)的發(fā)展，兩者是相輔相成的關(guān)系，如果要正確認識和剖析并把握虛擬現實(shí)技術(shù)的應用與發(fā)展，就必須深入研究計算機技術(shù)的變化與發(fā)展趨勢，這樣才能有利于我們未來(lái)更好的掌握與應用虛擬現實(shí)技術(shù)。

　　2、計算機技術(shù)在虛擬現實(shí)技術(shù)的應用

　　自從1944年世界上第一臺電子計算機誕生以來(lái)，計算機技術(shù)迅猛發(fā)展，傳統計算機的性能受到挑戰，開(kāi)始從基本原理上尋找計算機發(fā)展的突破口，新型計算機的研發(fā)應運而生，計算機技術(shù)的發(fā)展將趨向超高速、超小型、并行處理和智能化。專(zhuān)家預計虛擬現實(shí)技術(shù)也會(huì )因此得到迅速發(fā)展。尤其是三維計算機圖形學(xué)技術(shù)、采用多種功能傳感器的交互式接口技術(shù)和高清晰度顯示技術(shù)在虛擬現實(shí)的應用中起著(zhù)重要作用。此外，智能化的超級計算機和新型高性能計算機不斷發(fā)展。這會(huì )更有利于虛擬現實(shí)技術(shù)方面的快速發(fā)展。虛擬現實(shí)技術(shù)通過(guò)計算機對復雜數據進(jìn)行可視化操作以及實(shí)時(shí)交互的環(huán)境。與傳統的計算機人-機界面(如鍵盤(pán)、鼠標器、圖形用戶(hù)界面以及流行的Windows等)相比，虛擬現實(shí)無(wú)論在技術(shù)上還是思想上都有質(zhì)的飛躍。

　　3、虛擬現實(shí)系統的技術(shù)特點(diǎn)

　　3.1 虛擬現實(shí)有效地建立虛擬環(huán)境主要集中在兩個(gè)方面，一是虛擬環(huán)境能夠精確表示物體的狀態(tài)模型，二是環(huán)境的可視化及渲染。

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　　3.2 虛擬現實(shí)僅是計算機系統設置的一個(gè)近似客觀(guān)存在的環(huán)境，它是硬件、軟件和外圍設備的有機組合。

　　3.3 用戶(hù)可通過(guò)自身的技能以6個(gè)自由度在這個(gè)仿真環(huán)境里進(jìn)行交互操作。

　　3.4 虛擬現實(shí)的關(guān)鍵是傳感技術(shù)。

　　3.5 虛擬現實(shí)離不開(kāi)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的新型可感知動(dòng)態(tài)數據庫技術(shù)，并需結合高速的動(dòng)態(tài)數據庫檢索技術(shù)。

　　3.6 虛擬現實(shí)不僅是計算機圖形學(xué)或計算機成像生成的一幅畫(huà)面，更重要的是人們可以通過(guò)計算機和各種人機界面與機交互，并在精神感覺(jué)上進(jìn)入環(huán)境。它需要結合人工智能，模糊邏輯和神經(jīng)元技術(shù)。

　　4、虛擬現實(shí)硬件設備與軟件技術(shù)和計算機技術(shù)的融合

　　在虛擬現實(shí)系統中，硬件設備主要由3個(gè)部分組成：輸入設備、輸出設備、虛擬世界生成設備。此外系統還需要虛擬現實(shí)的相關(guān)技術(shù)。

　　4.1 虛擬現實(shí)的輸入設備。有關(guān)虛擬現實(shí)系統的輸入設備主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是基于自然的交互設備，用于對虛擬世界信息的輸入;另一類(lèi)是三維定位跟蹤設備，主要用于對輸入設備在三維空間中的位置進(jìn)行判定，并送入虛擬現實(shí)系統中。虛擬世界與人進(jìn)行自然交互的實(shí)現形式很多，有基于語(yǔ)音的、基于手的等多種形式，如數據手套、數據衣、三維控制器、三維掃描儀等。手是我們與外界進(jìn)行物理接觸及意識表達的最主要媒介，在人機交互設備中也是如此�；�于手的自然交互形式最為常見(jiàn)，相應的數字化設備很多，在這類(lèi)產(chǎn)品中最為常用的就是數據手套。

　　4.2 虛擬現實(shí)的輸出設備。人置身于虛擬世界中，要體會(huì )到沉浸的感覺(jué)，必須讓虛擬世界能模擬人在現實(shí)世界中的多種感受，如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、痛感、味覺(jué)、嗅覺(jué)等�；�于目前的技術(shù)水平，成熟和相對成熟的感知信息的產(chǎn)生和檢測技術(shù)僅有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)(力覺(jué))3種。感知設備的作用是將虛擬世界中各種感知信號轉變?yōu)槿怂�能接受的多通道刺激信號，現在主要應用的有基于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和力覺(jué)感知的設備，基于味覺(jué)、嗅覺(jué)等的設備有待開(kāi)發(fā)研究。

　　4.3 虛擬現實(shí)的生成設備。在虛擬現實(shí)系統中，計算機是虛擬世界的主要生成設備，所以有人稱(chēng)之為“虛擬現實(shí)引擎”，它首先創(chuàng )建出虛擬世界的場(chǎng)景，同時(shí)還必須實(shí)時(shí)響應用戶(hù)各種方式的輸入。

　　通常虛擬世界生成設備主要分為基于高性能個(gè)人計算機、基于高性能圖形工作站、高度并行的計算機系統和基于分布式計算機的虛擬現實(shí)系統四大類(lèi)。

　　4.4 虛擬現實(shí)的相關(guān)技術(shù)。虛擬現實(shí)系統的目標是由計算機生成虛擬世界，用戶(hù)可以與之進(jìn)行視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等全方位的交互，并且虛擬現實(shí)系統能進(jìn)行實(shí)時(shí)響應。

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　　要實(shí)現這種目標，除了需要有一些專(zhuān)業(yè)的硬件設備外，還必須有較多的相關(guān)技術(shù)及軟件加以保證，特別是在現階段計算機的運行速度還達不到虛擬現實(shí)系統所需要求的情況下，相關(guān)技術(shù)就顯得更加重要。虛擬現實(shí)的相關(guān)技術(shù)主要有立體視覺(jué)顯示技術(shù)、環(huán)境建模技術(shù)、真實(shí)感實(shí)時(shí)繪制技術(shù)、三維虛擬聲音的實(shí)現技術(shù)、自然交互與傳感技術(shù)等等。

　　4.4.1 立體視覺(jué)顯示技術(shù)。人類(lèi)從客觀(guān)世界獲得的.信息的80%以上來(lái)自視覺(jué)，視覺(jué)信息的獲取是人類(lèi)感知外部世界、獲取信息的最主要的傳感通道，視覺(jué)通道成為多感知的虛擬現實(shí)系統中最重要的環(huán)節。

　　在視覺(jué)顯示技術(shù)中，實(shí)現立體顯示技術(shù)是較為復雜與關(guān)鍵的，立體視覺(jué)顯示技術(shù)是虛擬現實(shí)的重要支撐技術(shù)。

　　4.4.2 環(huán)境建模技術(shù)。在虛擬現實(shí)系統中，營(yíng)造的虛擬環(huán)境是它的核心內容，要建立虛擬環(huán)境，首先要建模，然后在其基礎上再進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制、立體顯示，形成一個(gè)虛擬的世界。虛擬環(huán)境建模的目的在于獲取實(shí)際三維環(huán)境的三維數據，并根據其應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環(huán)境模型。只有設計出反映研究對象的真實(shí)有效的模型，虛擬現實(shí)系統才有可信度。在虛擬現實(shí)系統中，環(huán)境建模應該包括有基于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、味覺(jué)等多種感覺(jué)通道的建模。但基于目前的技術(shù)水平，常見(jiàn)的是三維視覺(jué)建模和三維聽(tīng)覺(jué)建模。而在當前應用中，環(huán)境建模一般主要是三維視覺(jué)建模，這方面的理論也較為成熟。

　　4.4.3 真實(shí)感實(shí)時(shí)繪制技術(shù)。要實(shí)現虛擬現實(shí)系統中的虛擬世界，僅有立體顯示技術(shù)是遠遠不夠的，虛擬現實(shí)中還有真實(shí)感與實(shí)時(shí)性的要求，也就是說(shuō)虛擬世界的產(chǎn)生不僅需要真實(shí)的立體感，而且虛擬世界還必須實(shí)時(shí)生成，這就必須要采用真實(shí)感實(shí)時(shí)繪制技術(shù)。所謂真實(shí)感繪制是指在計算機中重現真實(shí)世界場(chǎng)景的過(guò)程。真實(shí)感繪制的主要任務(wù)是要模擬真實(shí)物體的物理屬性，即物體的形狀、光學(xué)性質(zhì)、表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置、遮擋關(guān)系等等。

　　4.4.4 三維虛擬聲音的實(shí)現技術(shù)。在虛擬現實(shí)系統中加入與視覺(jué)并行的三維虛擬聲音，一方面可以在很大程度上增強用戶(hù)在虛擬世界中的沉浸感和交互性，另一方面也可以減弱大腦對于視覺(jué)的依賴(lài)性，降低沉浸感對視覺(jué)信息的要求，使用戶(hù)能從既有視覺(jué)感受又有聽(tīng)覺(jué)感受的環(huán)境中獲得更多的信息。

　　5、總結

　　能看到虛擬現實(shí)技術(shù)對計算機技術(shù)的聯(lián)系性非常緊密，并且虛擬現實(shí)技術(shù)對計算機設備的應用分類(lèi)也越來(lái)越具體，越來(lái)越廣泛。相應的計算機設備也應用到虛擬現實(shí)技術(shù)的對應環(huán)節上。虛擬現實(shí)技術(shù)是一個(gè)極具潛力的前沿研究方向，是面向21世紀的重要技術(shù)之一。它在理論，軟硬件環(huán)境的研究方面依賴(lài)于多種技術(shù)的綜合，其中有很多技術(shù)有待完善�？梢灶A見(jiàn)，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現實(shí)技術(shù)及其應用會(huì )越來(lái)越廣泛。

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