虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展
 
　
　
 汪祖媛 莊鎮(zhèn)泉

電子科學(xué)與技術(shù)系 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 230026
 
　
　
 摘要： 本文全面回顧了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展歷史和研究背景，介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的構(gòu)成和技術(shù)特點，分析了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在遙現(xiàn)技術(shù)、仿真技術(shù)、對象可視化技術(shù)等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，并重點論述了分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展前景。
 
　
　
 關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實 虛擬環(huán)境 分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)
　
　
 　

虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介
　

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality），又稱靈境技術(shù)，是90年代為科學(xué)界和工程界所關(guān)注的技術(shù)。它的興起，為人機交互界面的發(fā)展開創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域；為智能工程的應(yīng)用提供了新的界面工具；為各類工程的大規(guī)模的數(shù)據(jù)可視化提供了新的描述方法。這種技術(shù)的特點在于，計算機產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過計算機圖形構(gòu)成的三度空間，或是把其它現(xiàn)實環(huán)境編制到計算機中去產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，從而使得用戶在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。這種技術(shù)的應(yīng)用，改進了人們利用計算機進行多工程數(shù)據(jù)處理的方式，尤其在需要對大量抽象數(shù)據(jù)進行處理時；同時，它在許多不同領(lǐng)域的應(yīng)用，可以帶來巨大的經(jīng)濟效益。

1．虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展概述〖1〗

1965年，Sutherland在篇名為<<終極的顯示>>的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，從此，人們正式開始了對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究探索歷程。

隨后的1966年，美國MIT的林肯實驗室正式開始了頭盔式顯示器的研制工作。在這第一個HMD的樣機完成不久，研制者又把能模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個系統(tǒng)中。1970年，出現(xiàn)了第一個功能較齊全的HMD系統(tǒng)?；趶?0年代以來所取得的一系列成就，美國的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一詞。

80年代，美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，并取得了令人矚目的研究成果，從而引起了人們對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛關(guān)注。1984年，NASA Ames研究中心虛擬行星探測實驗室的M.McGreevy 和J.Humphries博士組織開發(fā)了用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器，將火星探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計算機，為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。在隨后的虛擬交互環(huán)境工作站（VIEW）項目中，他們又開發(fā)了通用多傳感個人仿真器和遙現(xiàn)設(shè)備。

進入90年代，迅速發(fā)展的計算機硬件技術(shù)與不斷改進的計算機軟件系統(tǒng)相匹配，使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖象的實時動畫制作成為可能；人機交互系統(tǒng)的設(shè)計不斷創(chuàng)新，新穎、實用的輸入輸出設(shè)備不斷地進入市場。而這些都為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。例如1993年的11月，宇航員利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)成功地完成了從航天飛機的運輸艙內(nèi)取出新的望遠鏡面板的工作，而用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計波音777獲得成功，是近年來引起科技界矚目的又一件工作?？梢钥闯觯且驗樘摂M現(xiàn)實系統(tǒng)極其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如娛樂、軍事、航天、設(shè)計、生產(chǎn)制造、信息管理、商貿(mào)、建筑、醫(yī)療保險、危險及惡劣環(huán)境下的遙操作、教育與培訓(xùn)、信息可視化以及遠程通訊等，人們對迅速發(fā)展中的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的廣闊應(yīng)用前景充滿了憧憬與興趣。

2．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

計算機的發(fā)展提供了一種計算工具和分析工具，并因此導(dǎo)致了許多解決問題的新方法的產(chǎn)生。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展也同樣如此，就虛擬現(xiàn)實本身而言，它主要涉及到三個研究領(lǐng)域：

通過計算機圖形方式建立實時的三維視覺效果；
建立對虛擬世界的觀察界面；
使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)加強諸如科學(xué)計算技術(shù)等方面的應(yīng)用。
 虛擬現(xiàn)實的有關(guān)技術(shù)特征及構(gòu)成
從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實就是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供諸如

視、聽、觸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，從而減輕用戶的負擔(dān)、提高整個系統(tǒng)的工作效率。

1．虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要技術(shù)特征〖2〗

虛擬現(xiàn)實的定義可以歸納如下：虛擬現(xiàn)實是利用計算機生成一種模擬環(huán)境（如飛機駕駛艙、操作現(xiàn)場等），通過多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)因此具有以下四個重要特征：

多感知性
所謂多感知性就是說除了一般計算機所具有的視覺感知外，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(xiàn)實就是應(yīng)該具有人所具有的感知功能。

II．存在感

又稱臨場感，它是指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達到使用戶難以分辨真假的程度。

III交互性

交互性是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)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環(huán)境中的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視場中的物體也隨著手的移動而移動。

IV．自主性

是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度。例如，當受到力的推動時，物體會向力的方向移動、或翻倒、或從桌面落到地面等。

2．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的模型表示如圖（2）。用戶通過傳感裝置直接對虛擬環(huán)境進行操作，并得到實時三維顯示和其它 反饋信息（如觸覺、力覺反饋等）。當系統(tǒng)與外部世界通過傳感裝置構(gòu)成反饋閉環(huán)時，在用戶的控制下，用戶與虛擬環(huán)境間的交互可以對外部世界產(chǎn)生作用（如遙操作等）。

　
 　

虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介
　

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality），又稱靈境技術(shù)，是90年代為科學(xué)界和工程界所關(guān)注的技術(shù)。它的興起，為人機交互界面的發(fā)展開創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域；為智能工程的應(yīng)用提供了新的界面工具；為各類工程的大規(guī)模的數(shù)據(jù)可視化提供了新的描述方法。這種技術(shù)的特點在于，計算機產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過計算機圖形構(gòu)成的三度空間，或是把其它現(xiàn)實環(huán)境編制到計算機中去產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，從而使得用戶在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。這種技術(shù)的應(yīng)用，改進了人們利用計算機進行多工程數(shù)據(jù)處理的方式，尤其在需要對大量抽象數(shù)據(jù)進行處理時；同時，它在許多不同領(lǐng)域的應(yīng)用，可以帶來巨大的經(jīng)濟效益。

1．虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展概述〖1〗

1965年，Sutherland在篇名為<<終極的顯示>>的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，從此，人們正式開始了對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究探索歷程。

隨后的1966年，美國MIT的林肯實驗室正式開始了頭盔式顯示器的研制工作。在這第一個HMD的樣機完成不久，研制者又把能模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個系統(tǒng)中。1970年，出現(xiàn)了第一個功能較齊全的HMD系統(tǒng)?；趶?0年代以來所取得的一系列成就，美國的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一詞。

80年代，美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，并取得了令人矚目的研究成果，從而引起了人們對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛關(guān)注。1984年，NASA Ames研究中心虛擬行星探測實驗室的M.McGreevy 和J.Humphries博士組織開發(fā)了用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器，將火星探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計算機，為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。在隨后的虛擬交互環(huán)境工作站（VIEW）項目中，他們又開發(fā)了通用多傳感個人仿真器和遙現(xiàn)設(shè)備。

進入90年代，迅速發(fā)展的計算機硬件技術(shù)與不斷改進的計算機軟件系統(tǒng)相匹配，使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖象的實時動畫制作成為可能；人機交互系統(tǒng)的設(shè)計不斷創(chuàng)新，新穎、實用的輸入輸出設(shè)備不斷地進入市場。而這些都為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。例如1993年的11月，宇航員利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)成功地完成了從航天飛機的運輸艙內(nèi)取出新的望遠鏡面板的工作，而用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計波音777獲得成功，是近年來引起科技界矚目的又一件工作?？梢钥闯觯且驗樘摂M現(xiàn)實系統(tǒng)極其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如娛樂、軍事、航天、設(shè)計、生產(chǎn)制造、信息管理、商貿(mào)、建筑、醫(yī)療保險、危險及惡劣環(huán)境下的遙操作、教育與培訓(xùn)、信息可視化以及遠程通訊等，人們對迅速發(fā)展中的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的廣闊應(yīng)用前景充滿了憧憬與興趣。

2．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

計算機的發(fā)展提供了一種計算工具和分析工具，并因此導(dǎo)致了許多解決問題的新方法的產(chǎn)生。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展也同樣如此，就虛擬現(xiàn)實本身而言，它主要涉及到三個研究領(lǐng)域：

通過計算機圖形方式建立實時的三維視覺效果；
建立對虛擬世界的觀察界面；
使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)加強諸如科學(xué)計算技術(shù)等方面的應(yīng)用。
圖（1）表示的是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)領(lǐng)域的組成示意圖。

 

圖（1）虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)領(lǐng)域的組成示意圖

　

虛擬現(xiàn)實的有關(guān)技術(shù)特征及構(gòu)成
從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實就是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供諸如

視、聽、觸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，從而減輕用戶的負擔(dān)、提高整個系統(tǒng)的工作效率。

1．虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要技術(shù)特征〖2〗

虛擬現(xiàn)實的定義可以歸納如下：虛擬現(xiàn)實是利用計算機生成一種模擬環(huán)境（如飛機駕駛艙、操作現(xiàn)場等），通過多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)因此具有以下四個重要特征：

多感知性
所謂多感知性就是說除了一般計算機所具有的視覺感知外，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(xiàn)實就是應(yīng)該具有人所具有的感知功能。

II．存在感

又稱臨場感，它是指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達到使用戶難以分辨真假的程度。

III交互性

交互性是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)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環(huán)境中的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視場中的物體也隨著手的移動而移動。

IV．自主性

是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度。例如，當受到力的推動時，物體會向力的方向移動、或翻倒、或從桌面落到地面等。

2．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的模型表示如圖（2）。用戶通過傳感裝置直接對虛擬環(huán)境進行操作，并得到實時三維顯示和其它 反饋信息（如觸覺、力覺反饋等）。當系統(tǒng)與外部世界通過傳感裝置構(gòu)成反饋閉環(huán)時，在用戶的控制下，用戶與虛擬環(huán)境間的交互可以對外部世界產(chǎn)生作用（如遙操作等）。

　

　

圖（2）虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的模型

　

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要由以下六個模塊構(gòu)成
 檢測模塊：檢測用戶的操作命令，并通過傳感器模塊作用于虛擬環(huán)境。
 反饋模塊：接受來自傳感器模塊信息，為用戶提供實時反饋。
 傳感器模塊：一方面接受來自用戶的操作命令，并將其作用于虛擬環(huán)境；另一方面
     將操作后產(chǎn)生的結(jié)果以各種反饋的形式提供給用戶。

   控制模塊：對傳感器進行控制，使其對用戶、虛擬環(huán)境和現(xiàn)實世界產(chǎn)生作用。
 建模模塊：獲取現(xiàn)實世界組成部分的三維表示，并由此構(gòu)成對應(yīng)的虛擬環(huán)境。

現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
　

虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)可以包括以下幾個方面：〖3〗

（1）動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心內(nèi)容。動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù)（有規(guī)則的環(huán)境），而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術(shù)，兩者的有機結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。

　

（2）實時三維圖形生成技術(shù)

三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其關(guān)鍵是如何實現(xiàn)“實時”生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15楨/秒，最好是高于30楨/秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術(shù)的研究內(nèi)容。

　

（3）立體顯示和傳感器技術(shù)

虛擬現(xiàn)實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實還遠遠不能滿足系統(tǒng)的需要，例如，數(shù)據(jù)手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點；虛擬現(xiàn)實設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高，因此有必要開發(fā)新的三維顯示技術(shù)。

　

（4）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具

虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當?shù)膽?yīng)用對象可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動強度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。為了達到這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具。例如，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)平臺、分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)等。

　

系統(tǒng)集成技術(shù)
由于虛擬現(xiàn)實中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的

作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識別和合成技術(shù)等等。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景是很廣闊的。它可應(yīng)用于建模與仿真、科學(xué)計算可視化、設(shè)

計與規(guī)劃、教育與訓(xùn)練、遙作與遙現(xiàn)、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)與娛樂等多個方面。下面我們分別討論幾個典型的應(yīng)用例子。

用于遙控機器人的遙現(xiàn)技術(shù)
遙現(xiàn)技術(shù)〖4〗是指當實際上在某一個地方時，可以產(chǎn)生在另一個地方的感覺。虛擬現(xiàn)實

涉及到體驗由計算機產(chǎn)生的三維虛擬環(huán)境，而遙現(xiàn)則涉及到體驗一個遙遠的真實環(huán)境。遙現(xiàn)技術(shù)在實際應(yīng)用中需要虛擬環(huán)境的指導(dǎo)。例如，在遙控宇宙空軍站的開發(fā)計劃中，從安全性以及費用的角度考慮，我們有必要使用空間機器人。這種空間機器人的特點是由地面上的操作員進行遙操作，或進行部分自主操作。對于像零件更換的固定操作可以完全自主進行，而對于故障檢修等難以預(yù)測的操作則有必要依賴于遙操作。這時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)和遙現(xiàn)技術(shù)將發(fā)揮重要的作用。為研究新一代空間機器人的遙操作技術(shù)，日本開發(fā)了宇宙開發(fā)地面實驗平臺。該實驗平臺有人－機交互、計算機系統(tǒng)以及機器人系統(tǒng)所構(gòu)成。現(xiàn)在，在該實驗平臺上進行了零件更換等空間機器人的典型操作實驗，實現(xiàn)了實驗平臺的基本功能。

仿真技術(shù)
虛擬環(huán)境是計算機生成的具有沉浸感的環(huán)境，它對參與者生成諸如視覺、聽覺、觸覺、

味覺等各種感官信息，給參與者一種身臨其境的感覺。因此，虛擬環(huán)境是一種新發(fā)展的、具有新含義的一種人機交互系統(tǒng)。

飛行仿真系統(tǒng)
飛行仿真系統(tǒng)由四部分組成，即飛行員的操縱艙系統(tǒng)顯示外部圖象的視覺系統(tǒng)產(chǎn)生運動感的運動系統(tǒng)計算和控制飛行運動的計算機系統(tǒng)。

計算機系統(tǒng)是飛行仿真系統(tǒng)的中樞，用它來計算飛行的運動、控制儀表及指示燈、駕駛桿等信號。視覺系統(tǒng)和運動系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實密切相關(guān)，其中，視覺系統(tǒng)向飛行員提供外界的視覺信息。該系統(tǒng)由產(chǎn)生視覺圖象的“圖象產(chǎn)生部”和將產(chǎn)生的信號提供給飛行員的“視覺顯示部”組成。在圖象產(chǎn)生部，隨著計算機圖形學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在使用稱為CGI（Computer Generated Imagery）的視覺產(chǎn)生裝置。在CGI中利用紋理圖形駕駛可以產(chǎn)生云彩、海面的波浪等效果。另外，利用圖象映射駕駛可以從航空照片上將農(nóng)田以及城市分離出來，并作為圖象數(shù)據(jù)加以利用。視覺顯示部向飛行員提供具有真實感的圖象，圖象的顯示有無限遠顯示方式、廣角方式、半球方式以及立體眼鏡和頭盔式顯示器等四種方式。

作為飛行仿真系統(tǒng)的構(gòu)成部分，運動系統(tǒng)向飛行員提供一種身體感覺，它使得駕駛艙整體產(chǎn)生運動，根據(jù)自由度以及驅(qū)動方式的不同，可以分為萬向方式、共動型吊掛方式、共動型支撐方式以及共動型六自由度方式等。利用該運動系統(tǒng)，飛行員可以感覺到實際飛機一樣的運動感覺。

與虛擬生物對話
研究人員設(shè)計了一種與虛擬生物對話的仿真系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，虛擬世界中的虛擬生物和現(xiàn)實世界中的生物一樣，可以決定自己的行動，并且能夠動態(tài)地應(yīng)付周圍的情況。對于人的挑逗也能夠根據(jù)情況的不同作出各種復(fù)雜的反應(yīng)，甚至能夠進行對話。通過引進虛擬生物，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的自主性、交互性及其自然的魅力。

作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)
各個國家在傳統(tǒng)上習(xí)慣于通過舉行實戰(zhàn)演習(xí)來訓(xùn)練軍事人員和士兵，但是這種實戰(zhàn)演練，特別是大規(guī)模的軍事演習(xí)，將耗費大量資金和軍用物資，安全性差，而且還很難在實戰(zhàn)演習(xí)條件下改變狀態(tài)，來反復(fù)進行各種戰(zhàn)場態(tài)勢下的戰(zhàn)術(shù)和決策研究。近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，使得軍事演習(xí)在概念上和方法上有了一個新的飛躍，即通過建立虛擬戰(zhàn)場來檢驗和評估武器系統(tǒng)的性能。例如一種虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，它能夠包括在地面行進的坦克和裝甲車，在空中飛行的直升機、殲擊機、導(dǎo)彈等多種武器平臺，并分別屬于紅、蘭交戰(zhàn)雙方。圖（4）為一多機空仿真系統(tǒng)，它除了多臺有人駕駛的飛機模擬器和“數(shù)字”飛機外，在網(wǎng)上還連著地面威脅環(huán)境、空中威脅環(huán)境、背景干擾環(huán)境等結(jié)點。該系統(tǒng)的主要研究目的是對飛機的飛行、火控、航空電子系統(tǒng)進行綜合研究，同時研究多機協(xié)同空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)。

對象可視化技術(shù)〖5〗
虛擬風(fēng)洞
在科學(xué)研究中，人們總會面對大量的隨機數(shù)據(jù)，為了從中得到有價值的規(guī)律和結(jié)論，需要對這些數(shù)據(jù)進行認真分析。例如，為了設(shè)計出阻力小的機翼，人們必須詳細分析機翼的空氣動力學(xué)特性。因此人們發(fā)明了風(fēng)洞實驗方法，通過使用煙霧氣體使得人們可以用肉眼直接觀察到氣體與機翼的作用情況，因而大大提高了人們對機翼的動力學(xué)特性的了解。虛擬風(fēng)洞的目的是讓工程師分析多旋渦的復(fù)雜三維性質(zhì)和效果、空氣循環(huán)區(qū)域、旋渦被破壞時的亂流等，而這些分析利用通常的數(shù)據(jù)仿真是很難可視化的。

虛擬物理實驗室
在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生總有許許多多的疑問有待解答。虛擬物理實驗室〖8〗的設(shè)計使得學(xué)生可以通過親身實踐―做、看、聽來學(xué)習(xí)的方式成為可能。使用該系統(tǒng)，學(xué)生們可以很容易的演示和控制力的大小、物體的形變與非形變碰撞、摩擦系數(shù)等物理現(xiàn)象。為了顯示物體的運動軌跡，可以對不同大小和質(zhì)量的運動物體進行軌跡追蹤。還可以停止時間的推移，以便仔細觀察隨時間變化的現(xiàn)象。學(xué)生可以通過使用數(shù)據(jù)手套與系統(tǒng)進行各種交互。

虛擬電力控制室
在現(xiàn)行的電力控制室的設(shè)計中，控制臺以及顯示器的設(shè)計一般是用和實物同等大小的模型。研究人員使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)研制了一個輔助設(shè)計控制室的系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)可以自由地改變控制室內(nèi)的配色、照明、報警、顯示器的畫面構(gòu)成，以及各種儀表的配置等室內(nèi)環(huán)境。另外，用戶還可以在室內(nèi)移動，以便從不同方向觀察室內(nèi)情況。

現(xiàn)在人們正在研究將圖形與實際圖象進行融合的系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)可以用虛擬空間監(jiān)視遠方的現(xiàn)場，也可以給用戶一種自由往返于虛擬空間和遠方現(xiàn)場的感覺。但是，目前還沒有合適的輸出裝置。相信這種需要必將會促進虛擬現(xiàn)實技術(shù)中硬件裝置的研制。

　

分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)
近幾十年來，計算機、通訊技術(shù)的同步發(fā)展和相互促進成為全世界信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)飛

速發(fā)展的主要特征。特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速崛起，使得信息應(yīng)用系統(tǒng)在深度和廣度上發(fā)生了本質(zhì)性的變化，分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（DVR）即是一個較為典型的實例〖6〗。所謂DVR是指一個支持多人實時通過網(wǎng)絡(luò)進行交互的軟件系統(tǒng)，每個用戶在一個虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，通過計算機與其它用戶進行交互，并共享信息。下面我們分幾個方面加以介紹。

分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展
分布式虛擬現(xiàn)實的研究開發(fā)工作可追溯到80年代初。如1983年美國國防部（DOD）

制定了SIMENT的研究計劃；1985年SGI公司開發(fā)成功了網(wǎng)絡(luò)VR游戲DogFlight。到了90年代，一些著名大學(xué)和研究所的研究人員也開展了對分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究工作，并陸續(xù)推出了多個實驗性DVR系統(tǒng)或開發(fā)環(huán)境，典型的例子有美國NPS開發(fā)的NPSNET（1990）、美國斯坦福大學(xué)的PARADISE/Inverse系統(tǒng)（1992）、瑞典計算機科學(xué)研究所的DIVE（1993）、新加坡國立大學(xué)的BrickNet（1994）、加拿大Albert大學(xué)的MR工具庫（1993）及英國Nottingham大學(xué)的AVIARY（1994）。

模型結(jié)構(gòu)
　

分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境，在這個環(huán)境中，位于不同物理環(huán)境位置的多個用戶或多個虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)結(jié)。根據(jù)分布式系統(tǒng)環(huán)境下所運行的共享應(yīng)用系統(tǒng)的個數(shù)，可把DVR系統(tǒng)分為集中式結(jié)構(gòu)和復(fù)制式結(jié)構(gòu)。集中式結(jié)構(gòu)是只在中心服務(wù)器上運行一份共享應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以是會議代理或?qū)υ捁芾磉M程。中心服務(wù)器的作用是對多個參加者的輸入/輸出操縱進行管理，允許多個參加者信息共享。它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，但對網(wǎng)絡(luò)通信帶寬有較高的要求，并且高度依賴于中心服務(wù)器。

復(fù)制式結(jié)構(gòu)是在每個參加者所在的機器上復(fù)制中心服務(wù)器，這樣每個參加者進程都有一份共享應(yīng)用系統(tǒng)。服務(wù)器接收來自于其它工作站的輸入信息，并把信息傳送到運行在本地機上的應(yīng)用系統(tǒng)中，由應(yīng)用系統(tǒng)進行所需的計算并產(chǎn)生必要的輸出。它的優(yōu)點是所需網(wǎng)絡(luò)帶寬較小。另外，由于每個參加者只與應(yīng)用系統(tǒng)的局部備份進行交互，所以，交互式響應(yīng)效果好。但它比集中式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在維護共享應(yīng)用系統(tǒng)中的多個備份的信息或狀態(tài)一致性方面比較困難。

3．DVR的網(wǎng)絡(luò)通信

我們在設(shè)計和實現(xiàn)DVR系統(tǒng)時，必須考慮以下網(wǎng)絡(luò)通信因素：

帶寬 網(wǎng)絡(luò)帶寬是虛擬世界大小和復(fù)雜度的一個決定因素。當參加者增加時，帶
寬需求也隨著增加。這個問題在局域網(wǎng)中并不突出，但在廣義網(wǎng)上，帶寬通常限制為1.5Mbps，而通過Internet訪問的潛在用戶數(shù)目卻比較大。

分布機制 它直接影響系統(tǒng)的可擴充性。常用的消息發(fā)布方法為廣播、多播和單
播。其中，多播機制允許任意大小的組在網(wǎng)上進行通信，它能為遠程會議系統(tǒng)和分布式仿真類的應(yīng)用系統(tǒng)提供1－多和多－多的消息發(fā)布服務(wù)。

延遲 影響虛擬環(huán)境交互和動態(tài)特性的因素是延遲。如果要使分布式環(huán)境仿真真
實世界，則必須實時操作，從而增加真實感。對于DVR系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)延遲可以通過使用專用聯(lián)結(jié)、對路由器和交換技術(shù)進行改進、快速交換接口和計算機等來縮減。

可靠性 在增加通信帶寬和減少通信延遲這兩方面進行折衷時，則要考慮通信的
可靠性問題。可靠性由具體的應(yīng)用需求來決定。有些協(xié)議有較高的可靠性，但傳輸速度慢，反之亦然。

　

分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的多協(xié)議模型
由于在DVR系統(tǒng)中需要交換的信息種類很多，單一的通信協(xié)議已不能滿足要求，這時

就需要開發(fā)多種協(xié)議，以保證在DVR系統(tǒng)中進行有效的信息交換。協(xié)議可以包括：聯(lián)結(jié)管理協(xié)議、導(dǎo)航控制協(xié)議、幾何協(xié)議、動畫協(xié)議、仿真協(xié)議、交互協(xié)議和場景管理協(xié)議等。在使用過程中，可以根據(jù)不同的用戶程序類型，組合使用以上多種協(xié)議.

　

 

分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用
分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在遠程教育、科學(xué)計算可視化、工程技術(shù)、建筑、電子商務(wù)、交

互式娛樂、藝術(shù)等領(lǐng)域都有著極其廣泛的應(yīng)用前景。利用它可以創(chuàng)建多媒體通信、設(shè)計協(xié)作系統(tǒng)、實境式電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)游戲、虛擬社區(qū)全新的應(yīng)用系統(tǒng)。典型的應(yīng)用領(lǐng)域有：

教育應(yīng)用
把分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)用于建造人體模型、電腦太空旅游、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等領(lǐng)域，由于數(shù)據(jù)更加逼真，大大提高了人們的想象力、激發(fā)了受教育者的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果十分顯著。同時，隨著計算機技術(shù)、心理學(xué)、教育學(xué)等多種學(xué)科的相互結(jié)合、促進和發(fā)展，系統(tǒng)因此能夠提供更加協(xié)調(diào)的人機對話方式，

工程應(yīng)用
當前的工程很大程度上要依賴于圖形工具，以便直觀地顯示各種產(chǎn)品，目前，CAD/CAM已經(jīng)成為機械、建筑等領(lǐng)域必不可少的軟件工具。分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用將使工程人員能通過全球網(wǎng)或局域網(wǎng)按協(xié)作方式進行三維模型的設(shè)計、交流和發(fā)布，從而進一步提高生產(chǎn)效率并削減成本。

商業(yè)應(yīng)用
對于那些期望與顧客建立直接聯(lián)系的公司，尤其是那些在他們的主頁上向客戶發(fā)送電子廣告的公司，Internet具有特別的吸引力。分布式虛擬系統(tǒng)的應(yīng)用有可能大幅度改善顧客購買商品的經(jīng)歷。例如，顧客可以訪問虛擬世界中的商店，在那里挑選商品，然后通過Internet辦理付款手續(xù)，商店則及時把商品送到顧客手中。

娛樂應(yīng)用
娛樂領(lǐng)域是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。它能夠提供更為逼真的虛擬環(huán)境，從而使人們能夠享受其中的樂趣，帶來更好的娛樂感覺。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進一步展望
正如其它新興科學(xué)技術(shù)一樣，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。

它的研究內(nèi)容涉及到人工智能、計算機科學(xué)、電子學(xué)、傳感器、計算機圖形學(xué)、智能控制、心理學(xué)等〖7〗。我們必須清醒地認識到，雖然這個領(lǐng)域的技術(shù)潛力是巨大的，應(yīng)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(shù)障礙?？陀^而論，目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)所取得的成就，絕大部分還僅僅限于擴展了計算機的接口能力，僅僅是剛剛開始涉及到人的感知系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)與計算機的結(jié)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并找到對這些問題的技術(shù)實現(xiàn)途徑時，人和信息處理系統(tǒng)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(xiàn)實系統(tǒng)成為一種對多維信息處理的強大系統(tǒng)，成為人進行思維和創(chuàng)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。