人會做夢，會幻想，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)卻能使夢想成真。未駕駛過飛機(jī)，也能知道駕機(jī)飛行的感覺；沒有當(dāng)過宇航員，卻能體會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)，成為近年來國際科技界關(guān)注的一個熱點(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)、娛樂等多個領(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 一詞翻譯過來的，Virtual 就是虛假的意思，Reality 就是真實(shí)的意思，合并起來就是虛擬現(xiàn)實(shí)，也就是說本來沒有的事物和環(huán)境，通過各種技術(shù)虛擬出來，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，歷來多有爭議。國外有人反對“Virtual Reality"這個詞，稱它太玄乎；國內(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)代語法?！　?

什么是虛擬現(xiàn)實(shí)？

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

一個世紀(jì)以來,我們已經(jīng)有一種虛擬現(xiàn)實(shí)——電話,或者說是聲音的虛擬現(xiàn)實(shí)。對此,我們早就習(xí)以為常。但當(dāng)19世紀(jì),電話初次展現(xiàn)在人們面前時,這也是一種全新的世界。無論人們相隔多遠(yuǎn),一個電話線就能把兩個人聯(lián)系起來,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。在這個虛擬的世界里，我們能夠自由的運(yùn)動，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。操作者通過人機(jī)交互設(shè)備，以自然的方式（如頭的轉(zhuǎn)動、手的運(yùn)動等）向計(jì)算機(jī)送入各種動作信息，并且通過視覺、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)語或形式。事實(shí)上, 虛擬現(xiàn)實(shí)要創(chuàng)建一個酷似客觀環(huán)境又超越客觀時空、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：在一個二維屏幕上看三維的圖像就如同從一個玻璃船底看下面的海水，這時感到自己還是在船上，處于三維環(huán)境的邊緣，從它的邊緣看這個世界的深處。而在一個立體的“屏幕”里看一個視覺世界就像是在潛水。通過一個電腦化的手套來操縱一個三維顯示器，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象的各種參數(shù)，如：運(yùn)動方向、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，用戶會感覺到震顫，車在抖動。經(jīng)過不平路面時，汽車會顛簸。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，視覺無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)人們希望用手來觸摸虛擬模型，或用手直接對虛擬模型進(jìn)行操作時，只是視覺和聽覺就無能為力了，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。它可以對使用者的輸入（如手勢，語言命令）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。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，但所模擬的對象或者用人的五官無法感覺到，或者在日常生活中無法接觸到。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，把人帶入浩瀚無比或纖細(xì)入微的世界里，對那里發(fā)生的一切取得感性認(rèn)識。如美國宇航局把火星探測器發(fā)回的大量數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理制成火星模型，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)給人帶來廣闊的想象時空，盡管有時是荒誕不經(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。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)備四個基本要素，其中機(jī)器是指安裝了適當(dāng)?shù)能浖绦颍脕砩捎脩裟芘c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。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，使人的意識進(jìn)入虛擬世界。目前已經(jīng)開發(fā)出來的，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，以及一些語音識別，眼球運(yùn)動檢測等裝置，未來還會開發(fā)出模擬味覺和嗅覺的設(shè)備，那時虛擬現(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)備來對圖像進(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)時性，圖像至少應(yīng)有60 Hz的幀頻，還要隨時響應(yīng)人們的操縱信號，延遲不能超過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，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯覺。頭戴式顯示器將觀察者的頭部位置及運(yùn)動方向告訴計(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虛擬物體的操縱。數(shù)據(jù)手套通過手指上的彎曲、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，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，有很多傳感器就測出了你的動作（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，隨之你的腰被緊緊地?fù)ё?。切記，此時僅是數(shù)據(jù)緊身服在收縮罷了，只是這一切來得那么自然，那么逼真，那么不露痕跡。

虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展

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

人類不僅把對另外世界的向往和想象訴諸神話、詩歌等語言形式，而且以既有的技術(shù)手段將它們訴諸視覺形象和聲音形式。于是，原始人的巖畫，中國古代的兵馬俑，各個時代的雕塑、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。