虛擬現(xiàn)實(shí)（VR-Virtual Reality）,也 稱虛擬實(shí)境或靈境,，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),，它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的、具有視,、聽,、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設(shè)備,，同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用,，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù),。

 

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)傳統(tǒng)的模擬技術(shù)相比,，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征是：操作者能夠真正進(jìn)入一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的交互式三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，與之產(chǎn)生互動(dòng),，進(jìn)行交流,。通過參與者與虛擬仿真環(huán)境的相互作用,，并借助人本身對(duì)所接觸事物的感知和認(rèn)知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維,，以全方位地獲取虛擬環(huán)境所蘊(yùn)涵的各種空間信息和邏輯信息,。

 

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)烈的市場需求和技術(shù)驅(qū)動(dòng),。權(quán)威人士斷言，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將是21世紀(jì)信息技術(shù)的代表,。它的發(fā)展,，不僅從根本上改變?nèi)藗兊墓ぷ鞣绞胶蜕罘绞剑瑒诤鸵輰⒄嬲Y(jié)合起來,，人們?cè)谙硎墉h(huán)境中工作,，在工作過程中得到享受；而且虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與美術(shù),、音樂等文化藝術(shù)的結(jié)合,，將誕生人類的第九藝術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,，在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為可能,。所以，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)行趨勢為單機(jī)桌面和互聯(lián)網(wǎng)兩種主要方式,，因此,，它對(duì)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也有很大的刺激作用,。

 

 

大型虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，各個(gè)子系統(tǒng)之間相互協(xié)作運(yùn)行,。其組成如下：

 

1,、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)

 

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)大多采用3DVIA Studio,、Virtools,、Unity。

 

3DVIA Studio Pro是一個(gè)集成內(nèi)容開發(fā)平臺(tái),，它汲取了達(dá)索系統(tǒng)十五年來創(chuàng)建更加沉浸式的實(shí)時(shí)3D軟件應(yīng)用程序的豐富經(jīng)驗(yàn),。作為一個(gè)企業(yè)級(jí)解決方案，3DVIA Studio Pro向用戶提供編寫工具和專業(yè)支持,，以快速開發(fā)交互性應(yīng)用程序如虛擬培訓(xùn),，并在安全環(huán)境中進(jìn)行部署。 

 

Virtools完整的開發(fā)平臺(tái),，以創(chuàng)新的可視化模式讓用戶輕松建構(gòu)互動(dòng)體驗(yàn),，內(nèi)建超過700種的行為模塊，從初期產(chǎn)品原型設(shè)計(jì),、虛擬環(huán)境模擬發(fā)展到3D互動(dòng)操作,，輕松建構(gòu)出身臨其境栩栩如生的完美體驗(yàn)。Virtools提供的解決方案顛覆3D開發(fā)制作流程,，開發(fā)人員只需拖曳所需要的行為模塊即可建構(gòu)出豐富的互動(dòng)作品,，可同時(shí)滿足無程序背景的設(shè)計(jì)人員以及高階程序設(shè)計(jì)師的需要，大大縮短項(xiàng)目開發(fā)時(shí)程,、減少風(fēng)險(xiǎn)并降低生產(chǎn)成本,。新一代3DVIA Virtools應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋生產(chǎn)貿(mào)易,、設(shè)計(jì)審查,、購物體驗(yàn)、仿真訓(xùn)練及銷售環(huán)境配置等多元化應(yīng)用,。

 

Unity是一軟專業(yè)3D游戲引攀,，其備跨平臺(tái)發(fā)布、離效能優(yōu)化,、高性價(jià)比,，AAA級(jí)游戲畫面演染效果等特點(diǎn)。目前Unity應(yīng)用范圍廣泛,，從手機(jī)游戲到聯(lián)網(wǎng)的大型游戲,，從嚴(yán)肅游戲到電子商務(wù)，再到虛擬現(xiàn)實(shí)VR均可完美呈現(xiàn),。目前全球已超過九十萬名開發(fā)者使用Unity,。而且作品數(shù)量不斷的與日俱增.尤其目前在App Store內(nèi)有超過1500種移動(dòng)平臺(tái)游戲以及橫跨許多國家上百個(gè)的網(wǎng)頁游戲都是以Unity為平臺(tái)所開發(fā)的,。這些開發(fā)者也包含許多國際知名廠商，例如法國育碧Ubisoft,美商藝電Electronic Arts,德國游戲巨頭Bigpoint公司,、迪斯尼Disney,、樂高LEGO等。

 

2,、數(shù)據(jù)采集與建模設(shè)施

 

常見的數(shù)據(jù)采集與建模設(shè)備有3D掃描儀,、Geomagic FreeForm Modeling等。

 

3D掃描儀的用途是創(chuàng)建物體幾何表面的（point cloud）,，這些點(diǎn)可用來插補(bǔ)成物體的表面形狀,，越密集的點(diǎn)云可以創(chuàng)建更精確的模型（這個(gè)過程稱）。若掃描儀能夠取得表面顏色,，則可進(jìn)一步在重建的表面上粘貼,，亦即所謂的（texture mapping）。三維掃描儀可模擬為照相機(jī),，它們的視線范圍都體現(xiàn)圓錐狀,，信息的搜集皆限定在一定的范圍內(nèi)。兩者不同之處在于相機(jī)所抓取的是顏色信息,，而三維掃描儀測量的是距離,。由于測得的結(jié)果含有深度信息，因此常稱之,。由于三維掃描儀的掃描范圍有限,，因此常需要變換掃描儀與物體的相對(duì)位置或?qū)⑽矬w放置于電動(dòng)轉(zhuǎn)盤（turnable table）上，經(jīng)過多次的掃描以拼湊物體的完整模型,。將多個(gè)片面模型集成的技術(shù)稱做圖像配準(zhǔn)（image registration）或?qū)R（alignment）,，其中涉及多種三維比對(duì)（3D-matching）方法。

 

“FreeForm Modeling”系統(tǒng)（可用于PHANTOM Desktop或PHANTOM Omni觸覺設(shè)備）向設(shè)計(jì)人員和建模人員提供了快速而節(jié)省成本的原創(chuàng)模型創(chuàng)建方法,，還可以修改及規(guī)劃掃描數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸出至RP系統(tǒng)以進(jìn)行原型制造或打磨,。該產(chǎn)品包含一套完善的建模和細(xì)節(jié)處理工具,、外形控制功能、以及多邊形數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能,。此外,，還具備分型線評(píng)估功能，使用戶能夠在設(shè)計(jì)早期對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn),，從而避免了生產(chǎn)錯(cuò)誤,，降低了成本。 “FreeForm Modeling”和“FreeForm Modeling Plus”兩款產(chǎn)品均包含完善的建模和細(xì)節(jié)處理工具,。

 

3,、虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互設(shè)備

 

虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互設(shè)備常用的包括動(dòng)作捕捉系統(tǒng),、數(shù)據(jù)手套、空間位置追蹤器等,。

 

動(dòng)作捕捉系統(tǒng)提供新的人機(jī)交互手段,，表情和動(dòng)作是人類情緒、愿望的重要表達(dá)形式,，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)完成了將表情和動(dòng)作數(shù)字化的工作,，提供了新的人機(jī)交互手段，比傳統(tǒng)的鍵盤,、鼠標(biāo)更直接方便,，不僅可以實(shí)現(xiàn) " 三維鼠標(biāo)" 和 " 手勢識(shí)別 " ，還使操作者能以自然的動(dòng)作和表情直接控制計(jì)算機(jī),，并為最終實(shí)現(xiàn)可以理解人類表情,、動(dòng)作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和機(jī)器人提供了技術(shù)基礎(chǔ)。常用的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)有ART光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng),。

 

數(shù)據(jù)手套是一種多模式的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件,，通過軟件編程，可進(jìn)行虛擬場景中物體的抓取,、移動(dòng),、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，也可以利用它的多模式性,，用作一種控制場景漫游的工具,。數(shù)據(jù)手套的出現(xiàn)，為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了一種全新的交互手段,，目前的產(chǎn)品已經(jīng)能夠檢測手指的彎曲,，并利用磁定位傳感器來精確地定位出手在三維空間中的位置。這種結(jié)合手指彎曲度測試和空間定位測試的數(shù)據(jù)手套被稱為“真實(shí)手套”,，可以為用戶提供一種非常真實(shí)自然的三維交互手段,。常用的數(shù)據(jù)手套有5DT數(shù)據(jù)手套、Cyberglove數(shù)據(jù)手套 ,、Measurand數(shù)據(jù)手套 ,、DGTech數(shù)據(jù)手套 、Fakespace數(shù)據(jù)手套 ,、X-IST數(shù)據(jù)手套,、 CyberGrasp 數(shù)據(jù)手套等。

 

 

空間位置追蹤器或叫三維空降傳感器是一種能實(shí)時(shí)地檢測活動(dòng)著的物體在六個(gè)自由度上相對(duì)于某個(gè)固定物體的數(shù)值,，即在X,、Y、Z坐標(biāo)上的位置值,，以及圍繞X,、Y,、Z軸的旋轉(zhuǎn)值。這種三維空間傳感器對(duì)被檢測的物體必須是無干擾的,，也就是說,，不論這種傳感器是基于何種原理和應(yīng)用何種技術(shù)，它都不應(yīng)影響被測物體的運(yùn)動(dòng),，即俗稱為：“非接觸式傳感器”,。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中廣泛使用的是低頻磁場式和超聲式傳感器。 低頻磁場式傳感器的低頻磁場是由該中傳感器的磁場發(fā)射器產(chǎn)生的,，該發(fā)射器有三個(gè)正交的天線組成,，在接受器內(nèi)也安裝一個(gè)正交天線，它被安裝在遠(yuǎn)處的運(yùn)動(dòng)物體上,，根據(jù)接受器所接受到的磁場,，可以計(jì)算出接受器相對(duì)于發(fā)射器的位置和方向，并通過通信電纜把數(shù)據(jù)傳送給主計(jì)算機(jī),。因此,，計(jì)算機(jī)能間接的跟蹤運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于反射器的位置和方向。在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中,，這種傳感器常被用來安裝在數(shù)據(jù)手套和頭盔顯示器上,。

 

在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，對(duì)空間跟蹤定位器的主要的性能要求是：定位精度,、位置修改速率和延時(shí),、其中定位精度和分辨率不能混淆，前者是指傳感器所測出的位置與實(shí)際位置的差異,，后者是指傳感器所能測出的最小位置變化,；位置修改速率是指傳感器在一秒鐘內(nèi)所能完成的測量次數(shù)，延時(shí)是指被檢測物體的某個(gè)動(dòng)作與傳感器測出該動(dòng)作的時(shí)間間隔,。如何減少顫抖,、漂移、噪音是著類傳感器的關(guān)鍵技術(shù),。常用的空間位置追蹤器有Polhemus電磁式位置追蹤器,、Ascension電磁式空間位置追蹤器、NDI電磁式位置追蹤器等,。

 

4、沉浸式立體顯示

 

沉浸式立體顯示系統(tǒng)有三種類型,，分別是多通道立體展示系統(tǒng),、3D立體顯示器、頭戴式立體顯示器,，用戶可根據(jù)實(shí)際情況自主選擇相應(yīng)類型,。

 

多通道立體展示系統(tǒng)分為多通道環(huán)幕立體展示系統(tǒng)和多通道平面立體展示系統(tǒng),，用戶可根據(jù)實(shí)際需求選擇，多通道立體展示系統(tǒng)是指采用多臺(tái)投影機(jī)組合而成的多通道大屏幕展示系統(tǒng),，它比普通的標(biāo)準(zhǔn)投影系統(tǒng)具備更大的顯示尺寸,、更寬的視野、更多的顯示內(nèi)容,、更高的顯示分辨率,，以及更具沖擊力和沉浸感的視覺效果，多通道立體展示系統(tǒng)是虛擬三維投影顯示系統(tǒng)中一種沉浸式虛擬仿真顯示環(huán)境,。 

 

2,、3D立體顯示器

 

除多通道立體展示系統(tǒng)外，還可以采用3D立體顯示器,，包括裸眼立體顯示器和偏振立體顯示器,。裸眼立體顯示器是建立在人眼立體視覺機(jī)制上的新一代自由立體顯示設(shè)備，它能夠出色的利用多通道自動(dòng)立體現(xiàn)實(shí)技術(shù),，不需要借助任何助視設(shè)備（如3D眼鏡,、頭盔等），即可獲得具有完整深度信息的圖像,。偏振立體顯示器偏光實(shí)際就是偏振光,，現(xiàn)在的液晶顯示器里邊有一個(gè)偏光板，就是做這個(gè)用的,。 普通的液晶顯示器只能發(fā)出一個(gè)方向的偏振光,，而所謂立體偏光顯示器他能發(fā)出橫向和豎向兩種偏振光，配合偏振光眼鏡,，就能把不同的圖像同時(shí)分別送到左眼和右眼中,，從而形成3D圖像。 

 

推薦品牌：Exceptional3D裸眼立體顯示器,、Miracube偏振立體顯示器,。 

 

3、頭戴式立體顯示器

 

頭戴式立體顯示器是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的3DVR圖形顯示與觀察設(shè)備,，可單獨(dú)與主機(jī)相連以接受來自主機(jī)的3DVR圖形信號(hào),。使用方式為頭戴式，輔以三個(gè)自由度的空間跟蹤定位器可進(jìn)行VR輸出效果觀察,，同時(shí)觀察者可做空間上的自由移動(dòng),，如；自由行走,、旋轉(zhuǎn)等,，沉浸感極強(qiáng)，在VR效果的觀察設(shè)備中，頭戴式立體顯示器的沉浸感優(yōu)于3D立體顯示器的虛擬現(xiàn)實(shí)觀察效果,，遜于多通道立體展示系統(tǒng)的觀察效果,，在投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，頭戴式立體顯示器可以作為系統(tǒng)功能和設(shè)備的一種補(bǔ)充和輔助,。

 

推薦產(chǎn)品：Virtual Realities VR2200 頭戴式顯示器,、Oculus Rift 頭戴式顯示器、5DT HMD 800-40 3D 虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器,。 

 

此外還有高性能圖像生成及處理系統(tǒng),、中央集成應(yīng)用控制系統(tǒng)，由于這兩套系統(tǒng)均為市場常見系統(tǒng)再次不多做介紹,。

 

 

大型虛擬仿真中心適用于與航空航天,、裝備制造、教育文化,、醫(yī)療,、冶金、能源,、多媒體技術(shù)等科研專業(yè),。