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虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展
摘要： 本文全面回顧了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷史和研究背景，介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的構(gòu)成和技術(shù)特點(diǎn)，分析了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在遙現(xiàn)技術(shù)、仿真技術(shù)、對(duì)象可視化技術(shù)等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，并重點(diǎn)論述了分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) 虛擬環(huán)境 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介
虛擬現(xiàn)實(shí)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(jī)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(diǎn)在于，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)圖形構(gòu)成的三度空間，或是把其它現(xiàn)實(shí)環(huán)境編制到計(jì)算機(jī)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(jìn)了人們利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行多工程數(shù)據(jù)處理的方式，尤其在需要對(duì)大量抽象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)；同時(shí)，它在許多不同領(lǐng)域的應(yīng)用，可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
1.虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)系統(tǒng)的基本思想，從此，人們正式開始了對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究探索歷程。
隨后的1966年，美國(guó)MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室正式開始了頭盔式顯示器的研制工作。在這第一個(gè)HMD的樣機(jī)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(gè)系統(tǒng)中。1970年，出現(xiàn)了第一個(gè)功能較齊全的HMD系統(tǒng)。基于從60年代以來所取得的一系列成就，美國(guó)的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一詞。
80年代，美國(guó)宇航局（NASA）及美國(guó)國(guó)防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)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(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛關(guān)注。1984年，NASA Ames研究中心虛擬行星探測(cè)實(shí)驗(yàn)室的M.McGreevy 和J.Humphries博士組織開發(fā)了用于火星探測(cè)的虛擬環(huán)境視覺顯示器，將火星探測(cè)器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，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(xiàng)目中，他們又開發(fā)了通用多傳感個(gè)人仿真器和遙現(xiàn)設(shè)備。
進(jìn)入90年代，迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)與不斷改進(jìn)的計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)動(dòng)畫制作成為可能；人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新，新穎、實(shí)用的輸入輸出設(shè)備不斷地進(jìn)入市場(chǎng)。而這些都為虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)系統(tǒng)成功地完成了從航天飛機(jī)的運(yùn)輸艙內(nèi)取出新的望遠(yuǎn)鏡面板的工作，而用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)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�?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)極其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如娛樂、軍事、航天、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、信息管理、商貿(mào)、建筑、醫(yī)療保險(xiǎn)、危險(xiǎn)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(yuǎn)程通訊等，人們對(duì)迅速發(fā)展中的虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
計(jì)算機(jī)的發(fā)展提供了一種計(jì)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(shí)技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展也同樣如此，就虛擬現(xiàn)實(shí)本身而言，它主要涉及到三個(gè)研究領(lǐng)域：
通過計(jì)算機(jī)圖形方式建立實(shí)時(shí)的三維視覺效果；
建立對(duì)虛擬世界的觀察界面；
使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)加強(qiáng)諸如科學(xué)計(jì)算技術(shù)等方面的應(yīng)用。
圖（1）表示的是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)領(lǐng)域的組成示意圖。
圖（1）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)領(lǐng)域的組成示意圖
虛擬現(xiàn)實(shí)的有關(guān)技術(shù)特征及構(gòu)成
從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實(shí)就是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口，它通過給用戶同時(shí)提供諸如
視、聽、觸等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)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(fù)擔(dān)、提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。
1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要技術(shù)特征〖2〗
虛擬現(xiàn)實(shí)的定義可以歸納如下：虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境（如飛機(jī)駕駛艙、操作現(xiàn)場(chǎng)等），通過多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)因此具有以下四個(gè)重要特征：
多感知性
所謂多感知性就是說除了一般計(jì)算機(jī)所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知、甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)就是應(yīng)該具有人所具有的感知功能。
II.存在感
又稱臨場(chǎng)感，它是指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)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(duì)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(shí)時(shí)性）。例如，用戶可以用手去直接抓取環(huán)境中的物體，這時(shí)手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視場(chǎng)中的物體也隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。
IV.自主性
是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動(dòng)作的程度。例如，當(dāng)受到力的推動(dòng)時(shí)，物體會(huì)向力的方向移動(dòng)、或翻倒、或從桌面落到地面等。
2.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成
虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的模型表示如圖（2）。用戶通過傳感裝置直接對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行操作，并得到實(shí)時(shí)三維顯示和其它 反饋信息（如觸覺、力覺反饋等）。當(dāng)系統(tǒng)與外部世界通過傳感裝置構(gòu)成反饋閉環(huán)時(shí)，在用戶的控制下，用戶與虛擬環(huán)境間的交互可以對(duì)外部世界產(chǎn)生作用（如遙操作等）。
圖（2）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的模型
虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由以下六個(gè)模塊構(gòu)成（如圖（3））。
圖（3）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成
檢測(cè)模塊：檢測(cè)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(shí)時(shí)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(duì)傳感器進(jìn)行控制，使其對(duì)用戶、虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生作用。
建模模塊：獲取現(xiàn)實(shí)世界組成部分的三維表示，并由此構(gòu)成對(duì)應(yīng)的虛擬環(huán)境。
現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)可以包括以下幾個(gè)方面：〖3〗
�。�1）動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)
虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容。動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)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(jī)結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。
�。�2）實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”生成。為了達(dá)到實(shí)時(shí)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?jī)?nèi)容。
�。�3）立體顯示和傳感器技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(diǎn)；虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場(chǎng)合和對(duì)象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對(duì)象可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。為了達(dá)到這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)工具。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。
系統(tǒng)集成技術(shù)
由于虛擬現(xiàn)實(shí)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(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識(shí)別和合成技術(shù)等等。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)算可視化、設(shè)
計(jì)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(gè)方面。下面我們分別討論幾個(gè)典型的應(yīng)用例子。
用于遙控機(jī)器人的遙現(xiàn)技術(shù)
遙現(xiàn)技術(shù)〖4〗是指當(dāng)實(shí)際上在某一個(gè)地方時(shí)，可以產(chǎn)生在另一個(gè)地方的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)
涉及到體驗(yàn)由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維虛擬環(huán)境，而遙現(xiàn)則涉及到體驗(yàn)一個(gè)遙遠(yuǎn)的真實(shí)環(huán)境。遙現(xiàn)技術(shù)在實(shí)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(jì)劃中，從安全性以及費(fèi)用的角度考慮，我們有必要使用空間機(jī)器人。這種空間機(jī)器人的特點(diǎn)是由地面上的操作員進(jìn)行遙操作，或進(jìn)行部分自主操作。對(duì)于像零件更換的固定操作可以完全自主進(jìn)行，而對(duì)于故障檢修等難以預(yù)測(cè)的操作則有必要依賴于遙操作。這時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)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(jī)器人的遙操作技術(shù)，日本開發(fā)了宇宙開發(fā)地面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有人-機(jī)交互、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及機(jī)器人系統(tǒng)所構(gòu)成�，F(xiàn)在，在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了零件更換等空間機(jī)器人的典型操作實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本功能。
仿真技術(shù)
虛擬環(huán)境是計(jì)算機(jī)生成的具有沉浸感的環(huán)境，它對(duì)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(jī)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(yùn)動(dòng)感的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算和控制飛行運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是飛行仿真系統(tǒng)的中樞，用它來計(jì)算飛行的運(yùn)動(dòng)、控制儀表及指示燈、駕駛桿等信號(hào)。視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)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(hào)提供給飛行員的“視覺顯示部”組成。在圖象產(chǎn)生部，隨著計(jì)算機(jī)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(shí)感的圖象，圖象的顯示有無限遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，根據(jù)自由度以及驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為萬向方式、共動(dòng)型吊掛方式、共動(dòng)型支撐方式以及共動(dòng)型六自由度方式等。利用該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，飛行員可以感覺到實(shí)際飛機(jī)一樣的運(yùn)動(dòng)感覺。
與虛擬生物對(duì)話
研究人員設(shè)計(jì)了一種與虛擬生物對(duì)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(shí)世界中的生物一樣，可以決定自己的行動(dòng)，并且能夠動(dòng)態(tài)地應(yīng)付周圍的情況。對(duì)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(jìn)行對(duì)話。通過引進(jìn)虛擬生物，可以實(shí)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(gè)國(guó)家在傳統(tǒng)上習(xí)慣于通過舉行實(shí)戰(zhàn)演習(xí)來訓(xùn)練軍事人員和士兵，但是這種實(shí)戰(zhàn)演練，特別是大規(guī)模的軍事演習(xí)，將耗費(fèi)大量資金和軍用物資，安全性差，而且還很難在實(shí)戰(zhàn)演習(xí)條件下改變狀態(tài)，來反復(fù)進(jìn)行各種戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)下的戰(zhàn)術(shù)和決策研究。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)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(gè)新的飛躍，即通過建立虛擬戰(zhàn)場(chǎng)來檢驗(yàn)和評(píng)估武器系統(tǒng)的性能。例如一種虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，它能夠包括在地面行進(jìn)的坦克和裝甲車，在空中飛行的直升機(jī)、殲擊機(jī)、導(dǎo)彈等多種武器平臺(tái)，并分別屬于紅、蘭交戰(zhàn)雙方。圖（4）為一多機(jī)空仿真系統(tǒng)，它除了多臺(tái)有人駕駛的飛機(jī)模擬器和“數(shù)字”飛機(jī)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(diǎn)。該系統(tǒng)的主要研究目的是對(duì)飛機(jī)的飛行、火控、航空電子系統(tǒng)進(jìn)行綜合研究，同時(shí)研究多機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)。
圖（4）多機(jī)空仿真系統(tǒng)
對(duì)象可視化技術(shù)〖5〗
虛擬風(fēng)洞
在科學(xué)研究中，人們總會(huì)面對(duì)大量的隨機(jī)數(shù)據(jù)，為了從中得到有價(jià)值的規(guī)律和結(jié)論，需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真分析。例如，為了設(shè)計(jì)出阻力小的機(jī)翼，人們必須詳細(xì)分析機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)特性。因此人們發(fā)明了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(jī)翼的作用情況，因而大大提高了人們對(duì)機(jī)翼的動(dòng)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室〖8〗的設(shè)計(jì)使得學(xué)生可以通過親身實(shí)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(yùn)動(dòng)軌跡，可以對(duì)不同大小和質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行軌跡追蹤。還可以停止時(shí)間的推移，以便仔細(xì)觀察隨時(shí)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(jìn)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(jì)中，控制臺(tái)以及顯示器的設(shè)計(jì)一般是用和實(shí)物同等大小的模型。研究人員使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研制了一個(gè)輔助設(shè)計(jì)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(bào)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(dòng)，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(shí)際圖象進(jìn)行融合的系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)可以用虛擬空間監(jiān)視遠(yuǎn)方的現(xiàn)場(chǎng)，也可以給用戶一種自由往返于虛擬空間和遠(yuǎn)方現(xiàn)場(chǎng)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(huì)促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中硬件裝置的研制。
分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)
近幾十年來，計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的同步發(fā)展和相互促進(jìn)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(shí)系統(tǒng)（DVR）即是一個(gè)較為典型的實(shí)例〖6〗。所謂DVR是指一個(gè)支持多人實(shí)時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互的軟件系統(tǒng)，每個(gè)用戶在一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，通過計(jì)算機(jī)與其它用戶進(jìn)行交互，并共享信息。下面我們分幾個(gè)方面加以介紹。
分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展
分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的研究開發(fā)工作可追溯到80年代初。如1983年美國(guó)國(guó)防部（DOD）
制定了SIMENT的研究計(jì)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(duì)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究工作，并陸續(xù)推出了多個(gè)實(shí)驗(yàn)性DVR系統(tǒng)或開發(fā)環(huán)境，典型的例子有美國(guó)NPS開發(fā)的NPSNET（1990）、美國(guó)斯坦福大學(xué)的PARADISE/Inverse系統(tǒng)（1992）、瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所的DIVE（1993）、新加坡國(guó)立大學(xué)的BrickNet（1994）、加拿大Albert大學(xué)的MR工具庫（1993）及英國(guó)Nottingham大學(xué)的AVIARY（1994）。
模型結(jié)構(gòu)
分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中，位于不同物理環(huán)境位置的多個(gè)用戶或多個(gè)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(yùn)行的共享應(yīng)用系統(tǒng)的個(gè)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(yùn)行一份共享應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以是會(huì)議代理或?qū)υ捁芾磉M(jìn)程。中心服務(wù)器的作用是對(duì)多個(gè)參加者的輸入/輸出操縱進(jìn)行管理，允許多個(gè)參加者信息共享。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)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(gè)參加者所在的機(jī)器上復(fù)制中心服務(wù)器，這樣每個(gè)參加者進(jìn)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(yùn)行在本地機(jī)上的應(yīng)用系統(tǒng)中，由應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行所需的計(jì)算并產(chǎn)生必要的輸出。它的優(yōu)點(diǎn)是所需網(wǎng)絡(luò)帶寬較小。另外，由于每個(gè)參加者只與應(yīng)用系統(tǒng)的局部備份進(jìn)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(hù)共享應(yīng)用系統(tǒng)中的多個(gè)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?cè)谠O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)DVR系統(tǒng)時(shí)，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(gè)決定因素。當(dāng)參加者增加時(shí)，帶
寬需求也隨著增加。這個(gè)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(jī)制 它直接影響系統(tǒng)的可擴(kuò)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(jī)制允許任意大小的組在網(wǎng)上進(jìn)行通信，它能為遠(yuǎn)程會(huì)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(dòng)態(tài)特性的因素是延遲。如果要使分布式環(huán)境仿真真
實(shí)世界，則必須實(shí)時(shí)操作，從而增加真實(shí)感。對(duì)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(duì)路由器和交換技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)、快速交換接口和計(jì)算機(jī)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(jìn)行折衷時(shí)，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(shí)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(shí)
就需要開發(fā)多種協(xié)議，以保證在DVR系統(tǒng)中進(jìn)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(dòng)畫協(xié)議、仿真協(xié)議、交互協(xié)議和場(chǎng)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，圖（5）即為一個(gè)例子。
圖（5） 不同的客戶需要使用不同的協(xié)議
分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用
分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在遠(yuǎn)程教育、科學(xué)計(jì)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(jì)協(xié)作系統(tǒng)、實(shí)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(shí)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(shí)，隨著計(jì)算機(jī)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(jìn)和發(fā)展，系統(tǒng)因此能夠提供更加協(xié)調(diào)的人機(jī)對(duì)話方式，
工程應(yīng)用
當(dāng)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(jī)械、建筑等領(lǐng)域必不可少的軟件工具。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)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(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)、交流和發(fā)布，從而進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率并削減成本。
商業(yè)應(yīng)用
對(duì)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(shí)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(shí)系統(tǒng)的一個(gè)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(shí)技術(shù)的進(jìn)一步展望
正如其它新興科學(xué)技術(shù)一樣，虛擬現(xiàn)實(shí)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?jī)?nèi)容涉及到人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、傳感器、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、智能控制、心理學(xué)等〖7〗。我們必須清醒地認(rèn)識(shí)到，雖然這個(gè)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。客觀而論，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所取得的成就，絕大部分還僅僅限于擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的結(jié)合作用問題，還根本未涉及“人在實(shí)踐中得到的感覺信息是怎樣在人的大腦中存儲(chǔ)和加工處理成為人對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)”這一重要過程。只有當(dāng)真正開始涉及并找到對(duì)這些問題的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑時(shí)，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(shí)系統(tǒng)成為一種對(duì)多維信息處理的強(qiáng)大系統(tǒng)，成為人進(jìn)行思維和創(chuàng)造的助手和對(duì)人們已有的概念進(jìn)行深化和獲取新概念的有力工具。
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