虛擬實境系統的分類有哪些

4種類型：1、沉浸式虛擬實境系統，提供一個完全沉浸的體驗，使用戶有一種彷彿置身於真實世界之中的感覺。 2.桌面式虛擬實境系統，使用個人電腦和低階工作站來產生三維空間的互動場景。 3.增強式虛擬實境系統，允許使用者對現實世界進行觀察的同時，將虛擬影像疊加在真是物理物件之上。 4.分散式虛擬實境系統，一個在網路的虛擬世界中，位於不同實體位置的多個使用者或虛擬世界透過網路連接共享資訊的系統。

本教學操作環境：windows7系統、Dell G3電腦。

隨著電腦科技、網路科技、人工智慧等新科技的高速發展及應用，虛擬實境技術也發展迅速，並呈現多樣化的發展趨勢，其內涵也已大大擴展。虛擬實境技術不僅指那些採用高檔視覺化工作站、高檔頭盔式顯示器等一系列昂貴設備的技術，而且包括一切與其相關的具有自然互動、逼真體驗的技術與方法｡

虛擬實境技術的目的在於達到真實的體驗和基於自然的交互，而一般的單位或個人不可能承受昂貴的硬體設備及相應軟體的價格，因此我們說只要是能達到上述部分目的的系統就可以稱為虛擬實境系統。

在實際應用中，我們根據虛擬實境技術對「沉浸性」程度的高低和互動程度的不同，劃分了4種典型類型：沉浸式虛擬實境系統、桌面式虛擬實境系統、增強式虛擬實境系統、分散式虛擬實境系統。

其中桌上型虛擬實境系統因其技術非常簡單，實用性強，需投入的成本也不高，在實際應用上較為廣泛｡

1 、沉浸式虛擬實境系統

沉浸式虛擬實境系統(Immersive VR)是一種進階的、較理想的虛擬實境系統，它提供一個完全沉浸的體驗，使用戶有一種彷彿置身於真實世界之中的感覺。它通常採用洞穴式立體顯示裝置或頭盔式顯示器等設備，首先把使用者的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，並提供一個新的、虛擬的感覺空間，利用空間位置追蹤器、數據手套、三維滑鼠等輸入設備和視覺、聽覺等設備，使用戶產生一種身臨其境、完全投入和沈浸於其中的感覺｡

沉浸式虛擬實境系統具有以下5個特點：

1）高度即時效能

沉浸式虛擬實境系統中，要達到與真實世界相同的感覺，必須具有高度即時效能。如當人頭部轉動改變觀察點時，空間位置追蹤設備須及時檢測到，並且由計算機進行運算，改變輸出的相應場景，要求必須有足夠小的延遲，而且變化要連續平滑。

2）高度的沉浸感

沉浸式虛擬實境系統採用多種輸入與輸出設備來創造一個虛擬的世界，並使用戶沉浸其中，營造一個「看起來像真的、聽起來像真的、摸起來像真的、嗅起來像真的、嘗起來像真的」多感官的三維虛擬世界，同時使用戶與真實世界完全隔離，不受外面真實世界的影響，可產生高度的沉浸感。

3）良好的系統整合度與整合效能

為了實現使用者產生全方位的沉浸，就必須要多種裝置與多種相關軟體互動，且彼此之間不能有影響，所以系統必須有良好的整合效能｡

4）良好的開放性

虛擬實境技術之所以發展迅速是因為它採用其他先進技術的成果。在沉浸式虛擬實境系統中要盡可能利用最先進的硬體設備、軟體技術及軟體，這就要求虛擬實境系統能方便地改進硬體設備及軟體技術，因此必須以比以往更靈活的方式建構虛擬實境系統的軟、硬體結構體系。

5）能同時支援多種輸入與輸出設備並行工作

為了實現沉浸性，可能需要多個設備綜合應用，如用手拿一個物體，就必須要數據手套、空間位置追蹤器等設備同步運作。所以說同時支援多種輸入/輸出設備的平行處理是實現虛擬實境系統的必備技術。常見的沉浸式虛擬實境系統有基於頭盔式顯示器的系統、投影式虛擬實境系統、遠端存在系統。

基於頭盔式虛擬實境系統是採用頭盔顯示器來實現單一使用者的立體視覺輸出、立體聲音輸入的環境，可使用戶完全投入。它把現實世界與之隔離，使用戶從聽覺到視覺都能投入虛擬環境中去。投影式虛擬實境系統是採用一個或多個大螢幕投影來實現大畫面的立體視覺效果和立體聲音效果，使多個使用者俱有完全投入的感覺。

遠端存在系統是一種遠端控制形式，也稱為遙控作業系統。它由人、人機介面、遙控操作機器人組成。實際上是遙控操作機器人取代了計算機，這裡的環境是機器人工作的真實環境，這個環境是遠離用戶的，可能是人類無法進入的工作環境，如核環境、深海工作環境等，這時透過虛擬現實系統可使人自然地感受這種環境，完成此環境下的工作。

2、桌面虛擬實境系統

桌面式虛擬實境系統(Desktop VR)也稱為視窗虛擬實境系統，是利用個人電腦或初級圖形工作站等設備，以電腦螢幕作為使用者觀察虛擬世界的一個窗口，採用立體圖形、自然互動等技術，產生三維立體空間的交互場景，透過包括鍵盤、滑鼠和力矩球等各種輸入設備操縱虛擬世界，實現與虛擬世界的互動。

桌面式虛擬實境系統一般要求參與者使用空間位置追蹤器和其他輸入設備(如資料手套和6個自由度的三維空間滑鼠)，使用戶雖然坐在顯示器前，但可以透過電腦螢幕觀察360°範圍內的虛擬世界。在桌面式虛擬實境系統中，電腦的螢幕是使用者觀察虛擬世界的一個窗口，在一些虛擬實境工具軟體的幫助下，參與者可以在模擬過程中進行各種設計。

使用的硬體設備主要是立體眼鏡和一些互動設備(如資料手套和空間追蹤設備等)。立體眼鏡用來觀看電腦螢幕中的虛擬三維場景的立體效果，它所帶來的立體視覺能使用戶產生一定程度的沉浸感。有時為了增強桌面虛擬實境系統的效果，在桌面虛擬實境系統中還可以藉助於專業的投影設備，達到增大螢幕範圍及多人觀看的目的。

桌上型虛擬實境系統主要有以下3個特點：

1）使用者處於不完全沉浸的環境，缺乏完全沉浸、身臨其境的感覺，即使戴上立體眼鏡，他仍然會受到周圍現實世界的干擾；

2）對硬體設備要求極低，有的簡單型甚至只需要計算機，或者增加數據手套、空間跟踪設置等；

3）由於桌面式虛擬實境系統實現成本相對較低，應用相對比較普遍，而且它也具備了沉浸性虛擬實境系統的一些技術要求。

桌面式虛擬實境系統採用設備較少，實現成本低，對於開發者及應用者來說，應用桌面式虛擬實境技術是從事虛擬實境研究工作的初始階段。

3、擴增式虛擬實境系統（沉浸式虛擬實境系統）

在沉浸式虛擬實境系統中強調人的沉浸感，即沉浸在虛擬世界中，人所處的虛擬世界與現實世界隔離，看不到真實的世界也聽不到真實的世界。而增強式虛擬實境系統（Augmented VR）既可以允許使用者看到真實世界，同時也可以看到疊加在真實世界上的虛擬對象，它是把真實環境和虛擬環境組合在一起的一種系統，既可減少構成複雜真實環境的開銷（因為部分真實環境由虛擬環境取代），又可對實際物體進行操作（因為部分物體是真實環境），真正達到了亦真亦幻的境界。在增強式虛擬實境系統中，虛擬物件所提供的資訊往往是使用者無法憑藉其自身感覺器官直接感知的深層訊息，使用者可以利用虛擬物件所提供的資訊來加強現實世界中的認知。

增強式虛擬實境系統主要具有以下3個特點：

1）真實世界與虛擬世界融為一體；

2）具有即時人機互動功能；

3）真實世界和虛擬世界是在三維空間中整合的。

增強式虛擬實境系統可以在真實的環境中增加虛擬物體，如在室內設計中，可以在門、窗上增加裝飾材料，改變各種式樣、顏色等來審視最後的效果以達到擴增實境的目的。

增強式虛擬實境系統常見的有：基於桌上型圖形顯示器的系統、基於單眼顯示器的系統(一個眼睛看到顯示器上虛擬世界，另一隻眼睛看到的是真實世界)、基於光學透視頭盔顯示器、基於視訊透視頭盔顯示器的系統。

目前，擴增實境系統常用於醫學視覺化、軍用飛機導航、設備維護與修理、娛樂、文物古蹟的復原等。典型的實例是醫生在進行虛擬手術中，戴上可視性頭盔式顯示器，既可看到做手術現場的情況，也可以看到手術中所需的各種資料。

4、分散式虛擬實境系統

近年來，電腦、通訊科技的同步發展和相互促進成為全世界資訊科技與產業快速發展的主要特徵。特別是網路技術的快速崛起，使得資訊應用系統在深度和廣度上發生了本質性的變化，分散式虛擬實境系統(Distributed VR)是一個較為典型的實例。分散式虛擬實境系統是虛擬實境技術和網路技術發展和結合的產物，是一個在網路的虛擬世界中，位於不同實體位置的多個使用者或多個虛擬世界透過網路連結共享資訊的系統。

分散式虛擬實境系統的目標是在「沉浸式」虛擬實境系統的基礎上，將分佈在不同地理位置上的多個使用者或多個虛擬世界透過網路連接在一起，使每個使用者同時參與到一個虛擬空間，電腦透過網路與其他使用者進行交互，共同體驗虛擬經歷，以達到協同工作的目的，它將虛擬實境的應用提升到了一個更高的境界。

虛擬實境系統運作在分散式系統下有兩方面的原因：一方面是充分利用分散式電腦系統提供的強大運算能力；另一方面是有些應用本身俱有分散特性，如多人透過網路進行遊戲和虛擬戰爭模擬等。

分散式虛擬實境系統有以下特點：

• 1）各使用者俱有共享的虛擬工作空間；

• 2）偽實體的行為真實感；

• 3）支援即時交互，共享時鐘；

• ##4）多個使用者可以各自不同的方式相互通訊；

• 5）資源資訊共享以及允許使用者自然操縱虛擬世界中的物件。

根據分散式系統所運行的共享應用系統的個數，可以把分散式虛擬實境系統分成集中式結構和複製式結構兩種。集中式結構是指在中心伺服器上運行一份共享應用系統，該系統可以是會議代理或對話管理進程，中心伺服器對多個參與者的輸入/輸出操作進行管理，允許多個參與者資訊共享。集中式結構的優點是結構簡單，同時，由於同步操作只在中心伺服器上完成，因而比較容易實現。缺點是：由於輸入和輸出都要對其他所有的工作站廣播，因此，對網路通訊頻寬有較高的要求，而且所有的活動都要透過中心伺服器來協調，當參與者人數較多時，中心伺服器往往會成為整個系統的瓶頸。

另外，由於整個系統對網路延遲十分敏感，並且高度依賴中心伺服器，所以，這種結構的系統堅固性不如複製式結構。複製式結構是指在每個參與者所在的機器上複製中心伺服器，這樣每個參與者程序都有一份共享應用系統。伺服器接收來自其他工作站的輸入訊息，並將訊息傳送到運行在本地機上的應用系統中，由應用系統進行所需的計算並產生必要的輸出。

複製式結構的優點是所需網路頻寬較小。由於每個參與者只與應用系統的局部備份進行交互，所以，交互式響應效果好，而且在局部主機上生成輸出，簡化了異種機環境下的操作，複製應用系統仍然是單線程，必要時把自己的狀態多點廣播到其他使用者。

其缺點是：它比集中式結構複雜，在維護共享應用系統中的多個備份的資訊或狀態一致性方面比較困難，需要有控制機制來保證每個用戶得到相同的輸入事件序列，以實現共享應用系統的所有備份必須同步，且使用者接收到的輸出應具有一致性。

目前最典型的應用是SIMNET系統，SIMNET由坦克模擬器透過網路連接而成，用於部隊的聯合訓練。透過SIMNET，位於德國的模擬器可以和位於美國的模擬器運作在同一個虛擬世界，參與同一場作戰演習。

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