原标题：虚拟现实的工作原理

显示屏将图像投射到地板，墙壁和天花板上，以提供完全的沉浸感。查看更多虚拟现实图片。" src="https://supp.iczoom.com/home/wwwroot/filedata/hjiczoom/images/public/202212/1672306398862084808.jpg" width="290" height="217"/>

　　虚拟现实CAVE显示屏将图像投射到地板，墙壁和天花板上，以提供完全的沉浸感。查看更多虚拟现实图片。

　　照片由 戴夫·佩普当你听到这些话时，你会想到什么 虚拟 现实 (虚拟现实)?你想象有人戴着一个笨重的头盔附在 计算机 用粗电缆?粗糙渲染的翼手龙的景象是否困扰着你?你认为尼奥和墨菲斯在黑客帝国中徘徊吗?还是你对这个词畏缩，希望它消失?

　　如果最后一种适用于你，你可能是一名计算机科学家或工程师，他们中的许多人现在避免使用虚拟现实这个词，即使他们正在研究我们大多数人与VR相关的技术。今天，你更有可能听到有人使用这些词 虚拟环境 (VE)来指代公众所知道的虚拟现实。在本文中，我们将互换使用这些术语。

　　撇开命名差异不谈，这个概念保持不变 - 使用计算机技术创建一个模拟的三维世界，用户可以操纵和探索，同时感觉自己好像在那个世界中。科学家、理论家和工程师已经设计了数十种设备和应用程序来实现这一目标。对于真正的VR体验究竟是什么，众说纷纭，但总的来说，它应该包括：

　　从用户的角度看似乎是真人大小的三维图像

　　能够跟踪用户的动作，特别是他的头部和眼睛运动，并相应地调整用户显示屏上的图像以反映视角的变化

　　在本文中，我们将介绍VR的定义特征，VR系统中使用的一些技术，它的一些应用，对虚拟现实的一些关注以及该学科的简要历史。在下一节中，我们将了解专家如何定义虚拟环境，从沉浸式开始。

　　虚拟现实沉浸感

　　允许用户的虚拟现实单元 向任何方向自由移动

　　照片由 虚拟圈在虚拟现实环境中，用户体验 浸入，或者身处其中并成为那个世界一部分的感觉。他也能够 互动 以有意义的方式与他的环境。沉浸感和互动性的结合称为 网真.计算机科学家乔纳森·斯图尔(Jonathan Steuer)将其定义为“一个人在中介环境中的感觉，而不是在直接的物理环境中。换句话说，有效的VR体验会使您无法意识到自己的真实环境，而专注于您在虚拟环境中的存在。

　　乔纳森·斯图尔(Jonathan Steuer)提出了沉浸感的两个主要组成部分： 信息深度 和 信息广度.信息深度是指用户在虚拟环境中交互时收到的信号中的数据量和质量。对于用户来说，这可能是指显示器的分辨率，环境的复杂性 图形、系统音频输出的复杂性等。Steuer将信息的广度定义为“同时呈现的感官维度的数量”。如果虚拟环境体验能刺激您的所有感官，则具有广泛的信息。大多数虚拟环境体验优先考虑视觉和 音频 组件高于其他感官刺激因素，但越来越多的科学家和工程师正在寻找整合用户触觉的方法。为用户提供反馈和触摸交互的系统称为 触觉系统.

　　为了使沉浸感有效，用户必须能够探索看似真人大小的虚拟环境，并能够无缝地改变视角。如果虚拟环境由房间中间的单个基座组成，则用户应该能够从任何角度查看基座，并且视角应根据用户注视的位置而移动。VR技术和理论的先驱Frederick Brooks博士表示，显示器必须投射至少每秒20-30帧的帧速率，才能创造令人信服的用户体验。

　　名字里有什么?

　　除了虚拟环境之外，虚拟现实还有许多其他名称。虚拟现实的其他术语包括网络空间(科幻小说作家威廉吉布森发明的一个词)、人工现实、 增强现实 和远程呈现。

　　虚拟现实环境

　　VE系统的其他感官输出应随着用户探索环境而实时调整。如果环境包含 3D 声音，则用户必须确信，当他在环境中移动时，声音的方向会以自然的方式变化。如果用户要感觉沉浸在 VE 中，感官刺激必须保持一致。如果VE显示一个完美的静止场景，你不会期望感觉到大风。同样，如果VE将您置于飓风之中，您不会期望感觉到微风或检测到 气味 的玫瑰。

　　用户执行操作与虚拟环境反映调用操作之间的延迟时间 延迟.潜伏期通常是指用户转头或移动眼睛的时间与视角变化之间的延迟，尽管该术语也可用于其他感官输出的滞后。对飞行模拟器的研究表明，人类可以检测到超过 50 毫秒的延迟。当用户检测到延迟时，它会导致他意识到处于人工环境中并破坏沉浸感。

　　如果用户意识到他周围的现实世界，沉浸式体验就会受到影响。真正身临其境的体验使用户忘记了他的真实环境，有效地导致 计算机 成为非实体。为了达到真正沉浸的目标，开发人员必须提出对用户来说更自然的输入法。只要用户意识到交互设备，他就没有真正沉浸其中。

　　在下一节中，我们将介绍远程呈现的另一个方面：交互性。

　　真正的虚拟物体和游泳

　　被动触觉 是 VE 开发人员尝试增强交互性的一种方式。被动触觉是物理空间中映射到虚拟空间中的虚拟对象的真实对象。用户在物理空间中佩戴 HMD 或类似的便携式显示器。当他们看向物理对象时，他们将在显示器中看到它的虚拟表示。当他们接近物体并试图触摸它时，他们在物理空间中遇到了真正的物体。用户在真实空间中对该对象执行的任何操作都显示为对虚拟空间中虚拟对象的反射操作。

　　在VR系统中游泳并不是指跳入游泳池 - 它描述了虚拟环境中延迟的影响。如果你在VE中环顾四周，注意到视角的变化不是瞬间的，你会体验到游泳。这种效果会分散注意力，甚至可以让您体验 晕车叫 痰痰 或 晕屏症 在VR圈子里。

　　虚拟现实交互性

　　迪士尼探索的网络 太空山胶囊

　　照片由 苏·霍兰德沉浸在虚拟环境中是一回事，但要让用户真正感到参与其中，还必须有一个元素 互动.使用当今VE系统中常见技术的早期应用程序允许用户获得相对被动的体验。用户可以观看预先录制的 影片 在佩戴时 头戴式显示器 (头戴式显示器).他们会坐在运动椅上观看电影，因为系统让他们受到各种刺激，例如向他们吹气以模拟风。虽然用户感到沉浸感，但交互性仅限于通过环顾四周来改变他们的观点。他们的道路是预先确定的，不可改变的。

　　今天，您可以找到虚拟 过山车 使用相同类型的技术。佛罗里达州奥兰多的迪士尼探索以网络空间山为特色，顾客可以设计自己的过山车，然后进入模拟器乘坐他们的虚拟创作。该系统非常身临其境，但除了最初的设计阶段之外，没有任何交互，因此它不是真正的虚拟环境的示例。

　　交互性取决于许多因素。斯图尔认为，其中三个因素是 速度, 范围 和 映射.Steuer 将速度定义为用户操作被合并到 计算机 建模并以用户可以感知的方式反映。范围是指任何特定用户操作可能产生多少可能的结果。映射是系统根据用户操作生成自然结果的能力。

　　虚拟环境中的导航是一种交互性。如果用户可以在环境中指导自己的运动，则可以称为交互式体验。大多数虚拟环境都包含其他形式的交互，因为用户在探索几分钟后很容易感到无聊。计算机科学家玛丽·惠顿(Mary Whitton)指出，设计不佳的交互会大大降低沉浸感，而找到吸引用户的方法可以增加沉浸感。当虚拟环境有趣且引人入胜时，用户更愿意暂停怀疑并沉浸其中。

　　真正的交互性还包括能够修改环境。一个好的虚拟环境将以有意义的方式响应用户的操作，即使它只在虚拟环境中有意义。如果虚拟环境以古怪和不可预测的方式发生变化，则可能会破坏用户的远程呈现感。

　　在下一节中，我们将介绍 VE 系统中使用的一些硬件。

　　沉浸与互动

　　开发人员发现，当交互简单有趣时，即使VE不是逼真的，用户也会感受到更强的远程呈现感，而缺乏交互机会的非常逼真的环境会导致用户相对较快地失去兴趣。

　　虚拟现实耳机

　　使用的任天堂动力手套 在虚拟现实游戏中

　　照片使用下如今，大多数 VE 系统都由普通电源供电 个人电脑.PC 足够复杂，可以开发和运行创建虚拟环境所需的软件。图形通常由功能强大的 显卡 最初设计有 视频游戏 社区在心中。让你玩魔兽世界的同一显卡可能正在为高级虚拟环境的图形提供动力。

　　VE系统需要一种向用户显示图像的方法。许多系统使用 HMD，即包含两个的头戴式耳机 显示器，每只眼睛一个。这些图像创造了立体效果，给人一种深度的错觉。早期使用的头戴式显示器 阴极射线管 显示器，体积庞大，但具有良好的分辨率和质量，或 液晶显示器(液晶显示器) 显示器，价格便宜得多，但无法与CRT显示器的质量竞争。如今，LCD显示器更加先进，分辨率和色彩饱和度都有所提高，并且比CRT显示器更常见。

　　提供用户输入的数据套装

　　照片由 戴夫·佩普

　　其他VE系统将图像投射到房间的墙壁，地板和天花板上，称为洞穴自动虚拟环境(CAVE)。伊利诺伊大学芝加哥分校设计了第一个CAVE显示器，使用了一个 背投 在小房间的墙壁，地板和天花板上显示图像的技术。用户可以在CAVE显示屏中四处走动，戴上特殊的眼镜来完成在虚拟环境中移动的错觉。CAVE显示器为用户提供了更宽的视野，有助于沉浸。它们还允许一群人同时分享体验(尽管显示器只会跟踪一个用户的观点，这意味着房间里的其他人将是被动的观察者)。CAVE显示器非常昂贵，比其他系统需要更多的空间。

　　与显示技术密切相关的是跟踪系统。跟踪系统分析用户视角的方向，以便计算机系统将正确的图像发送到视觉显示。大多数系统要求用户用电缆连接到处理单元，从而限制了他可用的运动范围。追踪器技术的发展往往落后于其他VR技术，因为这种技术的市场主要集中在VR上。如果没有其他学科或应用程序的需求，就没有那么多兴趣开发跟踪用户移动和观点的新方法。

　　输入设备在VR系统中也很重要。目前，输入设备的范围从带有两个或三个按钮的控制器到电子手套和 语音识别 软件。整个学科没有标准的控制系统。VR科学家和工程师正在不断探索使用户输入尽可能自然的方法，以增加远程呈现感。一些更常见的输入设备形式是：

　　操纵 杆

　　力球/跟踪球

　　控制器棒

　　数据手套

　　语音识别

　　运动追踪器/紧身衣

　　跑步 机

　　虚拟现实游戏

　　运行中的Wii控制器

　　照片由科学家们还在探索开发用于VR的生物传感器的可能性。生物传感器可以检测和解释神经和肌肉活动。通过正确校准的生物传感器，计算机可以解释用户在物理空间中的移动方式，并将其转换为虚拟空间中的相应运动。生物传感器可以直接附着在用户的皮肤上，也可以结合到手套或紧身衣中。生物传感器套装的一个限制是，它们必须为每个用户定制，否则传感器将无法正确排列在用户的身体上。

　　UNC-Chapel Hill的Mary Whitton认为，娱乐业将推动大多数VR技术的发展。这 电子游戏 特别是工业界在图形和声音功能方面做出了贡献，工程师可以将这些功能整合到虚拟现实系统的设计中。惠顿发现特别有趣的一项进展是 任天堂Wii的 魔杖控制器。控制器不仅是具有某些跟踪功能的商用设备;它也很实惠，对通常不玩视频游戏的人很有吸引力。由于跟踪和输入设备是传统上落后于其他VR技术的两个领域，因此该控制器可能是对VR系统有用的新一波技术进步中的第一个。

　　一些程序员设想互联网发展成一个三维虚拟空间，您可以在其中浏览虚拟景观以访问信息和娱乐。 网站 可以采取三维位置的形式，允许用户以比以前更真实的方式进行探索。程序员已经开发了几种不同的计算机语言和Web浏览器来实现这一愿景。其中一些包括：

　　虚拟现实建模语言 (VRML)- 最早的Web三维建模语言。

　　3DML - 一种三维建模语言，用户可以在其中访问 点 (或网站)通过大多数互联网浏览器安装插件后。

　　X3D - 取代VRML作为在互联网中创建虚拟环境的标准的语言。

　　协作设计活动 - 一种用于允许在三维程序中进行文件交换的格式。

　　当然，许多VE专家会争辩说，如果没有HMD，基于互联网的系统就不是真正的虚拟环境。它们缺乏沉浸感的关键元素，特别是跟踪和显示真人大小的图像。

　　虚拟现实应用

　　使用虚拟疗法来治疗患者对飞行的恐惧。

　　照片由 几乎更好公司在 1990 年代初期，公众对虚拟现实的接触很少超出相对原始的演示，即一些块状人物被粗糙的翼手龙在棋盘上追逐。虽然娱乐业仍然对虚拟现实应用感兴趣 游戏 和剧院体验，VR系统真正有趣的用途是其他领域。

　　一些建筑师为他们的建筑计划创建虚拟模型，以便人们可以在奠定地基之前穿过结构。客户可以在外部和内部移动并提出问题，甚至建议对设计进行更改。与微型模型相比，虚拟模型可以让您更准确地了解在建筑物中移动的感觉。

　　汽车公司已经使用VR技术来构建新车的虚拟原型，在生产单个物理部件之前对其进行彻底测试。设计师可以进行更改，而不必像物理模型那样废弃整个模型。因此，开发过程变得更加高效且成本更低。

　　虚拟环境用于培训计划 军事这 空间 程序甚至医学生。军方长期以来一直是VR技术和发展的支持者。训练计划可以包括从车辆模拟到小队战斗的所有内容。总的来说，VR系统比其他培训方法更安全，而且从长远来看更便宜。经过广泛VR训练的士兵已被证明与在传统条件下训练的士兵一样有效。

　　在医学领域，工作人员可以使用虚拟环境进行从外科手术到诊断患者的所有培训。外科医生不仅使用虚拟现实技术进行培训和教育，而且还使用机器人设备远程进行手术。第一个 机器人手术 于1998年在巴黎的一家医院进行。使用VR技术进行机器人手术的最大挑战是延迟，因为这种微妙手术的任何延迟都会让外科医生感到不自然。这样的系统还需要向外科医生提供微调的感觉反馈。

　　VR技术的另一个医疗用途是心理治疗。埃默里大学的芭芭拉·罗斯鲍姆(Barbara Rothbaum)博士和佐治亚理工学院的拉里·霍奇斯(Larry Hodges)博士率先使用虚拟环境治疗患有恐惧症和其他心理疾病的人。他们使用虚拟环境作为暴露疗法的一种形式，在受控条件下，患者暴露在导致他痛苦的刺激中。与真正的暴露疗法相比，该应用程序具有两大优势：它更方便，患者更愿意尝试该疗法，因为他们知道这不是真实的世界。他们的研究促成了VirtualBetter公司的成立，该公司向14个国家的医生销售VR治疗系统。

　　在下一节中，我们将探讨虚拟现实技术的一些问题和挑战。

　　正确的东西

　　飞行模拟器是VE系统的一个很好的例子，它在严格的限制内有效。在一个好的飞行模拟器中，用户可以在各种条件下采取相同的飞行路径。用户可以感受到在暴风雨、浓雾或平静的风中飞行的感觉。逼真的飞行模拟器是有效和安全的训练工具，虽然复杂的模拟器可能要花费数万美元，但它们比实际的飞机便宜(而且很难在事故中损坏)。从VR的角度来看，飞行模拟器的局限性在于它们是为一项特定任务而设计的。你不能走出飞行模拟器并留在虚拟环境中，也不能做任何事情，除了在飞机内驾驶飞机。

　　虚拟现实的挑战和担忧

　　图片由美国宇航局提供虚拟现实领域面临的巨大挑战是开发更好的跟踪系统，找到更自然的方式来允许用户在虚拟环境中进行交互，并减少构建虚拟空间所需的时间。虽然有一些跟踪系统公司从虚拟现实的早期就已经存在，但大多数公司都很小，持续时间不长。同样，没有多少公司专门开发用于VR应用程序的输入设备。大多数VR开发人员必须依赖和调整最初用于另一学科的技术，他们必须希望生产该技术的公司继续经营。至于创建虚拟世界，创建一个令人信服的虚拟环境可能需要很长时间 - 环境越逼真，制作它所需的时间就越长。 一个程序员团队可能需要一年多的时间才能在虚拟空间中准确地复制一个真实的房间。

　　VE系统开发人员面临的另一个挑战是创建一个避免不良人体工程学的系统。许多系统依赖于硬件，这些硬件会阻碍用户或通过物理系绳限制他的选择。如果没有精心设计的硬件，用户可能会因远程呈现感的下降而失去平衡感或惯性，或者他可能会经历晕屏症，症状可能包括迷失方向和恶心。并非所有用户似乎都有晕屏的风险——有些人可以在虚拟环境中探索几个小时而不会产生不良影响，而另一些人可能会在几分钟后感到不安。

　　一些心理学家担心沉浸在虚拟环境中会对用户产生心理影响。他们认为，将用户置于暴力情境中的VE系统，特别是作为暴力的延续者，可能导致用户变得麻木不仁。实际上，人们担心VE娱乐系统可能会孕育一代 反社会者.其他人并不担心脱敏，但确实警告说，令人信服的VE体验可能会导致一种网络成瘾。有几个新闻故事表明，游戏玩家为了在线、游戏内的存在而忽视了他们的现实生活。参与虚拟环境可能会更容易上瘾。

　　另一个新出现的问题涉及 犯罪行为.在虚拟世界中，定义谋杀或性犯罪等行为一直是个问题。当局在什么时候可以指控一个人在虚拟环境中的行为犯有真正的罪行?研究表明，人们可以在虚拟环境中对刺激产生真实的身体和情感反应，因此虚拟攻击的受害者很可能会感受到真正的情感创伤。攻击者会因为造成现实生活中的痛苦而受到惩罚吗?我们还没有这些问题的答案。

　　在下一节中，我们将看看虚拟现实的历史。

　　我需要更多的力量，船长!

　　Mary Whitton解释说，在设计虚拟环境时，技术能力和计算能力的提高并不一定转化为更快的制作时间或更流畅的渲染。首先，程序员喜欢通过创建更丰富的环境来利用更多的功能，这反过来又需要更长的时间来渲染。

　　虚拟现实历史

　　照片由ATTICUS GRAYBILL提供 几乎更好公司虚拟现实的概念已经存在了几十年，尽管公众直到 1990 年代初才真正意识到它。在1950年代中期，一位名叫莫顿·海利格(Morton Heilig)的电影摄影师设想了一种戏剧体验，可以刺激所有观众的感官，更有效地吸引他们进入故事。他在 1960 年构建了一个名为 感官 包括立体显示器、风扇、气味发射器、立体声 扬声器 和一把移动的椅子。他还发明了头戴式 电视 用户是电影的被动观众，但Heilig的许多概念都会进入VR领域。

　　Philco公司的工程师于1961年开发了第一个HMD，称为 前视镜.头盔包括一个视频屏幕和跟踪系统，工程师将其连接到闭路摄像系统。他们打算将HMD用于危险情况 - 用户可以远程观察真实环境，通过转动头部来调整相机角度。贝尔实验室为直升机飞行员使用了类似的HMD。他们将HMD链接到 红外摄像机 连接到直升机的底部，使飞行员在黑暗中飞行时拥有清晰的视野。

　　1965年，一位名叫伊万·萨瑟兰(Ivan Sutherland)的计算机科学家设想了他所谓的”最终 显示."使用此显示器，人们可以查看一个虚拟世界，该虚拟世界看起来与用户居住的物理世界一样真实。这一愿景指导了虚拟现实领域的几乎所有发展。萨瑟兰的概念包括：

　　一个对任何观察者来说都是真实的虚拟世界，通过HMD看到并通过三维声音和触觉刺激进行增强

　　实时维护世界模型的计算机

　　用户能够以逼真、直观的方式操作虚拟对象

　　1966年，萨瑟兰建造了一个HMD，该HMD被拴在 计算机 系统。计算机为显示器提供了所有图形(到目前为止，HMD仅链接到 相机).他使用悬架系统来固定HMD，因为它太重了，用户无法舒适地支撑。HMD可以立体显示图像，给人一种深度错觉，它还可以跟踪用户的头部运动，以便当用户环顾四周时视野会适当变化。

　　虚拟现实开发

　　美国宇航局用来模拟太空的 BOOM 显示器

　　照片由 美国宇航局美国宇航局，国防部和国家科学基金会资助了虚拟现实项目的大部分研究和开发。这 中央情报局 向萨瑟兰贡献了80，000美元的研究资金。早期的应用主要属于车辆模拟器类别，并用于训练演习。由于模拟器中的飞行体验与真实飞行相似但不完全相同，因此 军事，美国宇航局和航空公司制定了政策，要求飞行员在模拟飞行和真实飞行之间有明显的滞后时间(至少一天)，以防他们的实际表现受到影响。

　　多年来，VR技术一直远离公众视线。直到 1980 年代，几乎所有的开发都集中在车辆模拟上。然后，在1984年，一位名叫Michael McGreevy的计算机科学家开始尝试VR技术作为进步的一种方式。 人-计算机 接口 (人机交互) 设计。HCI在VR研究中仍然发挥着重要作用，而且它导致媒体在几年后接受了VR的想法。

　　杰伦·拉尼尔(Jaron Lanier)在1987年创造了虚拟现实一词。在 1990 年代，媒体抓住了虚拟现实的概念并与之同行。由此产生的炒作让许多人对虚拟现实技术可以做什么产生了不切实际的期望。随着公众意识到虚拟现实还不像他们所相信的那么复杂，兴趣减弱了。虚拟现实一词开始随着公众的期望而逐渐消失。今天，VE开发人员尽量不夸大VE系统的功能或应用，他们也倾向于避免使用虚拟现实一词。