虚拟现实#183;帮助人们“畅游未来世界”的高新技术，本文主要内容关键词为：虚拟现实论文,高新技术论文,未来论文,世界论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
当前，人们正面临着以信息为特征的时代变革，世界各国都强烈地感受到以信息技术为核心的高新技术群的巨大冲击。“信息高速公路”和多媒体技术所形成的浪潮正在席卷全球。在这种形势下，人们多少年来所不断寻求的那种能够自由自在地“畅游未来世界”的梦想，将有可能从科幻小说的文字描绘变成活生生的现实。帮助人类从梦幻走向现实的主要方法与重要手段就是“虚拟现实”（Virtual Reality， 英文缩写VR）技术。由于VR技术可能为社会发展带来巨大的社会效益和经济效益，因此，它一出现立即引起各个方面的高度关注与广泛兴趣，人们为此投入了大量的资金和人力、物力。发达国家现已经将VR技术逐步地运用于社会生活、经济发展、科学研究和军事领域的许多方面。从其显示的初步效果看，它将可能成为探索未来世界，开拓未来经济，发展未来信息文化，揭示未来军事奥秘的重要手段。因此，专家们认为，它将是一项十分重要的跨世纪的高新技术，并纷纷预言：“虚拟现实”的时代正在到来！
一、虚拟现实技术的产生和发展
什么是“虚拟现实”呢？科技专家们从各个不同的角度给予“虚拟现实”技术许多种定义。比较通俗的说法是：“使演练者能够与之交互作用，并具有临场感和多维感觉的计算机生成的综合环境。它包括：三维计算机图形和图像、空间立体声与语言、以及触觉反馈等等。”VR还有许多的同义语，如“虚拟环境”、“虚拟世界”、“人工现实”、“远程现场控制”等等。
早在60年代中期，就有人提出头盔式三维图形显示将是未来图形显示的发展方向。VR的概念最初则是由J.Lanier在80年代初提出来的，目的在于为人们提供一种更生动的计算机模拟现实的方法。1984年W.Gibson在他的著作中，幻想将计算机用户的大脑神经网络和计算机相连接，从而使得人们可以自由自在地“神游”于由计算机生成的人工合成环境世界里，他把这种“梦幻世界”称为“虚拟现实”（VR）。此后，人们把类似的与计算机生成人工合成环境有关的概念，统称之为VR技术。我国著名科学家钱学森同志在90年代初就指出：“虚拟现实”技术将会在未来战争中使用，并提议我国科技界应不失时机地开展VR技术的研究。钱学森同志为了使人们便于理解和接受“虚拟现实”技术的概念，按中国传统文化的语义称VR技术为“灵境”技术。这个“灵境”概念正越来越多地被中国科技界的人士所引用。
VR技术是在许多高新技术的基础之上发展起来的，其核心技术有：综合“虚拟环境”的建模与检验，“虚拟环境”中参与者的人体有关部分的测量—跟踪—协同技术，“虚拟环境”里的各种目标的响应特性，实时三维图形图像生成与显示技术，实时—并发—交互的体化数据库技术，数据库—语音库—视觉库—实时分布式网络技术、数据压缩和解压技术，头盔显示系统、数据手套系统、专用芯片技术以及立体声音与语言技术等等。VR技术是综合利用计算机技术、自动控制技术、系统工程方法、人工智能、仿真技术、多媒体技术、传感器技术、立体影像技术、光电技术，以及神经生物学、神经生理学、心理学、行为科学等等最新科技成果而创造的一种崭新的人工合成的“虚拟环境”。在这个虚拟的环境中，人们在一个由计算机创建的多维信息空间里，使演练者在参与过程中具有沉浸、交互和投入等全方位的逼真感觉。VR技术不是简单地改进传统的计算机的人机界面，也不是在已有的计算机可视化界面上小修小补，而是完全从创新的角度，使用户全身心地沉浸在计算机所建立的“灵境环境”之中，并与“灵境环境”发生交互作用，从而使用户“逼近真实地”投入到“灵境环境”里面。这种“神似幻游”的感觉，是传统的计算机模拟方法给予演练者的感受完全无法比拟的。 这也是VR技术与多媒体技术的本质区别。
演练者（操作人员）与“虚拟环境”的接口装置主要有：头盔显示器、数据手套、大屏幕显示器、语音装置、立体声发生器和触觉装置等等。从应用角度看，VR技术所建立的“虚拟环境”通常是由三个部分所组成，即：一是计算机生成的合成环境；二是物理模拟环境；三是真实环境。其中，计算机生成的合成环境即是VR，它一般由传感器系统、控制系统和执行机构所组成。传感器系统包含全方位、立体化的头—手—体位置传感器，眼睛的方向传感器，以及声音与语言的传感器等。控制系统是VR的核心部分，其模型部分能够描述“虚拟环境”中的对象特性、对象行为和状态信息。执行机构则有智能化头盔显示器、三维声音与语音识别装置、数据手套里面的触觉机构等等。
VR技术的出现与发展不是偶然的，它是由于人类探索未来社会生活方式、未来科学技术发展、未来作战模拟与教育训练、智能机器人以及计算机辅助设计（CAD）——计算机辅助制造（CAM）——计算机集成生产系统（CIMS）和计算机可视化等等这些客观需求，促使VR技术的快速发展。VR技术的出现及高速发展，使得计算机的“人——机界面”技术，从接口的可视化向多媒体化，进而向“灵境”化发展成为现实。
二、虚拟现实技术的应用
VR技术在社会经济、科学技术、文化艺术、教育训练和军事演习等诸多方面有着非常广泛的应用前景。据资料披露，VR技术可以用于武器装备的仿真、航空航天的遥控作业、远洋深海的遥在作业与控制、土木建筑与铁路桥梁设计、科学技术上的可视化计算、医疗手术与康复休闲活动、文化娱乐与体育艺术、灵感式通信联络、以及博物馆与展览馆的展品陈列和公司企业的商业促销等等。
与许多新兴的科学技术的发展史一样，VR技术的诞生与应用也应当首先归功于军事领域对VR技术的高度重视。这是因为，由于政治、经济以及战略、战役、战术的需要，为了在未来的战争里立于主动地位，并致敌于死地，要不断地研制出适合未来作战要求的新式武器装备，不断地制订出符合未来战争模式的新型作战理论及新一代条令条例，并且据此教育与训练出能在未来战争中，有把握赢得胜利的新型军队。然而要做到这一点，绝非是轻而易举的，仅仅依靠传统的方法与手段不但是不经济的，而且是难以办到的，再加上军事上所存在的巨大危险和过度消耗等多种因素，从而促使军队要积极寻找既安全又经济、既便捷又有效的军事理论研究、条令条例验证、武器装备研制，以及教育训练的新途径，以便能够经济而又快速地培养和训练出符合未来战争需要的最精锐的部队来。美国空军于1979年在飞行模拟器的头盔显示器中，首先采用了VR技术。1984年一种同时具有立体语言显示及语音识别系统、真三维图形图像显示系统、及眼动测量装置的综合头盔，首次用于美国空军的试飞之中，并取得了较好的效果。经过多年的改进与完善，VR技术已经比较成功地应用于美国军事及民用领域里的许多飞行训练模拟器之中。美军方估计，过去要培训一名经过全面训练的战斗机驾驶员，所需费用高达700万美元，而使用了VR技术以后， 美国空军可以用较低的成本来完成培训任务。美国宇航局（NASA）的AMES中心研制了第一个用于人——机界面研究的“虚拟现实”系统，主要用于宇航计划各个项目的人——机界面的设计开发与评价。该局在80年代中期，还研制出能够远程操作的具有头盔显示器和数据手套的VR系统。借助于VR系统，地面上的操作者戴上头盔显示器和数据手套，就“变成”了正在太空行走和作业的宇航员了。在其他类似的危险或对人体有害的场合（如：核与生物化学环境）执行任务，这种“遥在”和“遥作”的功能也显示出极大的优越性。宇航局还采用VR技术来研究空间生命保障、可居住性、宇航员工作能力与控制能力，以及乘员舱的布局设计等。美国防务分析研究所利用VR技术于作战模拟之中，研究人员在VR技术构造的数字化地形地貌和敌情数据库上，进行作战模拟和武器装备的性能评估。美国陆军于1993年开始实施的“路易斯安娜演习计划”，就采用了分布式交互仿真技术与VR技术，创立了一个多用户共享的人工合成环境，使得过去主要在野外演习的科目，现在则可以主要在室内利用计算机系统和VR技术造就的“虚拟战场”来进行演习与训练。军事理论部门可以利用这个“虚拟战场”来验证新的作战理论与新的条令条例。而生产厂商与武器装备设计人员，则可以使用“虚拟战场”来设计和检验新式武器装备。此外，美国波音飞机公司继NASA之后，也采用了VR技术建造了一架“虚拟”旋翼飞机（VS—X），用于飞机的“人—机界面”设计的评价方面。SGI公司在原有的波音CAD的基础之上，利用VR技术设计波音飞机， 设计师们戴上了VR头盔显示器之后，可以随意地“漫步”在飞机的各个部分，逐项审查或者评价“虚拟飞机”的各项技术性能。
国外还有一些公司利用VR技术来设计未来的大厦和楼房，设计者借助于VR技术的帮助，可以任意地在所设计的未来的大厦或楼群中间“巡视”，使大厦或楼群的整体布局、系统功能和每个房间内部装饰，甚至于家具的摆设都能够尽如人意。而且设计者在“虚拟大厦”或者“虚拟楼群”中所见的一切，一旦确定下来，系统将立即自动地把建筑和装饰的工程设计图纸与文件逐一输出。这样一来不仅大大地减少了工作量，节约许多经费，而且还提高了设计精度，确保了设计质量。如果所设计的是星级饭店或者娱乐场所，设计者和管理者可以借助VR系统，“虚拟开业”或者“虚拟营运”，从中可以考察一下未来的星级饭店或者娱乐场所的预期功能和效果如何，一旦发现了重大的问题可以立即改正。这样一来，就可以完全避免时间上和经济上的不必要的损失。
1991年3月IBM公司推出了一种名为“Multisensorial”的虚拟世界系统，该系统可以供多用户使用。其中一个用途是，外科医生可以用它来做“虚拟手术”，一些非常复杂的外科手术，外科医生和手术室的护士们可以在真正给病人动手术以前，利用这个系统来‘练手’，经过多次反复的“虚拟手术”之后，外科医生们在认为自己已经确有把握的时候，再给病人实行开刀手术。同时，该系统还可以用来培训“初出茅庐”的年轻医生和护士，使他们利用这个系统获得宝贵的手术经验。“虚拟手术室”的出现，提高了医生和护士进行复杂手术的信心，使复杂手术的成功率大为增加。而且在病人自己或者其亲属朋友提出特殊要求时，可以借助于“虚拟手术室”，从而使病人或其亲友能够最大限度与手术医生配合。如果一旦出现不测情况或者医疗事故，医院可以召集各方权威人士一起，重复多次利用“虚拟手术室”来分析原因，寻找线索，为做出权威评判提供科学根据。
另外，VR技术还可用于“虚拟生活”、“虚拟艺术”、“虚拟原型”、“虚拟产品”、“虚拟体育”、“虚拟工程”、“虚拟教室”、“虚拟实验”、“虚拟文化”，以及人机工程等等许多方面。因此，专家们指出：“虚拟现实”技术是帮助人们“畅游未来世界”的重要手段。
正是由于VR技术在军用和民用两个领域里都有着非常广阔的应用前途，因此，美国军方始终把VR技术的研究与应用，列入《国防部关键技术计划》之中。如：在“机器智能和机器人”的关键技术课题中都安排有“人—机接口”的研究项目。1992财年以后，“人—系统接口”每年都作为一项独立的关键技术被列入该计划之中。在1992财年公布的《国防部关键技术计划》的第十一项“人—系统接口”中，安排了乘员舱和操作手设备、信息管理、设计发展目标、达到目标的预期进度与项目计划经费等。例如：乘员舱和操作手设备技术子领域到2000年的技术目标，一是提供轻型、舒适的头盔系统，二是研制出用户操作性强的一体化系统，三是提高对多种紧张刺激的防护能力，四是实现精确的全方位状态的感知。近年来，美国国防部在公布《国防部国防科学技术战略》时，作为其副件，还同时发表了《国防部国防技术计划》。这个计划提出了由《美国国防部科学技术战略》确定的支持未来五大联合作战能力（即：一、保持对敌人准确而实时的了解，并近实时地通报各个部队的能力；二、使部队迅速地投入世界各个地区进行决战的能力；三、在较低级的军事行动中，减少伤亡与控制附加破坏的能力；四、控制太空利用的能力；五、对付大规模破坏性武器和未来弹道导弹与巡航导弹对美国本土，以及部署部队的威胁的能力。）的19项技术领域的发展计划。在这19项技术中间，许多项目都与VR技术的开发与应用密切相关。在该计划的第十三项“人—系统接口”中，打算投资1.95亿美元，开展乘员系统综合与防护、性能辅助、信息管理与显示、性能评估与设计方法等方面课题的研究。到2005年，预期达到的技术目标有：提供全功能电子乘员助手；开发综合的核生化防护系统；发展以意向为基础的自适应辅助设备；验证生物控制论的智能接口概念；研制立体视觉、三维声频和语音识别一体化的灵境头盔；在“人—系统接口”的性能评估和设计方法上，使用分布式交互虚拟设计系统。美国国防部估计，大量采用VR技术到这一领域中之后，将会使乘员数量减少50%左右；使伤亡减少80%；使成本降低大约33%；使作战人员操作过程的出错率接近零，使危机规划与作战计划时间减少50%；使探测概率与目标瞄准精度提高10倍左右；地—地空—地的自伤概率减少75%左右；并使对敌杀伤能力成倍地增长。此外，十分重要的是，这一领域的各种投资，大约有40%—70%都将是军民两用的。据悉，美国国防部正在积极地将VR技术应用于“综合仿真环境”、“先期技术演示计划”与陆军“作战实验室计划”之中，并将VR技术视为建设21世纪军队和培训21世纪军事人才，以及发展新一代信息化战争武器装备的革命性手段。
在现阶段，由于种种原因，VR技术在实际应用上还存在一些问题，如：在视觉人—机交互通信方面目前所存在的“系统滞后”的问题影响操作的实时效果，在计算机创造的“虚拟世界”里，演练者的头部每转动一次，系统都需要更新一次三维图形图像，从而使得更新的数据量非常之大，以至于计算机根本难以进行实时计算，造成百毫秒级的轻微滞后，结果使得“人所期望的”和“人所看见的”图形图像之间有差异。这种差异还可能导致演练人员产生“眩晕、头疼、恶心”等症状。人们预测，要解决VR技术存在的这些问题，实现完美的未来“虚拟世界”大约还需要10年左右的时间。到了那个时候，人们将可以自由地遨游于“和谐的人机环境”及“全新的信息空间”所创造的“虚拟现实世界”里面，尽情地探讨未来社会、未来文化、未来经济和未来军事给未来的人类与未来的社会所带来的种种积极的或者是消极的影响。
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