人會(huì)做夢(mèng)，會(huì)幻想，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)卻能使夢(mèng)想成真。未駕駛過(guò)飛機(jī)，也能知道駕機(jī)飛行的感覺；沒有當(dāng)過(guò)宇航員，卻能體會(huì)到太空飛行中失重的滋味；雖不是潛水員，但能感受到深沉大海的孤寂和觀看到神奇眩目的景觀……虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所帶來(lái)的身臨其境的神奇效應(yīng)正滲透到各行各業(yè)，成為近年來(lái)國(guó)際科技界關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。它是建立在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能等學(xué)科基礎(chǔ)上的綜合性極強(qiáng)的高新信息技術(shù)，在軍事、醫(yī)學(xué)、設(shè)計(jì)、藝術(shù)、娛樂(lè)等多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，被認(rèn)為是21世紀(jì)大有發(fā)展前途的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

虛擬現(xiàn)實(shí)探秘

 
沉浸式CAVE展示系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)是從英文Virtual reality 一詞翻譯過(guò)來(lái)的，Virtual 就是虛假的意思，Reality 就是真實(shí)的意思，合并起來(lái)就是虛擬現(xiàn)實(shí)，也就是說(shuō)本來(lái)沒有的事物和環(huán)境，通過(guò)各種技術(shù)虛擬出來(lái)，讓你感覺到就如真實(shí)的一樣。

關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)的提法，歷來(lái)多有爭(zhēng)議。國(guó)外有人反對(duì)“Virtual Reality"這個(gè)詞，稱它太玄乎；國(guó)內(nèi)也有人認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)的譯法不佳，而主張翻譯為“靈境”，這給人一種空靈縹緲的感覺，頗有一些韻味。另外也有一些譯法如實(shí)時(shí)環(huán)境、虛擬空間、人造現(xiàn)實(shí)、仿真技術(shù)等等。但在科學(xué)界，大多數(shù)人仍主張直譯為虛擬現(xiàn)實(shí)，以求準(zhǔn)確和符合現(xiàn)代語(yǔ)法?！　?

什么是虛擬現(xiàn)實(shí)？

人在現(xiàn)實(shí)世界中是通過(guò)眼睛、耳朵、手指等器官來(lái)實(shí)現(xiàn)視覺、聽覺、觸覺等功能的，人們可以通過(guò)視覺觀察到色彩斑斕的外部環(huán)境，通過(guò)聽覺感知豐富多彩的音響世界，通過(guò)觸覺了解物體的形狀和特性。

一個(gè)世紀(jì)以來(lái),我們已經(jīng)有一種虛擬現(xiàn)實(shí)——電話,或者說(shuō)是聲音的虛擬現(xiàn)實(shí)。對(duì)此,我們?cè)缇土?xí)以為常。但當(dāng)19世紀(jì),電話初次展現(xiàn)在人們面前時(shí),這也是一種全新的世界。無(wú)論人們相隔多遠(yuǎn),一個(gè)電話線就能把兩個(gè)人聯(lián)系起來(lái),這難道不讓人驚奇么？在人類歷史上,這也是開天辟地頭一遭。

20世紀(jì)20年代,誕生了電視，這種以聲音和影像并茂的虛擬現(xiàn)實(shí)，打開了人類視覺空間，使人們足不出戶，遍覽天下大事。

然而這些遠(yuǎn)非真正意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)。真正的虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上有著質(zhì)的飛躍,它直接將我們投入到虛擬的三維空間中去，與交互的環(huán)境融為一體。在這個(gè)虛擬的世界里，我們能夠自由的運(yùn)動(dòng)，觀看風(fēng)景，就和真實(shí)的世界一樣，我們有著足夠的自主性，我們甚至可以撿起一塊石頭攻擊敵人。

于是，我們可以認(rèn)為：虛擬現(xiàn)實(shí)是人們利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境，將模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)合三為一，并利用人機(jī)交互設(shè)備，把操作者與計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬環(huán)境連結(jié)在一起。操作者通過(guò)人機(jī)交互設(shè)備，以自然的方式（如頭的轉(zhuǎn)動(dòng)、手的運(yùn)動(dòng)等）向計(jì)算機(jī)送入各種動(dòng)作信息，并且通過(guò)視覺、聽覺以及觸覺等多種感知獲得三維感覺世界。隨著人們不同的動(dòng)作，這些感覺也隨之改變。目前，與虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)的內(nèi)容已經(jīng)擴(kuò)大到了與之相關(guān)的許多方面，像“人工現(xiàn)實(shí)（Artificial Reality）”、“遙現(xiàn)”（Telepresence）、“虛擬環(huán)境”（Virtual Environment）、“賽伯空間”（Cyberspace）等，都可以認(rèn)為是虛擬現(xiàn)實(shí)的不同術(shù)語(yǔ)或形式。事實(shí)上, 虛擬現(xiàn)實(shí)要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)酷似客觀環(huán)境又超越客觀時(shí)空、能沉浸其中又能駕馭其一的和諧人機(jī)環(huán)境，也就是由多維信息所構(gòu)成的可操縱的空間。

虛擬現(xiàn)實(shí)二大特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)最重要的特點(diǎn)就是“逼真”與“交互”性。參與者在虛擬世界中就象身臨其境一樣。環(huán)境象真的，人象在真環(huán)境中與各種物體及現(xiàn)象相互作用。環(huán)境中的物體和特性，按照自然規(guī)律發(fā)展和變化，而人在其中經(jīng)歷視覺、聽覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)覺、味覺和嗅覺等感受。

首先，虛擬現(xiàn)實(shí)很“逼真”。電視的空間是二維空間而不是現(xiàn)實(shí)世界的三維空間，電視的所謂“立體聲”效果也不同于現(xiàn)實(shí)世界的聲音的立體特征。而虛擬現(xiàn)實(shí)的視覺空間、視覺形象是三維的，音響效果也是“地道的三維音響”。二維與三維的視覺形象有本質(zhì)的區(qū)分：在一個(gè)二維屏幕上看三維的圖像就如同從一個(gè)玻璃船底看下面的海水，這時(shí)感到自己還是在船上，處于三維環(huán)境的邊緣，從它的邊緣看這個(gè)世界的深處。而在一個(gè)立體的“屏幕”里看一個(gè)視覺世界就像是在潛水。通過(guò)一個(gè)電腦化的手套來(lái)操縱一個(gè)三維顯示器，我們進(jìn)入到虛擬現(xiàn)實(shí)的多重感覺的世界中，就如同戴著潛水裝置潛入到深海，我們沉浸在水下環(huán)境中，在礁石間穿行，聽著鯨魚的低鳴，撿起貝殼來(lái)仔細(xì)端詳，與別的潛水員交談，完全參與到海底探險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)當(dāng)中。這種感覺是如此的真實(shí)，以至于我們?nèi)轿坏亟]在這個(gè)虛幻的世界中。

其次，虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)交互性。在系統(tǒng)中，用戶可以直接控制對(duì)象的各種參數(shù)，如：運(yùn)動(dòng)方向、速度等，而系統(tǒng)也可以向用戶反饋信息，如：模擬駕駛系統(tǒng)中兩車相撞，用戶會(huì)感覺到震顫，車在抖動(dòng)。經(jīng)過(guò)不平路面時(shí)，汽車會(huì)顛簸。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，視覺無(wú)疑是最主要和最常用的交互手段。因?yàn)橛^察點(diǎn)是在觀察者的眼睛上，這樣，觀察者就可以得到與在真實(shí)世界中同樣的感受。隨著圖像的變化，再配以適當(dāng)?shù)囊繇懶Ч?，就可以使人們有身臨其境的感受。但是，當(dāng)人們希望用手來(lái)觸摸虛擬模型，或用手直接對(duì)虛擬模型進(jìn)行操作時(shí)，只是視覺和聽覺就無(wú)能為力了，因而需要研制和開發(fā)具有觸覺功能的交互手段，也就是具有"力反饋"功能的裝置。它可以對(duì)使用者的輸入（如手勢(shì)，語(yǔ)言命令）作出響應(yīng)。比如你可以拿起一虛擬的火炬并打開其開關(guān)，你一推操縱桿，仿佛可以在里面漫游，你甚至可以用虛擬的手感觸到虛擬物體存在。

虛擬現(xiàn)實(shí)三大類型

虛擬現(xiàn)實(shí)可分為仿真、超越、幻象三種類型。

仿真型虛擬現(xiàn)實(shí)：它根據(jù)現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)存在，由計(jì)算機(jī)將其模擬出來(lái)。它雖然現(xiàn)在并不存在，但一切都是符合客觀規(guī)律的。仿真虛擬現(xiàn)實(shí)被廣泛用于培訓(xùn)中。“虛擬飛機(jī)座艙”便是一例。學(xué)員坐在座艙里便可獲得和真實(shí)飛行中一樣的感受。根據(jù)這種感受做出各種操作，并根據(jù)操作后出現(xiàn)的效果可判斷這樣操作是否正確。旅游業(yè)同樣可以利用仿真虛擬現(xiàn)實(shí)招攬游客，讓公眾通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)觀賞到名山大川之雄偉、深谷小溪之清幽、名勝古跡之豐富、風(fēng)土人情之多彩，必能激發(fā)其游興，增加客源。

超越型虛擬現(xiàn)實(shí)：它雖然也是根據(jù)真實(shí)存在進(jìn)行模擬，但所模擬的對(duì)象或者用人的五官無(wú)法感覺到，或者在日常生活中無(wú)法接觸到。超越型虛擬現(xiàn)實(shí)可以充分發(fā)揮人的認(rèn)識(shí)和探索能力，揭示未知世界的奧秘。它以現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)，卻可能創(chuàng)造出超越現(xiàn)實(shí)的情景。例如，可以模擬宇宙太空和原子世界發(fā)生的情況，把人帶入浩瀚無(wú)比或纖細(xì)入微的世界里，對(duì)那里發(fā)生的一切取得感性認(rèn)識(shí)。如美國(guó)宇航局把火星探測(cè)器發(fā)回的大量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)整理制成火星模型，可以使人從感性上了解火星上的各種情況，宛如置身于火星上一樣。

幻想型虛擬現(xiàn)實(shí)：隨心所欲地營(yíng)造出現(xiàn)實(shí)世界不可能出現(xiàn)的情景。神話、童話、科學(xué)幻想在這個(gè)世界中可以輕而易舉地化作“現(xiàn)實(shí)”。因此，幻想型虛擬現(xiàn)實(shí)給人帶來(lái)廣闊的想象時(shí)空，盡管有時(shí)是荒誕不經(jīng)的，卻促進(jìn)了人類想象和創(chuàng)造力的發(fā)展；完全是子虛烏有的，卻可供人消遣娛樂(lè)。例如，模擬海底龍宮世界，可以置人于蝦兵蟹將之中，賞悅各種奇珍異寶。逼真的感受，宛如真正置身于龍宮。并且最重要的，就是它是交互式的，也就是說(shuō)隨著人的反應(yīng)不同，將出現(xiàn)不同的情景。這一點(diǎn)是目前現(xiàn)實(shí)生活中其它娛樂(lè)手段所做不到的。

虛擬現(xiàn)實(shí)四大構(gòu)成

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包含操作者、機(jī)器、軟件及人機(jī)交互設(shè)備四個(gè)基本要素，其中機(jī)器是指安裝了適當(dāng)?shù)能浖绦?，用?lái)生成用戶能與之交互的虛擬環(huán)境的計(jì)算機(jī)，內(nèi)含存有大量圖像和聲音的數(shù)據(jù)庫(kù)。人機(jī)交互設(shè)備則是指將虛擬環(huán)境與操作者連接起來(lái)的傳感與控制裝置。

人機(jī)交互設(shè)備將視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等各種感官刺激傳達(dá)給操作者，使人的意識(shí)進(jìn)入虛擬世界。目前已經(jīng)開發(fā)出來(lái)的，在視覺方面有頭盔式立體顯示儀等；聽覺方面有立體音響；觸覺、位置感方面有“數(shù)據(jù)手套”、“數(shù)據(jù)服”等，以及一些語(yǔ)音識(shí)別，眼球運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等裝置，未來(lái)還會(huì)開發(fā)出模擬味覺和嗅覺的設(shè)備，那時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)將更加真實(shí)。

 
Cybermind Visette45 SXGA 3D 增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器

頭盔式顯示器（Head Mounted Display）是與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)系最密切的人機(jī)交互設(shè)備，這種設(shè)備是在頭盔上安裝顯示器，利用特殊的光學(xué)設(shè)備來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行處理，使圖像看上去立體感更強(qiáng)。絕大多數(shù)頭盔式顯示器使用兩個(gè)顯示器，能夠顯示立體圖像。從人類獲取信息的方式看，視覺是最主要的，它占人們獲取的信息量的70%，其次是聽覺、觸覺和味覺。為了實(shí)現(xiàn)逼真的效果，滿足人的視覺和聽覺習(xí)慣，虛擬環(huán)境的圖像和聲響應(yīng)是三維立體的；為了達(dá)到實(shí)時(shí)性，圖像至少應(yīng)有60 Hz的幀頻，還要隨時(shí)響應(yīng)人們的操縱信號(hào)，延遲不能超過(guò)0.1秒。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用頭盔顯示器把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封裝起來(lái)，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯(cuò)覺。頭戴式顯示器將觀察者的頭部位置及運(yùn)動(dòng)方向告訴計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)就可以調(diào)整觀察者所看到的圖景，使得呈現(xiàn)的圖像更趨于真實(shí)感。

 
CyberGlove II - 22 Sensors

數(shù)據(jù)手套(Data glove)是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中最常用的人機(jī)交互設(shè)備，它可測(cè)量出手的位置和形狀從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的虛擬手及其對(duì)虛擬物體的操縱。數(shù)據(jù)手套通過(guò)手指上的彎曲、扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關(guān)節(jié)的位置和方向。數(shù)據(jù)手套可能使你覺得你的手產(chǎn)生放在水中、或者泥巴中的感覺。

數(shù)據(jù)服也是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中用的人機(jī)交互設(shè)備。一件虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)緊身服可能使你有在水中或泥沼中游泳的感覺。

當(dāng)人戴上頭盔時(shí)，就把立體圖像，由多媒體計(jì)算機(jī)從頭盔的顯示器顯示給參觀者。人戴上數(shù)據(jù)手套，你的手一動(dòng)，有很多傳感器就測(cè)出了你的動(dòng)作（比如去開門）。計(jì)算機(jī)接到這一信息，就去控制圖像，使門打開，你眼前就出現(xiàn)了室內(nèi)的圖像景物，并給出相應(yīng)的聲音及運(yùn)動(dòng)感覺。當(dāng)你的妻子恰巧在房中，看到你的出現(xiàn)，她張開雙臂親昵地向你飛奔而來(lái)，隨之你的腰被緊緊地?fù)ё?。切記，此時(shí)僅是數(shù)據(jù)緊身服在收縮罷了，只是這一切來(lái)得那么自然，那么逼真，那么不露痕跡。

虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展

人類自古以來(lái)都有一種對(duì)某個(gè)未知、未及的世界的想象和想象性地占有。這種欲望和想象在個(gè)人身上表現(xiàn)為夢(mèng)（睡夢(mèng)和白日夢(mèng)），在集體（民族）身上表現(xiàn)為神話、宗教。

人類不僅把對(duì)另外世界的向往和想象訴諸神話、詩(shī)歌等語(yǔ)言形式，而且以既有的技術(shù)手段將它們?cè)V諸視覺形象和聲音形式。于是，原始人的巖畫，中國(guó)古代的兵馬俑，各個(gè)時(shí)代的雕塑、繪畫視覺藝術(shù)，以及近現(xiàn)代出現(xiàn)的透視畫、全景畫、立體圖鏡、電影、電視等構(gòu)成了虛擬現(xiàn)實(shí)的史前史。