㈠ 虛擬現實有關知識
虛擬現實是計算機與用戶之間的一種更為理想化的人-機界面形式。通常用戶戴一個頭盔（用來顯示立體圖象的頭式顯示器），手持感測手套，彷彿置身於一個幻覺世界中，在虛擬環境中漫遊，並允許操作其中的「物體」。與傳統計算機相比，虛擬現實系統具有三個重要特徵：臨境性，交互性，想像性。虛擬現實技術潛在的應用范圍很廣，諸如國防、建築設計、工業設計、培訓、醫學領域。例如建築設計師可以運用虛擬現實技術向客戶提供三維虛擬模型，而外科醫生還可以在三維虛擬的病人身上試行一種新的外科手術。
虛擬現實技術通過20多年的研究探索，於80年代末走出實驗室，開始進入實用化階段。目前，世界上少數發達國家在經濟、藝術乃至軍事等領域，已開始廣泛應用這種高新技術，並取得了顯著的綜合效益。據外刊報道，美國陸軍1994年的「路易斯安娜94」作戰演習，就是利用虛擬現實技術進行的。這次演習不但試驗論證了美國陸軍制定的條令、戰術和部隊編成，使之更加符合21世紀的作戰要求，還節約演習經費近20億美元。
那麼，什麼是虛擬現實技術呢？簡單地說，就是人們利用計算機生成一個逼真的三維虛擬環境，通過自然技能使用感測設備與之相互作用的新技術。它與傳統的模擬技術完全不同，是將模擬環境、視景系統和模擬系統合三為一，並利用頭盔顯示器、圖形眼鏡、數據服、立體聲耳機、數據手套及腳踏板等感測裝置。把操作者與計算機生成的三維虛擬環境連結在一起。操作者通過感測器裝置與虛擬環境交互作用，可獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感知，並按照自己的意願去改變「不隨心」的虛擬環境。比如，計算機虛擬的環境是一座樓房，內有各種設備、物品，操作者會如同身臨其境一樣，可以通過各種感測裝置在屋內行走查看、開門關門、搬動物品；對房屋設計上的不滿意之處，還可隨意改動。顯然，利用這種虛擬現實技術進行建築、機械、兵器等設計修改，實施技術操作訓練和軍事演習活動要容易得多，也便宜得多。
虛擬現實技術一經應用，就向人們展示了誘人的前景，因而受到各國軍界的青睞。從90年代初起，美國率先將虛擬現實技術用於軍事領域，主要用於以下四個方面：一是虛擬戰場環境。即通過相應的三維戰場環境圖形圖像庫，包括作戰背景、戰地場景、各種武器裝備和作戰人員等，為使用者創造一種險象環生、幾近真實的立體戰場環境。以增強其臨場感覺，提高訓練質量。二是進行單兵模擬訓練。讓士兵穿上數據服，戴上頭盔顯示器和數據手套，通過操作感測裝置選擇不同的戰場背景，輸入不同的處置方案，體味不同的作戰效果，進而像參加實戰一樣，鍛煉和提高技術水平、快速反應能力和心理承受力。如美空軍用虛擬現實技術研製的飛行訓練模擬器，能產生視覺控制，能處理三維實時交互圖形，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，還能處理虛擬現實中飛機以外的各種情況，如氣球的威脅、導彈的發射軌跡等。三是實施諸軍兵種聯合演習，建立一個「虛擬戰場」，使參戰雙方同處其中，根據虛擬環境中的各種情況及其變化，「調兵遣將」、「鬥智斗勇」，實施「真實的」對抗演習。四是進行指揮員訓練。利用虛擬現實技術，根據偵察情報資料合成出戰場全景圖，讓受訓指揮員通過感測裝置觀察敵我兵力部署和戰場情況，以便判斷敵情，定下正確決心。美國海軍開發的「虛擬艦艇作戰指揮中心」就能逼真地摸擬與真的艦艇作戰指揮中心幾乎完全相似的環境，生動的視覺、聽覺和觸覺效果，使受訓軍官沉浸於「真實的」戰場之上。
當然，虛擬現實還是一門年輕的科學技術，尚存在不少有待解決的問題。例如，在計算機生成的虛擬環境中，操作者每次轉動頭部，計算機必須更新三維圖像，由於更新的數據太大，以致計算機還無法完成實時運算。這就造成了系統滯後。再如，美空軍的虛擬現實模擬器產生的視覺運動信號與人的感覺之間也存在差異，容易引起頭痛、眩暈等。
但不管怎樣，虛擬現實技術畢竟開辟了富有發展潛力的新領域，它會隨著時間的推移日臻完善，在軍事領域的應用將會越來越廣泛，發揮的作用也將會越來越大。
正如其它新興科學技術一樣，虛擬現實技術也是許多相關學科領域交叉、集成的產物。
它的研究內容涉及到人工智慧、計算機科學、電子學、感測器、計算機圖形學、智能控制、心理學等。我們必須清醒地認識到，雖然這個領域的技術潛力是巨大的，應用前景也是很廣闊的，但仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術障礙。客觀而論，目前虛擬現實技術所取得的成就，絕大部分還僅僅限於擴展了計算機的介面能力，僅僅是剛剛開始涉及到人的感知系統和肌肉系統與計算機的結合作用問題，還根本未涉及「人在實踐中得到的感覺信息是怎樣在人的大腦中存儲和加工處理成為人對客觀世界的認識」這一重要過程。只有當真正開始涉及並找到對這些問題的技術實現途徑時，人和信息處理系統間的隔閡才有可能被徹底的克服了。我們期待這有朝一日，虛擬現實系統成為一種對多維信息處理的強大系統，成為人進行思維和創造的助手和對人們已有的概念進行深化和獲取新概念的有力工具。
就像電影《黑客帝國》里描述的那樣，未來的我們竟可以生活在一個由電腦控制的虛擬世界裡。在這個世界裡，我們同樣擁有各種感覺，同樣擁有親戚朋友，同樣擁有工作，同樣擁有現實世界的一切「真實」。只是，這一切都是虛擬的。
人類有許多夢想，一些夢想已經變為現實，而有一些夢想也許永遠都不可能實現。然而，有一種技術卻能使一切夢想全部實現，這就是虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）。
虛擬現實是在計算機圖形學、計算機模擬技術、人機介面技術、多媒體技術以及感測技術的基礎上發展起來的交叉學科，對該技術的研究始於20世紀60年代。直到90年代初，虛擬現實技術才開始作為一門較完整的體系而受到人們極大的關注。
基本概念
概括地說，虛擬現實是人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現實在技術思想上有了質的飛躍。
虛擬現實中的「現實」是泛指在物理意義上或功能意義上存在於世界上的任何事物或環境，它可以是實際上可實現的，也可以是實際上難以實現的或根本無法實現的。而「虛擬」是指用計算機生成的意思。因此，虛擬現實是指用計算機生成的一種特殊環境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己「投射」到這個環境中，並操作、控制環境，實現特殊的目的，即人是這種環境的主宰。
從本質上來說，虛擬現實就是一種先進的計算機用戶介面，它通過給用戶同時提供諸如視覺、聽覺、觸覺等各種直觀而又自然的實時感知交互手段，最大限度地方便用戶的操作。根據虛擬現實技術所應用的對象不同，其作用可表現為不同的形式，例如將某種概念設計或構思可視化和可操作化，實現逼真的遙控現場效果，達到任意復雜環境下的廉價模擬訓練目的等。該技術的主要特徵有以下幾方面：
多感知性（Multi-Sensory）——所謂多感知是指除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現實技術應該具有一切人所具有的感知功能。由於相關技術，特別是感測技術的限制，目前虛擬現實技術所具有的感知功能僅限於視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等幾種。
浸沒感（Immersion）——又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在於模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創建的三維虛擬環境中，該環境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現實世界中的感覺一樣。
交互性（Interactivity）——指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感覺，並可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動。
構想性（Imagination）——強調虛擬現實技術應具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可再現真實存在的環境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境。
一般來說，一個完整的虛擬現實系統由虛擬環境、以高性能計算機為核心的虛擬環境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統、以方位跟蹤器、數據手套和數據衣為主體的身體方位姿態跟蹤設備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統等功能單元構成。
這里，虛擬環境處理器是VR系統的心臟，完成虛擬世界的產生和處理功能。輸入設備給VR系統提供來自用戶的輸入，並允許用戶在虛擬環境中改變自己的位置、視線方向和視野，也允許改變虛擬環境中虛擬物體的位置和方向。而輸出設備是由VR系統把虛擬環境綜合產生的各種感官信息輸出給用戶，使用戶產生一種身臨其境的逼真感。其主要的研究內容包括以下幾個方面：
動態環境建模——虛擬環境的建立是VR系統的核心內容，動態環境建模技術的目的就是獲取實際環境的三維數據，並根據應用的需要建立相應的虛擬環境模型。三維數據的獲取可以採用CAD技術，更多的情況則需採用非接觸式的視覺技術，兩者有機結合可以有效地提高數據獲取的效率。
實時三維圖形生成技術——三維圖形的生成技術已經較為成熟，這里的關鍵是如何實現「實時」生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新頻率不低於15幀/秒，最好高於30幀/秒。
在不降低圖形的質量和復雜程度的前提下，如何提高刷新頻率是該技術的主要內容。
立體顯示和感測器技術——虛擬現實的交互能力依賴於立體顯示和感測器技術的發展，現有的設備遠遠不能滿足需要，比如頭盔式三維立體顯示器有以下缺點：過重（1.5 kg至2kg）、解析度低（圖像質量差）、延遲大（刷新頻率低）、行動不便（有線）、跟蹤精度低、視場不夠寬、眼睛容易疲勞等，因此有必要開發新的三維顯示技術。同樣，數據手套、數據衣服等都有延遲大、解析度低、作用范圍小、使用不便等缺點。另外，力覺和觸覺感測裝置的研究也有待進一步深入，虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高。
應用系統開發工具——虛擬現實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發揮想像力和創造性。選擇適當的應用對象可以大幅度提高生產效率，減輕勞動強度，提高產品質量。為了達到這一目的，必須研究虛擬現實的開發工具，例如VR系統開發平台、分布式虛擬現實技術等。
系統集成技術——由於VR系統中包括大量的感知信息和模型，因此系統集成技術起著至關重要的作用。集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別與合成技術等等。
關鍵技術
虛擬現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、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技術
相比較而言，利用計算機模型產生圖形圖像並不是太難的事情。如果有足夠准確的模型，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境，問題就變得相當困難。
廣角（寬視野）的立體顯示
人看周圍的世界時，由於兩隻眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子里融合起來，就形成了一個關於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系統中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩隻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。有的系統採用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡後，一隻眼睛只能看到奇數幀圖像，另一隻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：在人造環境中，每個物體相對於系統的坐標系都有一個位置與姿態，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實頭套：在傳統的計算機圖形技術中，視場的改變是通過滑鼠或鍵盤來實現的，用戶的視覺系統和運動感知系統是分離的，而利用頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統和運動感知系統之間就可以聯系起來，感覺更逼真。另一個優點是，用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認識環境，而且可以通過頭部的運動去觀察環境。
在用戶與計算機的交互中，鍵盤和滑鼠是目前最常用的工具，但對於三維空間來說，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滑鼠的平面運動映射成三維空間的任意運動。現在，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異的設備是數據手套和數據衣。
立體聲
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的，所以會有一種方向感。現實生活里，當頭部轉動時，聽到的聲音的方向就會改變。但目前在VR系統中，聲音的方向與用戶頭部的運動無關。
觸覺與力覺反饋
在一個VR系統中，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，並有可能穿過虛擬杯子的「表面」，而這在現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。
語音輸入輸出
在VR系統中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環境能聽懂人的語言，並能與人實時交互。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，連續語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，同一詞、同一字的發音受前後詞、字的影響，不僅不同人說同一詞會有所不同，就是同一人發音也會受到心理、生理和環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，為便於計算機理解，輸入的語音可能會相當羅嗦。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。
代表性設備
在VR系統中，有許多有趣的、功能不同的專用設備，下面選一些代表性的設備加以介紹。
BOOM可移動式顯示器：它是一種半投入式視覺顯示設備。使用時，用戶可以把顯示器方便地置於眼前，不用時可以很快移開。BOOM使用小型的陰極射線管，產生的像素數遠遠小於液晶顯示屏，圖像比較柔和，解析度為1280×1024像素，彩色圖像。
數據手套：數據手套是一種輸入裝置，它可以把人手的動作轉化為計算機的輸入信號。它由很輕的彈性材料構成。該彈性材料緊貼在手上，同時附著許多位置、方向感測器和光纖導線，以檢測手的運動。光纖可以測量每個手指的彎曲和伸展，而通過光電轉換，手指的動作信息可以被計算機識別。
TELETACT手套：它是一種用於觸覺和力覺反饋的裝置，利用小氣袋向手提供觸覺和力覺的刺激。這些小氣袋能被迅速地加壓和減壓。當虛擬手接觸一件虛擬物體時，存儲在計算機里的該物體的力模式被調用，壓縮機迅速對氣袋充氣或放氣，使手部有一種非常精確的觸覺。
數據衣是為了讓VR系統識別全身運動而設計的輸入裝置。數據衣對人體大約50多個不同的關節進行測量，包括膝蓋、手臂、軀乾和腳。通過光電轉換，身體的運動信息被計算機識別。通過BOOM顯示器和數據手套與虛擬現實交互數據衣。
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虛擬現實的本質是人與計算機的通信技術，它幾乎可以支持任何人類活動，適用於任何領域。
較早的虛擬現實產品是圖形模擬器，其概念在60年代被提出，到80年代逐步興起，90年代有產品問世。1992年世界上第一個虛擬現實開發工具問世，1993年眾多虛擬現實應用系統出現，1996年NPS公司使用慣性感測器和全方位踏車將人的運動姿態集成到虛擬環境中。到1999年，虛擬現實技術應用更為廣泛，涉足航天、軍事、通信、醫療、教育、娛樂、圖形、建築和商業等各個領域。專家預測，隨著計算機軟、硬體技術的發展和價格的下降，預計本世紀虛擬現實技術會進入家庭。
VR技術在醫療領域也大有作為。該技術可用於解剖教學、復雜手術過程的規劃，在手術過程中提供操作和信息上的輔助，預測手術結果等。另外，在遠程醫療中，虛擬現實技術也很有潛力。例如在偏遠的山區，通過遠程醫療虛擬現實系統，患者不進城也能夠接受名醫的治療。對於危急病人，還可以實施遠程手術。醫生對病人模型進行手術，他的動作通過衛星傳送到遠處的手術機器人。手術的實際圖像通過機器人上的攝像機傳回醫生的頭盔立體顯示器，並將其和虛擬病人模型進行疊加，為醫生提供有用的信息。美國斯坦福國際研究所已成功研製出遠程手術醫療系統。
在航天領域，VR技術也非常重要。例如，失重是航天飛行中必須克服的困難，因為在失重情況下對物體的運動難以預測。為了在太空中進行精確的操作，需要對宇航員進行長時間的失重模擬訓練。為了逼真地模擬太空中的情景，美國航天局NASA在「哈勃太空望遠鏡的修復和維護」計劃中採用了VR模擬訓練技術。
在訓練中，宇航員坐在一個模擬的具有「載人操縱飛行器」功能並帶有感測裝置的椅子上。椅子上有用於在虛擬空間中作直線運動的位移控制器和用於繞宇航員重心調節宇航員朝向的旋轉控制器。宇航員頭戴立體頭盔顯示器，用於顯示望遠鏡、太空梭和太空的模型，並用數據手套作為和系統進行交互的手段。訓練時宇航員在望遠鏡周圍就可以進行操作，並且通過虛擬手接觸操縱桿來抓住需要更換的「模塊更換儀」。抓住模塊更換儀後，宇航員就可以利用座椅的控制器在太空中飛行。
在對象可視化領域中，VR技術應用的例子是模擬風洞。模擬風洞可以讓用戶看到模擬的空氣流場，使他感到就像真的站在風洞里一樣。虛擬風洞的目的是讓工程師分析多旋渦的復雜三維性和效果、空氣循環區域、旋渦被破壞的亂流等。例如，可以將一個太空梭的CAD模型數據調入模擬風洞進行性能分析。為了分析氣流的模式，可以在空氣流中注入軌跡追蹤物，該追蹤物將隨氣流飄移，並把運動軌跡顯示給用戶。追蹤物可以通過數據手套投降到任意指定的位置，用戶可以從任意視角觀察其運動軌跡。
在軍事領域中，VR技術應用的一個例子是「聯網軍事訓練系統」。在該系統中，軍隊被布置在與實際車輛和指揮中心相同的位置，他們可以看到一個有山、樹、雲彩、硝煙、道路、建築物以及由其他部隊操縱的車輛的模擬戰場。這些由實際人員操作的車輛可以相互射擊，系統利用無線電通信和聲音來加強真實感。系統的每個用戶可以通過環境視點來觀察別人的行動。炮火的顯示極為真實，用戶可以看到被攻擊部隊炸毀的情況。從直升機上看到的場景也非常逼真。這個模擬系統可用來訓練坦克、直升機和進行軍事演習，以及訓練部隊之間的協同作戰能力。
當然，虛擬現實技術的應用遠不止以上這些。隨著計算機技術的進一步發展，虛擬現實與我們的生活將日益密切。
初識VRML
VRML(Virtual Reality Modeling Language，虛擬現實建模語言)是一項和多媒體通訊（Multimedia Communication)、網際網路（Internet）、虛擬現實（Virtual Reality，VR）等領域密切相關的新技術，其基本目標是建立網際網路上的互動式三維多媒體。VRML於1998年1月被正式批准為國際標准（ISO/IEC 14772-1:1997,通常稱為VRML97)，創立了標准化進程的ISO/IEC記錄，它還是第一個用HTML發布的國際標准。
VRML是一種3D交換格式，它定義了當今3D應用中的絕大多數常見概念，諸如變換層級、光源、視點、幾何、動畫、霧、材質屬性和紋理映射等等。VRML的基本目標是確保能夠成為一種有效的3D文件交換格式。
VRML是HTML的3D模型。它把互動式三維能力帶入了萬維網，即VRML是一種可以發布3D網頁的跨平台語言。事實上，三維提供了一種更自然的體驗方式，例如游戲、工程和科學可視化、教育和建築。諸如此類的典型項目僅靠基於網頁的文本和圖像是不夠的，而需要增強交互性、動態效果連續感以及用戶的參與探索，這正是VRML的目標。
VRML提供的技術能夠把三維、二維、文本和多媒體集成為統一的整體。當把這些媒體類型和腳本描述語言（scripting language）以及網際網路的功能結合在一起時，就可能產生一種全新的互動式應用。VRML在支持經典二維桌面模型的同時，把它擴展到更廣闊的時空背景中。
VRML是賽博空間（cyberspace）的基礎。賽博空間的概念是由科幻作家William Gibson提出的。雖然VRML沒有為真正的用戶模擬定義必要的網路和資料庫協議，但是應該看到VRML迅速發展的步伐。作為標准，它必須保持簡單性和可實現性，並在此前提下鼓勵前沿性的試驗和擴展。