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虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality），簡(jiǎn)稱(chēng)VR或稱(chēng)靈境技術(shù)，實(shí)際上是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界（Virtual World）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。此種虛擬世界由計(jì)算機(jī)生成，可以是現(xiàn)實(shí)世界的再現(xiàn)，亦可以是構(gòu)想中的世界，用戶(hù)可借助視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及觸覺(jué)等多種傳感通道與虛擬世界進(jìn)行自然的交互。它是以仿真的方式給用戶(hù)創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體對(duì)象變化與相互作用的三維虛擬世界,并通過(guò)頭盔顯示器（HMD）、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)備，提供用戶(hù)一個(gè)觀測(cè)與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶(hù)可直接參與并探索仿真對(duì)象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。VR技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、視覺(jué)生理學(xué)、視覺(jué)心理學(xué)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息技術(shù)、立體顯示技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)、軟件工程、語(yǔ)音識(shí)別與合成技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及人工智能技術(shù)等多種高新技術(shù)集成之結(jié)晶。其逼真性和實(shí)時(shí)交互性為系統(tǒng)仿真技術(shù)提供有力的支撐。它同時(shí)具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和構(gòu)想性（imagination），使人們能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有交互效能多維化的信息環(huán)境。

沉浸性是指用戶(hù)對(duì)虛擬世界中的真實(shí)感，此種真實(shí)感將使用戶(hù)難以覺(jué)察、分辨出其自身正處于一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中；交互性是指用戶(hù)對(duì)虛擬世界中的物體的可操作性；構(gòu)想性是指用戶(hù)在虛擬世界的多維信息空間中，依靠自身的感知和認(rèn)知能力可全方位地獲取知識(shí)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，尋求對(duì)問(wèn)題的完美解決。研究和開(kāi)發(fā)VR技術(shù)的根本目的旨在擴(kuò)展人類(lèi)的認(rèn)知與感知能力，建立和諧的人機(jī)環(huán)境。

VR技術(shù)是系統(tǒng)仿真中新興技術(shù)之一，它實(shí)際上是一種采用計(jì)算機(jī)技術(shù)制作仿真的假想世界的技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一個(gè)被仿真世界的動(dòng)態(tài)、三維視覺(jué)環(huán)境，使操作者產(chǎn)生一種身臨其境的感覺(jué)。采用此項(xiàng)新技術(shù)，參與者使用硬件，如鍵盤(pán)、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)器、跟蹤球、操縱桿、空間球、眼球跟蹤裝置、超聲波頭部跟蹤器、頭盔顯示器、攝錄像設(shè)備、大屏幕彩色投影機(jī)、立體護(hù)目鏡、音響、耳機(jī)、語(yǔ)音識(shí)別與合成裝置、工作站及數(shù)據(jù)服等以獲得所需的感知，來(lái)體驗(yàn)計(jì)算機(jī)世界境況。

一、VR系統(tǒng)的構(gòu)成

VR環(huán)境系統(tǒng)包括建模、控制和媒體數(shù)據(jù)源三大部分。建模系指利用物理的或數(shù)學(xué)的方法，對(duì)需要仿真的實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行描述獲得近似的數(shù)學(xué)模型。這是進(jìn)行數(shù)字仿真或半實(shí)物仿真必不可少的步驟。地物的幾何建模技術(shù)是虛擬地景仿真中最為重要的研究領(lǐng)域之一。虛擬地形環(huán)境（Virtual Terrain Environment）是應(yīng)用VR技術(shù)在數(shù)字地圖的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，逼真地描述地球表面及其現(xiàn)象的實(shí)時(shí)、交互的地形場(chǎng)景。虛擬地形環(huán)境的研究，提供了一種新的空間環(huán)境認(rèn)知手段，必將促進(jìn)地圖學(xué)、地理學(xué)等相關(guān)信息科學(xué)理論的發(fā)展與深入；它是未來(lái)數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)測(cè)繪的保障方式；它的研究將會(huì)促進(jìn)VR技術(shù)進(jìn)一步的研究與發(fā)展，提高VR技術(shù)的應(yīng)用水平，為諸如數(shù)字化城市、數(shù)字化社會(huì)及數(shù)字化地球的實(shí)用化提供有效的技術(shù)積累。

基于圖像的建模（Image-Based Modeling,IBM）技術(shù)近來(lái)發(fā)展迅速，它采用一組采樣圖像來(lái)建立VR環(huán)境的模型，而不是使用傳統(tǒng)基于幾何建模所采用的幾何圖元，從而使VR技術(shù)能在個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）上得到應(yīng)用與推廣。其技術(shù)包括：場(chǎng)景的采樣；VR環(huán)境的表示；由場(chǎng)景的采樣轉(zhuǎn)化為VR環(huán)境表示的建模技術(shù)。VR系統(tǒng)是一種由計(jì)算機(jī)局部或全部生成的多維虛擬感覺(jué)環(huán)境，給參與者產(chǎn)生各種感官信息，如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、手感、觸感、味覺(jué)及嗅覺(jué)等，能體驗(yàn)、接受并認(rèn)識(shí)客觀世界中的客觀事物。三維立體顯示是其一項(xiàng)必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，它是系統(tǒng)向用戶(hù)輸出反饋信息的主要手段。雙眼視覺(jué)對(duì)產(chǎn)生VR系統(tǒng)環(huán)境至關(guān)重要。VR系統(tǒng)可由如下各部分構(gòu)成：

①高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖像的特征采樣與圖形交互作用技術(shù)。

②虛擬環(huán)境生成器，軍事訓(xùn)練模擬中的視景生成技術(shù)是當(dāng)前研究的一個(gè)重要內(nèi)容。智能虛擬環(huán)境（IVE）是VR、人工智能及人工生命技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，目前，有關(guān)IVE的研究工作在國(guó)外亦剛剛起步，有眾多關(guān)鍵技術(shù)仍需作進(jìn)一步的研究?，F(xiàn)從事IVE研究的人員大多來(lái)自人工智能和知識(shí)工程領(lǐng)域，隨著對(duì)IVE技術(shù)研究的深入，該領(lǐng)域必將會(huì)得到重大的突破，具有高度行為真實(shí)感的、支持多個(gè)參與者的、具有生命特征的智能虛擬世界將會(huì)日趨涌現(xiàn)。當(dāng)前VR研究中的一個(gè)熱門(mén)課題是分布式虛擬環(huán)境（DVE）。

③計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

④三維視景圖像生成及立體顯示系統(tǒng)，基于圖像的視景生成技術(shù)需解決的問(wèn)題是顯示的模型及如何在模型上產(chǎn)生出圖像。這主要有柱面模型和球面模型兩種，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真是作戰(zhàn)仿真的重要內(nèi)容，逼真的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)仿真是作戰(zhàn)仿真之基礎(chǔ)，因此充分利用VR及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)最新研究成果的戰(zhàn)場(chǎng)可視化系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。

⑤立體音響生成與揚(yáng)聲系統(tǒng)，它是虛擬環(huán)境多維信息中的一個(gè)重要組成部分。聽(tīng)覺(jué)是僅次于視覺(jué)的感知途徑，它向用戶(hù)提供的輔助信息，可增強(qiáng)視覺(jué)的感知，彌補(bǔ)視覺(jué)效果之不足，增強(qiáng)環(huán)境的逼真性。利用不同聲源到達(dá)某一特定位置的時(shí)間差、相位差及聲壓差等進(jìn)行虛擬環(huán)境的聲音跟蹤是實(shí)物虛化的重要組成部分；聲波傳播時(shí)間測(cè)定法和相位相干測(cè)定法屬于實(shí)現(xiàn)聲音定位跟蹤的兩種基本方法。若給綜合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中加入虛擬聲音，將會(huì)增強(qiáng)綜合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的逼真性與完整性，可給作戰(zhàn)指揮員提供強(qiáng)烈的沉浸感和臨場(chǎng)感，減弱大腦對(duì)視覺(jué)的依賴(lài)性，并能獲得更多的信息。

⑥力反饋觸覺(jué)系統(tǒng)，參與者在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生沉浸感的重要因素之一是用戶(hù)在用手或身體操縱虛擬物體時(shí)，能感受到虛擬物體與虛擬物體之間的作用力與反作用力，從而產(chǎn)生出觸覺(jué)和力覺(jué)的感知。

⑦人體的姿勢(shì)、頭、眼、手位置的跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)跟蹤作為人與虛擬環(huán)境之間信息交互的一個(gè)重要因素，是近年來(lái)VR技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。人體行為交互是人際之間除語(yǔ)音外的一種重要交互方法，行為表現(xiàn)模型的建立是一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。信息社會(huì)的顯著特點(diǎn)與基礎(chǔ)是數(shù)字化技術(shù)，人類(lèi)自身的數(shù)字化便顯得頗為重要，需進(jìn)行深入的研究，這便是虛擬人合成的研究目的及其意義所在，最終使得計(jì)算機(jī)與人之間可實(shí)現(xiàn)自然化的交互。

⑧人機(jī)接口界面及多維的通信方式，這些技術(shù)目前主要集中反映在頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套這兩類(lèi)交互設(shè)備中。

⑨各種數(shù)據(jù)庫(kù)（地形地貌、地理信息、圖像紋理、氣動(dòng)數(shù)據(jù)、武器性能參數(shù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、背景干擾及通用模型等）。

⑩軟件支撐環(huán)境，需建立并開(kāi)發(fā)出虛擬世界數(shù)據(jù)庫(kù)；在底層支撐軟件及三維造型軟件的支撐下，建立起VR系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具軟件；在輸入輸出傳感器等硬件支撐下，建立起人機(jī)交互圖形的界面。 

二、VR的關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)相比，VR系統(tǒng)屬于一種新型多維化人機(jī)和諧的信息系統(tǒng)。在此種VR系統(tǒng)內(nèi)，人們感受到的最突出的特點(diǎn)是其沉浸性、交互性和構(gòu)想性。為實(shí)現(xiàn)這種新型的信息處理系統(tǒng)，滿足人們對(duì)沉浸性、交互性和構(gòu)想性日趨增高的需求，在眾多技術(shù)難題中至少應(yīng)重點(diǎn)提高3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的水平。

⒈提高“身臨其境”的沉浸感

VR的沉浸性是使人具有逼真感之根本。為了逼真地模擬視覺(jué)功能，在很大程度上是依賴(lài)于VR技術(shù)的圖像處理和理解能力，圖像處理的質(zhì)量愈高，圖像處理的速度愈快，圖像識(shí)別的能力愈強(qiáng)，系統(tǒng)的理解能力愈完善，系統(tǒng)的視覺(jué)沉浸感便愈佳。視覺(jué)是提高沉浸感的重要因素，但并非是惟一的因素；聽(tīng)覺(jué)可能是VR技術(shù)中最先達(dá)到逼真程度的領(lǐng)域；觸覺(jué)是一個(gè)剛起步研究與試驗(yàn)的領(lǐng)域。由微處理器和傳感器構(gòu)成的數(shù)據(jù)手套，與視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)相配合，大大地增強(qiáng)了VR系統(tǒng)的逼真感；而嗅覺(jué)與味覺(jué)還屬于一個(gè)尚未實(shí)質(zhì)性地開(kāi)展研究的領(lǐng)域。故提高VR系統(tǒng)的沉浸感，尚需進(jìn)行大量艱苦的工作。

⒉開(kāi)發(fā)高性能的傳感器

VR的交互性是達(dá)到人機(jī)和諧之關(guān)鍵，其性能優(yōu)劣在很大程度上取決于與計(jì)算機(jī)相連的高性能傳感器及其相應(yīng)的軟件。交互技術(shù)研究的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)出交互技術(shù)并評(píng)估其性能，目前至關(guān)重要的兩種設(shè)計(jì)方法是：依據(jù)應(yīng)用程序的特殊需求，憑直覺(jué)或想象設(shè)計(jì)出交互技術(shù)；按任務(wù)的結(jié)構(gòu)劃分來(lái)指導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 

為與虛擬環(huán)境發(fā)生交互作用，迄今已研制出多種傳感設(shè)備，上述所提到的鼠標(biāo)器、數(shù)據(jù)手套、跟蹤球和超聲波頭部跟蹤器等，每一種傳感設(shè)備都各有千秋，選用時(shí)要注意揚(yáng)長(zhǎng)避短。目前針對(duì)VR系統(tǒng)的需求研制的性能更為完善的傳感器，如用紅外或其他光學(xué)方法跟蹤眼睛的活動(dòng)，當(dāng)知道人的眼睛注視何處時(shí)，便可用其實(shí)現(xiàn)某些控制。目前這些新型的傳感設(shè)備尚未成熟，人們正通過(guò)研制新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝或新的控制機(jī)理，以提高其性能，這是當(dāng)前VR技術(shù)中頗為活躍的一部分研究工作。

⒊ 研制高性能的計(jì)算機(jī)

VR的構(gòu)想性是輔助人類(lèi)進(jìn)行創(chuàng)造性思維的基礎(chǔ)。因此，高效的計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)是直接影響VR系統(tǒng)性能優(yōu)劣之關(guān)鍵。高性能計(jì)算機(jī)是構(gòu)建VR系統(tǒng)的“基石”，是對(duì)多維信息進(jìn)行處理的“加工廠”，是實(shí)現(xiàn)各種軟硬設(shè)備的集成及控制人機(jī)協(xié)調(diào)一致的“工作平臺(tái)”。未來(lái)VR技術(shù)的發(fā)展必將會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)的性能提出更高的要求，主要是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息壓縮與數(shù)據(jù)融合、系統(tǒng)集成技術(shù)等3個(gè)方面。

（1）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)尤其是異步傳輸模式（ATM）等高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，人類(lèi)將進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代，即以網(wǎng)絡(luò)為中心的計(jì)算時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)是一個(gè)具有高度智能、并負(fù)責(zé)向網(wǎng)上用戶(hù)提供諸種服務(wù)的巨型計(jì)算機(jī)。從計(jì)算機(jī)技術(shù)的角度分析未來(lái)的VR系統(tǒng)的特點(diǎn)，它將是一個(gè)交互、分布、實(shí)時(shí)和多維化信息的處理系統(tǒng)。故一個(gè)能簡(jiǎn)便地進(jìn)行交互存取的分布式多維化信息網(wǎng)絡(luò)便成為實(shí)現(xiàn)VR系統(tǒng)之關(guān)鍵技術(shù)。隨著VR技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上的推廣與應(yīng)用，數(shù)以?xún)|萬(wàn)計(jì)的人們進(jìn)入未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)，世界將變得愈來(lái)愈小，而人類(lèi)的感知與認(rèn)知能力將變得愈來(lái)愈強(qiáng)。由此可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必將對(duì)VR系統(tǒng)產(chǎn)生更為深遠(yuǎn)的影響。

（2）信息壓縮與數(shù)據(jù)融合技術(shù)

為使VR系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地處理大量的多維化信息，一方面應(yīng)盡量提高計(jì)算機(jī)的處理速度；另一方面亦應(yīng)研究出更高效的信息壓縮與數(shù)據(jù)融合的算法和技術(shù)。在VR系統(tǒng)中所進(jìn)行觀測(cè)活動(dòng)狀況下的圖像處理，是基于交互作用的圖像處理。故VR系統(tǒng)對(duì)圖像處理便提出了更高的要求，不能將全部負(fù)擔(dān)都?jí)涸谟?jì)算機(jī)的硬件性能上，而應(yīng)把研究新型、高效的數(shù)據(jù)壓縮算法及研制專(zhuān)用數(shù)據(jù)壓縮芯片、數(shù)據(jù)融合新技術(shù)與新算法作為關(guān)鍵技術(shù)予以突破。

（3）系統(tǒng)集成技術(shù)

在VR系統(tǒng)中存在由各種傳感器所輸出的數(shù)字和模擬信息，它們有的用聲、圖、文的形式表示；也有用視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力感、觸感、味覺(jué)、嗅覺(jué)的方式表達(dá)。同時(shí)，在VR系統(tǒng)中還存在著虛擬和真實(shí)的環(huán)境，在該環(huán)境中有虛擬的對(duì)象和真實(shí)的人。這些信息中有實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)、瞬變與緩變、可確定與不可確定、相互支持與互補(bǔ)或相互制約與矛盾等。如何將這些多維化信息、來(lái)自虛擬和真實(shí)對(duì)象的信息進(jìn)行綜合集成，使之協(xié)調(diào)一致，這是一項(xiàng)十分重要的關(guān)鍵技術(shù)，主要是靠VR系統(tǒng)中的核心，即虛擬環(huán)境生成器來(lái)完成。集成的目的旨在建立一個(gè)最優(yōu)化結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)、高性能、頗具競(jìng)爭(zhēng)力的實(shí)時(shí)、互操作的大系統(tǒng)。

總之，要發(fā)展VR技術(shù)，必須做好關(guān)鍵工作：

①在方法上，大力開(kāi)展VR建模、人機(jī)實(shí)時(shí)交互、VR生成與逼真感、虛擬現(xiàn)實(shí)與真實(shí)現(xiàn)實(shí)的一致性、多傳感器數(shù)據(jù)/信息融合、系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析及用戶(hù)心理學(xué)等方面的研究。

②在設(shè)備上，大力增強(qiáng)三維傳感、交互設(shè)備及立體顯示設(shè)備的研制。

③在應(yīng)用上，大力增強(qiáng)研究VR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)及分布式VR技術(shù)。

三、結(jié)束語(yǔ)

VR屬于一種特殊設(shè)計(jì)的信息數(shù)據(jù)庫(kù)，它可將數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可視化的三維視覺(jué)顯示圖像。利用這些數(shù)據(jù)描述二維或三維的圖形與圖像，構(gòu)成三維的虛擬世界。VR并不是一幅圖像、畫(huà)面或一種聲音，而是一種“體驗(yàn)”，對(duì)從未體驗(yàn)過(guò)的人而言，可將其解釋為把人置身于一個(gè)全由計(jì)算機(jī)虛構(gòu)的世界中去的一種手段。VR是信息科學(xué)領(lǐng)域中的新興技術(shù)，它具有廣泛深入研究的內(nèi)涵和寬闊的應(yīng)用前景，目前正引起多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的眾多學(xué)者高度關(guān)注。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，尤其是多媒體及可視化技術(shù)的迅猛發(fā)展，攻防對(duì)抗系統(tǒng)仿真是分布式交互仿真的重要應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展方向之一。攻防對(duì)抗虛擬現(xiàn)實(shí)中的人工干預(yù)技術(shù)也必須得到長(zhǎng)足的發(fā)展。通過(guò)計(jì)算機(jī)的文字、圖形、圖像、聲音、視頻及動(dòng)畫(huà)等多媒體的輸入輸出，將使攻防對(duì)抗虛擬現(xiàn)實(shí)中的人工干預(yù)更為逼真、形象、自然，產(chǎn)生身臨其境的效果。如可通過(guò)動(dòng)畫(huà)的方式與VR進(jìn)程同步展示戰(zhàn)場(chǎng)的推演態(tài)勢(shì)，通過(guò)語(yǔ)言、文字等形式提示參與者進(jìn)行人工干預(yù)；參與者可借助語(yǔ)言形式向計(jì)算機(jī)發(fā)布命令，亦可通過(guò)觸摸屏模擬發(fā)射按鈕的操作過(guò)程，對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行人工干預(yù)等。由此可見(jiàn)，多媒體與VR的集成技術(shù)在攻防對(duì)抗中的廣泛應(yīng)用，亦是人工干預(yù)技術(shù)的發(fā)展方向。

隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，多媒體技術(shù)與人-機(jī)界面相關(guān)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，必將日趨生動(dòng)地改變著人-機(jī)界面環(huán)境和人的工作方式，它也必將對(duì)VR系統(tǒng)的應(yīng)用及其整體效能產(chǎn)生深刻的影響。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是人類(lèi)智慧高度集中的具體體現(xiàn)，進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境將會(huì)使人類(lèi)的智慧得到更高的升華。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)是計(jì)算機(jī)與用戶(hù)之間的一種更為理想化的人-機(jī)界面形式。通常用戶(hù)戴一個(gè)頭盔顯示器（用來(lái)顯示立體圖象的頭式顯示器）或者配戴液晶眼鏡或三維眼鏡，手持傳感手套，仿佛置身于一個(gè)幻覺(jué)世界中，在虛擬環(huán)境中漫游，并允許操作其中的“物體”。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有三個(gè)重要特征：臨境性，交互性，想象性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)潛在的應(yīng)用范圍很廣，諸如國(guó)防、建筑設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、培訓(xùn)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。例如建筑設(shè)計(jì)師可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)向客戶(hù)提供三維虛擬模型，而外科醫(yī)生還可以在三維虛擬的病人身上試行一種新的外科手術(shù)。 

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)20多年的研究探索，于80年代末走出實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用化階段。目前，世界上少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家在經(jīng)濟(jì)、藝術(shù)乃至軍事等領(lǐng)域，已開(kāi)始廣泛應(yīng)用這種高新技術(shù)，并取得了顯著的綜合效益。據(jù)外刊報(bào)道，美國(guó)陸軍1994年的“路易斯安娜94”作戰(zhàn)演習(xí)，就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行的。這次演習(xí)不但試驗(yàn)論證了美國(guó)陸軍制定的條令、戰(zhàn)術(shù)和部隊(duì)編成，使之更加符合21世紀(jì)的作戰(zhàn)要求，還節(jié)約演習(xí)經(jīng)費(fèi)近20億美元。

那么，什么是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)呢？簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是人們利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境，通過(guò)自然技能使用傳感設(shè)備與之相互作用的新技術(shù)。它與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)完全不同，是將模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)合三為一，并利用頭盔顯示器、圖形眼鏡、數(shù)據(jù)服、立體聲耳機(jī)、數(shù)據(jù)手套及腳踏板等傳感裝置。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)傳感器裝置與虛擬環(huán)境交互作用，可獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種感知，并按照自己的意愿去改變“不隨心”的虛擬環(huán)境。比如，計(jì)算機(jī)虛擬的環(huán)境是一座樓房，內(nèi)有各種設(shè)備、物品，操作者會(huì)如同身臨其境一樣，可以通過(guò)各種傳感裝置在屋內(nèi)行走查看、開(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)、搬動(dòng)物品；對(duì)房屋設(shè)計(jì)上的不滿意之處，還可隨意改動(dòng)。顯然，利用這種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行建筑、機(jī)械、兵器等設(shè)計(jì)修改，實(shí)施技術(shù)操作訓(xùn)練和軍事演習(xí)活動(dòng)要容易得多，也便宜得多。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一經(jīng)應(yīng)用，就向人們展示了誘人的前景，因而受到各國(guó)軍界的青睞。從90年代初起，美國(guó)率先將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于軍事領(lǐng)域，主要用于以下四個(gè)方面：一是虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。即通過(guò)相應(yīng)的三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境圖形圖像庫(kù)，包括作戰(zhàn)背景、戰(zhàn)地場(chǎng)景、各種武器裝備和作戰(zhàn)人員等，為使用者創(chuàng)造一種險(xiǎn)象環(huán)生、幾近真實(shí)的立體戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。以增強(qiáng)其臨場(chǎng)感覺(jué)，提高訓(xùn)練質(zhì)量。二是進(jìn)行單兵模擬訓(xùn)練。讓士兵穿上數(shù)據(jù)服，戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套，通過(guò)操作傳感裝置選擇不同的戰(zhàn)場(chǎng)背景，輸入不同的處置方案，體味不同的作戰(zhàn)效果，進(jìn)而像參加實(shí)戰(zhàn)一樣，鍛煉和提高技術(shù)水平、快速反應(yīng)能力和心理承受力。如美空軍用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研制的飛行訓(xùn)練模擬器，能產(chǎn)生視覺(jué)控制，能處理三維實(shí)時(shí)交互圖形，且有圖形以外的聲音和觸感，不但能以正常方式操縱和控制飛行器，還能處理虛擬現(xiàn)實(shí)中飛機(jī)以外的各種情況，如氣球的威脅、導(dǎo)彈的發(fā)射軌跡等。三是實(shí)施諸軍兵種聯(lián)合演習(xí)，建立一個(gè)“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”，使參戰(zhàn)雙方同處其中，根據(jù)虛擬環(huán)境中的各種情況及其變化，“調(diào)兵遣將”、“斗智斗勇”，實(shí)施“真實(shí)的”對(duì)抗演習(xí)。四是進(jìn)行指揮員訓(xùn)練。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，根據(jù)偵察情報(bào)資料合成出戰(zhàn)場(chǎng)全景圖，讓受訓(xùn)指揮員通過(guò)傳感裝置觀察敵我兵力部署和戰(zhàn)場(chǎng)情況，以便判斷敵情，定下正確決心。美國(guó)海軍開(kāi)發(fā)的“虛擬艦艇作戰(zhàn)指揮中心”就能逼真地摸擬與真的艦艇作戰(zhàn)指揮中心幾乎完全相似的環(huán)境，生動(dòng)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)效果，使受訓(xùn)軍官沉浸于“真實(shí)的”戰(zhàn)場(chǎng)之上。

當(dāng)然，虛擬現(xiàn)實(shí)還是一門(mén)年輕的科學(xué)技術(shù)，尚存在不少有待解決的問(wèn)題。例如，在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，操作者每次轉(zhuǎn)動(dòng)頭部，計(jì)算機(jī)必須更新三維圖像，由于更新的數(shù)據(jù)太大，以致計(jì)算機(jī)還無(wú)法完成實(shí)時(shí)運(yùn)算。這就造成了系統(tǒng)滯后。再如，美空軍的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器產(chǎn)生的視覺(jué)運(yùn)動(dòng)信號(hào)與人的感覺(jué)之間也存在差異，容易引起頭痛、眩暈等。

但不管怎樣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)畢竟開(kāi)辟了富有發(fā)展?jié)摿Φ男骂I(lǐng)域，它會(huì)隨著時(shí)間的推移日臻完善，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，發(fā)揮的作用也將會(huì)越來(lái)越大。

虛擬現(xiàn)實(shí)的定義之一: 

虛擬現(xiàn)實(shí)是計(jì)算機(jī)與用戶(hù)之間的一種更為理想化的人-機(jī)界面形式。通常用戶(hù)頭戴一個(gè)頭盔（用來(lái)顯示立體圖象的頭式顯示器）或者采用大屏幕立體投影，手持傳感手套，仿佛置身于一個(gè)幻覺(jué)世界中，在虛擬環(huán)境中漫游，并允許操作其中的“物體”。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有三個(gè)重要特征：臨境性，交互性，想象性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)潛在的應(yīng)用范圍很廣，諸如國(guó)防、建筑設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、培訓(xùn)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。例如建筑設(shè)計(jì)師可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)向客戶(hù)提供三維虛擬模型，而外科醫(yī)生還可以在三維虛擬的病人身上試行一種新的外科手術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）是近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外科技界關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)，其發(fā)展也是日新月異。簡(jiǎn)單地說(shuō)，VR技術(shù)就是借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)及硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)一種人們可以通過(guò)視聽(tīng)觸嗅等手段所感受到的虛擬幻境，故VR技術(shù)又稱(chēng)幻境或靈境技術(shù)。1992年，在法國(guó)召開(kāi)了與VR技術(shù)相關(guān)的名為“真實(shí)與虛擬世界的界面”的國(guó)際會(huì)議，同年在美國(guó)的San Diego（圣迭戈），一批以醫(yī)學(xué)專(zhuān)家為主的科學(xué)家組織召開(kāi)了名為“醫(yī)學(xué)中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”的學(xué)術(shù)會(huì)議。1993年，IEEE在Seattle（西雅圖）召開(kāi)了第一屆虛擬現(xiàn)實(shí)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，會(huì)議吸引了大批科技工作者，發(fā)表了大量有價(jià)值的論文。不久，IEEE的刊物Spectrum也組織了有關(guān)專(zhuān)集。在國(guó)內(nèi)科技界，VR技術(shù)正逐漸受到人們重視。

虛擬現(xiàn)實(shí)是一門(mén)集成了人與信息的科學(xué)。其核心是由一些三維的交互式計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境組成。這些環(huán)境可以是真實(shí)的，也可以是想象的世界模型，其目的是通過(guò)人工合成的經(jīng)歷來(lái)表示信息。有了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，復(fù)雜或抽象系統(tǒng)的概念的形成可以通過(guò)將系統(tǒng)的各子部件以某種方式表示成具有確切含義的符號(hào)而成為可能。虛擬現(xiàn)實(shí)是融合了許多人的因素，且放大了它對(duì)個(gè)人感覺(jué)影響的工程。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是建立在集成諸多學(xué)科如心理學(xué)、控制學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)分布系統(tǒng)、電子學(xué)、機(jī)器人及多媒體技術(shù)等之上的。

虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)具有以下三個(gè)方面的含義。首先VR是通過(guò)計(jì)算機(jī)生成一個(gè)非常逼真的足以“迷惑”我們?nèi)祟?lèi)視覺(jué)的虛幻的世界。這種“迷惑”是多方面的，我們不僅可以看到而且可以聽(tīng)到、觸到及嗅到這個(gè)虛擬世界中所發(fā)生的一切。這種感覺(jué)是如此的真實(shí)，以至于我們能全方位地浸沒(méi)在這個(gè)虛幻的世界中，這就是VR的首要功能，即浸沒(méi)感（Immersion）或臨場(chǎng)參與感。一般來(lái)說(shuō)，虛擬系統(tǒng)的輸出設(shè)備應(yīng)盡可能面向使用者的感覺(jué)器官以保證良好的浸沒(méi)感，如頭盔式顯示器（HMD），它將使用者的聽(tīng)覺(jué)視覺(jué)功能完全置于虛擬的環(huán)境之中并切斷了所有外界信息。使用者在虛擬的環(huán)境漫游可以通過(guò)跟蹤使用者的頭及身體的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成，與虛擬物體的接觸通過(guò)戴在手上的傳感裝置檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)與通常CAD系統(tǒng)所產(chǎn)生的模型是不一樣的，它不是一個(gè)靜態(tài)的世界，而是一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境，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(kāi)其開(kāi)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)環(huán)境可以通過(guò)控制與監(jiān)視裝置影響或被使用者影響，這是VR的第二個(gè)特征，即交互性（Interaction）。

虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)媒體，一個(gè)高級(jí)用戶(hù)界面，它是為解決工程、醫(yī)學(xué)、軍事等方面的問(wèn)題而由開(kāi)發(fā)者設(shè)計(jì)出來(lái)的應(yīng)用軟件，它以夸大的形式反映了設(shè)計(jì)者的思想，比如當(dāng)在蓋一座現(xiàn)代化的大廈之前，你首先要做的事是對(duì)這座大廈的結(jié)構(gòu)做細(xì)致的構(gòu)思，為了使之定量化，你還需設(shè)計(jì)許多圖紙，當(dāng)然這些圖紙只能內(nèi)行人讀懂。正如這些圖紙反映的是設(shè)計(jì)者的構(gòu)思，虛擬現(xiàn)實(shí)同樣反映的是某個(gè)設(shè)計(jì)者的思想，只不過(guò)它的功能遠(yuǎn)比那些呆板的圖紙生動(dòng)，強(qiáng)大的多。所以國(guó)外有些學(xué)者稱(chēng)VR為放大人們心靈的工具，或人工現(xiàn)實(shí)（artifical reality）。這是VR所具有的第三類(lèi)特征，即思想性（Imagation）。

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)是人們可以通過(guò)視聽(tīng)觸等信息通道感受到設(shè)計(jì)者思想的高級(jí)用戶(hù)界面

虛擬現(xiàn)實(shí)的定義之二： 

虛擬現(xiàn)實(shí)的英文名稱(chēng)是 "Virtual Reality", 簡(jiǎn)寫(xiě)為 "VR", 又由錢(qián)學(xué)森院士翻譯為“靈境”。

Virtual的英文本意是表現(xiàn)上具有真實(shí)事物的某些屬性，但本質(zhì)上是虛幻的。Reality的英文 本義是 "真實(shí)"而不是 "現(xiàn)實(shí)"。我想應(yīng)該注意這一點(diǎn)，不過(guò)既然 "虛擬現(xiàn)實(shí)"的名稱(chēng)已經(jīng)在 中國(guó)廣泛應(yīng)用，也就不改正它了。

從這個(gè)名字可以看出，它英文本義是＂真實(shí)世界的一個(gè)映像＂(a image of real world)，而不 僅僅只是一個(gè)下面的狹義定義中的人機(jī)界面而已。

本文將虛擬現(xiàn)實(shí)的定義分為狹義和廣義兩種。

狹義的定義

即為一種人機(jī)界面(人機(jī)交互方式)，曾建超等 “虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)及其應(yīng)用 ”書(shū)中所定義的。在這種情況下， 可以稱(chēng)之為“自然人機(jī)界面”，在此環(huán)境中，用戶(hù) 看到的是全彩色主體景象，聽(tīng)到的是虛擬環(huán)境中的音響，手（或）腳可以感受到虛擬環(huán)境反饋給他的作用力，由此使用戶(hù)產(chǎn)生一種身臨其境的感覺(jué)。亦即人以與感受真實(shí)世界一樣的（自然的）方式來(lái)感受計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界，具有和相應(yīng)真實(shí)世界里一樣的感覺(jué)。這里，計(jì)算機(jī)世界既可以是超越我們所處時(shí)空之外的虛構(gòu)環(huán)境，也可以是一種對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的仿真(強(qiáng)調(diào)是由計(jì)算機(jī)生成的，能讓人有身臨其境感覺(jué)的虛擬圖形界面)。

為此，我們須造出人可感受的各種感覺(jué)，視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué) ……，并讓人以自然的方式（類(lèi)似與真實(shí)世界中方式的）感知到。而且必須提供手段讓人以 "自然"的方式來(lái)操作。 比如說(shuō)，使操作者在虛擬環(huán)境下產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)中相一致的身臨其境的視覺(jué)、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)效果。同時(shí)通過(guò)視、聽(tīng)、手的動(dòng)作參與虛擬環(huán)境中事物的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。 現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)人機(jī)界面還很不和諧。多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的出現(xiàn)增強(qiáng)了我們實(shí)現(xiàn)和諧 的人機(jī)環(huán)境的信心。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷史，也可以說(shuō)是一個(gè)信息環(huán)境多維化的歷史。創(chuàng)建多維信息環(huán)境、突破數(shù)字及文字的單維表現(xiàn)力的局限，這是人類(lèi)的共同追求，也是全世界的文化、藝術(shù)和科技工作者代代相繼的奮斗目標(biāo)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是人們世世代代所追求的人機(jī)和諧的信息處理環(huán)境的繼續(xù)。只有在計(jì)算機(jī)及其它科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，這樣的信息處理環(huán)境才能夠被實(shí)現(xiàn)。

這項(xiàng)技術(shù)可以使人與信息處理環(huán)境的關(guān)系變得比以往更為密切與和諧，它還能使由它構(gòu)成的計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境變得比以往更為強(qiáng)大與靈巧。

這樣，有了一個(gè)自然的、充分的、和真實(shí)硬件很好關(guān)聯(lián)的信息處理系統(tǒng)，人們的工作生活都會(huì)變得方便得多。因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)，所以它可以滲透到我們工作和生活的每個(gè)角落，所以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)人類(lèi)社會(huì)的意義是非常大的。正因?yàn)槿绱耍推渌芏嘈畔?nbsp;技術(shù)一樣，當(dāng)信息技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)家還未把它的理論和技術(shù)探討得十分清楚時(shí)，它已滲透到科學(xué)、技術(shù)、工程、醫(yī)學(xué)、文化、娛樂(lè)的各個(gè)領(lǐng)域了，受到各個(gè)領(lǐng)域人們的極大注意。

為了與下面的廣義定義相分離，我們大多時(shí)候干脆稱(chēng)之為 "VR界面＂。

在視覺(jué)上，三維代表著未來(lái)。三維操作會(huì)使更多的人理解計(jì)算機(jī)。

廣義的定義

即為對(duì)虛擬想象（三維可視化的）或真實(shí)三維世界的模擬（Simulation)。這就不僅僅 是一種界面了，主要的部分是內(nèi)部的模擬。界面用虛擬現(xiàn)實(shí)式的界面。

對(duì)某個(gè)特定環(huán)境真實(shí)再現(xiàn)后，用戶(hù)通過(guò)接受和響應(yīng)模擬環(huán)境的各種感官刺激，與其中虛擬的人及事物進(jìn)行行為和思想等等的交流，使用戶(hù)有身臨其境的感覺(jué)。值得注意的是，其中的那些虛擬的人可能是由其他真實(shí)的人控制的，是他們的代表。

如果不限定真實(shí)三維世界(視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等等都是三維的)，甚至可以說(shuō)，那些沒(méi)有三維圖形的世界，但模擬了真實(shí)世界的某些特征的，如網(wǎng)絡(luò)上的聊天室，MUD (網(wǎng)絡(luò)角色)扮演游戲等等，都可以稱(chēng)作虛擬世界，虛擬現(xiàn)實(shí)。事實(shí)上，CyperSpace的概念出來(lái)時(shí)并沒(méi)有限定非得是三維的。

本文為了區(qū)分起見(jiàn)，那些非三維的世界只稱(chēng)為是 "虛擬世界"，但不稱(chēng)為 "虛擬現(xiàn)實(shí)"。 即CyperSpace在我這兒的定義中，并不等同與Virtual Reality。

這樣，虛擬現(xiàn)實(shí)可以稱(chēng)作＂三維的由計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界＂。若涉及界面的話， 則稱(chēng)之為＂具VR界面的由計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬世界＂。而虛擬世界的定義，也就成了 "與人有參與感、可與之交互的非真實(shí)的世界"，這種世界并不一定是由計(jì)算機(jī)生成的， 人的參與感也不一定要強(qiáng)到象虛擬現(xiàn)實(shí)的那樣強(qiáng)的沉浸感。

比起虛擬世界來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)只是多了三維這個(gè)特征。所以它們之間相當(dāng)相當(dāng)多的技術(shù)可以互相借用。這樣，由于非虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬世界已經(jīng)很多，所以虛擬現(xiàn)實(shí)的構(gòu)建可以有更好的現(xiàn)成概念和技術(shù)基礎(chǔ)。

這樣所有真實(shí)及虛構(gòu)的世界，只要可能的話，都可以搬進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)中。由計(jì)算機(jī)技術(shù)支持的虛擬現(xiàn)實(shí)不再只是存在于單個(gè)人的腦中，而是大家都可以參與進(jìn)來(lái)的。不再是完全受用戶(hù)控制，而是含有它自身規(guī)則的因素來(lái)運(yùn)行的。 虛擬想象世界可以是真實(shí)中永遠(yuǎn)不可能存在的空間，比如說(shuō)股票變化的空間。但也是三維 的，你用對(duì)付類(lèi)似與真實(shí)世界中類(lèi)似物體方法去操作，比如說(shuō)可以用雙手把一個(gè)三維的股票統(tǒng)計(jì)柱搬動(dòng)之類(lèi)。這樣就極大地輔助了人們的想象力、思考潛力。VR能夠通過(guò)模擬人 們所熟悉的東西來(lái)傳達(dá)人們所未知的東西，例如，它可以用一個(gè)以虛擬輪廓表示的3D建筑物，來(lái)描述倉(cāng)儲(chǔ)式銷(xiāo)售活動(dòng)。三維空間使我們能夠?qū)⒕薮蟮拿挚臻g──例如WEB本身─ ─形象化。

VR的吸引力，不僅在于它是高技術(shù)，它能提高我們的工作效率或幫助我們?nèi)ネ瓿梢郧白霾坏降氖虑?；它的藝術(shù)魅力也是不可忽視的。從這方面來(lái)說(shuō)，虛擬的世界不需要十分逼真， 在某些情況下應(yīng)該給想象力留有余地。有些不太真實(shí)的事情或表現(xiàn)方法能夠喚起我們的想象力和形象化思維。例如，有人將股票市場(chǎng)的信息用不同顏色的小片來(lái)表示，某種股票小片的閃爍表示有可能通過(guò)買(mǎi)進(jìn)買(mǎi)出而獲利。也有人將股票表示成田間的小麥等。