經過20多年的研究和探索，虛擬現實技術在80年代末走出實驗室，開始進入實用階段。目前，世界上少數發達國家已經開始在經濟、藝術乃至軍事領域廣泛運用這壹高新技術，並取得了顯著的綜合效益。據外電報道，美國陸軍1994的“路易斯安那94”作戰演習是利用虛擬現實技術進行的。這次演習不僅檢驗和論證了美國陸軍制定的法規、戰術和部隊構成，使其更加符合21世紀的作戰要求，還節省了近20億美元的演習經費。
那麽，什麽是虛擬現實技術呢？簡單來說，就是人們利用計算機生成逼真的三維虛擬環境，並利用傳感設備通過自然技能與之進行交互的新技術。它完全不同於傳統的仿真技術，將仿真環境、視景系統、仿真系統合二為壹，使用頭盔顯示器、圖形眼鏡、數據服、立體聲耳機、數據手套、踏板等傳感設備。將操作員與計算機生成的三維虛擬環境連接起來。通過傳感裝置與虛擬環境的交互，操作者可以獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感官，按照自己的意願改變“不自主”的虛擬環境。例如，計算機虛擬環境是壹個有各種設備和物品的建築物，操作者可以在房子周圍走動，通過各種傳感裝置檢查，開關門和移動物品，就像他在那裏壹樣。對房子設計不滿意可以隨意改。顯然，使用這種虛擬現實技術來修改建築物、機械和武器的設計，以及進行技術操作訓練和軍事演習，要容易得多，也便宜得多。
虛擬現實技術壹經應用，就向人們展示了誘人的前景，因此受到各國軍界的青睞。從20世紀90年代初開始，美國率先將虛擬現實技術應用於軍事領域，主要表現在以下四個方面:壹是虛擬戰場環境。即通過相應的三維戰場環境圖形圖像庫，包括戰鬥背景、戰場場景、各種武器裝備和戰鬥人員，為用戶營造壹個危險的、近乎真實的三維戰場環境。為了增強他們的存在感，提高訓練質量。二是進行單兵模擬訓練。讓士兵穿戴數據服、頭盔顯示器和數據手套，通過操作傳感裝置選擇不同的戰場背景，輸入不同的處置方案，欣賞不同的戰鬥效果，像在實戰中壹樣鍛煉和提高自己的技術水平、快速反應能力和心理承受能力。比如美國空軍用虛擬現實技術開發的飛行訓練模擬器，可以產生視覺控制，可以處理三維實時交互圖形，具有圖形以外的聲音和觸覺。它不僅能以正常方式操縱和控制飛行器，還能在虛擬現實中處理飛行器之外的各種情況，如氣球的威脅、導彈的發射軌跡等。三是開展諸軍兵種聯合演習，建立“虛擬戰場”，使參戰雙方身臨其境，根據虛擬環境的各種情況和變化，“調兵遣將”、“鬥智鬥勇”，進行“真實”的對抗演習。四是進行指揮員培訓。利用虛擬現實技術，根據偵察情報數據合成戰場全景圖，使訓練有素的指揮員通過傳感裝置觀察敵方兵力部署和戰場態勢，從而判斷敵情，做出正確決策。美國海軍開發的“虛擬戰艦作戰指揮中心”可以逼真地模擬壹個與真實戰艦作戰指揮中心幾乎完全相似的環境，具有逼真的視覺、聽覺和觸覺效果，使受訓軍官沈浸在“真實”的戰場中。
當然，虛擬現實是壹門年輕的科學技術，還有很多問題需要解決。例如，在計算機生成的虛擬環境中，操作者每次轉頭，計算機都必須更新三維圖像。因為更新的數據太大，計算機無法完成實時操作。這導致系統滯後。再比如，美國空軍的虛擬現實模擬器產生的視覺動作信號和人的感覺也有差異，容易讓人頭疼頭暈。
但虛擬現實技術畢竟開辟了壹個新的領域，發展潛力巨大，隨著時間的推移會日臻完善，在軍事領域的應用會越來越廣泛，作用會越來越大。
正如其他新興科學技術壹樣，虛擬現實技術也是許多相關學科交叉融合的產物。
其研究內容涉及人工智能、計算機科學、電子學、傳感器、計算機圖形學、智能控制、心理學等。我們必須清醒地認識到，盡管該領域技術潛力巨大，應用前景廣闊，但仍有許多尚未解決的理論問題和技術障礙沒有被克服。客觀地說，目前虛擬現實技術取得的成果大多只局限於拓展計算機的接口能力，僅僅是剛剛開始涉及到人的感知系統和肌肉系統與計算機的結合，還沒有涉及到“實踐中獲得的感官信息如何在人的大腦中存儲和處理成為人對客觀世界的認識”這壹重要過程。只有真正開始涉及並找到實現這些問題的技術途徑，才能徹底克服人與信息處理系統之間的鴻溝。我們期待有壹天，虛擬現實系統將成為處理多維信息的強大系統，成為人們思考和創造的助手，成為加深人們已有概念和獲取新概念的有力工具。
正如電影《黑客帝國》中所描述的，未來我們可以生活在壹個由電腦控制的虛擬世界裏。在這個世界上，我們也有各種各樣的感情，親戚朋友，工作以及現實世界的壹切“真實”。只是這壹切都是虛擬的。
人類有很多夢想，有的實現了，有的可能永遠都不會實現。然而，有壹種技術可以讓所有的夢想成真，那就是虛擬現實(VR)。
虛擬現實是在計算機圖形學、計算機仿真技術、人機接口技術、多媒體技術和傳感技術的基礎上發展起來的壹門交叉學科。這項技術的研究始於20世紀60年代。直到20世紀90年代初，虛擬現實技術才作為壹個相對完整的系統開始引起人們的極大關註。
基本概念
總的來說，虛擬現實是人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作和交互的壹種全新方式。與傳統的人機界面和流行的窗口操作相比，虛擬現實在技術思想上有了質的飛躍。
虛擬現實中的“現實”是指物理意義上或功能意義上存在於世界中的任何事物或環境。它可以是實際上可以實現的，也可以是實際上很難實現或根本不可能實現的。“虛擬”是指計算機生成的。因此，虛擬現實是指由計算機生成的特殊環境。人可以利用各種特殊的裝置將自己“投射”到這個環境中，並對環境進行操作和控制，以達到特殊的目的，即人是這個環境的主人。
虛擬現實本質上是壹種先進的計算機用戶界面，為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等各種直觀、自然的實時感知交互手段，最大限度地方便用戶操作。根據虛擬現實技術應用對象的不同，其功能可以表現為不同的形式，如將某壹概念設計或想法可視化、可操作化，實現逼真的遙控場效應，達到在任何復雜環境下廉價模擬訓練的目的。這項技術的主要特點如下:
多感知——所謂多感知，是指除了壹般計算機技術所具備的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至味覺感知、嗅覺感知。理想的虛擬現實技術應該具有所有人都具有的感知功能。由於相關技術特別是傳感技術的限制，虛擬現實技術的傳感功能僅限於視覺、聽覺、力、觸覺和運動。
沈浸感，又稱網真，是指用戶在仿真環境中作為主角感受到的真實程度。理想的仿真環境應該讓用戶難以辨別真假，讓用戶全身心投入到計算機創造的三維虛擬環境中。這個環境裏的壹切看起來都是真的，聽起來是真的，動起來是真的，甚至聞起來和嘗起來都是真的，就像在現實世界裏的感覺壹樣。
交互性——指用戶在模擬環境中對物體的可操作性，以及環境反饋的自然程度(包括實時性)。例如，用戶可以用手直接抓住模擬環境中的壹個虛擬物體，此時他的手感覺握著什麽東西，可以感覺到物體的重量，視野中被抓住的物體可以立即隨著手的移動而移動。
想象力——強調虛擬現實技術要有廣闊的可想象空間，可以拓寬人類認知的範圍。它不僅能再現真實環境，還能隨意構思客觀不存在甚至不可能的環境。
壹般來說，壹個完整的虛擬現實系統由虛擬環境、以高性能計算機為核心的虛擬環境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統、以語音識別、聲音合成和聲音定位為核心的聽覺系統、以方位跟蹤器、數據手套和數據外套為主體的身體方位和姿態跟蹤裝置以及味覺、嗅覺、觸覺和力反饋系統等功能單元組成。
在這裏，虛擬環境處理器是VR系統的心臟，完成虛擬世界的生成和處理功能。輸入設備向虛擬現實系統提供來自用戶的輸入，並允許用戶改變自己在虛擬環境中的位置、視線方向和視野，以及虛擬環境中虛擬對象的位置和方向。輸出設備是將虛擬環境產生的各種感官信息輸出給用戶的VR系統，讓用戶有壹種身臨其境的真實感。其主要研究內容包括以下幾個方面:
動態環境建模——虛擬環境的建立是VR系統的核心內容。動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，並根據應用的需要建立相應的虛擬環境模型。利用CAD技術可以獲得三維數據，更多情況下需要非接觸視覺技術。兩者的有機結合可以有效提高數據采集的效率。
實時三維圖形生成技術——三維圖形生成技術已經成熟，這裏的關鍵是如何實現“實時”生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新頻率不低於15幀/秒，最好高於30幀/秒。
在不降低圖形質量和復雜度的前提下，如何提高刷新頻率是這項技術的主要內容。
立體顯示和傳感器技術——虛擬現實的交互能力依賴於立體顯示和傳感器技術的發展，現有的設備遠遠不能滿足需要。比如頭盔式三維顯示器有以下缺點:超重(1.5 kg到2kg)、分辨率低(畫質差)、延遲大(刷新頻率低)、移動不方便(有線)、跟蹤精度低、視野不夠、眼睛容易疲勞。同樣的，數據手套，數據衣服等。都存在延遲大、分辨率低、作用範圍小、使用不方便等缺點。此外，力覺和觸覺傳感裝置的研究有待進壹步深化，虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤範圍有待提高。
應用系統開發工具——虛擬現實應用的關鍵是找到合適的場合和對象，即如何發揮想象力和創造力。選擇合適的應用對象可以大大提高生產效率，降低勞動強度，提高產品質量。為了實現這壹目標，我們必須研究虛擬現實的開發工具，如VR系統開發平臺和分布式虛擬現實技術。
系統集成技術——由於VR系統包含了大量的感性信息和模型，系統集成技術起著至關重要的作用。集成技術包括信息同步技術、模型校準技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別與綜合技術等。
關鍵技術
虛擬現實是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術、廣角(寬視野)立體顯示技術、觀察者頭、眼、手的跟蹤技術、觸覺/力反饋、立體聲、語音輸入輸出技術等等。下面分別解釋這些技術。
實時三維計算機圖形技術
相比較而言，利用計算機模型生成圖形圖像並不太難。如果有足夠精確的模型和足夠的時間，我們可以在不同的光照條件下生成各種物體的精確圖像，但這裏的關鍵是實時性。比如在飛行仿真系統中，圖像的刷新很重要，對圖像質量的要求也很高。再加上非常復雜的虛擬環境，問題變得相當棘手。
廣角(寬視野)立體顯示器
當人們看周圍的世界時，由於眼睛的位置不同，他們得到的圖像略有不同。這些圖像在他們的腦海中融合，形成了他們周圍世界的整體畫面，其中包括距離的信息。當然，距離信息也可以通過其他方法獲得，比如眼睛焦距的距離，物體大小的比較等等。
雙目立體視覺在虛擬現實系統中起著非常重要的作用。用戶眼睛看到的不同圖像是分別產生的，並顯示在不同的監視器上。壹些系統使用單個顯示器，但用戶戴上特殊眼鏡後，壹只眼睛只能看到奇數編號的圖像，另壹只眼睛只能看到偶數編號的圖像。奇數幀和偶數幀之間的差異，即視差，產生了立體感。
對用戶(頭部、眼睛)的跟蹤:在人工環境中，每壹個物體都有相對於系統坐標系的位置和姿態，用戶也是如此。用戶看到的場景是由用戶的位置和頭部(眼睛)的方向決定的。
追蹤頭部運動的虛擬現實頭盔:在傳統的計算機圖形學技術中，視野的變化是通過鼠標或鍵盤來實現的，用戶的視覺系統和運動感知系統是分離的。通過使用頭部跟蹤來改變圖像的視角，可以將用戶的視覺系統和運動感知系統連接起來，感覺更加真實。另壹個好處是，用戶不僅可以通過雙目立體視覺了解環境，還可以通過頭部的運動來觀察環境。
在用戶與計算機的交互中，鍵盤和鼠標是目前最常用的工具，但並不適合三維空間。因為三維空間有六個自由度，我們很難找到更直觀的方法將鼠標的平面運動映射成三維空間的任意運動。現在有壹些設備可以提供六個自由度，比如3Space數字化儀，SpaceBall太空球。其他性能優秀的設備還有數據手套和數據服。
立體聲
人們可以很好地判斷聲源的方向。在水平方向上，我們通過聲音的相位差和強度差來確定聲音的方向，因為聲音到達兩耳的時間或距離是不同的。常見的立體聲效果是通過左右耳聽到不同位置錄制的不同聲音來實現的，所以會有方向感。在現實生活中，當頭部轉動時，妳聽到的聲音的方向會發生變化。但目前在VR系統中，聲音的方向與用戶頭部的移動無關。
觸覺和力反饋
在虛擬現實系統中，用戶可以看到壹個虛擬的杯子。妳可以試著去抓，但是妳的手並沒有真正接觸到杯子，可能會穿過虛擬杯子的“表面”，這在現實生活中是不可能的。解決這個問題的常用裝置是在手套內層安裝壹些振動觸點來模擬觸摸。
語音輸入和輸出
在VR系統中，語音輸入和輸出也很重要。這就要求虛擬環境能夠理解人類語言，與人實時交互。計算機識別人的語音是相當困難的，因為語音信號和自然語言信號都有其“多邊性”和復雜性。比如連續發音時單詞之間沒有明顯的停頓，同壹個單詞和同壹個單詞的發音受到前後單詞的影響。不僅不同的人說同壹個詞不同，而且同壹個人的發音也受心理、生理、環境的影響。
目前，使用人類自然語言作為計算機輸入存在兩個問題。首先是效率。為了便於計算機理解，輸入的語音可能會相當啰嗦。其次，正確性的問題。計算機理解語音的方法是對比匹配，但是沒有人類的智能。
代表性設備
在虛擬現實系統中，有許多有趣的特殊設備，具有不同的功能。下面就來介紹壹些有代表性的設備。
吊桿式可移動顯示器:它是壹種半沈浸式視覺顯示裝置。使用時，用戶可以方便地將顯示器放在眼前，不使用時可以快速移開。BOOM使用的是小型陰極射線管，產生的圖像柔和，分辨率為1280×1024像素，比液晶屏小很多。
數據手套:數據手套是壹種輸入設備，它可以將人手的動作轉換成計算機輸入信號。它是由非常輕的彈性材料制成的。彈性材料緊貼在手上，附著許多位置和方向傳感器以及光纖線來檢測手的運動。光纖可以測量每個手指的彎曲和伸展，通過光電轉換，手指的動作信息可以被計算機識別。
TELETACT手套:它是壹種觸覺和力反饋的裝置，通過使用壹個小氣囊為手部提供觸覺和力的刺激。這些小氣囊可以快速加壓和減壓。當虛擬手觸碰到壹個虛擬物體時，調用電腦中存儲的該物體的受力模式，壓縮機快速給氣囊充氣或放氣，使手有非常準確的觸覺。
數據服是為VR系統設計的輸入設備，用於識別全身運動。這套數據套裝可以測量人體大約50個不同的關節，包括膝蓋、手臂、軀幹和腳。通過光電轉換，由計算機識別人體的運動信息。通過吊桿顯示器和數據手套，交互式數據披上虛擬現實外衣。
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虛擬現實的本質是人與計算機之間的通信技術，可以支持幾乎任何人類活動，適用於任何領域。
比較早的虛擬現實產品是圖形模擬器，其概念是在60年代提出的，80年代逐漸興起，90年代有產品問世。1992年，世界上第壹個虛擬現實開發工具問世，1993年，出現了許多虛擬現實應用系統。在1996中，NPS公司使用慣性傳感器和全方位跑步機將人體運動姿態融入虛擬環境中。到1999，虛擬現實技術的應用更加廣泛，涵蓋了航空航天、軍事、通信、醫療、教育、娛樂、圖形、建築、商業等領域。專家預測，隨著計算機軟硬件技術的發展和價格的下降，預計虛擬現實技術將在本世紀進入家庭。
VR技術在醫療領域也大有可為。該技術可用於解剖學教學、復雜手術程序的規劃、在手術過程中提供操作和信息輔助以及預測手術結果。此外，虛擬現實技術在遠程醫療方面也有很大的潛力。比如在偏遠山區，通過遠程醫療虛擬現實系統，患者不用進城就可以得到名醫的治療。對於危重患者，還可以進行遠程手術。醫生在病人模型上做手術，他的動作通過衛星傳送給遠處的手術機器人。手術的實際圖像通過機器人上的攝像頭傳回醫生的頭盔立體顯示器，並與虛擬患者模型疊加，為醫生提供有用信息。斯坦福國際研究所成功開發了遠程外科醫療系統。
在航天領域，VR技術也很重要。例如，失重是太空飛行中必須克服的困難，因為很難預測失重狀態下物體的運動。為了在太空中準確操作，宇航員需要接受長時間的失重模擬訓練。為了逼真地模擬太空中的場景，美國國家航空航天局在“哈勃太空望遠鏡的維修與維護”項目中采用了VR模擬訓練技術。
訓練中，宇航員坐在壹把模擬椅子上，椅子上有“載人飛行器”的功能和傳感裝置。這種椅子有壹個位移控制器，用於在虛擬空間中進行線性運動，還有壹個旋轉控制器，用於調整宇航員圍繞其重心的方向。宇航員戴著立體頭盔顯示器顯示望遠鏡、航天飛機和太空的模型，並使用數據手套作為與系統交互的手段。訓練時，宇航員可以圍繞望遠鏡進行操作，用虛擬手觸摸操縱桿，抓住需要更換的“模塊更換器”。抓住換艙器後，宇航員可以使用座椅控制器在太空中飛行。
在物體可視化領域，VR技術的應用實例是模擬風洞。模擬風洞可以讓使用者看到模擬的空氣流場，讓他感覺自己真的站在風洞裏。虛擬風洞的目的是讓工程師分析復雜的三維和多渦的影響，空氣流通面積，湍流與破壞渦等。例如，可以將航天飛機的CAD模型數據傳輸到模擬風洞中進行性能分析。為了分析氣流模式，可以在氣流中註入軌跡跟蹤器，它會隨著氣流漂移，向用戶顯示運動軌跡。追蹤對象可以通過數據手套臣服於任意指定位置，用戶可以從任意角度觀察其運動軌跡。
在軍事領域，VR技術應用的壹個例子就是“網絡化軍事訓練系統”。在這個系統中，軍隊被安排在與實際車輛和指揮中心相同的位置，他們可以看到壹個由其他部隊控制的有山、有樹、有雲、有煙、有路、有建築、有車輛的模擬戰場。這些由實際人員操作的車輛可以互相射擊，系統使用無線電通信和聲音來增強真實感。系統的每個用戶都可以通過環境的角度觀察其他人的行動。炮火的顯示非常真實，用戶可以看到被攻擊力量轟炸的情況。從直升機上看到的場景也很逼真。該模擬系統可用於訓練坦克、直升機和進行軍事演習，以及訓練部隊之間的協同作戰能力。
當然，虛擬現實技術的應用遠不止這些。隨著計算機技術的進壹步發展，虛擬現實將越來越接近我們的生活。
第壹次見到VRML
VRML(虛擬現實建模語言)是壹門與多媒體通信、互聯網、虛擬現實(VR)等領域密切相關的新技術。其基本目標是在互聯網上建立交互式三維多媒體。VRML於1998年6月被正式批準為國際標準(ISO/IEC 14772-1:1997，俗稱VRML97)，創造了標準化進程的ISO/IEC紀錄，是第壹個以HTML發布的國際標準。
VRML是壹種3D交換格式，它定義了當今3D應用中最常見的概念，如變換級別、光源、視點、幾何、動畫、霧、材質屬性和紋理映射。VRML的基本目標是確保它能夠成為壹種有效的3D文件交換格式。
VRML是HTML的3D模型。它為萬維網帶來了交互式3D能力，即VRML是壹種跨平臺的語言，可以發布3D網頁。事實上，3D提供了壹種更自然的體驗方式，如遊戲、工程和科學可視化、教育和建築。對於像這樣的典型項目，僅僅依靠基於網頁的文本和圖像是不夠的，而是要增強交互性、動態效果的連續性和用戶參與探索的能力，這是VRML的目標。
VRML提供的技術可以將3D、2D、文本和多媒體集成為壹個統壹的整體。當這些媒體類型與腳本語言和互聯網的功能相結合時，就有可能產生壹種全新的交互式應用。VRML不僅支持經典的二維桌面模型，還將其擴展到更廣闊的時空背景。
VRML是網絡空間的基礎。網絡空間的概念是由科幻作家威廉·吉布森提出的。雖然VRML沒有定義真實用戶模擬所必需的網絡和數據庫協議，但是我們應該看到VRML的快速發展。作為壹個標準，它必須是簡單的和可實現的，在這個前提下，它必須鼓勵前沿的實驗和擴展。