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，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等。下面對這些技術分別加以說明。
壹，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，但是這裏的關鍵是實時。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，再加上非常復雜的虛擬環境，問題就變得相當困難。
二，廣角（寬視野）的立體顯示
人看周圍的世界時，由於兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子裏融合起來，就形成了壹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。用戶的兩只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。有的系統采用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡後，壹只眼睛只能看到奇數幀圖像，另壹只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壹個位置與姿態，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，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系起來，感覺更逼真。另壹個優點是，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，鍵盤和鼠標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鼠標的平面運動映射成三維空間的任意運動。已經有壹些設備可以提供六個自由度，如3Space數字化儀和SpaceBall空間球等。另外壹些性能比較優異的設備是數據手套和數據衣。
三，立體聲
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，因為聲音到達兩只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制的不同聲音來實現的，所以會有壹種方向感。現實生活裏，當頭部轉動時，聽到的聲音的方向就會改變。在VR系統中，聲音的方向與用戶頭部的運動無關。
四，觸覺與力覺反饋
在壹個VR系統中，用戶可以看到壹個虛擬的杯子。妳可以設法去抓住它，但是妳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。解決這壹問題的常用裝置是在手套內層安裝壹些可以振動的觸點來模擬觸覺。
五，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”和復雜性。例如，連續語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，同壹詞、同壹字的發音受前後詞、字的影響，不僅不同人說同壹詞會有所不同，就是同壹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。
虛擬現實技術特征及其系統的關鍵技術
從本質上說,虛擬現實就是壹種先進的計算機用戶接口,它通過給用戶同時提供諸如視、聽、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段、最大限度地方便用戶的操作,從而減輕用戶的負擔、提高整個系統的工作效率。因此虛擬現實技術具有以下四個重要特征。
（壹）多感知性
所謂多感知性就是指導包括視覺感知外, 還包括聽覺、力覺、觸覺和運動感知、甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。
（二）存在感
又稱臨場感,它是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達到使用戶難以分辨真假的程度。
（三）交互性
它是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)。我們借助與我們8的感覺器官,在虛擬的環境中體驗真實的環境。
（四）自主性
是指虛擬環境中物體依據物理定律進行動作的程度。虛擬現實系統的關鍵技術主要由動態環境建模技術、實時三維圖形生成技術、立體顯示和傳感器技術、應用系統開發工具和系統集成技術等五個方面組成。其中動態環境建模技術的目的是根據應用的需要獲取實際環境的三維數據, 並利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。而三維圖形的生成技術關鍵是如何實現“實時”生成。立體顯示和傳感器技術是虛擬現實中實施交互能力的關鍵。
虛擬現實技術的應用
虛擬現實技術的應用極為廣泛，Helsel與Doherty在1993年對全世界範圍內已經進行的805項虛擬現實研究項目作了統計，結果表明：在娛樂、教育及藝術方面的應用占據主流，其次是軍事與航空，醫學，商業，另外在可視化計算、制造業等方面也有相當的比重。下面簡要介紹其部分應用。
（1）醫學 虛擬現實技術應用大致上有兩類。壹是虛擬人體，也就是數字化人體，這樣的人體模型醫生更容易了解人體的構造和功能。另壹是虛擬手術系統，可用於指導手術的進行。
（2）娛樂、藝術與教育 豐富的感覺能力與3D顯示環境使得虛擬現實技術成為理想的視頻遊戲工具。由於在娛樂方面對虛擬現實的真實感要求不是太高，故近些年來虛擬現實技術在該方面發展最為迅猛。如Chicago（芝加哥）開放了世界上第壹臺大型可供多人使用的虛擬現實娛樂系統，其主題是關於3025年的壹場未來戰爭；英國開發的稱為“Virtuality”的虛擬現實遊戲系統，使該系統獲該年度虛擬現實產品獎；
（3）軍事與航天工業 模擬與練壹直是軍事與航天工業中的壹個重要課題，這為虛擬現實技術提供了廣闊的應用前景。利用虛擬現實技術模擬戰爭過程已成為最先進的多快好省的研究戰爭、培訓指揮員的方法。戰爭實驗室在檢驗預定方案用於實戰方面也能起巨大作用。1991年海灣戰爭開始前，美軍便把海灣地區各種自然環境和伊拉克軍隊的各種數據輸入計算機內，進行各種作戰方案模擬後才定下初步作戰方案。後來實際作戰的發展和模擬實驗結果相當壹致。
（4）商業 虛擬現實技術常被用於推銷。例如建築工程投標時，把設計的方案用虛擬現實技術表現出來，便可把業主帶入未來的建築物裏參觀，如門的高度、窗戶朝向、采光多少、屋內裝飾等，都可以感同身受。它同樣可用於旅遊景點以及功能眾多、用途多樣的商品推銷。因為用虛擬現實技術展現這類商品的魅力，比單用文字或圖片宣傳更加有吸引力。
（5）科技開發 虛擬現實技術可縮短開發周期，減少費用。例如克萊斯勒公司1998年初便利用虛擬現實技術，在設計某兩種新型車上取得突破，首次使設計的新車直接從計算機屏幕投入生產線，也就是說完全省略了中間的試生產。 由於利用了卓越的虛擬現實技術，使克萊斯勒避免了1500項設計差錯，節約了8個月的開發時間和8000萬美元費用。利用虛擬現實技術還可以進行汽車沖撞試驗，不必使用真的汽車便可顯示出不同條件下的沖撞後果。
在虛擬現實技術已經和理論分析、科學實驗壹起，成為人類探索客觀世界規律的三大手段。用它來設計新材料，可以預先了解改變成分對材料性能的影響。在材料還沒有制造出來之前便知道用這種材料制造出來的零件在不同受力情況下是如何損壞的。
以上僅列出虛擬現實技術的部分應用前景，可以預見，在不久的將來，虛擬現實技術將會影響甚至改變我們的觀念與習慣，並將深入到人們的日常工作與生活。
虛擬現實技術的進壹步展望
虛擬現實從其萌芽到今天的日漸成熟已經走過了相當長的壹段風雨歷程。它的研究內容涉及到多項學科領域。我們同時也認識到,這個領域的技術具有巨大的潛力和廣闊的應用前景。
客觀而論,虛擬現實技術研究的內容還僅僅限於擴展了計算機的接口能力和剛剛涉及到人的感知系統和肌肉系統與計算機的結合作用問題,還根本未涉及“人在實踐中得到的感覺信息是怎樣在人的大腦中存儲和加工處理成為人對客觀世界的認識”這壹重要過程。只有當真正開始涉及並找到對這些問題的技術實現途徑時,人和信息處理系統間的隔閡才有可能被徹底的克服了。我們期待這有朝壹日,虛擬現實系統成為壹種對多維信息處理的強大系統,成為人進行思維和創造的助手和對人們已有的概念進行深化和獲取新概念的有力工具。
我們相信隨著計算機技術和網絡技術的飛速發展,計算機3D運算能力和網絡帶寬大大提高,虛擬現實在生產生活中的應用將日益廣泛。
虛擬現實仿真
1.實物虛化
實物虛化主要包括基本模型構建、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤和視點感應等關鍵技術，這些技術使得真實感虛擬世界的生成、虛擬環境對用戶操作的檢測和操作數據的獲取成為可能。
（1） 基本模型構建技術
基本模型的構建是應用計算機技術生成虛擬世界的基礎，它將真實世界的對象物體在相應的三維虛擬世界中重構，並根據系統需求保存部分物理屬性。深度創藝的模型構建首先是要建立對象物體的幾何模型，確定其空間位置和幾何元素的屬性並通過GIS數據或者遙感來增強虛擬環境的真實感，並在虛擬環境中遵循壹定的運動和動力學規律。當幾何模型和物理模型很難準確地刻畫出真實世界中存在的某些特別對象或現象時，可根據具體的需要采用壹些特別的模型構建方法。
（2）空間跟蹤技術
虛擬環境的空間跟蹤主要是通過頭盔顯示器、數據手套(DATAGLOVE)，立體眼鏡，數據衣等交互設備上的空間傳感器，確定用戶的頭、手、軀體或其他操作物在三維虛擬環境中的位置和方向。跟蹤系統壹般由發射器、接收器和電子部件組成。深度創藝的跟蹤系統有電磁、機械、光學、超聲等幾類。數據手套是VR系統常用的人機交互設備，它可測量出手的位置和形狀從而實現環境中的虛擬手及其對虛擬物體的操縱。Cyber Glove通過手指上的彎曲、扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關節的位置和方向。
(3）聲音跟蹤技術
利用不同聲源的聲音到達某壹特定地點的時間差、相位差、聲壓差等進行虛擬環境的聲音跟蹤是深度創藝為客戶打造實物虛化的重要組成部分。聲音跟蹤壹般包括若幹個發射器、接受器和控制單元。它可以與頭盔顯示器相連，也可以與數據衣、數據手套等其他設備相連。
（4）視覺跟蹤與視點感應技術
實物虛化的視覺跟蹤技術使用從視頻攝像機到X-Y平面陣列，周圍光或者跟蹤光在圖像投影平面不同時刻和不同位置上的投影，計算被跟蹤對象的位置和方向。視覺跟蹤的實現必須考慮精度和操作範圍間的折衷選擇，采用多發射器和多傳感器的設計能增強視覺跟蹤的準確性，但使系統變得復雜並且昂貴。深度創藝的視點感應是必須與顯示技術相結合的，采用了多種定位方法（眼罩定位、頭盔顯示、遙視技術和基於眼肌的感應技術），可確定用戶在某壹時刻的視線。例如將視點檢測和感應技術集成到頭盔顯示系統中，飛行員僅靠“註視”就可在某些非常時期操縱虛擬開關或進行飛行控制。
2.虛物實化
確保用戶在虛擬環境中獲取視覺、聽覺、力覺和觸覺等感官認知的關鍵技術，是虛物實化的主要研究內容。
（1）視覺感知
虛擬環境中大部分具有壹定形狀的物體或現象，可以通過多種途徑使用戶產生真實感很強的視覺感知。CRT顯示器、大屏幕投影、多方位電子墻、立體眼鏡、頭盔顯示器（HMD）等是VR系統中常見的顯示設備。不同的頭盔顯示器具有不同的顯示技術，根據光學圖像被提供的方式，頭盔顯示設備可分為投影式和直視式。能增強虛擬環境真實感的立體顯示技術，可以使用戶的左、右眼看到有視差的兩幅平面圖像，並在大腦中將它們合成並產生立體視覺感知。頭盔顯示器、立體眼鏡是兩種常見的立體顯示設備。深度創藝基於激光全息計算的立體顯示技術、用激光束直接在視網膜上成像的顯示技術正在研究之中。
（2）聽覺感知
聽覺是僅次於視覺的感知途徑，虛擬環境的聲音效果，可以彌補視覺效果的不足，增強環境逼真度。
（3）力覺和觸覺感知
能否讓參與者產生“沈浸”感的關鍵因素之壹是用戶能否在操縱虛擬物體的同時，感受到虛擬物體的反作用力，從而產生觸覺和力覺感知。由於人的力覺感知非常敏感，壹般精度的裝置根本無法滿足要求，而研制高精度力反饋裝置又相當困難和昂貴，這是人們面臨的難題之壹。如果沒有觸覺反饋，當用戶接觸到虛擬世界的某壹物體時容易使手穿過物體。深度創藝解決這種問題的有效方法是在用戶的交互設備中增加觸覺反饋。觸覺反饋主要是基於視覺、氣壓感、振動觸感、電子觸感和神經肌肉模擬等方法來實現的。
3.高性能計算處理技術
虛擬現實是以計算機技術為核心的現代高新科技，高性能的計算處理技術是直接影響系統性能的關鍵所在。具有高計算速度，強處理能力，大存儲容量和強聯網特性等特征的高性能計算處理技術是深度創藝研究的主要內容。
4. 分布式虛擬現實
分布式虛擬現實的研究目標是建立壹個可供多用戶同時異地參與的分布式虛擬環境，處於不同地理位置的用戶如同進入到壹個真實世界，不受物理時空的限制，通過姿勢、聲音或文字等“在壹起”進行交流、學習、研討、訓練、娛樂，甚至協同完成同壹件比較復雜的產品設計或進行同壹艱難任務的演練。深度創藝分布式虛擬現實的研究有兩大陣營。壹個是國際互聯網上的分布式虛擬現實，如基於VRML標準的遠程虛擬購物。另壹個是在由軍方投資的高速專用網，如采用ATM技術的美國軍方國防仿真互聯網DSI。
目前我國三維虛擬現實技術的實現手段多是采用同期國外現成的三維圖形引擎進行二次開發。比較流行，相對效率較高的三維圖形引擎主要有Vega、Vegaprim、Vtree、Virtools、Quest3D等。Vega系列的引擎的設計層次太多，直接導致了頂層系統難以直接有效的發揮硬件圖形設備的特性，而使其運行隨著數據量的增加變得異常緩慢。
仿真技術的應用在軍事與航天工業、城市規劃與經營、建築設計、房地產開發、科技館、博物館、專業展示館、產品的設計與展示、古文化遺產還原以及保護、模擬訓練設備、遊戲、娛樂等眾多領域中。
除此之外，虛擬現實技術在航天、通信、交通、醫療、教育、藝術、體育、分子化學、科學計算可視化等多個領域都有廣泛的應用。我們甚至可以大膽的預測，在不久的將來虛擬現實技術將滲透到所有與信息系統相關的學科和領域。
虛擬現實技術及其發展前景
虛擬現實（Virtual Reality，VR）是計算機網絡世界的熱點之壹，在社會生活的許多方面有著非常美好的發展前景，更是數字地球概念提出的依據和基礎技術。
虛擬現實是計算機模擬的三維環境，是壹種可以創建和體驗虛擬世界（Virtual World）的計算機系統。虛擬環境是由計算機生成的，它通過人的視、聽、觸覺等作用於用戶，使之產生身臨其境的感覺的視景仿真。它是壹門涉及計算機、圖像處理與模式識別、語音和音響處理、人工智能技術、傳感與測量、仿真、微電子等技術的綜合集成技術。用戶可以通過計算機進入這個環境並能操縱系統中的對象並與之交互。三維環境下的實時性和可交互性是其主要特征。
虛擬現實不是真的，也不是現實，它只是壹個在桌面上可實時地做交互式三維圖形用戶界面的工具。就像窗口系統及鼠標驅動用戶界面壹樣，虛擬現實可使得運用計算機更加有效、透明。根據設計者的構想，用戶可以沈浸到數據空間中，將用戶在壹定時間內與現實環境相隔離，然後投入到可實時交互的虛擬環境中，並且駕馭其中的數據，使人有壹種身臨其境的感覺。
虛擬現實界面的數據交互工具是壹項正在發展中的技術，它的目的是使信息系統盡可能地滿足人的需要，人機的交互更加人性化，用戶可以更直接地與數據交互。除了傳統的顯示器、鍵盤、鼠標、遊戲桿外，儀器手套（Instrumented glove）、數據手套（Data Glove）、立體偏振眼鏡，就是這類產品。立體視覺的產品還有頭盔式顯示器（HMD）、液晶快門眼鏡（Liquid Crystal shutter glasses）。據報道，處於實驗室研究階段的VR設備有沈浸式VR系統，加入了如HMD、多個大型投影式顯示器，甚至增加觸覺、力感和接觸反饋等交互式設備，更有人大膽預言會向全身數據服裝的方向發展。
虛擬現實的應用領域十分廣泛，主要在工程設計、計算機輔助設計（CAD）、數據可視化、飛行模擬、多媒體遠程教育、遠程醫療、藝術創作、遊戲、娛樂等方面。
Web的出現更使虛擬現實技術引起人們普遍的關註。人們對它寄予厚望，希望利用這個技術使世界各地的人，可以在三維環境下交流。多個用戶可以進行基於文本的或是聲音技術的閑談，在網上建立壹個真正的三維社區已不再只是夢想中的事。
VRML是面向對象的壹種語言，它類似Web超級鏈接所使用的HTML語言，也是壹種基於文本的語言，並可以運行在多種平臺之上，只不過能夠更多地為虛擬現實環境服務。它提供對三維世界及其內部基本對象的描述，如球體、平面、圓錐、圓柱、立方體等，並把他們同二維的頁面鏈接起來，是壹種非常簡潔的高級語言。最新的VRML2.0版除了提供VRML 1.0版的基本功能外，最主要的特點是加入了行為功能和多用戶環境，使Web網上的三維世界動起來了。另外，它將支持動畫、交互性、與JAVAScript和JAVA的集成及聲音。VRML的出現，是由於當代網絡技術與虛擬現實技術的迅猛發展的需要，它使得Web的頁面不再局限於二維空間。VRML增加動作、動畫模擬、傳感器和聲音後，網絡站點創作人員可以制作規模大、交互性強的三維應用程序。
虛擬現實發展前景十分誘人，而與網絡通信特性的結合，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。它是壹項發展中的、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壹同學習、討論、遊戲，就像在現實生活中壹樣。使用網絡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。因為數字地球帶給我們的是壹個絢麗多彩的三維的世界!
憧憬未來總是令人興奮，它會引發人們的美夢般的遐想。數字地球如夢想插上科學的翅膀，使我們感到並不是遙不可及，甚至其中的壹部分雛形已經應用到我們的現實生活中。