【摘 要】VR技術是現今計算機技術領域中一項包含多種學科的一門綜合科學技術，該技術已經被應用在現實中許多的領域中。
【關鍵詞】VR技術；虛擬現實技術
1.虛擬現實技術的概念
VR技術就是虛擬現實技術，它是一種能夠讓現實中的人在計算機所創造的虛擬信息世界中體驗與現實世界同樣的事和物。它所具有多感知性、沉浸性、交互性和構想性的基本特征。這種虛擬技術集合了計算機圖形圖像技術、現實仿真技術、多媒體技術等等的多種科學技術。它能夠模擬出人的視覺，聽覺，觸覺等的感官功能。使人在計算機所創造的虛擬世界中通過語言、動作等等的方式進行實時交流，可以說這種技術的發展前景是非常的廣闊的。
2.虛擬現實技術的特征介紹
①多感知性的特征，是指視、力、觸、運動、味、嗅等感知系統，從人類理想的虛擬現實技術的發展來說，是希望能夠給完全的模擬出現實中所有的感知，但因目前的技術掌握和傳感技術的限制，僅僅只能模擬出以上視、力、觸、運動、味、嗅等感知系統的。
②沉浸性又稱浸沒感或臨場感，存在感等，具體是指人以第一人稱存在在虛擬世界中的真實體驗。當然，以目前技術還沒有達到最理想的程度。
③交互性就是指人在虛擬世界中，能夠像在現實當中一樣，可以通過對一些物體的抓取、使用等動作，感覺到所觸碰的物體的重量，形狀，色澤等一些人與物體之間的互動信息。
④構想性，即在虛擬的世界里面，將所想的物件所做的事情在虛擬世界呈現出來，這樣做能達到什么樣的效果，那樣做又能達到什么樣的效果，甚至還可以把在現實世界不可能存在的事和物都可以在虛擬世界中構想出來。
3. VR技術的應用范圍
VR技術由誕生到現今已經歷了幾個年代，其應用范圍也越來越廣，如醫學方面，可以提供給醫生進行模擬手術，這樣大大提供了現實中手術的成功幾率，還有軍事，科技，商業，建筑，娛樂，生活等等。
4. VR技術中涉及的相關技術
①立體視覺現實技術：人通過視覺所獲取到的信息是人本身所有感覺中最多的一種感官，所以虛擬現實技術中立體顯示技術占有不可或缺的重要地位。
②環境構建技術：在虛擬世界中，構件環境是一個重要的環節，要營造一個區域的環境，首先就要創造環境或建筑模塊，然后在這個基礎上再進行實時描繪、立體顯示，從而形成一個虛擬的區域環境。
③真實感實時描繪技術：要在虛擬世界中實現與現實世界相同的事物，僅靠立體顯示技術還是遠遠不夠的，虛擬世界中必須存在真實感和實時感，簡單來說就是實現一個物體的重量，質量，色澤，相對位置，遮擋關系等的技術。
④虛擬世界聲音的實現技術：在虛擬世界中雖然視覺是獲取信息的重要途徑之一，除了視覺還有很多感官系統可以獲取到周圍的信息。如聽覺，這種技術就是在虛擬世界中實現聲音，這樣人在虛擬世界里不僅能夠看得到也能聽得到。
5. VR技術中所涉及的硬件設備
①輸入設備
與虛擬現實技術相關的硬件輸入設備分成兩大類：一是基于自然的交互設備，用于虛擬世界的信息輸入；另一種是三維定位跟蹤設備，主要用于輸入設備在虛擬世界中的位置進行判定，并輸送到虛擬世界當中。
虛擬世界與人實現自然交互的形式有很多，例如有數據手套，數據衣服，三維控制器，三維掃描儀等。
數據手套是一種多模式的虛擬現實硬件，通過軟件編程，可進行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉等動作，也可以利用它的多模式性，用作一種控制場景漫游的工具。數據手套的出現，為虛擬現實系統提供了一種全新的交互手段，目前的產品已經能夠檢測手指的彎曲，并利用磁定位傳感器來精確地定位出手在三維空間中的位置。這種結合手指彎曲度測試和空間定位測試的數據手套被稱為“真實手套”，可以為用戶提供一種非常真實自然的三維交互手段。
數據衣是為了讓VR系統識別全身運動而設計的輸入裝置。數據衣對人體大約50多個不同的關節進行測量，包括膝蓋、手臂、軀干和腳。通過光電轉換，身體的運動信息被計算機識別。通過BOOM顯示器和數據手套與虛擬現實交互數據衣。
②輸出設備
人在虛擬世界中要體現沉浸的感覺，就必須實現現實世界中的多種感受，如是視、聽、觸、力、嗅、味等感官感覺，只不過以目前的虛擬技術只實現了視覺，聽覺和觸覺罷了。
③VR構成設備
虛擬現實世界的構成，主要的設備就是計算機本身了，虛擬世界的所有景象都是靠一個個模型造成的，而這些模型則是由計算機制作出來的。一般計算機被劃分成四個部分，第一：高配置的個人計算機，專門用于普通的圖形配置加速卡，實現于VR技術中的桌面式特征；第二：高性能圖形工作站，就是一臺高配置的圖形處理計算機；第三：高度并行系統計算機；第四：分布式虛擬實現計算機等四個分類。
6. VR技術上的難點探討
隨著計算機的不斷發展，人與計算機的互動性得到了非常好的提現。而這種技術則成為了VR技術建立的主要手段。但是實時現實始終一直阻擋這VR技術前進的一大難點之一，即時在理論上能夠分析得到高度逼真、實時漫游的虛擬世界，但至少以目前的狀況來說還達不到理論上的要求。這種理論性的技術是需要強大的硬件配置要求支撐的，比如說速度極快的圖形工作計算機和三維圖形加速卡等等設備，但以目前的設備來看即時最快的圖形處理計算機也不能達到十分逼真的同事又是實時互動的虛擬世界。根本的原因就在于，因為引入了人與虛擬世界的互動，需要即時生成新的動態模型時，就不能達到實時的效果了，所以就不得不降低圖形模塊的清晰度來減少處理的時間，這樣直接導致了虛擬世界的逼真在某程度上的減少，這就是所謂的景物復雜度的問題了。
圖形模塊的生成是虛擬世界中的重要瓶頸，虛擬世界的重要特性隨著人的位置、方向的不斷變更狀態下感受虛擬世界的動態特性，簡單來說，就是你移動一下位置和方向后所看到的即時生成的圖形模塊景象。有兩種指標可以衡量用戶沉浸在虛擬世界中的效果和程度。其一就是之前所說的動態特性；其二就是互動的延遲特性。自然動態圖形的形成的幀數是30幀，至少也不能低于10幀，否則整體畫面就會出現嚴重的不連續和調動的感覺。互動延遲是影響用戶的另一個重要指標，如人在飛機上飛行時，位置的變換和方向的控制，這時系統應當即時產生相對的圖形畫面，期間的時間延遲應不大于0.1秒，最多也不能大于1/4秒。否則在長期的工作中，人會容易產生疲勞、煩躁或者惡心的感覺，嚴重地影響了“真實”的感覺。以上兩種指標都以來計算機圖形處理的速度。對于動態的模塊圖形生成而言，每幀的圖形生成時間在30～50毫秒之間為較好；而對于互動性的延遲，除互動式輸入及其處理時間外，其圖形的生成速度也是重要的因素。而以上所敘述的因素都與圖形處理的硬件組成有直接的相互關系，除此之外還有賴于應用技術的因素，如虛擬場景的復雜程度和圖形模塊生成所需的真實感等等。 7. VR技術在各國的研究情況
①VR技術在美國的研究現狀
美國是虛擬現實技術研究的發源地，虛擬現實技術的誕生可以追溯到上世紀40年代。最初研究的虛擬現實技術只是用于美國軍方對飛行駕駛員和宇航員的模擬訓練。然而，隨著冷戰結束后美國軍費大大的削減，虛擬現實技術就逐漸轉為民用，目前美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。
上個世紀80年代，美國宇航局及美國國防部組織了一系列有關虛擬現實技術的研究，并取得了令人矚目的研究成果，美國宇航局Ames實驗室致力于一個叫“虛擬行星探索”的實驗計劃。現在美國宇航局已經建立了航空、衛星維護的模擬訓練系統，空間站的模擬訓練系統，并且已經建立了可供全國使用的模擬教育系統。北卡羅來納大學的計算機專業就是進行虛擬顯示技術研究最早最著名的大學。他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術仿真、建筑仿真等。喬治梅森大學研制出一套在動態虛擬環境中的流體實時仿真系統。施樂公司研究中心在模擬現實技術領域中主要從事利用VRT建立未來辦公室的研究，并努力設計一項基于模擬現實技術使得數據存取更容易的窗口系統。波音公司的波音777運輸機采用全無紙化設計，利用所開發的虛擬現實系統將虛擬環境疊加于真實環境之上，把虛擬的模板顯示在正在加工的工件上，工人根據此模板控制待加工尺寸，從而簡化加工過程。
圖形圖像處理技術和傳感器技術是以上VR項目的主要技術。就目前看，空間的動態性和時間的實時性是這項技術的最主要焦點。
②VR技術在歐洲的研究現狀
在歐洲，英國在VR開發的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設備（包括觸覺反饋）設計和應用研究方面。在歐洲來說是領先的。英國Bristol公司發現，VR應用的交點應集中在整體綜合技術上，他們在軟件和硬件的某些領域處于領先地位。英國ARRL公司關于遠地呈現的研究實驗，主要包括VR重構問題。他們的產品還包括建筑和科學可視化計算。
歐洲其它一些較發達的國家如：荷蘭、德國、瑞典等也積極進行了VR的研究與應用。
瑞典的DIVE分布式虛擬交互環境，是一個基于Unix的，不同節點上的多個進程可以在同一世界中工作的異質分布式系統。
荷蘭海牙TNO研究所的物理電子實驗室（TNO- PEL）開發的訓練和模擬系統，通過改進人機界面來改善現有模擬系統，以使用戶完全介入模擬環境。
德國在VR的應用方面取得了出乎意料的成果。在改造傳統產業方面，一是用于產品設計、降低成本，避免新產品開發的風險；二是產品演示，吸引客戶爭取定單；三是用于培訓，在新生產設備投入使用前用虛擬工廠來提高工人的操作水平。2008年10月27-29日在法國舉行的ACM Symposi- um on Virtual Reality Software and Technoogy大會，整體上促進了虛擬現實技術的深入發展。
③VR技術在日本的研究現狀
日本的虛擬現實技術的發展在世界相關領域的研究中同樣具有舉足輕重的地位，它在建立大規模VR知識庫和虛擬現實的游戲方面作出了很大的成就。
在東京技術學院精密和智能實驗室研究了一個用于建立三維模型的人性化界面，稱為SpmAR NEC公司開發了一種虛擬現實系統，用代用手來處理CAD中的三維形體模型。通過數據手套把對模型的處理與操作者的手聯系起來；日本國際工業和商業部產品科學研究院開發了一種采用x、Y記錄器的受力反饋裝置；東京大學的高級科學研究中心的研究重點主要集中在遠程控制方面，他們最近的研究項目是可以使用戶控制遠程攝像系統和一個模擬人手的隨動機械人手臂的主從系統；東京大學廣瀨研究室重點研究虛擬現實的可視化問題。他們正在開發一種虛擬全息系統，用于克服當前顯示和交互作用技術的局限性；日本奈良尖端技術研究生院大學教授千原國宏領導的研究小組于2004年開發出一種嗅覺模擬器，只要把虛擬空間里的水果放到鼻尖上一聞，裝置就會在鼻尖處放出水果的香味，這是虛擬現實技術在嗅覺研究領域的一項突破。
④國內虛擬現實技術研究現狀
在我國虛擬現實技術的研究和一些發達國家相比還有很大的一段距離，隨著計算機圖形學、計算機系統工程等技術的高速發展，虛擬現實技術已經得到了相當的重視，引起我國各界人士的興趣和關注，研究與應用VR，建立虛擬環境、虛擬場景模型分布式VR系統的開發正朝著深度和廣度發展。國家科委國防科工委部已將虛擬現實技術的研究列為重點攻關項目，國內許多研究機構和高校也都在進行虛擬現實的研究和應用并取得了一些不錯的研究成果。
北京航空航天大學計算機系也是國內最早進行VR研究、最有權威的單位之一，其虛擬實現與可視化新技術研究室集成了分布式虛擬環境，可以提供實時三維動態數據庫、虛擬現實演示環境、用于飛行員訓練的虛擬現實系統、虛擬現實應用系統的開發平臺等，并在以下方面取得進展：著重研究了虛擬環境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現實中的視覺接口方面開發出部分硬件，并提出有關算法及實現方法。
清華大學國家光盤工程研究中心所作的“布達拉宮”，采用了QuickTime技術，實現大全景VR制；浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發了一套桌面型虛擬建筑環境實時漫游系統；哈爾濱工業大學計算機系已經成功地合成了人的高級行為中的特定人臉圖像，解決了表情的合成和唇動合成技術問題，并正在研究人說話時手勢和頭勢的動作、語音和語調的同步等。
8.學習小結和心得
虛擬現實技術是一個極具潛力的研究項目，是未來的重要技術之一。它不論在理論，軟件或者硬件的領域上都依賴著很多技術，當然其中也有較多的技術只實現了理論，硬件方面還是有待完善的。不過可以遇見，在未來虛擬現實技術絕對會被廣泛應用。
本論文講述了虛擬現實技術的概念，特征，應用范圍，相關的技術，涉及的設備，技術上實現的難點，各國的研究現狀等。最重要的就是，我們通過對這門技術項目的學習，了解到計算機更加多方面的知識，亦同時得知了更加多與計算機之間的硬件設備知識，讓我們對虛擬現實技術產生了濃厚的興趣，日后我們會繼續留意虛擬現實技術的發展狀況，如有機會定必會該項技術奉獻綿薄之力。
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