虚拟现实技术：赵沁平教授谈虚拟现实技术的应用前景

内容提要：采用光线跟踪技术实现高真感数控车削加工的图形生成，并以离线方式实现其加工过程仿真。在仿真过程中利用特征造型技术避免了繁复的布尔运算，对光线跟踪技术在整体光照模型下实时地产生高真感画面进行了探讨。

看过《泰坦尼克号》的人或许都不会忘记，借助头盔式显示器和可远程操作的机械手打捞遗留在沉船上物品的场景；参与过MUD游戏和虚拟社区的人，也必将沉浸于其真实感、临场感的体验中。它们带给我们的共同感受是：虚拟和现实之间已经没有明显的界限。虚拟现实的广泛应用前景使之成为目前最具影响力的技术之一。近日，本刊记者走访了国家863计划重点项目“分布式虚拟环境”课题与项目集成负责人、北京航空航天大学计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室的赵沁平教授，让他带我们一起体验虚拟现实。
作真时真亦假

——赵沁平教授谈虚拟现实技术的应用前景

本刊记者 郭弘

---- 问：虚拟现实是近来国内外讨论的热点话题之一。有人把虚拟现实视为是一种新兴科技，也有人把它视为是一种理念的实现。您对此怎么看？

---- 答：传统的信息处理环境一直是“人适应计算机”，而当今的目标或理念是要逐步使 “计算机适应人”，人们要求通过视觉、听觉、触觉、嗅觉，以及形体、手势或口令，参与到信息处理的环境中去，从而取得身临其境的体验。这种信息处理系统已不再是建立在单维的数字化空间上，而是建立在一个多维的信息空间中。虚拟现实技术就是支撑这个多维信息空间的关键技术。

---- 虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。

---- VR思想的起源可追溯到1965年Ivan Sutherland在IFIP会议上的《终极的显示》报告，而Virtual Reality一词是80年代初美国VPL公司的创建人之一Jaron Lanier提出来的。VR系统在若干领域的成功应用，导致了它在90年代的兴起。虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信，甚至与气象、地理、美学、心理学和社会学等相关。

---- 问：如您所述，VR技术带来了人机交互的新概念，带给用户的是强烈的真实感和临场感的体验，那么，这种沉浸式交互环境的实现依托哪些关键技术呢？

---- 答：总的来说，实物虚化、虚物实化和高性能的计算处理技术是VR技术的3个主要方面。

---- 实物虚化是现实世界空间向多维信息化空间的一种映射,主要包括基本模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉跟踪和视点感应等关键技术，这些技术使得真实感虚拟世界的生成、虚拟环境对用户操作的检测和操作数据的获取成为可能。它具体基于以下几种技术。（1）基本模型构建技术：它是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，它将真实世界的对象物体在相应的3D虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性。例如车辆在柏油地、草地、沙地和泥地上行驶时情况会有所不同，或对气象数据进行建模生成虚拟环境的气象情况（阴天、晴天、雨、雾）等等。（2）空间跟踪技术：主要是通过头盔显示器、数据手套、数据衣等常用的交互设备上的空间传感器，确定用户的头、手、躯体或其他操作物在3D虚拟环境中的位置和方向。（3）声音跟踪技术：利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差等进行虚拟环境的声音跟踪。（4）视觉跟踪与视点感应技术：使用从视频摄像机到X-Y平面阵列、周围光或者跟踪光在图像投影平面不同时刻和不同位置上的投影，计算被跟踪对象的位置和方向。

---- 虚物实化是指确保用户从虚拟环境中获取同真实环境中一样或相似的视觉、听觉、力觉和触觉等感官认知的关键技术。能否让参与者产生沉浸感的关键因素除了视觉和听觉感知外，还有用户能否在操纵虚拟物体的同时，感受到虚拟物体的反作用力，从而产生触觉和力觉感知。力觉感知主要由计算机通过力反馈手套、力反馈操纵杆对手指产生运动阻尼从而使用户感受到作用力的方向和大小。触觉反馈主要是基于视觉、气压感、振动触感、电子触感和神经、肌肉模拟等方法来实现的。

---- 高性能计算处理技术主要包括数据转换和数据预处理技术；实时、逼真图形图像生成与显示技术；多种声音的合成与声音空间化技术；多维信息数据的融合、数据压缩以及数据库的生成；包括命令识别、语音识别，以及手势和人的面部表情信息的检测等在内的模式识别；分布式与并行计算，以及高速、大规模的远程网络技术。

---- 问：提到虚拟现实，人们容易和模拟仿真混淆，请问虚拟现实与模拟仿真有什么异同呢？

---- 答：概括地说，虚拟现实是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技术拓

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