浅析虚拟现实技术

计算机图形学在虚拟现实方面的应用与研究虚拟现实(virtualreality,VR)是一项崛起于二十世纪八十年代末九十年代初的高新技术、实用技术。它是利用计算机软硬件以及各种传感器构成三维信息的人工环境——虚拟环境，从而真实地模拟现实世界中可以实现的甚至是不可实现的物理上的、功能上的事物和环境。作为一项综合技术，虚拟现实技术主要涉及到计算机技术、传感器技术和人工智能等领域。如前所述，虚拟现实的主要目的在于提供虚拟环境，并在虚拟环境中实现用户和环境的互动，从这个角度上说，虚拟现实主要有三个方面的含义：首先借助虚拟现实技术生成虚拟实体，虚拟实体主要是针对用户的生理感觉（视、听、触、嗅等）而言；其次，用户可以通过人的生理的自然技能同这个环境交互，人的生理的自然技能主要是头部、眼球的转动，身体四肢、躯干的运动等人体力学运动；最后虚拟现实技术主要利用传感器完成人和虚拟环境的交互。我们可以说，虚拟现实的基础是对环境的虚拟，而对环境的虚拟又主要基于计算机图形学运用。近年来计算机图形学的发展对虚拟现实技术极大的推动作用，也说明了计算机图形学在虚拟现实技术领域中的主要领导地位。它主要具备四个重要特征：一、多感知性：即虚拟现实能多维感知，不仅包括视觉，还包括听觉、触觉和嗅觉等；二、存在感：即临场感，指用户感到存在于虚拟环境中的真实度；三、交互性：指用户和环境的双向交流；四、自主性：指虚拟环境中物体根据物理定律运动的程度。虚拟现实的技术因素主要包括图形图像的处理、语音处理与音响、模式识别、人工智能、智能借口、传感器、实时分布系统和数据库技术等。典型的虚拟现实系统的基本组成主要包括：一、效果产生器：完成人与虚拟环境交互的硬件接口装置；二、实景仿真器：系统的核心部分，由计算机软件系统、软件开发工具等组成；三、应用系统：面向具体问题的软件部分，描述仿真的具体内容；四、几何构造系统：提供描述仿真对象的物理特性的信息。在这几个基本组成中，计算机图形学理论作为基础理论无疑都发挥着巨大的作用。在虚拟现实系统中，为了使人和计算机能够融洽的交互，让人沉浸到虚拟环境中去，必须配备相应的硬件设备。首先是跟踪系统，它的主要任务是实时检测出虚拟现实系统中的人体各部位的空间坐标和指向，并将这些数据反馈给控制系统，生产随视线变化的图像。跟踪系统主要包括：电磁跟踪系统、声学跟踪系统和光学跟踪系统。其次是触觉系统，在用户与虚拟环境产生接触的环节，触觉系统产生沉浸效果，使用户可以感觉到虚拟物体的反作用力。第三是音频系统，由语音与音响合成设备、识别设备和声源定位设备构成，通过听觉通道提供的辅助信息可以加强拥护对环境的感知。再有就是图像生成和显示系统，它的主要作用是：计算生成真实感的图形；计算生成或取得有真实感的背景图像；将图形和背景统一安排在同一坐标系中。图像生成和显示系统是虚拟环境系统的重要组成部分，也凸显出计算机图形学在虚拟现实技术中的重要地位。最后就是可视化显示设备，它集上述四种技术于一体，并结合了人类感知的生理特点。从虚拟现实系统的组成可以看出，虚拟现实系统在本质上也是一类仿真系统，是一种与计算机图形学的理论与技术密切相关的仿真系统。一般意义上的仿真是指通过对给定模型进行计算，最后给出一系列的数据，这就是数字仿真；通过计算机图形学的理论和技术，为数字仿真过程及结果增加图形、图像和动画表现，使得仿真过程更加直观，结果更容易理解，并能验证仿真过程是否正确，这便是可视化仿真。虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，虚拟世界是全体虚拟环境或给定仿真对象的全体，而对对象的仿真主要是视觉上的刻画，这就给计算机图形学提供了广阔的应用平台。建立在计算机图形学理论和技术之上并通过其他途径完善的虚拟现实系统，与一般交互式仿真系统相比，具有更高的真实性和多维性。由于计算机图形学理论的发展和进步，使得虚拟现实系统对对象的刻画更为深刻，从而推动了虚拟现实技术在教育、医疗、娱乐、科技、工业制造、建筑和商业等领域中的广泛应用。近年来在城市规划，室内设计、文物保护、交通模拟、虚拟现实游戏、工业设计、远程教育等方面都取得了巨大的发展。1、城市规划在城市规划中经常会用到VR技术，用VR技术不仅能十分直观的表现虚拟的城市环境，而且能很好的模拟各种天气情况下的城市，而且可以一目了然的了解排水系统、供电系统道、路交通、沟渠湖泊等等。而且能模拟飓风、火灾、水灾、地震等自然灾害的突发情况。对于政府在城市规划的工作中起到了举足轻重的作用。2、室内设计在室内设计应用方面，用VR技术不仅能十分完美的表现室内的环境，而且能在三维的室内空间中自由行走。目前业内常用VR技术做室内360度全景展示和室内漫游，受到一致好评，而且不仅能在室内漫游，还能用VR技术做预装修系统，可以实现即时动态的对墙壁的颜色进行更换或贴上不同材质的墙纸，还可以更换地面的颜色或贴上不同的木地板、瓷砖等，更能移动家具的摆放位置、更换不同的装饰物。这一切都在VR虚拟现实技术下将被完美的表现。3、文物保护VR技术在文物保护方面也是应用相当广泛的，埃及的金字塔就做过网上的体验中心，运用了全景虚拟技术和三维虚拟技术，而且IBM目前正在运用VR虚拟现实技术对北京故宫进行整个故宫的数字虚拟。4、交通无论是在空中、陆地还是海洋河流的交通规划模拟方面，VR虚拟技术都有其得天独厚的优势，不仅仅能用三维GIS技术将各种交通路线表现得十分到位，更能动态模拟各种自然灾害情况。5、房地产近几年在房地产的表现和推广应用方面，VR虚拟现实技术被得到越来越多的应用，更有逐步取代效果图和三维动画之势。用VR虚拟技术不仅可以十分完美的表现整个小区的环境、设施。还能表现不存在但即将建成的绿化带、喷泉、休息区、运动场等等。不仅如此，用户还能在整个小区中任意漫游、仔细欣赏小区的每一处风景。6、游戏对于游戏的开发，目前VR技术比较适合开发，角色扮演类、动作类、冒险解迷类、竞速赛车类的游戏，其先进的图像引擎丝毫不亚于目前的主流游戏引擎的图像表现效果，而且整合配套的动力学和AI系统更给游戏的开发提供了便利。7、军事VR技术就是诞生于军事应用，在军事应用方面很多，包括：模拟战场、模拟操作、模拟驾驶、模拟装配等等，都需要通过VR技术来实现。而且在相关军事工作汇报中也会有VR技术的支持。