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虛擬現實技術與計算機技術應用的共同發展
摘要：虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機技術，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，可借助傳感頭盔、數據手套等專業設備，讓用戶進入虛擬空間，實時感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而通過視覺、觸覺和聽覺等獲得身臨其境的真實感受。虛擬現實技術是仿真技術的一個重要方向，是一門富有挑戰性的交叉技術。
關鍵詞：虛擬現實技術 虛擬環境 計算機發展 新型計算機
計算機技術的不斷發展與應用方面的不斷提高使得虛擬現實技術也相應同步地快速發展。尤其是計算機的發展將趨向超高速、超小型、平行處理和智能化，量子、光子、分子和納米計算機將具有感知、思考、判斷、學習及一定的自然語言能力，使計算機進入人工智能時代。這種新型計算機將推動新一輪計算技術革命，更加帶動虛擬現實技術的快速發展，對人類社會的發展產生深遠的影響。
1、虛擬現實技術概述
虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)是近年來出現的高新技術，也稱靈境技術或人工環境。該技術集成了計算機圖形(CG)技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。 虛擬現實技術的發展與應用離不開計算機技術的發展，兩者是相輔相成的關系，如果要正確認識和剖析并把握虛擬現實技術的應用與發展，就必須深入研究計算機技術的變化與發展趨勢，這樣才能有利于我們未來更好的掌握與應用虛擬現實技術。
2、計算機技術在虛擬現實技術的應用
自從1944年世界上第一臺電子計算機誕生以來，計算機技術迅猛發展，傳統計算機的性能受到挑戰，開始從基本原理上尋找計算機發展的突破口，新型計算機的研發應運而生，計算機技術的發展將趨向超高速、超小型、并行處理和智能化。專家預計虛擬現實技術也會因此得到迅速發展。尤其是三維計算機圖形學技術、采用多種功能傳感器的交互式接口技術和高清晰度顯示技術在虛擬現實的應用中起著重要作用。此外，智能化的超級計算機和新型高性能計算機不斷發展。這會更有利于虛擬現實技術方面的快速發展。虛擬現實技術通過計算機對復雜數據進行可視化操作以及實時交互的環境。與傳統的計算機人-機界面(如鍵盤、鼠標器、圖形用戶界面以及流行的Windows等)相比，虛擬現實無論在技術上還是思想上都有質的飛躍。
3、虛擬現實系統的技術特點
3.1 虛擬現實有效地建立虛擬環境主要集中在兩個方面，一是虛擬環境能夠精確表示物體的狀態模型，二是環境的可視化及渲染。
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3.2 虛擬現實僅是計算機系統設置的一個近似客觀存在的環境，它是硬件、軟件和外圍設備的有機組合。
3.3 用戶可通過自身的技能以6個自由度在這個仿真環境里進行交互操作。
3.4 虛擬現實的關鍵是傳感技術。
3.5 虛擬現實離不開視覺和聽覺的新型可感知動態數據庫技術，并需結合高速的動態數據庫檢索技術。
3.6 虛擬現實不僅是計算機圖形學或計算機成像生成的一幅畫面，更重要的是人們可以通過計算機和各種人機界面與機交互，并在精神感覺上進入環境。它需要結合人工智能，模糊邏輯和神經元技術。
4、虛擬現實硬件設備與軟件技術和計算機技術的融合
在虛擬現實系統中，硬件設備主要由3個部分組成：輸入設備、輸出設備、虛擬世界生成設備。此外系統還需要虛擬現實的相關技術。
4.1 虛擬現實的輸入設備。有關虛擬現實系統的輸入設備主要分為兩大類：一類是基于自然的交互設備，用于對虛擬世界信息的輸入;另一類是三維定位跟蹤設備，主要用于對輸入設備在三維空間中的位置進行判定，并送入虛擬現實系統中。虛擬世界與人進行自然交互的實現形式很多，有基于語音的、基于手的等多種形式，如數據手套、數據衣、三維控制器、三維掃描儀等。手是我們與外界進行物理接觸及意識表達的最主要媒介，在人機交互設備中也是如此。基于手的自然交互形式最為常見，相應的數字化設備很多，在這類產品中最為常用的就是數據手套。
4.2 虛擬現實的輸出設備。人置身于虛擬世界中，要體會到沉浸的感覺，必須讓虛擬世界能模擬人在現實世界中的多種感受，如視覺、聽覺、觸覺、力覺、痛感、味覺、嗅覺等。基于目前的技術水平，成熟和相對成熟的感知信息的產生和檢測技術僅有視覺、聽覺和觸覺(力覺)3種。感知設備的作用是將虛擬世界中各種感知信號轉變為人所能接受的多通道刺激信號，現在主要應用的有基于視覺、聽覺和力覺感知的設備，基于味覺、嗅覺等的設備有待開發研究。
4.3 虛擬現實的生成設備。在虛擬現實系統中，計算機是虛擬世界的主要生成設備，所以有人稱之為“虛擬現實引擎”，它首先創建出虛擬世界的場景，同時還必須實時響應用戶各種方式的輸入。
通常虛擬世界生成設備主要分為基于高性能個人計算機、基于高性能圖形工作站、高度并行的計算機系統和基于分布式計算機的虛擬現實系統四大類。
4.4 虛擬現實的相關技術。虛擬現實系統的目標是由計算機生成虛擬世界，用戶可以與之進行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等全方位的交互，并且虛擬現實系統能進行實時響應。
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要實現這種目標，除了需要有一些專業的硬件設備外，還必須有較多的相關技術及軟件加以保證，特別是在現階段計算機的運行速度還達不到虛擬現實系統所需要求的情況下，相關技術就顯得更加重要。虛擬現實的相關技術主要有立體視覺顯示技術、環境建模技術、真實感實時繪制技術、三維虛擬聲音的實現技術、自然交互與傳感技術等等。
4.4.1 立體視覺顯示技術。人類從客觀世界獲得的.信息的80%以上來自視覺，視覺信息的獲取是人類感知外部世界、獲取信息的最主要的傳感通道，視覺通道成為多感知的虛擬現實系統中最重要的環節。
在視覺顯示技術中，實現立體顯示技術是較為復雜與關鍵的，立體視覺顯示技術是虛擬現實的重要支撐技術。
4.4.2 環境建模技術。在虛擬現實系統中，營造的虛擬環境是它的核心內容，要建立虛擬環境，首先要建模，然后在其基礎上再進行實時繪制、立體顯示，形成一個虛擬的世界。虛擬環境建模的目的在于獲取實際三維環境的三維數據，并根據其應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。只有設計出反映研究對象的真實有效的模型，虛擬現實系統才有可信度。在虛擬現實系統中，環境建模應該包括有基于視覺、聽覺、觸覺、力覺、味覺等多種感覺通道的建模。但基于目前的技術水平，常見的是三維視覺建模和三維聽覺建模。而在當前應用中，環境建模一般主要是三維視覺建模，這方面的理論也較為成熟。
4.4.3 真實感實時繪制技術。要實現虛擬現實系統中的虛擬世界，僅有立體顯示技術是遠遠不夠的，虛擬現實中還有真實感與實時性的要求，也就是說虛擬世界的產生不僅需要真實的立體感，而且虛擬世界還必須實時生成，這就必須要采用真實感實時繪制技術。所謂真實感繪制是指在計算機中重現真實世界場景的過程。真實感繪制的主要任務是要模擬真實物體的物理屬性，即物體的形狀、光學性質、表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置、遮擋關系等等。
4.4.4 三維虛擬聲音的實現技術。在虛擬現實系統中加入與視覺并行的三維虛擬聲音，一方面可以在很大程度上增強用戶在虛擬世界中的沉浸感和交互性，另一方面也可以減弱大腦對于視覺的依賴性，降低沉浸感對視覺信息的要求，使用戶能從既有視覺感受又有聽覺感受的環境中獲得更多的信息。
5、總結
能看到虛擬現實技術對計算機技術的聯系性非常緊密，并且虛擬現實技術對計算機設備的應用分類也越來越具體，越來越廣泛。相應的計算機設備也應用到虛擬現實技術的對應環節上。虛擬現實技術是一個極具潛力的前沿研究方向，是面向21世紀的重要技術之一。它在理論，軟硬件環境的研究方面依賴于多種技術的綜合，其中有很多技術有待完善。可以預見，隨著技術的發展，虛擬現實技術及其應用會越來越廣泛。
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