虛擬現(xiàn)實技術是仿真技術的一個重要方向是仿真技術與計算機圖形學人機接口技術多媒體技術傳感技術網絡技術等多種技術的集合是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術前沿學科和研究領域。虛擬現(xiàn)實技術(VR)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設備等方面。模擬環(huán)境是由計算機生成的、實時動態(tài)的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應該具有一切人所具有的感知。除計算機圖形技術所生成的視覺感知外，還有聽覺、觸覺、力覺、運動等感知，甚至還包括嗅覺和味覺等，也稱為多感知。自然技能是指人的頭部轉動，眼睛、手勢、或其他人體行為動作，由計算機來處理與參與者的動作相適應的數據，并對用戶的輸入作出實時響應，并分別反饋到用戶的五官。傳感設備是指三維交互設備。

發(fā)展歷史

虛擬現(xiàn)實技術演變發(fā)展史大體上可以分為四個階段有聲形動態(tài)的模擬是蘊涵虛擬現(xiàn)實思想的第一階段(1963)年以前虛擬現(xiàn)實萌芽為第二階段(1963 -1972 )虛擬現(xiàn)實概念的產生和理論初步形成為第三階段(1973 -1989 )虛擬現(xiàn)實理論進一步的完善和應用為第四階段(1990 -2004 )。

特征

多感知性

指除一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至還包括味覺、嗅覺、感知等。理想的虛擬現(xiàn)實應該具有一切人所具有的感知功能。

虛擬現(xiàn)實存在感

指用戶感到作為主角存在丁模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應該達到使用戶難辨真假的程度。

虛擬現(xiàn)實交互性

指用戶對模擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。

虛擬現(xiàn)實自主性

指虛擬環(huán)境中的物體依據現(xiàn)實世界物理運動定律動作的程度。

關鍵技術

虛擬現(xiàn)實是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術，廣角(寬視野)立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等。下面對這些技術分別加以說明。

實時三維計算機圖形

相比較而言，利用計算機模型產生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準確的模型，又有足夠的時間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關鍵是實時。例如在飛行模擬系統(tǒng)中，圖像的刷新相當重要，同時對圖像質量的要求也很高，再加上非常復雜的虛擬環(huán)境，問題就變得相當困難。

虛擬現(xiàn)實顯示

人看周圍的世界時，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子里融合起來，就形成了一個關于周圍世界的整體景象，這個景象中包括了距離遠近的信息。當然，距離信息也可以通過其他方法獲得，例如眼睛焦距的遠近、物體大小的比較等。

在VR系統(tǒng)中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統(tǒng)采用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產生了立體感。

用戶(頭、眼)的跟蹤：在人造環(huán)境中，每個物體相對于系統(tǒng)的坐標系都有一個位置與姿態(tài)，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭(眼)的方向來確定的。

跟蹤頭部運動的虛擬現(xiàn)實頭套：在傳統(tǒng)的計算機圖形技術中，視場的改變是通過鼠標或鍵盤來實現(xiàn)的，用戶的視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)是分離的，而利用頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來，感覺更逼真。另一個優(yōu)點是，用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認識環(huán)境，而且可以通過頭部的運動去觀察環(huán)境。

在用戶與計算機的交互中，鍵盤和鼠標是目前最常用的工具，但對于三維空間來說，它們都不太適合。在三維空間中因為有六個自由度，我們很難找出比較直觀的辦法把鼠標的平面運動映射成三維空間的任意運動?，F(xiàn)在，已經有一些設備可以提供六個自由度，如3Space數字化儀和SpaceBall空間球等。另外一些性能比較優(yōu)異的設備是數據手套和數據衣。

虛擬現(xiàn)實聲音

人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強度的差別來確定聲音的方向，因為聲音到達兩只耳朵的時間或距離有所不同。常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來實現(xiàn)的，所以會有一種方向感。現(xiàn)實生活里，當頭部轉動時，聽到的聲音的方向就會改變。但目前在VR系統(tǒng)中，聲音的方向與用戶頭部的運動無關。

虛擬現(xiàn)實感覺反饋

在一個VR系統(tǒng)中，用戶可以看到一個虛擬的杯子。你可以設法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現(xiàn)實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺。

虛擬現(xiàn)實語音

在VR系統(tǒng)中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環(huán)境能聽懂人的語言，并能與人實時交互。而讓計算機識別人的語音是相當困難的，因為語音信號和自然語言信號有其“多邊性”和復雜性。例如，連續(xù)語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，同一詞、同一字的發(fā)音受前后詞、字的影響，不僅不同人說同一詞會有所不同，就是同一人發(fā)音也會受到心理、生理和環(huán)境的影響而有所不同。

使用人的自然語言作為計算機輸入目前有兩個問題，首先是效率問題，為便于計算機理解，輸入的語音可能會相當啰嗦。其次是正確性問題，計算機理解語音的方法是對比匹配，而沒有人的智能。

技術特點

VR藝術是伴隨著“虛擬現(xiàn)實時代”的來臨應運而生的一種新興而獨立的藝術門類，在《虛擬現(xiàn)實藝術： 形而上的終極再創(chuàng)造》一文中，關于VR藝術有如下的定義：“以虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR)等人工智能技術作為媒介手段加以運用的藝術形式，我們稱之為虛擬現(xiàn)實藝術，簡稱VR藝術。該藝術形式的主要特點是超文本性和交互性。”

“作為現(xiàn)代科技前沿的綜合體現(xiàn)，VR藝術是通過人機界面對復雜數據進行可視化操作與交互的一種新的藝術語言形式，它吸引藝術家的重要之處，在于藝術思維與科技工具的密切交融和二者深層滲透所產生的全新的認知體驗。與傳統(tǒng)視窗操作下的新媒體藝術相比，交互性和擴展的人機對話，是VR藝術呈現(xiàn)其獨特優(yōu)勢的關鍵所在。從整體意義上說，VR藝術是以新型人機對話為基礎的交互性的藝術形式，其最大優(yōu)勢在于建構作品與參與者的對話，通過對話揭示意義生成的過程。

藝術家通過對VR、AR等技術的應用，可以采用更為自然的人機交互手段控制作品的形式，塑造出更具沉浸感的藝術環(huán)境和現(xiàn)實情況下不能實現(xiàn)的夢想，并賦予創(chuàng)造的過程以新的含義。如具有VR性質的交互裝置系統(tǒng)可以設置觀眾穿越多重感官的交互通道以及穿越裝置的過程，藝術家可以借助軟件和硬件的順暢配合來促進參與者與作品之間的溝通與反饋，創(chuàng)造良好的參與性和可操控性;也可以通過視頻界面進行動作捕捉，儲存訪問者的行為片段，以保持參與者的意識增強性為基礎，同步放映增強效果和重新塑造、處理過的影像;通過增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實等形式，將數字世界和真實世界結合在一起，觀眾可以通過自身動作控制投影的文本，如數據手套可以提供力的反饋，可移動的場景、360度旋轉的球體空間不僅增強了作品的沉浸感，而且可以使觀眾進入作品的內部，操縱它、觀察它的過程，甚至賦予觀眾參與再創(chuàng)造的機會。”

虛擬現(xiàn)實技術應用

虛擬現(xiàn)實醫(yī)學

VR在醫(yī)學方面的應用具有十分重要的現(xiàn)實意義。在虛擬環(huán)境中，可以建立虛擬的人體模型，借助于跟蹤球、HMD、感覺手套，學生可以很容易了解人體內部各器官結構，這比現(xiàn)有的采用教科書的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個SGI工作站建立了一個虛擬外科手術訓練器，用于腿部及腹部外科手術模擬。這個虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術臺與手術燈，虛擬的外科工具(如手術刀、注射器、手術鉗等)，虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺手套，使用者可以對虛擬的人體模型進行手術。但該系統(tǒng)有待進一步改進，如需提高環(huán)境的真實感，增加網絡功能，使其能同時培訓多個使用者，或可在外地專家的指導下工作等。手術后果預測及改善殘疾人生恬狀況，乃至新型藥物的研制等方面，VR技術都有十分重要的意義。

在醫(yī)學院校，學生可在虛擬實驗室中，進行“尸體”解剖和各種手術練習。用這項技術，由于不受標本、場地等的限制，所以培訓費用大大降低。一些用于醫(yī)學培訓、實習和研究的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，仿真程度非常高，其優(yōu)越性和效果是不可估量和不可比擬的。例如，導管插入動脈的模擬器，可以使學生反復實踐導管插入動脈時的操作;眼睛手術模擬器，根據人眼的前眼結構創(chuàng)造出三維立體圖像，并帶有實時的觸覺反饋，學生利用它可以觀察模擬移去晶狀體的全過程，并觀察到眼睛前部結構的血管、虹膜和鞏膜組織及角膜的透明度等。還有麻醉虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、口腔手術模擬器等。

外科醫(yī)生在真正動手術之前，通過虛擬現(xiàn)實技術的幫助，能在顯示器上重復地模擬手術，移動人體內的器官，尋找最佳手術方案并提高熟練度。在遠距離遙控外科手術，復雜手術的計劃安排，手術過程的信息指導，手術后果預測及改善殘疾人生活狀況，乃至新藥研制等方面，虛擬現(xiàn)實技術都能發(fā)揮十分重要的作用。