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虚拟现实技术的历史与发展
摘要：虚拟现实技术作为一种综合多种科学技术的计算机领域新技术,已经涉及众多研究和应用领域,被认为是21世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。本文介绍了虚拟现实技术的概念、特性以及发展历史和发展趋势，并对虚拟现实技术的应用前景进行展望。
关键词：虚拟现实技术 发展历史 发展趋势
一、虚拟现实的概念和特性
虚拟现实(Virtual Reality，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物[1]。虚拟现实技术作为一种新的技术，主要有三个特性，分别是沉浸性、交互性和构想性。
1.沉浸性，是指利用计算机产生的三维立体图像，让人置身于一种虚拟环境中，就像在真实的客观世界中一样，能给人一种身临其境的感觉。
2.交互性，在计算机生成的这种虚拟环境中，人们可以利用一些传感设备进行交互，感觉就像是在真实客观世界中一样，比如：当用户用手去抓取虚拟环境中的物体时，手就有握东西的感觉，而且可感觉到物体的重量。
3.构想性，虚拟环境可使用户沉浸其中并且获取新的知识，提高感性和理性认识，从而使用户深化概念和萌发新的联想，因而可以说,虚拟现实可以启发人的创造性思维。
二、虚拟现实技术的发展历程
虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段：1963 年以前，蕴涵虚拟现实技术思想的第一阶段；1963年~1972 年，虚拟现实技术的萌芽阶段；1973 年~1989 年，虚拟现实技术概念和理论产生的初步阶段；1990 年至今，虚拟现实技术理论的完善和应用阶段。
第一阶段：虚拟现实技术的前身。虚拟现实技术是对生物在自然环境中的感官和动作等行为的一种模拟交互技术，它与仿真技术的发展是息息相关的。中国古代战国时期的风筝，就是模拟飞行动物和人之间互动的大自然场景，风筝的拟声、拟真、互动的行为是仿真技术在中国的早期应用，它也是中国古代人试验飞行器模型的最早发明。西方人利用中国古代风筝原理发明了飞机，发明家 Edwin A. Link 发明了飞行模拟器，让操作者能有乘坐真正飞机的感觉。1962 年，Morton Heilig的“全传感仿真器”的发明，就蕴涵了虚拟现实技术的思想理论。这三个较典型的发明，都蕴涵了虚拟现实技术的思想，是虚拟现实技术的前身。
第二阶段：虚拟现实技术的萌芽阶段。1968 年美国计算机图形学之父 Ivan Sutherlan 开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器 HMD 及头部位置跟踪系统，是虚拟现实技术发展史上一个重要的里程碑。此阶段也是虚拟现实技术的探索阶段，为虚拟现实技术的基本思想产生和理论发展奠定了基础。
第三阶段：虚拟现实技术概念和理论产生的初步阶段。这一时期出现了 VIDEOPLACE 与 VIEW两个比较典型的虚拟现实系统。由 M.W.Krueger 设计的 VIDEOPLACE系统，将产生一个虚拟图形环境，使参与者的图像投影能实时地响应参与者的活动。由 M.MGreevy 领导完成的VIEW 系统，在装备了数据手套和头部跟踪器后，通过语言、手势等交互方式，形成虚拟现实系统。
第四阶段：虚拟现实技术理论的完善和应用阶段。在这一阶段虚拟现实技术从研究型阶段转向为应用型阶段，广泛运用到了科研、航空、医学、军事等人类生活的各个领域中，如美军开发的空军任务支援系统和海军特种作战部队计划和演习系统，对虚拟的军事演习也能达到真实军事演习的效果，浙江大学开发的虚拟故宫虚拟建筑环境系统和 CAD&CG国家重点实验室开发出桌面虚拟建筑环境实时漫游系统，北京航空航天大学开发的虚拟现实与可视化新技术研究室的虚拟环境系统。
三、虚拟现实技术发展趋势
虚拟现实技术是高度集成的技术,涵盖计算机软硬件、传感器技术、立体显示技术等。虚拟现实技术的研究内容大体上可分为虚拟现实技术本身的研究和虚拟现实技术应用的研究两大类。根据虚拟现实所倾向的特征的不同,目前虚拟现实系统主要划分为四个层次:即桌面式、增强式、沉浸式和网络分布式虚拟现实。虚拟现实技术的实质是构建一种人能够与之进行自由交互的“世界”,在这个“世界”中参与者可以实时地探索或移动其中的对象。沉浸式虚拟现实是最理想的追求目标,实现的主要方式主要是戴上特制的头盔显示器、数据手套以及身体部位跟踪器,通过听觉、触觉和视觉在虚拟场景中进行体验。桌面式虚拟现实系统被称为“窗口仿真”,尽管有一定的局限信息技术与信息化人机交互性,但由于成本低廉而仍然得到了广泛应用。增强式虚拟现实系统主要用来为一群戴上立体眼镜的人观察虚拟环境,性能介于以上两者之间,也成为开发的热点之一。总体上看,纵观多年来的发展历程,虚拟现实技术的未来研究仍将遵循“低成本、高性能”这一原则,从软件、硬件上展开,并将在以下主要方向发展:
1、动态环境建模技术
虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容,动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据需要建立相应的虚拟环境模型。
2、实时三维图形生成和显示技术
三维图形的生成技术已比较成熟,而关键是如何“实时生成”,在不降低图形的质量和复杂程度的前提下,如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外,虚拟现实还依赖于立体显示和传感器技术的发展,现有的虚拟设备还不能满足系统的需要,有必要开发新的三维图形生成和显示技术。
3、适人化、智能化人机交互设备的研制
虽然头盔和数据手套等设备能够增强沉浸感,但在实际应用中,它们的效果并不好,并未达到沉浸交互的目的。采用人类最为自然的视觉、听觉、触觉和自然语言等作为交互的方式,会有效地提高虚拟现实的交互性效果。
4、大型网络分布式虚拟现实的研究与应用
网络虚拟现实是指多个用户在一个基于网络的计算机集合中,利用新型的人机交互设备介入计算机产生多维的、适用于用户(即适人化)应用的、相关的虚拟情景环境。分布式虚拟环境系统除了满足复杂虚拟环境计算的需求外,还应满足分布式仿真与协同工作等应用对共享虚拟环境的自然需求。分布式虚拟现实系统必须支持系统中多个用户、信息对象之间通过消息传递实现的交互。分布式虚拟现实可以看作是基于网络的虚拟现实系统,是可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境,处于不同地理位置的用户如同进入到同一个真实环境中。目前,分布式虚拟现实系统已成为国际上的研究热点,相继推出了相关标准,在国家“八六三”计划的支持下,由北京航空航天大学、浙江大学、中国科学院计算所、中国科学院软件所和装甲兵工程学院等单位共同开发了一个分布虚拟环境基础信息平台,为我国开展分布式虚拟现实的研究提供了必要的网络平台和软硬件基础环境。
四、总结
虚拟现实技术正如火如荼的发展，在很多领域例如军事、考古、娱乐、教育培训、工业制造、农业方面都有很广阔的发展前景。随着计算机技术的不断发展和完善，相信在不久的将来虚拟现实技术在以上领域会得到更广泛的运用，让人们的生活更加方便。

参考文献
[1]郭巍.信息与电脑(理论版).中国学术期刊（光盘版）电子杂志社,2010(5)
[2]王梅艳. 虚拟现实技术的历史与未来[J].中国现代教育装备,2007,(1)：108-110
[3]许微.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J].现代贸易工业,2009(2)：279-280
[4]李志文,韩晓玲. 虚拟现实技术研究现状及未来发展[J]. 信息技术与信息化,2005,(3):94-96