虛擬仿真(Virtual Reality):仿真(simulation)技術(shù),或稱為模擬技術(shù),就是用一個(gè)系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。虛擬仿真實(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,用戶可借助視覺、聽覺及觸覺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,并通過頭盔顯示器(HMD)、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)備,提供用戶一個(gè)觀測(cè)與該虛擬世界交互的三維界面,使用戶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、視覺生理學(xué)、視覺心理學(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。
虛擬與現(xiàn)實(shí)兩詞具有相互矛盾的含義,把這兩個(gè)詞放在一起,似乎沒有意義,但是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展卻賦予了它新的含義。虛擬現(xiàn)實(shí)的明確定義不太好說,按比較早提出虛擬現(xiàn)實(shí)概念的學(xué)者J.Laniar的說法,虛擬現(xiàn)實(shí),又稱假想現(xiàn)實(shí),意味著“用電子計(jì)算機(jī)合成的人工世界”。從此可以清楚地看到,這個(gè)領(lǐng)域與計(jì)算機(jī)有著不可分離的密切關(guān)系,信息科學(xué)是合成虛擬現(xiàn)實(shí)的基本前提。生成虛擬現(xiàn)實(shí)需要解決以下三個(gè)主要問題:
①以假亂真的存在技術(shù)。即,怎樣合成對(duì)觀察者的感官器官來說與實(shí)際存在相一致的輸入信息,也就是如何可以產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)環(huán)境一樣的視覺,觸覺,嗅覺等。
②相互作用。觀察者怎樣積極和能動(dòng)地操作虛擬現(xiàn)實(shí),以實(shí)現(xiàn)不同的視點(diǎn)景象和更高層次的感覺信息。實(shí)際上也就是怎么可以看得更像,聽得更真等等。
③自律性現(xiàn)實(shí)。感覺者如何在不意識(shí)到自己動(dòng)作、行為的條件下得到栩栩如生的現(xiàn)實(shí)感。在這里,觀察者、傳感器、計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)相互作用的閉環(huán)流程。
今天,虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)發(fā)展成一門涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、精密傳感機(jī)構(gòu)、人機(jī)接口及實(shí)時(shí)圖像處理等領(lǐng)域的綜合性學(xué)科。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分虛擬實(shí)景(境)技術(shù)(如虛擬游覽故宮博物館)與虛擬虛景(境)技術(shù)(如虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境生成、虛擬設(shè)計(jì)的波音777飛機(jī)等)兩大類。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和交叉領(lǐng)域非常廣泛,幾乎到了無所不包、無孔不入的地步,在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,虛擬現(xiàn)實(shí)作戰(zhàn)指揮模擬,飛機(jī)、船舶、車輛虛擬現(xiàn)實(shí)駕駛訓(xùn)練,飛機(jī)、導(dǎo)彈、輪船與轎車的虛擬制造(含系統(tǒng)的虛擬設(shè)計(jì)),虛擬現(xiàn)實(shí)建筑物的展示與參觀,虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)培訓(xùn),虛擬現(xiàn)實(shí)游戲,虛擬現(xiàn)實(shí)影視藝術(shù)等等方面的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)的形成都有強(qiáng)烈的市場(chǎng)需求和技術(shù)驅(qū)動(dòng)。
虛擬仿真技術(shù)特點(diǎn):
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。
業(yè)界很多虛擬現(xiàn)實(shí)公司只能提供三維漫游等簡(jiǎn)單的視景開發(fā)支持,其擁有的幾何模型干涉檢查、交互操作支持等也非常簡(jiǎn)單,而為此特殊開發(fā)的專用模塊不但價(jià)格昂貴,且源代碼有限開放難以滿足用戶個(gè)性化開發(fā)應(yīng)用需求。真正的虛擬仿真應(yīng)提供復(fù)雜場(chǎng)景圖形、聲音、交互操作、干涉檢查等多方面的支持,從而可以簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā),提供應(yīng)用系統(tǒng)的功能和性能。
平臺(tái)系統(tǒng)表現(xiàn)為一個(gè)視景和聲音開發(fā)支撐平臺(tái)和多個(gè)開發(fā)支持工具(幾何對(duì)象干涉檢查工具包、通用虛擬手開發(fā)工具包、粒子生成與控制工具、不規(guī)則幾何體構(gòu)造工具、流場(chǎng)可視化工具包)??梢詾橛脩籼峁└黝怴R應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。概括地說,虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式,與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比,虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。
虛擬現(xiàn)實(shí)中的“現(xiàn)實(shí)”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境,它可以是實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的,也可以是實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)的或根本無法實(shí)現(xiàn)的。而“虛擬”是指用計(jì)算機(jī)生成的意思。因此,虛擬現(xiàn)實(shí)是指用計(jì)算機(jī)生成的一種特殊環(huán)境,人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個(gè)環(huán)境中,并操作、控制環(huán)境,實(shí)現(xiàn)特殊的目的,即人是這種環(huán)境的主宰。
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