視景模擬

視景模擬(Visual Simulation)是一種基於可計算信息的沉浸式交互環境，具體地說，就是採用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定範圍的虛擬環境，用戶藉助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互作 用、相互影響，從而產生“沉浸”於等同真實環境的感受和體驗。其作為計算機技術中最為前沿的應用領域之一，它已經廣泛應用於虛擬現實、模擬駕駛、場景再現、城市規劃及其它應用領域。計算機模擬又稱全數字模擬，是根據相似原理，利用計算機來逼真模仿研究系統中的研究對象，將研究對象進行數學描述，建模編程，並且在計算機中運行實現．作為計算機模擬的組成部分，視景模擬採用計算機圖形圖像技術，根據模擬的目的．構造模擬對象的三維模型並再現真實的環境，達到非常逼真的模擬效果．

目前，視景模擬技術在我國已廣泛應用於各種研究領域：軍事演練、城市規劃模擬、大型工程漫遊、名勝古迹虛擬旅遊、模擬訓練以及互動式娛樂模擬等．視景模擬技術對作戰裝備的使用效果有很好的實時顯示，給人以強烈的視覺上的衝擊，對提高武器裝備的性能、研製效率有著重要的作用．

多感知性（Multi-Sensory）——所謂多感知是指除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現實技術應該具有一切人所具有的感知功能。由於相關技術，特別是感測技術的限制，目前虛擬現實技術所具有的感知功能僅限於視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等幾種。

浸沒感（Immersion）——又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在於模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創建的三維虛擬環境中，該環境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現實世界中的感覺一樣。

交互性（Interactivity）——指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感覺，並可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動。

構想性（Imagination）——強調虛擬現實技術應具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認知範圍，不僅可再現真實存在的環境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境。

一般來說，一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、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統、以方位跟蹤器、數據手套和數據衣為主體的身體方位姿態跟蹤設備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統等功能單元構成。

視景模擬是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術，廣角（寬視野）立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網路傳輸、語音輸入輸出技術等。下面對這些技術分別加以說明。

實時三維計算機圖形技術

相比較而言，利用計算機模型產生圖形圖像並不是太難的事情。如果有足夠準確的模型，又有足夠的時間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這裡的關鍵是實時。例如在飛行模擬系統中，圖像的刷新相當重要，同時對圖像質量的要求也很高，再加上非常複雜的虛擬環境，問題就變得相當困難。

廣角（寬視野）的立體顯示

人看周圍的世界時，由於兩隻眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子裡融合起來，就形成了一個關於周圍世界的整體景象，這個景象中包括了距離遠近的信息。當然，距離信息也可以通過其他方法獲得，例如眼睛焦距的遠近、物體大小的比較等。

在VR系統中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩隻眼睛看到的不同圖像是分別產生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統採用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一隻眼睛只能看到奇數幀圖像，另一隻眼睛只能看到偶數幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產生了立體感。

用戶（頭、眼）的跟蹤：在人造環境中，每個物體相對於系統的坐標系都有一個位置與姿態，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來確定的。

跟蹤頭部運動的虛擬現實頭套：在傳統的計算機圖形技術中，視場的改變是通過滑鼠或鍵盤來實現的，用戶的視覺系統和運動感知系統是分離的，而利用頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統和運動感知系統之間就可以聯繫起來，感覺更逼真。另一個優點是，用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認識環境，而且可以通過頭部的運動去觀察環境。

在用戶與計算機的交互中，鍵盤和滑鼠是目前最常用的工具，但對於三維空間來說，它們都不太適合。在三維空間中因為有六個自由度，我們很難找出比較直觀的辦法把滑鼠的平面運動映射成三維空間的任意運動。現在，已經有一些設備可以提供六個自由度，如3Space數字化儀和SpaceBall空間球等。另外一些性能比較優異的設備是數據手套和數據衣。

人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強度的差別來確定聲音的方向，因為聲音到達兩隻耳朵的時間或距離有所不同。常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄製的不同聲音來實現的，所以會有一種方向感。現實生活里，當頭部轉動時，聽到的聲音的方向就會改變。但目前在VR系統中，聲音的方向與用戶頭部的運動無關。

觸覺與力覺反饋

在一個VR系統中，用戶可以看到一個虛擬的杯子。你可以設法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，並有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺。

語音輸入輸出

在VR系統中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環境能聽懂人的語言，並能與人實時交互。而讓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有其“多邊性”和複雜性。例如，連續語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，同一詞、同一字的發音受前後詞、字的影響，不僅不同人說同一詞會有所不同，就是同一人發音也會受到心理、生理和環境的影響而有所不同。

使用人的自然語言作為計算機輸入目前有兩個問題，首先是效率問題，為便於計算機理解，輸入的語音可能會相當啰嗦。其次是正確性問題，計算機理解語音的方法是對比匹配，而沒有人的智能。

視景模擬發展前景十分誘人，而與網路通信特性的結合，更是人們所夢寐以求的。在某種意義上說它將改變人們的思維方式，甚至會改變人們對世界、自己、空間和時間的看法。它是一項發展中的、具有深遠的潛在應用方向的新技術。利用它，我們可以建立真正的遠程教室，在這間教室中我們可以和來自五湖四海的朋友們一同學習、討論、遊戲，就像在現實生活中一樣。使用網路計算機及其相關的三維設備，我們的工作、生活、娛樂將更加有情趣。

憧憬未來總是令人興奮，它會引發人們美夢般的遐想。城市規劃、建築等各個領域的模擬如夢想插上科學的翅膀，使我們感到所有的這一切並不是遙不可及，甚至其中的一部分雛形已經應用到我們的現實生活中。

視景模擬向人們描繪了未來的生活片段，很美妙。由此用戶也可以發揮自己豐富的想象力，在我們的電腦前就可以實現與大西洋底的鯊魚嬉戲；參觀非洲大陸的天然動物園；感受古戰場的硝煙與刀光劍影；發幽古思今之情；還可以體驗開國大典的莊嚴和東方巨人站立起來的壯志豪情……

我們相信社會的發展和技術的創新使這一切在世界的任何地方都能做到，再不需等待可望而不可及的將來，或許就在今天。