虛擬現實（VR-Virtual Reality）,也 稱虛擬實境或靈境，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，它利用計算機技術生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環境，用戶通過使用各種交互設備，同虛擬環境中的實體相互作用，使之產生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進的數字化人機接口技術。

 

虛擬現實技術傳統的模擬技術相比，虛擬現實技術的主要特征是：操作者能夠真正進入一個由計算機生成的交互式三維虛擬現實環境中，與之產生互動，進行交流。通過參與者與虛擬仿真環境的相互作用，并借助人本身對所接觸事物的感知和認知能力，幫助啟發參與者的思維，以全方位地獲取虛擬環境所蘊涵的各種空間信息和邏輯信息。

 

虛擬現實已經發展成一門涉及計算機圖形學、精密傳感機構、人機接口及實時圖像處理等領域的綜合性學科。虛擬現實技術分虛擬實景（境）技術（如虛擬游覽故宮博物館）與虛擬虛景（境）技術（如虛擬現實環境生成、虛擬設計的波音777飛機等）兩大類。虛擬現實技術的應用領域和交叉領域非常廣泛，幾乎到了無所不包、無孔不入的地步，在虛擬現實技術戰場環境，虛擬現實作戰指揮模擬，飛機、船舶、車輛虛擬現實駕駛訓練，飛機、導彈、輪船與轎車的虛擬制造（含系統的虛擬設計），虛擬現實建筑物的展示與參觀，虛擬現實手術培訓，虛擬現實游戲，虛擬現實影視藝術等等方面的應用和產業的形成都有強烈的市場需求和技術驅動。權威人士斷言，虛擬現實技術將是21世紀信息技術的代表。它的發展，不僅從根本上改變人們的工作方式和生活方式，勞和逸將真正結合起來，人們在享受環境中工作，在工作過程中得到享受；而且虛擬現實技術與美術、音樂等文化藝術的結合，將誕生人類的第九藝術。隨著計算機技術的發展，在PC機上實現虛擬現實技術已成為可能。所以，虛擬現實技術系統的運行趨勢為單機桌面和互聯網兩種主要方式，因此，它對計算機硬件技術和網絡技術的發展和應用也有很大的刺激作用。

 

 

大型虛擬現實仿真系統由多個子系統組成，各個子系統之間相互協作運行。其組成如下：

 

1、虛擬現實應用開發平臺

 

目前，虛擬現實應用開發平臺大多采用3DVIA Studio、Virtools、Unity。

 

3DVIA Studio Pro是一個集成內容開發平臺，它汲取了達索系統十五年來創建更加沉浸式的實時3D軟件應用程序的豐富經驗。作為一個企業級解決方案，3DVIA Studio Pro向用戶提供編寫工具和專業支持，以快速開發交互性應用程序如虛擬培訓，并在安全環境中進行部署。 

 

Virtools完整的開發平臺，以創新的可視化模式讓用戶輕松建構互動體驗，內建超過700種的行為模塊，從初期產品原型設計、虛擬環境模擬發展到3D互動操作，輕松建構出身臨其境栩栩如生的完美體驗。Virtools提供的解決方案顛覆3D開發制作流程，開發人員只需拖曳所需要的行為模塊即可建構出豐富的互動作品，可同時滿足無程序背景的設計人員以及高階程序設計師的需要，大大縮短項目開發時程、減少風險并降低生產成本。新一代3DVIA Virtools應用范圍廣泛，涵蓋生產貿易、設計審查、購物體驗、仿真訓練及銷售環境配置等多元化應用。

 

Unity是一軟專業3D游戲引攀，其備跨平臺發布、離效能優化、高性價比，AAA級游戲畫面演染效果等特點。目前Unity應用范圍廣泛，從手機游戲到聯網的大型游戲，從嚴肅游戲到電子商務，再到虛擬現實VR均可完美呈現。目前全球已超過九十萬名開發者使用Unity。而且作品數量不斷的與日俱增.尤其目前在App Store內有超過1500種移動平臺游戲以及橫跨許多國家上百個的網頁游戲都是以Unity為平臺所開發的。這些開發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、數據采集與建模設施

 

常見的數據采集與建模設備有3D掃描儀、Geomagic FreeForm Modeling等。

 

3D掃描儀的用途是創建物體幾何表面的（point cloud），這些點可用來插補成物體的表面形狀，越密集的點云可以創建更精確的模型（這個過程稱）。若掃描儀能夠取得表面顏色，則可進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，它們的視線范圍都體現圓錐狀，信息的搜集皆限定在一定的范圍內。兩者不同之處在于相機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位置或將物體放置于電動轉盤（turnable table）上，經過多次的掃描以拼湊物體的完整模型。將多個片面模型集成的技術稱做圖像配準（image registration）或對齊（alignment），其中涉及多種三維比對（3D-matching）方法。

 

“FreeForm Modeling”系統（可用于PHANTOM Desktop或PHANTOM Omni觸覺設備）向設計人員和建模人員提供了快速而節省成本的原創模型創建方法，還可以修改及規劃掃描數據，并將數據輸出至RP系統以進行原型制造或打磨。該產品包含一套完善的建模和細節處理工具、外形控制功能、以及多邊形數據導入功能。此外，還具備分型線評估功能，使用戶能夠在設計早期對模型進行校準，從而避免了生產錯誤，降低了成本。 “FreeForm Modeling”和“FreeForm Modeling Plus”兩款產品均包含完善的建模和細節處理工具。

 

3、虛擬現實人機交互設備

 

虛擬現實人機交互設備常用的包括動作捕捉系統、數據手套、空間位置追蹤器等。

 

動作捕捉系統提供新的人機交互手段，表情和動作是人類情緒、愿望的重要表達形式，運動捕捉技術完成了將表情和動作數字化的工作，提供了新的人機交互手段，比傳統的鍵盤、鼠標更直接方便，不僅可以實現 " 三維鼠標" 和 " 手勢識別 " ，還使操作者能以自然的動作和表情直接控制計算機，并為最終實現可以理解人類表情、動作的計算機系統和機器人提供了技術基礎。常用的動作捕捉系統有ART光學動作捕捉系統。

 

數據手套是一種多模式的虛擬現實硬件，通過軟件編程，可進行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉等動作，也可以利用它的多模式性，用作一種控制場景漫游的工具。數據手套的出現，為虛擬現實系統提供了一種全新的交互手段，目前的產品已經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。這種結合手指彎曲度測試和空間定位測試的數據手套被稱為“真實手套”，可以為用戶提供一種非常真實自然的三維交互手段。常用的數據手套有5DT數據手套、Cyberglove數據手套 、Measurand數據手套 、DGTech數據手套 、Fakespace數據手套 、X-IST數據手套、 CyberGrasp 數據手套等。

 

 

空間位置追蹤器或叫三維空降傳感器是一種能實時地檢測活動著的物體在六個自由度上相對于某個固定物體的數值，即在X、Y、Z坐標上的位置值，以及圍繞X、Y、Z軸的旋轉值。這種三維空間傳感器對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用何種技術，它都不應影響被測物體的運動，即俗稱為：“非接觸式傳感器”。在虛擬現實技術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射器產生的，該發射器有三個正交的天線組成，在接受器內也安裝一個正交天線，它被安裝在遠處的運動物體上，根據接受器所接受到的磁場，可以計算出接受器相對于發射器的位置和方向，并通過通信電纜把數據傳送給主計算機。因此，計算機能間接的跟蹤運動物體相對于反射器的位置和方向。在虛擬現實環境中，這種傳感器常被用來安裝在數據手套和頭盔顯示器上。

 

在虛擬現實應用中，對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、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所能完成的測量次數，延時是指被檢測物體的某個動作與傳感器測出該動作的時間間隔。如何減少顫抖、漂移、噪音是著類傳感器的關鍵技術。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有三種類型，分別是多通道立體展示系統、3D立體顯示器、頭戴式立體顯示器，用戶可根據實際情況自主選擇相應類型。

 

多通道立體展示系統分為多通道環幕立體展示系統和多通道平面立體展示系統，用戶可根據實際需求選擇，多通道立體展示系統是指采用多臺投影機組合而成的多通道大屏幕展示系統，它比普通的標準投影系統具備更大的顯示尺寸、更寬的視野、更多的顯示內容、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是虛擬三維投影顯示系統中一種沉浸式虛擬仿真顯示環境。 

 

2、3D立體顯示器

 

除多通道立體展示系統外，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制上的新一代自由立體顯示設備，它能夠出色的利用多通道自動立體現實技術，不需要借助任何助視設備（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際就是偏振光，現在的液晶顯示器里邊有一個偏光板，就是做這個用的。 普通的液晶顯示器只能發出一個方向的偏振光，而所謂立體偏光顯示器他能發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實應用中的3DVR圖形顯示與觀察設備，可單獨與主機相連以接受來自主機的3DVR圖形信號。使用方式為頭戴式，輔以三個自由度的空間跟蹤定位器可進行VR輸出效果觀察，同時觀察者可做空間上的自由移動，如；自由行走、旋轉等，沉浸感極強，在VR效果的觀察設備中，頭戴式立體顯示器的沉浸感優于3D立體顯示器的虛擬現實觀察效果，遜于多通道立體展示系統的觀察效果，在投影式虛擬現實系統中，頭戴式立體顯示器可以作為系統功能和設備的一種補充和輔助。

 

推薦產品：Virtual Realities VR2200 頭戴式顯示器、Oculus Rift 頭戴式顯示器、5DT HMD 800-40 3D 虛擬現實頭戴式顯示器。 

 

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

 

 

大型虛擬仿真中心適用于與航空航天、裝備制造、教育文化、醫療、冶金、能源、多媒體技術等科研專業。