概念和特征
虛擬現實(Virtual reality，簡稱vr)是基於可計算信息的沈浸式交互環境。具體來說，就是利用以計算機技術為核心的現代高科技，在特定範圍內生成逼真的視覺、聽覺、觸覺壹體化虛擬環境。用戶借助必要的設備，以自然的方式與虛擬環境中的物體進行交互，從而產生“沈浸”在現實環境中的感受和體驗。Vr帶來了人機交互的新概念、新內容、新方式、新方法，使得人機交互的內容更加豐富、生動，方式更加自然、和諧。
虛擬現實是高度發達的計算機技術在各個領域應用過程中的結晶和反映。具有以下主要特點:(1)依托學科高度融合；(2)在場的人；(3)系統或環境的大規模集成；(4)數據表示的多樣化和標準化，數據存儲的大容量，數據傳輸的高速化和數據處理的分布式和並行化。
按鍵關閉技術
虛擬現實、虛擬現實和高性能計算技術是vr技術的三個主要方面。虛擬現實是將現實世界的多維信息映射到計算機的數字空間，生成相應的虛擬世界，為高性能計算提供必要的信息和數據。虛擬事物的實現通過各種計算和仿真技術，使計算機生成的虛擬世界中的事物產生的各種刺激盡可能自然地反饋給用戶。
1.真正的模糊
物體的虛化主要包括基礎模型構建、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤、視點感知等關鍵技術，使生成逼真的虛擬世界、檢測虛擬環境中的用戶操作並獲取操作數據成為可能。
(1)基礎模型構建技術
基本模型的構建是應用計算機技術生成虛擬世界的基礎。它在相應的三維虛擬世界中重建現實世界的物體，並根據系統要求保存壹些物理屬性。
首先要建立物體的幾何模型，確定其空間位置和幾何元素的屬性。例如，通過cad/cam或二維圖紙建立產品或建築物的三維幾何模型；通過gis數據和衛星、遙感或航拍照片構建大規模虛擬戰場。
為了增強虛擬環境的真實感，物理特征和行為規則的建模要表現出物體的物理特征，如質量、動量、材料等，在虛擬環境中遵循壹定的運動和動力學規律。
當幾何模型和物理模型難以準確描述現實世界中存在的壹些特殊物體或現象時，可以根據具體需要采用壹些特殊的模型構造方法。例如，氣象數據可以被建模以生成虛擬環境的氣象條件(多雲、晴天、下雨、有霧)。
(2)空間跟蹤技術
虛擬環境的空間跟蹤主要是通過頭盔顯示器、數據手套、數據服等交互設備上的空間傳感器來確定用戶的頭、手、身體或其他操作對象在三維虛擬環境中的位置和方向。
跟蹤系統通常由發射器、接收器和電子元件組成。目前，有幾種跟蹤系統，如電磁，機械，光學和超聲波。
數據手套是vr系統中常用的人機交互設備，它可以測量手的位置和形狀來實現環境中的虛擬手及其對虛擬物體的操縱。Cyber glove通過手指上的彎曲和扭轉傳感器以及手掌上的彎曲和弧度傳感器來確定手和關節的位置和方向。
(3)聲音跟蹤技術
利用不同聲源的時間差、相位差和聲壓差來跟蹤虛擬環境中的聲音，是虛擬現實的重要組成部分。聲學飛行時間測量和相位相幹測量是實現聲音位置跟蹤的兩種基本算法。在小的工作範圍內，聲學飛行時間方法可以表現出良好的準確性和壹致性。隨著工作範圍的擴大，聲波飛行時間法的數據傳輸速率下降，易受偽聲的脈沖幹擾。相位相幹法在本質上不易受噪聲幹擾，並且允許過濾冗余數據的存在而不引起停滯。而相位相幹法不能直接測量距離，只能測量位置的變化，容易受到累積誤差的幹擾。
聲音跟蹤通常包括幾個發射器、接收器和控制單元。可以連接頭盔顯示器，也可以連接數據服、數據手套等其他設備。
(4)視覺跟蹤和視點感知技術。
物體模糊的視覺跟蹤技術是利用攝像機到x-y平面陣列的投影，環境光或跟蹤光在不同時間、不同位置的圖像投影平面上，計算出被跟蹤物體的位置和方向。視覺跟蹤的實現必須考慮精度和工作範圍之間的折衷。多發射器和多傳感器的設計可以提高視覺跟蹤的精度，但會使系統變得復雜和昂貴。
視點感知必須與顯示技術相結合，可以采用多種定位方式(眼罩定位、頭盔顯示、遙視技術和基於眼肌的感知技術)來確定用戶在某壹時刻的視線。比如將視點探測和感應技術集成到頭盔顯示系統中，飛行員只需“看”就能操縱虛擬開關或在壹些非常時期進行飛行控制。
2.虛擬現實
保證用戶在虛擬環境中獲得視覺、聽覺、力和觸覺等感官認知的關鍵技術是虛擬現實的主要研究內容。
(1)視覺感知
虛擬環境中大多數具有壹定形狀的物體或現象可以通過多種方式使用戶產生強烈的真實感。Crt顯示器、大屏幕投影、多方位電子墻、立體眼鏡、hmd是vr系統中常見的顯示設備。不同的頭盔顯示器有不同的顯示技術。根據提供光學圖像的方式，頭盔顯示裝置可以分為投影型和直視型。
立體顯示技術可以增強虛擬環境的真實感，可以使用戶左右眼看到兩幅具有視差的平面圖像，並在大腦中合成產生立體視覺感知。頭盔顯示器和立體眼鏡是兩種常見的立體顯示設備。目前正在研究基於激光全息計算的立體顯示技術和用激光束直接在視網膜上成像的顯示技術。
(2)聽覺
聽覺僅次於視覺，虛擬環境的聲音效果可以彌補視覺效果的不足，增強環境的逼真度。
用戶感受到的三維聲音有助於用戶在操作中定位聲音。傳統聲音模型的定位是基於聲源與聽者雙耳的時差itd和聲源與左右耳的壓差iid，但無法解釋單耳定位。現代聲音模型側重於用頭部相關傳遞函數hrtf來描述聲音從聲源到外耳道的傳播過程，並能支持單耳定位。Hrtf主要采用濾波的方法模擬頭部效果、耳廓效果和頭部掩蔽效果。Nasa空軍研究中心曾經在人工耳道中放置壹個小型麥克風，記錄許多不同聲源對頭部的脈沖響應，然後根據hrtf和脈沖結果，生成虛擬環境的位置感。
(3)力覺和觸覺
能讓參與者產生“沈浸感”的壹個關鍵因素是，用戶能否在操縱虛擬物體的同時感受到虛擬物體的反應，從而產生觸覺和力覺。比如妳用手拉虛擬駕駛系統的變速桿，妳的手可以感覺到變速桿的震動和松緊。
力覺主要是計算機通過力反饋手套和力反饋操縱桿阻尼手指的運動，讓用戶感受到力的方向和大小。由於人的力覺非常敏感，普通的精密裝置根本無法滿足要求，開發高精度的力反饋裝置相當困難和昂貴，這是人們面臨的難題之壹。
如果沒有觸覺反饋，當用戶觸摸虛擬世界中的壹個物體時，很容易使他的手穿過該物體。解決這個問題的有效方法是在用戶的交互設備中增加觸覺反饋。觸覺反饋主要基於視覺、氣壓感、振動觸覺、電子觸覺和神經肌肉模擬。向皮膚反饋可變電脈沖的電子觸覺反饋和直接刺激皮層的神經肌肉模擬反饋都不安全。相對來說，氣壓和振動觸覺反饋是相對安全的觸覺反饋方式。
3.高性能計算技術
虛擬現實是以計算機技術為核心的現代高科技，而高性能計算技術是直接影響系統性能的關鍵。高性能計算與處理技術具有計算速度快、處理能力強、存儲容量大、組網性強的特點，主要包括以下研究內容:
(1)實物模糊化和物化的數據轉換和數據預處理；(2)實時逼真的圖形圖像生成和顯示技術；(3)多種聲音合成和聲音空間化技術；(4)多維信息數據融合、數據轉換、數據壓縮、數據標準化和數據庫生成；(5)模式識別。例如命令識別、語音識別、以及手勢和人的面部表情信息的檢測、合成和識別；(6)高級計算模型的研究。如專家系統、自組織神經網絡、遺傳算法等。(7)分布式和並行計算，以及高速、大規模遠程網絡技術。
4.分布式虛擬現實
分布式虛擬現實的研究目標是建立壹個分布式的虛擬環境，供多個用戶在不同的地方同時參與。不同地理位置的用戶就像進入了壹個真實的世界，不受物理時間和空間的限制，通過手勢、聲音或文字進行交流、學習、討論、訓練和娛樂，甚至合作完成同樣復雜的產品設計或同樣高難度的任務練習。
分布式虛擬現實的研究有兩大陣營。壹種是互聯網上的分布式虛擬現實，比如基於vrml標準的遠程虛擬購物。另壹種是軍方投資的高速專用網，如采用atm技術的美軍國防模擬互聯網dsi。
應該使用領域
vr技術的出現和發展為解決和處理各種需要巨大資金和人力投入，或者不得不承擔人員傷亡危險的問題提供了新的途徑。目前，vr技術的應用主要集中在以下幾個方面:
1.產品設計和性能評估
波音777飛機的設計是虛擬樣機的典型應用實例，它由300萬個零件組成，所有零件都是在由數百個工作站組成的虛擬環境中設計的。
從65438到0996，UC Berkeley在sgi工作站上實現了新樓蘇打廳的實時漫遊。北航虛擬現實與可視化新技術實驗室還完成了常恒園及其內部裝修、虛擬北航等漫遊系統的開發。目前正在為國家科技館建設珠穆朗瑪峰及其周邊環境漫遊系統。
2.教育和娛樂
將vr技術應用於教育，可以讓學生參觀海底，遨遊太空，觀察歷史城堡，甚至深入原子內部觀察電子的軌跡。分布式虛擬圖書館突破了物理時間和空間的限制，有效地利用了資源。基於互聯網的分布式虛擬圖書館前景廣闊。
Vr技術廣泛應用於娛樂行業。第壹個大型vr娛樂系統“battletech”將各個“駕駛艙”模擬器連接起來，進行群體間的對抗。三維逼真的場景，操縱桿，油門，剎車，撞擊時的晃動，給用戶強烈的感官刺激。
3.艱苦危險環境下的訓練
服務於醫療外科手術訓練的Vr系統，利用ct或mri數據在計算機中重建人體或某個器官的幾何模型，並賦予其壹定的物理特性(如密度、韌性、組織比例等。)，並借助機械手或數據手套等高精度交互工具在計算機中模擬手術過程，從而達到訓練和研究的目的。
美國的Nasa和esa(歐洲航天局)已經成功地將vr技術應用於太空飛行器的太空活動、空間站的自由運行和哈勃空間的維護。
4.分布式虛擬戰場環境
軍事領域是vr技術最早的研究和應用領域。最早的分布式虛擬戰場環境應該是darpa和美國陸軍在1983年制定的simnet研究計劃。從1994開始，美國darpa和usacom聯合開展了stow的研究，形成了覆蓋500×750km2的軍事演習環境，包括3700個仿真實體的參與。
自我國1996以來，國家863計劃支持的dvenet是由北航聯合浙江大學、國防科技大學、裝甲兵工程學院、解放軍測繪院、中科院軟件所共同開發的分布式虛擬環境基礎信息平臺。在基於dvenet的分布式虛擬戰場環境中，將分布在不同地域的多個真實模擬器和虛擬模擬器組合起來，進行異地協同對抗戰術的模擬演練。
內容提要:虛擬現實是壹個有許多尚未解決的問題和仍在不斷湧現的新問題的研究領域，也是壹個充滿生機和巨大應用前景的高科技領域。我們應該也能夠在這個領域有所作為。