虚拟环境由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的 标准和要求，属于科学仿真系统。操纵者亲身体验虚拟三维空间，身临其境。操纵者可以实时感受运动带来的场景变化，步移景异，并可亲自布置场景，具有双向互动的功能。支持立体显示和3D立体声，三维空间真实。没有时间限制，可真实详尽地展示，并可以在虚拟现实基础上导出动画视频文件，同样可以用于多模体资料制作和宣传，性价比高。在实时三维环境中，支持方案调整、评估、管理、信息查询等功能，适合较大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理等需要，同时又具有更真实和直观的多媒体演示功能。

三维动画：

场景画面由动画制作人员根据材料或想象直接画制而成，与真实的环境和数据有较大的差距，属于演示类艺术作品。预先假定的观察路径，无法改变。只能如电影一样单向演示，场景变化,画面需要事先制作生成，耗时、费力、成本较高。受动画制作时间限制，无法详尽展示，性价比低。只适合简 单的演示能。

虚拟现实是计算机与用户之间的一种更为理想化的人-机界面形式。通常用户头戴一个头盔（用来显示立体图象的头式显示器），手持传感手套，仿佛置身于一个幻觉世界中，在虚拟环境中漫游，并允许操作其中的“物体”。与传统计算机相比，虚拟现实系统具有三个重要特征：临境性，交互性，想象性。虚拟现实技术潜在的应用范围很广，诸如国防、建筑设计、工业设计、培训、医学领域。例如建筑设计师可以运用虚拟现实技术向客户提供三维虚拟模型，而外科医生还可以在三维虚拟的病人身上试行一种新的外科手术。

虚拟现实的定义：

虚拟现实（VR）是近几年来国内外科技界关注的一个热点，其发展也是日新月异。简单地说，VR技术就是借助于计算机技术及硬件设备，实现一种人们可以通过视听触嗅等手段所感受到的虚拟幻境，故VR技术又称幻境或灵境技术。1992年，在法国召开了与VR技术相关的名为“真实与虚拟世界的界面”的国际会议，同年在美国的San Diego（圣迭戈），一批以医学专家为主的科学家组织召开了名为“医学中的虚拟现实技术”的学术会议。1993年，IEEE在Seattle（西雅图）召开了第一届虚拟现实国际学术会议，会议吸引了大批科技工作者，发表了大量有价值的论文。不久，IEEE的刊物Spectrum也组织了有关专集。在国内科技界，VR技术正逐渐受到人们重视。

虚拟现实是一门集成了人与信息的科学。其核心是由一些三维的交互式计算机生成的环境组成。这些环境可以是真实的，也可以是想象的世界模型，其目的是通过人工合成的经历来表示信息。有了虚拟现实技术，复杂或抽象系统的概念的形成可以通过将系统的各子部件以某种方式表示成具有确切含义的符号而成为可能。虚拟现实是融合了许多人的因素，且放大了它对个人感觉影响的工程。虚拟现实技术是建立在集成诸多学科如心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学、机器人及多媒体技术等之上的。

虚拟现实应具有以下三个方面的含义。首先VR是通过计算机生成一个非常逼真的足以“迷惑”我们人类视觉的虚幻的世界。这种“迷惑”是多方面的，我们不仅可以看到而且可以听到、触到及嗅到这个虚拟世界中所发生的一切。这种感觉是如此的真实，以至于我们能全方位地浸没在这个虚幻的世界中，这就是VR的首要功能，即浸没感（Immersion）或临场参与感。一般来说，虚拟系统的输出设备应尽可能面向使用者的感觉器官以保证良好的浸没感，如头盔式显示器（HMD），它将使用者的听觉视觉功能完全置于虚拟的环境之中并切断了所有外界信息。使用者在虚拟的环境漫游可以通过跟踪使用者的头及身体的运动来完成，与虚拟物体的接触通过戴在手上的传感装置检测来实现。

虚拟现实与通常CAD系统所产生的模型是不一样的，它不是一个静态的世界，而是一个开放的环境，它可以对使用者的输入（如手势，语言命令）作出响应。比如你可以拿起一虚拟的火炬并打开其开关，你一推操纵杆，仿佛可以在里面漫游，你甚至可以用虚拟的手感触到虚拟物体存在，虚拟现实环境可以通过控制与监视装置影响或被使用者影响，这是VR的第二个特征，即交互性（Interaction）。

虚拟现实不仅仅是一个媒体，一个高级用户界面，它是为解决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件，它以夸大的形式反映了设计者的思想，比如当在盖一座现代化的大厦之前，你首先要做的事是对这座大厦的结构做细致的构思，为了使之定量化，你还需设计许多图纸，当然这些图纸只能内行人读懂。正如这些图纸反映的是设计者的构思，虚拟现实同样反映的是某个设计者的思想，只不过它的功能远比那些呆板的图纸生动，强大的多。所以国外有些学者称VR为放大人们心灵的工具，或人工现实（artifical reality）。这是VR所具有的第三类特征，即思想性（Imagation）。

综上所述，虚拟现实是人们可以通过视听触等信息通道感受到设计者思想的高级用户界面。

　　麦克.哈默（是全球首屈一指的企业名医或者所谓的“企业形象再造工程师”）将“企业变革”形容
为一种几乎要变为重复修饰的矛盾修饰（基础稳固的大企业却需要变革！）。所谓“重复修饰”，是指像
在“某人自己的心目中”这类重复累赘的表述；而矛盾修饰，则是像“人工智能”或“飞机食品”等显而
易见的矛盾组合。重复修饰和矛盾修饰是否恰好相反，还有争论的余地，但倘若我们要颁发“最佳矛盾修
饰奖”，那么“虚拟现实”一词一定榜上有名。
　　假如我们把组成“虚拟现实”一词的“虚拟”和“现实”两个部分看成“相等的两半”，那么把“虚
拟现实”当成一个重复修饰的概念似乎更有道理。虚拟现实能使人造事物像真实事物一样逼真，甚至比真
实事物还要逼真。
　　比如说，飞行模拟，这一最复杂和使用时间最久的虚拟现实应用，就比驾驶一架真正的飞机还要逼真。
刚训练出来的、但已练就一身好本领的飞行员之所以能在初试牛刀时就驾驶一架满载乘客的“真正”波音
747客机，原因就是他们在飞行模拟器上学习驾驶技术，要比他们在真正的飞机上学到的还要快、还要多。
在模拟器中，飞行员会置身于在现实世界里可能不会出现的所有罕见的情况中，包括飞机几乎相撞或裂成
几段。
　　另外一个具有社会意义的虚拟现实应用，就是汽车驾驶学校的驾驶训练。在一条湿滑的路上，突然有
个小孩冲到两辆汽车中间，如果从未经历过这种情况，谁也不知道自己会作何反应。虚拟现实容许我们
“亲身”体验各种可能发生的情况。

身临其境

　　虚拟现实背后的构想是，通过让眼睛接收到在真实情境中才能接收到的信息，使人产生“身临其境”
的感觉，更重要的一点是，你所看到的形象会随着你视点的变化即时改变，这就更增强了现场的动感。我
们对真实空间的感觉来自于各种视觉线索，例如物体的相对体积、亮度以及在不同角度上的运动情况。其
中最强烈的线索来自于双眼透视，由于左右眼看到的形象并不相同，双眼同时使用时就会产生特别强有力
的效果。把这些不同的形象合成一个三维图像，也就构成了立体视觉的基础。
　　每只眼睛的深度知觉略微不同，造成了两只眼睛所看到的形象不尽相同。这种现象称为视差。当近距
离观察物体时（假如在6英尺以内），视差的效果最为显著。距离较远的物体基本上会在两眼上投射相同
的影像。你有没有想过为什么立体电影里总是有许多近距离内来来回回的动作？为什么影片里的物体总是
朝观众席里飞来？因为那些移动正是设计在立体影像的最佳效果距离之内。
　　虚拟现实的典型道具是一个头盔，上面有两个护目镜般的显示器，每只眼睛对应一个显示器。每个
显示器都显现稍微不同的透视影像，与身临其境时的情景完全一样。当你转动脑袋的时候，影像会以极快
的速度更新，让你感觉仿佛影像的变换是因你转头的动作而来（而不是电脑实际上在追踪你的动作，后者
才是实情）。你以为自己是引起变化的原因，而不是经由电脑处理后所造成的一种效果。
　　视觉经验的真实程度是由两个因素共同决定的。其一是图像的质量，即图像中显示的边和其间结构的
数量的多少，数量越多，质量越好。其二是响应时间，即画面更新的速度，速度越快越好，响应时间越短
越好。这两个变数都要求电脑具有十分强劲的威力。直到最近，对大多数的产品开发商而言，这样威力强
大的电脑还不可得，现在情况刚刚有了改变。
　　虚拟现实技术早在1968年就已诞生，当时第一个头戴式的显示系统正是由伊凡.苏泽兰制造成功的。后
来，美国国家航空和宇宙航行局以及国防部所作的研究，为太空探索和军事应用开发了一些价格昂贵的虚
拟现实原型机。虚拟现实特别适合用在坦克和潜水艇操作训练上，因为在“真实的”战争中，同样必须透
过望远镜或潜望镜来观察外面的景象。
　　直到今天，当我们拥有了威力强、成本低的电脑时，才可能把虚拟现实技术当作一种满足消费者娱乐
目的的媒介。而在虚拟现实的新面貌中，绝对少不了令人惊恐万状的镜头。

虚拟现实技术的应用现状及发展

摘要：本文全面回顾了虚拟现实技术的发展历史和研究背景，介绍了虚拟现实技术的构成和技术特点，分析了虚拟现实系统在遥现技术、仿真技术、对象可视化技术等方面的应用现状，并重点论述了分布式虚拟现实系统的应用和发展前景。

关键词：虚拟现实 虚拟环境 分布式虚拟现实系统

虚拟现实技术简介

虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术（Virtual Reality），又称灵境技术，是90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时；同时，它在许多不同领域的应用，可以带来巨大的经济效益。

1．虚拟现实技术的发展概述〖1〗

1965年，Sutherland在篇名为<<终极的显示>>的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。

随后的1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词。

80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy 和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站（VIEW）项目中，他们又开发了通用多传感个人仿真器和遥现设备。

进入90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。例如1993年的11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来引起科技界瞩目的又一件工作。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，如娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的遥操作、教育与培训、信息可视化以及远程通讯等，人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满了憧憬与兴趣。

2．虚拟现实系统的研究现状

计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具，并因此导致了许多解决问题的新方法的产生。虚拟现实技术的产生与发展也同样如此，就虚拟现实本身而言，它主要涉及到三个研究领域：

通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果；

建立对虚拟世界的观察界面；

使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。虚拟现实的有关技术特征及构成

从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如

视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。

1．虚拟现实技术的重要技术特征〖2〗

虚拟现实的定义可以归纳如下：虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场等），通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实技术因此具有以下四个重要特征：

多感知性

所谓多感知性就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。

II．存在感

又称临场感，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。

III交互性

交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。

IV．自主性

是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。

2．虚拟现实系统的构成

虚拟现实系统的模型表示如图（2）。用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它反馈信息（如触觉、力觉反馈等）。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用（如遥操作等）。

虚拟现实系统主要由以下六个模块构成

检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。

反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。

传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面

将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。

控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。

建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。

现有虚拟现实系统的关键技术

虚拟现实的关键技术可以包括以下几个方面：〖3〗

（1）动态环境建模技术

虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据

，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。

（2）实时三维图形生成技术

三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。

（3）立体显示和传感器技术

虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。

（4）应用系统开发工具

虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。

系统集成技术

由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的

作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。

虚拟现实技术的应用领域

虚拟现实技术的应用前景是很广阔的。它可应用于建模与仿真、科学计算可视化、设

计与规划、教育与训练、遥作与遥现、医学、艺术与娱乐等多个方面。下面我们分别讨论几个典型的应用例子。

用于遥控机器人的遥现技术

遥现技术〖4〗是指当实际上在某一个地方时，可以产生在另一个地方的感觉。虚拟现实

涉及到体验由计算机产生的三维虚拟环境，而遥现则涉及到体验一个遥远的真实环境。遥现技术在实际应用中需要虚拟环境的指导。例如，在遥控宇宙空军站的开发计划中，从安全性以及费用的角度考虑，我们有必要使用空间机器人。这种空间机器人的特点是由地面上的操作员进行遥操作，或进行部分自主操作。对于像零件更换的固定操作可以完全自主进行，而对于故障检修等难以预测的操作则有必要依赖于遥操作。这时，虚拟现实技术和遥现技术将发挥重要的作用。为研究新一代空间机器人的遥操作技术，日本开发了宇宙开发地面实验平台。该实验平台有人－机交互、计算机系统以及机器人系统所构成。现在，在该实验平台上进行了零件更换等空间机器人的典型操作实验，实现了实验平台的基本功能。

仿真技术

虚拟环境是计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、

味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。因此，虚拟环境是一种新发展的、具有新含义的一种人机交互系统。

飞行仿真系统

飞行仿真系统由四部分组成，即飞行员的操纵舱系统显示外部图象的视觉系统产生运动感的运动系统计算和控制飞行运动的计算机系统。

计算机系统是飞行仿真系统的中枢，用它来计算飞行的运动、控制仪表及指示灯、驾驶杆等信号。视觉系统和运动系统与虚拟现实密切相关，其中，视觉系统向飞行员提供外界的视觉信息。该系统由产生视觉图象的“图象产生部”和将产生的信号提供给飞行员的“视觉显示部”组成。在图象产生部，随着计算机图形学的发展，现在使用称为CGI（Computer Generated Imagery）的视觉产生装置。在CGI中利用纹理图形驾驶可以产生云彩、海面的波浪等效果。另外，利用图象映射驾驶可以从航空照片上将农田以及城市分离出来，并作为图象数据加以利用。视觉显示部向飞行员提供具有真实感的图象，图象的显示有无限远显示方式、广角方式、半球方式以及立体眼镜和头盔式显示器等四种方式。

作为飞行仿真系统的构成部分，运动系统向飞行员提供一种身体感觉，它使得驾驶舱整体产生运动，根据自由度以及驱动方式的不同，可以分为万向方式、共动型吊挂方式、共动型支撑方式以及共动型六自由度方式等。利用该运动系统，飞行员可以感觉到实际飞机一样的运动感觉。

与虚拟生物对话

研究人员设计了一种与虚拟生物对话的仿真系统。在该系统中，虚拟世界中的虚拟生物和现实世界中的生物一样，可以决定自己的行动，并且能够动态地应付周围的情况。对于人的挑逗也能够根据情况的不同作出各种复杂的反应，甚至能够进行对话。通过引进虚拟生物，可以实现系统的自主性、交互性及其自然的魅力。

作战仿真系统

各个国家在传统上习惯于通过举行实战演习来训练军事人员和士兵，但是这种实战演练，特别是大规模的军事演习，将耗费大量资金和军用物资，安全性差，而且还很难在实战演习条件下改变状态，来反复进行各种战场态势下的战术和决策研究。近年来，虚拟现实技术的应用，使得军事演习在概念上和方法上有了一个新的飞跃，即通过建立虚拟战场来检验和评估武器系统的性能。例如一种虚拟战场环境，它能够包括在地面行进的坦克和装甲车，在空中飞行的直升机、歼击机、导弹等多种武器平台，并分别属于红、兰交战双方。图（4）为一多机空仿真系统，它除了多台有人驾驶的飞机模拟器和“数字”飞机外，在网上还连着地面威胁环境、空中威胁环境、背景干扰环境等结点。该系统的主要研究目的是对飞机的飞行、火控、航空电子系统进行综合研究，同时研究多机协同空战战术。

对象可视化技术〖5〗

虚拟风洞

在科学研究中，人们总会面对大量的随机数据，为了从中得到有价值的规律和结论，需要对这些数据进行认真分析。例如，为了设计出阻力小的机翼，人们必须详细分析机翼的空气动力学特性。因此人们发明了风洞实验方法，通过使用烟雾气体使得人们可以用肉眼直接观察到气体与机翼的作用情况，因而大大提高了人们对机翼的动力学特性的了解。虚拟风洞的目的是让工程师分析多旋涡的复杂三维性质和效果、空气循环区域、旋涡被破坏时的乱流等，而这些分析利用通常的数据仿真是很难可视化的。

虚拟物理实验室

在学习过程中，学生总有许许多多的疑问有待解答。虚拟物理实验室〖8〗的

设计使得学生可以通过亲身实践―做、看、听来学习的方式成为可能。使用该系统，学生们可以很容易的演示和控制力的大小、物体的形变与非形变碰撞、摩擦系数等物理现象。为了显示物体的运动轨迹，可以对不同大小和质量的运动物体进行轨迹追踪。还可以停止时间的推移，以便仔细观察随时间变化的现象。学生可以通过使用数据手套与系统进行各种交互。

虚拟电力控制室

在现行的电力控制室的设计中，控制台以及显示器的设计一般是用和实物同等大小的模型。研究人员使用虚拟现实技术研制了一个辅助设计控制室的系统。使用该系统可以自由地改变控制室内的配色、照明、报警、显示器的画面构成，以及各种仪表的配置等室内环境。另外，用户还可以在室内移动，以便从不同方向观察室内情况。

现在人们正在研究将图形与实际图象进行融合的系统。使用该系统可以用虚拟空间监视远方的现场，也可以给用户一种自由往返于虚拟空间和远方现场的感觉。但是，目前还没有合适的输出装置。相信这种需要必将会促进虚拟现实技术中硬件装置的研制。

分布式虚拟现实系统

近几十年来，计算机、通讯技术的同步发展和相互促进成为全世界信息技术与产业飞

速发展的主要特征。特别是网络技术的迅速崛起，使得信息应用系统在深度和广度上发生了本质性的变化，分布式虚拟现实系统（DVR）即是一个较为典型的实例〖6〗。所谓DVR是指一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，通过计算机与其它用户进行交互，并共享信息。下面我们分几个方面加以介绍。

分布式虚拟现实系统的产生和发展

分布式虚拟现实的研究开发工作可追溯到80年代初。如1983年美国国防部（DOD）

制定了SIMENT的研究计划；1985年SGI公司开发成功了网络VR游戏DogFlight。到了90年代，一些著名大学和研究所的研究人员也开展了对分布式虚拟现实系统的研究工作，并陆续推出了多个实验性DVR系统或开发环境，典型的例子有美国NPS开发的NPSNET（1990）、美国斯坦福大学的PARADISE/Inverse系统（1992）、瑞典计算机科学研究所的DIVE（1993）、新加坡国立大学的BrickNet（1994）、加拿大Albert大学的MR工具库（1993）及英国Nottingham大学的AVIARY（1994）。

模型结构

分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟环境，在这个环境中，位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相联结。根据分布式系统环境下所运行的共享应用系统的个数，可把DVR系统分为集中式结构和复制式结构。集中式结构是只在中心服务器上运行一份共享应用系统。该系统可以是会议代理或对话管理进程。中心服务器的作用是对多个参加者的输入/输出操纵进行管理，允许多个参加者信息共享。它的特点是结构简单，容易实现，但对网络通信带宽有较高的要求，并且高度依赖于中心服务器。

复制式结构是在每个参加者所在的机器上复制中心服务器，这样每个参加者进程都有一份共享应用系统。服务器接收来自于其它工作站的输入信息，并把信息传送到运行在本地机上的应用系统中，由应用系统进行所需的计算并产生必要的输出。它的优点是所需网络带宽较小。另外，由于每个参加者只与应用系统的局部备份进行交互，所以，交互式响应效果好。但它比集中式结构复杂，在维护共享应用系统中的多个备份的信息或状态一致性方面比较困难。

3．DVR的网络通信

我们在设计和实现DVR系统时，必须考虑以下网络通信因素：

带宽网络带宽是虚拟世界大小和复杂度的一个决定因素。当参加者增加时，带

宽需求也随着增加。这个问题在局域网中并不突出，但在广义网上，带宽通常限制为1.5Mbps，而通过Internet访问的潜在用户数目却比较大。

分布机制它直接影响系统的可扩充性。常用的消息发布方法为广播、多播和单

播。其中，多播机制允许任意大小的组在网上进行通信，它能为远程会议系统和分布式仿真类的应用系统提供1－多和多－多的消息发布服务。

延迟影响虚拟环境交互和动态特性的因素是延迟。如果要使分布式环境仿真真

实世界，则必须实时操作，从而增加真实感。对于DVR系统中的网络延迟可以通过使用专用联结、对路由器和交换技术进行改进、快速交换接口和计算机等来缩减。

可靠性在增加通信带宽和减少通信延迟这两方面进行折衷时，则要考虑通信的

可靠性问题。可靠性由具体的应用需求来决定。有些协议有较高的可靠性，但传输速度慢，反之亦然。

分布式虚拟现实系统的多协议模型

由于在DVR系统中需要交换的信息种类很多，单一的通信协议已不能满足要求，这时

就需要开发多种协议，以保证在DVR系统中进行有效的信息交换。协议可以包括：联结管理协议、导航控制协议、几何协议、动画协议、仿真协议、交互协议和场景管理协议等。在使用过程中，可以根据不同的用户程序类型，组合使用以上多种协议，图（5）即为一个例子。

图（5） 不同的客户需要使用不同的协议

分布式虚拟现实系统的应用

分布式虚拟现实系统在远程教育、科学计算可视化、工程技术、建筑、电子商务、交

互式娱乐、艺术等领域都有着极其广泛的应用前景。利用它可以创建多媒体通信、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区全新的应用系统。典型的应用领域有：

教育应用

把分布式虚拟现实系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、化合物分子结构显示等领域，由于数据更加逼真，大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习兴趣，学习效果十分显著。同时，随着计算机技术、心理学、教育学等多种学科的相互结合、促进和发展，系统因此能够提供更加协调的人机对话方式，

工程应用

当前的工程很大程度上要依赖于图形工具，以便直观地显示各种产品，目前，CAD/CAM已经成为机械、建筑等领域必不可少的软件工具。分布式虚拟现实系统的应用将使工程人员能通过全球网或局域网按协作方式进行三维模型的设计、交流和发布，从而进一步提高生产效率并削减成本。

商业应用

对于那些期望与顾客建立直接联系的公司，尤其是那些在他们的主页上向客户发送电子广告的公司，Internet具有特别的吸引力。分布式虚拟系统的应用有可能大幅度改善顾客购买商品的经历。例如，顾客可以访问虚拟世界中的商店，在那里挑选商品，然后通过Internet办理付款手续，商店则及时把商品送到顾客手中。

娱乐应用

娱乐领域是分布式虚拟现实系统的一个重要应用领域。它能够提供更为逼真的虚拟环境，从而使人们能够享受其中的乐趣，带来更好的娱乐感觉。

虚拟现实技术的进一步展望

正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。

它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等〖7〗。我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题，还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。我们期待这有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。

参考文献

汪成为，高文，王行仁. 灵境（虚拟现实）技术的理论、实现及应用 清华大学出版社

1996.

2．Earnshaw R A，et al， Virtual Reality System Academic Press，1993

曾建超，俞志和. 虚拟现实的技术及其应用清华大学出版社，1996

Bejczy A K Virtual Reality in Robotics. ISBN：0-7803-3685-2/96 1996 IEEE：7-14

5．Jacobson L. Garage Virtual Reality. Sams Publishing，1994

6．Wodaski R Virtual Reality Madness. SAMS Publishing， 1993

7．Wexelblat A Virtual Reality：Applications and Explorations. Boston，MA：Academic Press

Professional, 1993

8．Wickens C D Virtual Reality and Education. In：Proceedings of IEEE International

Confernce on

Systems,Man and Cybernetics. New York, NY：IEEE，1992