虚拟现实基本组成和特征介绍

虚拟现实的概念

虚拟现实 （virtual reality，简称 VR ） 或称虚拟环境 （virtual environment），是一种逼真 的视、听、触觉一体化的计算机生成环境，用户可以借助必要的装备以自然的方式与虚拟环 境中的物体进行交互作用、相互影响，从而获得亲临等同真实环境的感受和体验。虚拟现实 = virtual + reality。

虚拟现实方法是将计算科学处理对象统一看作一个计算机生成空间（虚拟空间或虚拟环 境），并将操作它的人看作是这个空间的一个组成部分（man-in-the-loop）。

人与计算机空间 的对象之间的交互是通过各种先进的感知技术与显示技术（即虚拟现实技术）完成。人可以 感受到虚拟环境中的对象，虚拟环境也可以感受到人对它的各种操作（类似于人与真实世界 的交互方式）。

虚拟现实的主要实现方法是借助必要的装备，实现人与虚拟环境之间的信息 转换，最终实现人与环境之间的自然交互与作用。

虚拟现实系统的基本组成

一个虚拟现实系统一般至少包括四个基本的组成成分：输入、仿真、输出（修饰）和数 据库。每一部分都需要实时处理，否则响应时间的延时会减弱虚拟现实的临场感。 输入过程完成向虚拟现实系统输入信息的任务，主要设备包括：键盘、鼠标、跟踪球、 游戏杆、数据手套、头部跟踪器和数据衣等。输入过程主要完成了实物虚化的任务。

一般说来虚拟环境是一个动态变化的环境，仿真的目的是根据某些理论或物理规律确定 虚拟环境在每一时刻的状态，包括物体的位置、方向、变形、分解与聚合。仿真过程一般是 一个离散的过程，它以一定的时间间隔更新虚拟环境中每个物体的状态，这种更新可以根据 真实的或假想的物理规律进行，也可以根据预先定义好的脚本进行。

输出（修饰）过程完成显示任务，这里的显示不仅仅包括图像的显示，还包括声音、触 觉乃至味觉的“显示”，即根据虚拟环境的当前状态，生成虚拟环境对用户的视觉、听觉、 触觉和味觉等多种感知，将虚拟环境“显示”给用户。这个过程是一个虚物实化的过程。

数据库则记录了虚拟环境的当前状态。

虚拟现实的三个特征

（1）沉浸感

沉浸感（immersion）是指参与者对虚拟现实的融入程度，即参与者全身心地沉浸于计 算机所生成的三维虚拟环境，具有很好的临场感，并产生身临其境的感觉。虚拟现实的沉浸 感来源于对虚拟世界的多感知性，常见的有视觉感知、听觉感知、力觉感知、味觉感知、嗅 觉感知和身体感觉等。从理论上来说，虚拟现实系统应具备人在现实客观世界中具有 所有 感知功能。 例如：参与者在“西北利亚之旅”的虚拟现实系统中，就好像坐在旅游的汽车上，观看 窗外的情景一样，具有很好的临场效果。

（2）交互性

交互性（interaction）是指参与者可以利用各种感官功能及人类自然技能虚拟环境进行 交互考察与操作。在虚拟现实系统中，强调人与虚拟世界之间以自然的方式进行交互，如人 的走动、头的转动、手的移动等方式与虚拟现实系统交互，并借助于虚拟现实系统中特殊的 硬件设备（如数据手套、力反馈设备），实时产生真实世界中一样的感知，甚至连参与者都 意识不到计算机的存在。 例如：参与者可以用手直接抓取虚拟世界中的物体，手可以有触摸感，可以感觉到物体 的重量，能区分所抓取的是石头还是海绵，并且被抓取的物体随手的运动而运动。

（3）构想性

构想性（imagination）是指参与者借助虚拟现实系统给出的逼真视听触觉信号而产生的 对虚拟空间的想象。可以使人类突破时间与空间，去体验世界上早已发生或尚未发生的事件； 可以使人类进入宏观或微观世界进行研究和探索；也可以完成那些因为某些条件限制难以完 成的事情。 例如：在建设一座大楼之前，传统的方法是要画各种图纸，而虚拟现实系统可以进行设 计和仿真，反映设计者的思想。